浅论桩基桩基低应变完整性测试双速度探微站

论文导读：
【摘要】低应变测试技术的基本原理是利用脉冲回波法和声波反射法，在一个桩基的表面安装一个加速度传感器，从信号的反射特征来判断桩基的质量问题。该测试技术不仅在测试钻孔灌注桩而且在测试打入桩的桩基完整性方面都得到了广泛的应用。这种技术最主要的就是对速度信号的正确判读，首先，桩基中混凝土的应力波速是一个重要的未知量，它将会对桩长的判断产生一定的影响。其次，在进行桩基测试过程中，桩本身分布不均匀或其可能与上部建筑物相连，导致桩中的应力波同时具备下行波和上行波。研究人员要将这两次反射现象很好的区分出来，避免对桩基完整性的判断出现误差。因此，通过双速度可以更好的测量桩基的完整性。
【关键词】桩基完整性；低应变测试；双速度
1. 前言
在对工程中的基桩进行质量检测时，一般采用低应变反射波法，这种方法与其它方法比较起来相对比较简单、直观，因此该测试技术不仅在测试钻孔灌注桩而且在测试打入桩的桩基完整性方面都得到了广泛的应用。桩基的低应变测试技术在世界上的很多国家都得到了广泛的应用，该方法只需在一个桩基的表面安装一个加速度传感器，并用手锤敲击桩顶，从信号的反射特征来判断桩基的质量问题。
建筑工程师可以通过该技术对模拟桩进行测试，以获得建筑桩所需要的各项数据。对于一根相对比较均匀的桩基来说，地面获得的反射是桩端的反射，在已知波速的情况下，通过该方法可以预测出未知桩的桩长。但是，如果桩的顶端处于被限制的情况下，用该技术进行测试就比较困难了。因此，经过科学家的努力，研发出了一套可以有效解决上述问题的新技术。该技术的是沿着桩身获得两个加速度信号，相应的对应着两个传感器的距离，通过这个过程可以很好的确定应力波的波速，进一步分析可以获得桩的长度。该技术对非均匀桩的测试也得到了很好的效果。

2. 低应变测试技术的原理

低应变测试技术的基本原理是在一个桩基的表面安装一个加速度传感器，并用手锤击打桩顶。当手锤击打桩顶时，会产生一个一维应力波，该波在桩基中以速度c（c2=E/ρ）进行传播。这个时候将在地面接收到的加速度信号有效的转换成速度信号，并在一定的时间区域上显示出来，通过对速度信号进行分析，从而对桩基的质量进行有效的评价。在进行桩基质量测定时，常常会因为土阻力和阻抗的变化而引起速度信号的改变。可以通过桩的截面积A乘上弹性模量E在除以应力波速度C，最后可以得到桩基的阻抗Z（即Z=EA/C）。导致桩基阻抗发生变化的因素很多，主要有混凝土的性质和质量和桩基截面积的变化等，桩阻抗的增加会导致桩顶实测速度信号的减弱，相反，则会导致桩顶实测信号的增强。
当桩的阻抗发生变化（从Z1-Z2）时，会导致部分应力波发生反射。当桩基的阻抗发生一定的变化时，入射波被认为是反射波的反函数，反射波与入射波的关系式如下：
Fd = Fi ×（2×Z2）/（Z1+Z2） （1）
Fu = Fi ×（Z2-Z1）/（Z1+Z2） （2）
上述公式中Fd为透射波，Fu为反射波，Fi为输入波。当一个桩的桩基是均匀桩时，规定Z1=Z2，此时的入射波在桩基中传播时不会发生改变。在桩基的顶端时，Z2=0，入射波会被完全反射回来，其值即为输入波Fi。
对于一个弹性的均匀桩基，从一维波动方程可知，其桩基上任何位置x，可以通过下式表示其任意时刻t的通解，
u（x，t）= f（x - ct）+ g（x + ct） （3）
在（3）式中，g（x + ct）是桩基的上行波，f（x - ct）是桩基的下行波。如果在桩基中某质点的运动速度为V，且该点的总应力被规定为σ，通过一定的叠加运算可以得到下式：
σ（x，t）=σ↓（x，t）+σ↑（x，t） （4）
V（x，t）= V↓（x，t）+ V↑（x，t） （5）
（4） 、（5）中的箭头表示波在桩基中的传播方向。
Henchoz和Lundberg在1977年就提出了上下行波可以测定桩身任意两个位置的应变情况。但是，现在的新技术与其相比有了很大的进步，现在的测试系统可以有效的将获得的加速度信号转化成相应的速度信号。此外，将公式（3）进行分析可以得到桩基中应力和质点速度的关系，其对应的关系式如下：
σ↓= ρCV↓ σ↑= -ρCV↑ （6）（7）
上式中ρ被规定为材料的质量密度
C被论文导读：基顶部传感器测得的速度曲线双速度传感器测得的曲线5.结束语通过对桩基进行低应变两点加速度测试，可以很好的获得桩基应力波和上下行速度波。通过对其进行分析可以对桩基的缺陷和完整性进行判断，并进一步求出桩基的长度。【参考文献】张灿辉，张建霖.桩基低应变完整性测试的多次波分析.厦门大学学报（自然
称为材料的应力波速度
通过两个传感器之间的距离和时间可以非常容易的确定应力波的波速V。由于桩基的应力与定值ρC成正比，与质点的速度也呈正相关。Henchoz和Lundberg将桩基的下行应力波转化为桩基的速度波，得到下式：
V↓（t）= V（t）- V（t-T）+ V↓（t-2T） （8）
式中 V（t）为传感器在时刻t得到的桩基实测速度
V↓（t）为传感器在时刻t得到的桩基实际速度
T为应力波在桩基中通过两个传感器的时间差
对于桩基中测得的上行速度V↑，可以用式（5）和（8）联合求得：
V↑（t）= V（t）- V↓（t） （9）
因此，对桩基的两个不同部位进行摘自：学报论文格式www.7ctime.com
测量，得到两个不同的加速度信号，可以通过这两个加速度信号求出桩基相应位置上的上下行速度分量。通过这些信号可以有效的判断出桩基的桩底反射和桩阻抗的变化情况。

