模型樁多波檢測的對比研究

楊曉峰， 劉東甲， 盧志堂， 陶 俊， 姚 輝

（合肥工業大學 資源與環境工程學院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

在低應變動力測樁的理論研究中，對樁的軸向動力響應研究［1－6］比較廣泛和深入，工程應用中低應變檢測的反射縱波法因其經濟、輕便快捷而被廣泛采用，但是縱波法也有不足之處：首先其理論基礎是一維線彈性桿的波動理論，當樁長和樁身直徑的比值不夠充分大時，將會出現明顯的三維效應，可能導致檢測結果誤判；對于樁的淺部缺陷問題，縱波法有時難以判別，文獻［2］指出，樁的淺部有嚴重缺陷且激勵脈沖較寬時，波形主要表現出大振幅、低頻寬幅擺動性狀，缺陷以上樁身段的波動性狀不明顯，甚至不能判別出來。

然而，對樁頂作用一沖擊扭矩，獲得樁頂瞬態扭轉動力響應或在樁頂側面施加瞬態沖擊力，獲得樁頂瞬態橫向動力響應的研究日趨成熟。文獻［7］給出層狀土中多缺陷樁在樁頂沖擊扭矩作用下樁頂扭轉響應的解析解，并把樁的扭轉振動與縱向振動進行對比，研究了扭轉波的部分特征。文獻［8］用有限差分方法給出了層狀不均勻土中非完整樁在瞬態激振力矩作用下扭轉振動響應。文獻［9］基于Biot動力固結理論，研究了樁周徑向非均勻飽和土體的扭轉振動問題。

對于樁的橫向振動研究，文獻［10］研究了層狀土中有限長樁在樁頂受到橫向簡諧力作用時樁的簡諧振動，文獻［11］把樁身當作Bernoulli－Euler梁，樁周土當作 Winkler地基，解析地研究了均勻土中完整樁樁頂受到橫向沖擊荷載時樁的瞬態橫向動力響應。文獻［12］分別把樁身當作Bernoulli－Euler梁和Timoshenko梁，得到了不均勻土中非完整樁樁頂受到橫向沖擊荷載時的瞬態橫向振動問題的解析解。本文將用縱波、扭轉波和橫波3種方法檢測模型樁的完整性，并用有限差分方法對3種波在樁中的傳播問題分別進行數值模擬。

1 實驗設備與測試方法

實驗設備采用武漢巖海公司的RS－1616K（s）基樁動測儀、加速度計、尼龍錘、黃油或者牙膏、低應變分析軟件等。

對合肥工業大學緯地樓前的模型樁進行縱波測試、扭轉波測試和橫波測試，其加速度計的位置及激振點位置分別簡述如下。

縱波測試：加速度計置于樁頂面0.5R（R為樁身半徑）處，并且加速度計軸線方向與樁頂面相垂直；用尼龍錘在樁頂面中心處進行激振。

扭轉波測試：加速度計平躺置于樁頂面，并且加速度計軸線方向與樁頂面半徑方向相垂直；用尼龍錘在樁頂側面激振，施力方向與加速度計軸線方向垂直。具體方法可參閱文獻［7］。

橫波測試：加速計置于樁頂側面，并且加速度計軸線方向與樁頂側面相垂直；用尼龍錘在樁頂另一側進行激振。

2 實驗結果與數值模擬

本次實驗的模型樁為人工挖孔混凝土灌注樁，樁徑0.8m，樁長7.0m，混凝土強度C25，樁身密度2 400kg／m3，泊松比0.27；場地土層，上部雜填土厚2m左右，下部樁周土與樁底土均為黏性土，黏性土密度1 700kg／m3，剪切波速120m／s，泊松比0.40。1＃樁為完整樁，2＃樁為非完整樁（淺部缺陷樁），在離地表1m左右設置縮徑缺陷。

分別針對樁頂受沖擊力后樁土系統的縱向振動、扭轉振動和橫向振動定解問題［8，12－13］，用有限差分方法編制程序，得到了樁頂的縱波、扭轉波和橫波瞬態振動速度響應。為了便于比較曲線的不同特征，實測曲線和計算曲線都經過歸一化處理。

2.1 完整樁多波實測曲線與數值模擬

圖1給出了低應變反射波法完整樁實測縱波波速、扭轉波波速、縱波波速隨時間的變化曲線，縱波采樣間隔為14μs，扭轉波和橫波采樣間隔為28μs。

圖1 完整樁實測縱波、扭轉波、橫波波速曲線

圖2給出了這3種波樁頂質點振動波速隨時間變化的數值計算的曲線。

圖1a中，縱波樁底反射波與入射波同相位，中間的反相位反射經分析是模型樁樁周土變硬所致。由武漢巖海公司低應變分析軟件（以下簡稱軟件）可觀察到，入射波峰值與樁底反射波峰值（以下均簡稱峰峰值）之間時間差約為3.58ms，縱波波速約為3 900m／s。對比圖2的縱波模擬曲線，其相位特征是一致的。

