基于雙速度法的通信單管塔單樁基礎結構完整性檢測

李祥君，張 博

(中國通信建設集團設計院有限公司，北京 100176)

雙速度法是運用“一維波動理論”，通過加速度、速度、內力和阻抗等參數來分析樁基完整性的一種低應變測試方法[1]。該方法將樁基簡化為一根材料相同且均勻的連續直桿，通過敲擊樁頂使樁身中產生應力波，應力波在介質中傳播時會在阻抗變化界面生成反射波和投射波，樁身上的傳感器接收反射波信號，對接收到的反射波進行放大、降噪等處理，依據波形圖來分析判斷樁基完整性。使用該方法檢測通信單管塔單樁基礎時，單樁基礎樁頂以下1～3 m處存在大直徑的地腳螺栓以及上、下兩個定位盤，使得樁頂部分的反射波十分復雜，不利于檢測的分析與判斷；其優點在于，單管塔的單樁基礎一般為樁長6～12 m的剛性灌注樁，樁長穩定且已知，利用雙速度法測出波速后便可以計算出樁長[2]。

唐勇等[3]認為雙速度法可以應用于樁基檢測中，但在無承臺條件下的優勢不明顯。趙冉等[2]通過工程實例研究后認為雙速度法可以用于在役樁基的完整性檢測。楊芒生等[4]研究了輸電鐵塔基礎結構完整性檢測，認為可以通過上行波的特征判斷鐵塔基礎結構的完整性。雖然建筑及電力行業在低應變法的應用上已經有了很大的進展，但在通信行業尤其在單管塔單樁基礎方面還缺少相應的研究。

文章主要通過相關公式推導出相應的理論依據，對青海地區22座通信單管塔的單樁基礎進行現場完整性檢測，并與當地維護站的常規檢測結果進行對比，驗證雙速度法檢測通信單管塔單樁基礎結構完整性的可行性。

1 主要原理

1.1 低應變法基本原理

1.1.1 低應變法基本假設

分析時，有以下假設：① 樁為連續一維的均質彈性桿件；② 應力波傳播不受樁側土的影響；③ 樁在軸向變形時橫截面運動方式為平動，沿截面的軸向應力均勻分布；④ 入射波的波長遠大于樁的直徑，小于樁的長度。

1.1.2 低應變法公式推導

若基本假設成立，質桿變形時，質點位移L，波位移u、應變ε、質點速度v和應力σ都是關于x和t的函數。桿件受力分析模型如圖1所示。

圖1 桿件受力分析模型

在桿件上取微元dx，則微元dx所受到的外力F為

F=σE

(1)

根據牛頓定律和式(1)，可得

F=ma=AEε=AρdL·a

(2)

式中：E為樁的彈模；A為樁橫截面積；ρ為樁的體積密度；a為加速度。

根據胡克定律和運動關系，可得

(3)

(4)

根據式(3)和(4)推導，可得

(5)

(6)

根據式(2)和(5)推導，可得

(7)

(8)

根據“一維波動理論”建立微元dx的慣性力方程

(9)

(10)

根據式(8)和(9)可得

(11)

1.2 雙速度法的基本原理

雙速度法檢測原理如圖2所示，圖中樁長為L；K1、K2為加速度傳感器，深度分別為y1和y2；K3為缺陷，深度為y3，t1～t6分別為激振波被傳感器接收的時間節點；則有

圖2 雙速度法檢測原理示意

(16)

(17)

(18)

由于通信單管塔的單樁基礎長度大多為6～15 m，且一般為灌注樁，長度大多可以確定，可將測出的樁長L與設計圖紙中的樁長相比較，判斷c值的準確度。根據式(17)計算出缺陷位置后再根據儀器顯示的相應波形特征結合材料、施工工藝和順序等分析出缺陷的性質[5-12]。