3. 对模型桩进行低应变测试试验

对于一个4m长的模型桩，在模型桩上分别安装两个传感器，分别位于桩顶的0.5m和0.9m处。下图为桩的两个传感器位置测得的加速度信号，并进过一定的运算转化成的速度曲线。
速度曲线图
从上图可以清楚的看出，桩顶的脉冲波通过传感器向桩的下面传递，并经过一段时间后返回到原来的传感器位置。当入射波的传播距离超过两倍传感器以下长度时，桩上的每一个传感器都将桩底的反射记录了下来，曲线上标出的第二次输入脉冲表示的是桩基中的反射波反射到桩顶之后又通过桩基反射回来的结果。
从上图可以发现，Vel与V2之间的时间差△t与传感器之间的距离△L具有如下的关系式：
C = 2△L/△t （10）
由于桩基中两个传感器之间的距离是可以测量的，可以从曲线图上获得Vel与V2之间的时间差△t，这样通过一定的计算就可以求出波在桩基中的传播速度，进而可以计算出桩基的实际长度。
均匀桩的半正弦输入脉冲速度曲线
上图代表一个均匀桩的半正弦输入脉冲速度曲线，桩基顶部的脉冲通过桩基上的传感器向桩基的下面传递，并最终返回到桩基中传感器的位置。在图中的Vel1和Vel2曲线中，可以看出是一个脉冲波，其是反射波经过桩顶然后又经过传感器反射回来的结果。
非均匀桩的速度曲线
上图显示的是一个非均匀桩的速度曲线，在桩基的10.7m处，有一个桩基阻抗减少的面，大约减少了60%。由于桩阻抗的减少面出现在了桩长的1/2处，所以可以得出第二次阻抗减少面应该在距离桩顶的24.4m处。从图中的Vel1及对应的上下行曲线可以非常清楚的看出在30.5m处有明显的桩底反射现象。

4. 对桩基进行现场测试

为了更好的证实低应变测试技术的效果，我们在一个正在施工的建筑物中进行了15根桩基的双速度测试，结果显示该技术测试的结果与传统技术测试的结果比较吻合，基本上可以满足建筑行业的需求。测试结果如下图：
桩基顶部传感器测得的速度曲线
双速度传感器测得的曲线

5. 结束语

通过对桩基进行低应变两点加速度测试，可以很好的获得桩基应力波和上下行速度波。通过对其进行分析可以对桩基的缺陷和完整性进行判断，并进一步求出桩基的长度。
【参考文献】
张灿辉，张建霖.桩基低应变完整性测试的多次波分析[J].厦门大学学报（自然科学版），2005（2）.
蔡以智.桩基低应变完整性测试的双速度分析[J].中国测试技术，2004（2）.
[3]王磊.影响基桩低应变完整性测试效果的主要因素及其控制[J].商品与质量：学术观察，2012（5）.
[4]苏华.支持向量机在桩基低应变检测中的应用[J].土工基础，2009（2）.