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1 前言

對于舊樓改造或舊橋評估來講，由于歷史原因常缺少準確的地質、結構設計、施工或驗收檢測等相關資料。特別是隱蔽工程的地下樁基礎，由于其與上部結構相連接，其樁身完整性無法采用常規的低應變反射法進行檢測。到目前為止，尚未尋找到有效的測試方法，成為公認地工程難題之一。近年來美國工程技術人員提出基樁雙速度測試和分析技術，為既有基礎下基樁樁身完整性檢測帶來希望。通過不斷改進測試方法，克服實際工況條件下不利因素，勢必會成為解決這一難題的有效方法。

 2 基本原理

當既有基礎下基樁樁頂與上部結構相連且樁長未知時，采用應力波反射法測試有兩個復雜因素無法回避：（1）樁身平均波速未知，影響樁長的確定；（2）由于應力波本質是縱波，縱波屬于體波。對于既有結構下基樁，縱波在結構交界面處或樁頂處會產生極為復雜應力波，不僅產生下行波，而且產生上行波。這些次生的反射波必須要識別出來，避免與樁身阻抗變化或樁底引起的上行反射波混淆。為此引入雙速度測試方法，沿樁側安裝兩個加速度傳感器，同時采集兩個加速度信號，通過計算可以確定兩個傳感器間樁身平均速度以及從實測波形中分離出上行應力波。

雙速度測試方法用于既有結構下樁身完整性測試原理為在樁身側面距離樁頂z1和z2處分別安裝兩個加速度計A1和A2。測試時在A1之上某一位置沖擊樁身，可以得到A1和A2兩條速度曲線，如圖1所示。A1和A2曲線中包含了上行波和下行波速度。圖中顯示了應力波傳播路徑及兩道速度隨時間的變化，其中L表示樁長，c表示樁身平均波速，應力波沿樁身傳到樁底的時間為L/c，樁底反射波到達A1處時間為2L/c。時間t1和t2分別是A1和A2下行應力波的到達時間，而t3和t4分別是A2和A1上行應力波（樁底反射波）的到達時間。

2.1 平均波速的確定

由于實測了兩個速度曲線，可采用下式計算樁身平均波速

                                         (1)

式中：c―樁身平均波速；

―加速度傳感器A1和A2之間的已知距離（z2-z1）；

 
―到達加速度傳感器A1和A2的時間差（t2-t1或t4-t3）

圖1 雙速度測試示意圖

2.1.1手動分析

利用t2-t1代替式（1）中的，得到

                                  (2)

當t1、z1和z2不變時，改變波速將影響t2和傳播線傾角。正確的波速應使下行應力波傳播線通過沖擊脈沖的起點，上行應力波傳播線通過樁底反射的起點。手動調整波速，使得應力波以合理的傳播途徑穿過四個時間t1、t2、t3和t4。

2.1.2自動分析

如圖2所示，固定A1速度曲線（實線曲線），沿時間軸向右移動A2速度曲線（虛線曲線）。如果A1和A2間距和波速正確，兩條速度曲線的樁底反射時間應該相同。若波速和兩傳感器間距不正確，將不能自動使兩個樁底反射峰重疊。調整波速（或兩傳感器間距）使兩個樁底反射時間相同，由此得到樁身平均波速。

圖2 自動確定平均波速

2.1.3互相關分析

利用互相關分析方法計算樁身平均波速。如圖3（a）所示，固定A2速度曲線（虛線曲線），沿時間軸移動A1速度曲線（實線曲線），直到找到與A2速度脈沖匹配的時間，如圖3（b）所示，然后利用式（1）計算波速。

圖3 互相關分析確定平均波速 (a)實測速度曲線 (b)互相關曲線

2.2上行應力波

    在基樁動測技術中，無論是高應變法還是低應變法，上行應力波是最為重要的。因為只有上行應力波才能反映樁身阻抗變化或土阻力變化信息，因此上行應力波是有效波。對于既有結構下基樁完整性來講，獲得上行應力波更為重要。

舉一個簡單的例子，樁頂上部存在一個承臺基礎，承臺頂部允許敲擊，樁身上只安裝一個加速度傳感器，如圖4所示。使用手錘敲擊承臺頂部。由速度記錄可觀察到如下反射信號：（1）由沖擊作用產生的下行應力波；（2）由承臺界面反射形成的下行應力波；（3）由缺陷反射形成的上行應力波；（4）由承臺界面反射形成的下行應力波；（5）由樁底反射形成的上行應力波。其中缺陷反射的上行波（3）和樁底反射的上行波（5）是有效波，而沖擊作用和承臺界面引起的下行波是需要加以區分的。

為了將上行應力波分離出來，Johnson et al.(1996)^[1]給出下行波速度計算公式：

            (3)

    式中：―傳感器Ax處t 時刻的實測速度；

          ―傳感器Ax處t 時刻計算的下行波速度；

          ―應力波由傳感器A1到A2的傳播時間。

上行波速度可由下式計算：

                              （4）

式中：―傳感器Ax處t 時刻的計算的上行波速度。

圖4 應力波在承臺下帶有缺陷的樁身中傳播路徑

3 實例分析

試樁為一橫截面積25.4cm×25.4cm，樁長12.2m的預制混凝土樁。兩個加速度傳感器A1和A2分別安裝在樁頂以下4.57m和5.18m處。沖擊位置在樁頂以下3.96m處。如圖5所示。敲擊后，產生兩個應力波,一個向上傳播稱為“應力波1”，另一個向下傳播稱為“應力波2”。

圖5 試樁的應力波傳播圖

“應力波1”向上至樁頂反射，“應力波2”向下至樁底反射。A1處觀測到的速度變化包括：（1）“應力波2”的沖擊脈沖；（2）“應力波1”的樁頂反射；（3）“應力波2”的樁底反射；（4）“應力波1”的樁底反射；（5）“應力波2”的樁頂反射；（6）“應力波1”的樁頂反射；（7）“應力波2”的樁底反射。對測試來講，有效波是來自樁底的反射（3）、（4）和（7）的上行波。圖6為A1處的實測曲線。若無樁長和樁身結構資料很難從曲線中辨別出樁底反射。

圖6 A1處實測曲線

A1和A2處的實測速度曲線如圖7（a）所示，其中實線為A1速度曲線，虛線為A2速度曲線；計算的上行波速度曲線如圖7（b）所示，可以看出有三個主要反射峰，分別位于7.6m、11.6m和19.8m處。顯然，位于7.6m處的第一個主反射是樁底反射。如果只使用A1，則很難確定樁底反射位置，甚至可能將3.5m的反射誤以為缺陷。

圖7上行波計算曲線 (a)實測速度曲線 (b)計算的上行波速度曲線

4 結論

理論和實踐證明，采用雙速度分析技術測試既有基礎下基樁完整性是行之有效的方法。為測試既有基礎下基樁樁身平均波速和提取上行應力波提出了新思路。然而需要提醒的是既有基礎形式各異，工礦條件非常復雜，有時敲擊點選擇很困難，影響實測曲線質量。特別是

A2處實測信號容易受到各種因素干擾，對平均波速的準確確定和上行波計算造成影響。當然傳感器間距、標定系數、采樣頻率等也都會影響測試精度。這些問題還需實踐中不斷總結經驗，結合具體情況調整和改善測試方法，克服實際工況條件下的不利因素，這一方法必將得到認可和廣泛應用。

參考文獻

[1]Johnson, M., and Rausche, F., (1996), “Low Strain Testing of Piles Utilizing Two Acceleration Signals,” StressWave 1996, Orlando, FL, p.859-869