圖2 完整樁數值模擬曲線

圖1b中扭轉波形十分復雜，樁底反射波不容易斷定，但通過軟件可觀察到峰峰值時間差約為6.19ms，扭轉波波速約為2 260m／s。對比圖2，發現扭轉波樁底反射波與入射波同相位，這一特征與縱波相位特征類似，但是其樁底反射波到達時間比縱波的要延遲，驗證了扭轉波波速要低于縱波。

圖1c中橫波波形與縱波波形有很大的不同，樁底反射波先是一個反相位反射，接著是一個同相位反射。

對比圖2，實測波形和計算波形大體是一致的，不過，計算圖形有很多小的振蕩，在數值模擬中發現適當增大樁徑比，或者增大激振力作用時間，均可消除這些高頻振蕩。

2.2 非完整樁多波實測曲線與數值模擬

圖3分別給出了低應變反射波法淺部缺陷樁實測縱波波速、扭轉波波速、縱波波速隨時間的變化曲線，采樣間隔與完整樁情況相同。實測曲線中，入射波后面都有一個同相位的小峰，這便是淺部缺陷引起的反射，在軟件中可觀察到缺陷位置分別位于樁頂以下0.90、0.72、0.74m處，樁底反射波峰峰值時間差比完整樁要有所延長，分別約為3.95、7.0、7.11ms，這可能是因為樁身缺陷使得樁身的平均波速降低，且樁底反射波幅值比完整樁相應減小且變得平緩一些。

圖3 非完整樁實測縱波、扭轉波、橫波波速曲線

圖4給出了3種波樁頂質點振動波速隨時間變化的計算曲線。圖中箭頭由上至下分別指向橫波缺陷反射（R3）、扭轉波缺陷反射（R2）及縱波缺陷反射（R1），顯然R2要比R1和R3明顯，即扭轉波對淺部缺陷比較敏感，這可能是因為扭轉波波速比縱波小，使得淺部缺陷的盲區減小所致，再者，數值模擬中由于橫波檢測的激振方式和接收信號位置比較特殊，產生的入射波掩蓋了部分淺部缺陷，且橫波在樁基中的傳播機理和衰減相對更復雜些，還需要深入探究。計算的橫波波速曲線的樁底反射不如縱波和扭轉波明顯，過多的高頻成分影響了對橫波樁底反射的判斷，這是由于激振力作用時間較小時，加劇了一維桿的橫向尺寸效應［14－15］。

圖1～圖4中激振力作用時間為1ms，圖5給出了激振力為1.5ms時的完整樁與淺部缺陷樁的橫波計算曲線。圖5表明，雖然增大激振力作用時間可以減少橫向尺寸效應造成的高頻振蕩，但是卻掩蓋了淺部缺陷的一次反射波。

圖4 非完整樁數值模擬曲線

圖5 激振力為1.5ms時的2種樁的計算曲線

3 結 論

（1）完整樁多波檢測，扭轉波的激振比縱波和橫波要困難，對純扭轉波信號的獲取影響很大；扭轉波的樁底反射波相位和縱波類似，但是橫波樁底反射波先后出現2個相位，這在數值模擬結果中也得到了驗證。

（2）淺部缺陷樁檢測，缺陷反射導致樁底反射比完整樁延遲，幅值也變得平緩；橫波對缺陷有較明顯的反應，然而在數值模擬結果中，扭轉波對缺陷的反應最敏感；橫波的模擬效果不如縱波和扭轉波，樁底反射受高頻振蕩影響而難以識別。

（3）相同模擬條件下，橫波的橫向尺寸效應較明顯，適當增加長徑比或者增加激振力作用時間可以大大減小橫向尺寸效應，但是激振力時間的延長會掩蓋淺部缺陷一次反射波，造成對缺陷位置的誤判。

（4）由于扭轉波和縱波的傳播速度比縱波要低許多，對于一定程度的淺部缺陷更容易識別，但是扭轉波的激振麻煩，橫波受橫向尺寸的影響比縱波和扭轉都明顯，這限制了扭轉波和橫波在工程實踐中的推廣應用，目前可以作為縱波測試的一種重要輔助手段，這對提高低應變動力測樁資料解釋的可靠性將有一定的實際意義。

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