2 檢測試驗

2.1 檢測背景

應海西鐵塔公司維護部的要求，對青海省海西蒙古族藏族自治州的22座鐵塔進行檢測。海西州為“三山(祁連山、昆侖山、阿爾金山)夾一盆(柴達木盆地)”地形，其境內鹽堿含量極高，以茶卡鹽湖及察爾汗鹽湖地區為最。高堿環境對建筑基礎的侵蝕破壞極大、極快，通信鐵塔設計服役年限為50 a，在此期間，一旦基礎被破壞，將對鐵塔造成致命威脅。檢測站點均位于茶卡鹽湖以及察爾汗鹽湖區域，服役年限均在10 a以上。雙速度法檢測與維護站的超聲波檢測將同時進行，超聲波檢測的結果將用于與雙速度法檢測結果相互驗證，保證檢測結果的準確性。

2.2 檢測結果與分析

采用RSM-PRT(M)型基樁低應變檢測儀，檢測時將一個傳感器置于樁頂，樁基礎側壁開挖0.3 m后放置第二個傳感器，加上樁外伸出地面的0.2 m，兩個傳感器的間距為0.5 m。其中茶卡鹽湖區域檢測14個基站，察爾汗鹽湖檢測8個基站，檢測基站分布如圖3所示。檢測儀器讀取數據與缺陷位置分析結果如表1所示。

圖3 檢測基站分布

表1 檢測儀器讀取數據與缺陷位置分析結果

如表1所示，檢測儀可讀取出波的時間節點，t1，t2為下行波經過兩傳感器的時間節點；t3，t4為由缺陷位置產生的反射波上行經過兩傳感器的時間節點；t5，t6為由樁底產生的反射波上行經過兩傳感器的時間節點。波速c可由儀器自動計算得出，樁長及缺陷位置可由數據導出后計算機分析得出。

用時間參數求出波速和樁長后，與設計樁長相比，誤差均在0.2 m內，說明采用雙速度法測量樁長是可行的。其中19號和20號基站的樁出現缺陷，筆者通過檢測數據計算出了缺陷位置，分別位于距離樁頂2.3 m和4.6 m處。

5號基站位于7號基站北側1.2 km處，維護人員同時進行超聲波檢測和雙速度法檢測，均未發現樁基異常。5號基站檢測波形如圖4所示，除因上部地腳螺栓部分造成的紊亂外，波形以平穩狀態緩慢減益，符合無損樁基的反射波形狀。

圖4 5號基站檢測波形

7號基站位于茶卡鹽湖，距離茶卡鹽湖中央湖區僅120米，服役時間超過10 a，為高45 m的單管景觀塔基礎，設計樁長為9.8 m，屬人工挖孔灌注樁，采用C30混凝土。維護站技術人員經超聲波及其他檢測辦法測得其距離樁頂2.35 m左右出現擴徑缺陷。7號基站檢測波形如圖5所示，發現上行波圖像出現明顯紊亂，經儀器降噪處理后測得缺陷位置在距離樁頂2.3 m處，與超聲波檢測結果誤差很小，基本可確認檢測結果準確。

圖5 7號基站檢測波形

20號基站位于察爾汗鹽湖，距離位于鹽湖中央湖區邊緣，服役時間為13 a，維護站確認其曾在春汛期間被鹵水淹沒。20號基站為高30米的景觀塔，設計樁長為7 m，屬人工挖孔灌注樁，采用C30混凝土灌注。維護站技術人員經超聲波檢測及其他檢測辦法發現距離樁頂4.6 m處出現離析與侵蝕缺陷。20號基站檢測波形如圖6所示，發現兩傳感器接收到的波形出現紊亂，上行波波形也出現明顯紊亂，說明檢測結果準確。

圖6 20號基站檢測波形

3 結論

通過推導雙速度法的原理并將雙速度法應用于上部結構復雜的通信單管塔單樁基礎的缺陷檢測，得出以下結論。

(1) 雙速度法測定樁長結果比較準確，可以根據圖紙雙向驗證波速。

(2) 雙速度法可以準確測定缺陷的位置，上部結構形成的干擾不影響檢測結果。