應力波反射法判定缺陷程度的量化計算

陳仕坤

（廣東惠和工程檢測有限公司 廣東廣州 510410）

1 缺陷程度的量化計算

假設樁在x～x+△x處有一理想缺陷段[1]，見圖1，樁頂入射波為V0，缺陷透射波為V。樁身缺陷界面Ⅰ（上界面）的入射波為Vi，反射波為Vr，樁身阻抗為Z1，缺陷段阻抗為Z2，阻抗比即樁身完整性系數）[2]。

圖1 樁身缺陷

當樁頂入射波V0沿著樁身向下傳播[3-4]，樁身材料阻尼引起的阻力波幅值衰減符合指數規律，樁身阻尼系數為a，樁周土阻力引起的阻力波導致的速度衰減值為Vs1，令e-αx=φ則有：

其中：x——缺陷位置到樁頂的距離；

C——波速；

△t——缺陷反射波與樁頂入射波峰的時間差。

當反射波Vr沿著樁身向上傳播[3-4]，樁身材料阻尼引起的阻力波幅值衰減符合指數規律，樁身阻尼系數為a，樁周土阻力引起的阻力波導致的速度衰減值為Vs2，并注意到樁頂為自由端，速度加倍，則有V=2×（αx-Vs2）=2×（φVr-Vs2），則：

②當不考慮樁周土對應力波傳播的影響時，即是Vs1=0，Vs2=0，則：

③不考慮樁身阻尼對應力傳播的影響時，即是φ=1，則：

④不考慮樁周土對應力波傳播的影響且不考慮樁身阻尼對應力傳播的影響時，即是 Vs1=0，Vs2=0，φ=1，則 Vi=V0，Vr=0.5V，β==-1，其中 n=，引用DBJ 15-60—2019《建筑地基基礎檢測規范》高應變判定樁身完整性判定依據得表1所示。

表1 依據缺陷透射波速度V與樁頂入射波V0的比值n判定樁身完整性

表2 依據缺陷透射波速度V與樁頂入射波V0的比值n判定樁身完整性

許多檢測領域的同行在判定缺陷反射波的幅度時，直接采用缺陷透射波速度V（陷透射波速度V未進行指數放大）與樁頂入射波V0的比值確定，認為有以下觀點：①當=0時，為Ⅰ類樁；②當0＜時，為Ⅱ類樁；③當時，為Ⅲ類樁；④當時，為Ⅳ類樁。雖然界限數值和表1比較接近，但筆者認為上述觀點并無嚴格的理論及實踐依據，表1的界限數值0.222、0.5已經導致樁身缺陷程度被輕判，若采用界限數值則樁身缺陷程度更被輕判，檢測結果嚴重失真，故對上述觀點持否定態度。

2 工程實例

實例1：一根有缺陷的樁，樁身應力波波速為C=4000m/s，質量密度2.4t/m3，樁面傳感器測得的反射波時域曲線如圖2所示。

圖2 樁面傳感器測得的反射波時域曲線

入射波（半正弦脈沖）V1=V0e-αx，t∈[0，1]ms，V0=2mm/s

缺陷反射波（半正弦脈沖）V2=V0sinωt∈[10，11]ms

假設樁周土阻力和樁身材料阻尼引起的阻力波幅值衰減符合指數規律a=0.02/m，（x為應力波行進的距離）[3]。請結合高應變判定樁身完整性判定依據，不考慮其他因素，純粹量化判斷樁身完整性類別。

實例2：一根有缺陷的樁，樁身應力波波速為C=4000m/s，質量密度2.4t/m3，樁面傳感器測得的反射波時域曲線如圖3所示。

圖3 樁面傳感器測得的反射波時域曲線

入射波（半正弦脈沖）V1=V0sinωt，t∈[0，1]ms，V0=2mm/s

不考慮樁周土阻力和樁身材料阻尼對應力波的影響。請結合高應變判定樁身完整性判定依據，不考慮其他因素，純粹量化判斷樁身完整性類別。

由于缺陷反射波（半正弦脈沖）V2=V0sinωt，則樁面傳感器測得的速度幅值為V0=×2=0.25mm/s

由于缺陷反射波（半正弦脈沖）V2=1V0sinωt，則樁面傳感器測得的8速度幅值為V0=×2=0.25mm/s

3 結語

本文判定缺陷程度的量化計算亦存在局限性：①樁周土阻力引起的阻力波導致的速度衰減值Vs、樁身材料阻尼系數a目前研究不足，特別對于多層樁周土時，試圖量化樁周土阻力引起的阻力波導致的速度衰減值Vs會存在較大的困難[5]；②缺陷段長度△x太小，則界面Ⅱ（下界面）產生的壓縮波，削弱界面Ⅰ（下界面）產生的拉伸波，導致無法準確判斷界面Ⅰ（下界面）的缺陷程度；③樁身缺陷段△x上下附近位置存在其他缺陷時，動測儀采集間隔過大，也導致無法準確判斷界面Ⅰ（下界面）的缺陷程度。