基于激振頻率的樁基缺陷識別研究

谷學(xué)倩

【摘要】為準(zhǔn)確判斷樁基檢測中的樁基缺陷，本文采用理論分析與實驗研究的方法系統(tǒng)探討了樁身參數(shù)、樁身缺陷類型和分布，以及樁身邊界條件對低應(yīng)變反射影響的規(guī)律;研究表明：不同缺陷類型的檢測樁具有不同時域曲線特征，擴(kuò)頸處的波形變化，但是并無明顯的樁底反射;對于縮頸樁，隨著缺陷程度的減小，縮頸尺寸的增大，激振錘敲擊樁頂所產(chǎn)生的高頻成分也隨之增多離析處的反射波波形不規(guī)則，相位與入射波相同，但一般情況下反射不明顯。

【關(guān)鍵詞】激振頻率;樁基缺陷;損傷識別;時域曲線

1、引言

目前，基于激振頻率的低應(yīng)變反射是基樁完整性檢測的主要方法之一，已被廣泛應(yīng)用于各種工程的基樁完整性檢測之中。由于低應(yīng)變反射法檢測基樁完整性受樁身形狀、混凝土強度、鋼筋布置、樁周地質(zhì)條件的影響較大，所以極容易發(fā)生誤判，且目前低應(yīng)變反射波法缺乏系統(tǒng)的實驗研究，不能對樁的完整性定量的給予判定，容易給施工工程質(zhì)量埋下安全隱患。我國的樁使用量高達(dá)300萬根/年，隨著樁的使用數(shù)量增多，樁基質(zhì)量也受到了各相關(guān)建設(shè)單位的重視。據(jù)相關(guān)資料顯示，在國內(nèi)危害嚴(yán)重的缺陷樁高達(dá)10%～20%，在國外也約有5%～10%的比例。面對如此高比例的缺陷樁，樁基完整性檢測就顯得愈加重要。

本文基于激振頻率低應(yīng)變反射法檢測基樁完整性過程中存在的問題，通過模型試驗，研究了不同樁基缺陷及缺陷類型對低應(yīng)變反射特性的影響，提出了樁基缺陷的判定標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效解決樁基檢測中缺陷分布及類型診斷的準(zhǔn)確性。

2、實驗研究

現(xiàn)場制作擴(kuò)頸、縮頸、離析、斷樁、夾泥及完整樁等情況的模擬樁。完整樁的長度為2.1m，樁徑400mm。擴(kuò)頸部位位于樁身中間1/3樁長，擴(kuò)頸程度分別為：450mm、500mm、550mm。縮頸頸部位也位于樁身中間1/3樁長，縮頸程度分別為：350mm、300mm、250mm。斷樁部位在樁身0.7m和1.4m處。離析深度分別為5cm、10cm、15cm。通過錘子敲擊樁面，產(chǎn)生不同的激振脈沖，分析輸出信號。

實驗中，采用ZBL-P810基樁動測儀對混凝土樁的完整性進(jìn)行檢測。激振技術(shù)是反射波法檢測基樁完整性的重要環(huán)節(jié)之一，對不同長度、不同類型的基樁，需采用不同材料、不同能量的激振設(shè)備。一般大長樁用大力棒（能量大、頻率低），短細(xì)樁或測試淺部缺陷時用手錘（能量小，頻率高），介于中間的樁則可用小力棒（能量及頻率介于大力棒及手錘之間）。

3、實驗結(jié)果分析

不同類別缺陷樁會產(chǎn)生不同的時域曲線與頻域曲線，對這些波形曲線進(jìn)行細(xì)致的分析比較，會發(fā)現(xiàn)按缺陷程度和缺陷程度的不同，曲線都有所不同。本次試驗對不同程度擴(kuò)頸、縮頸及離析的缺陷樁的波形圖分析研究，歸納總結(jié)各缺陷樁的波形特點。

3.1 擴(kuò)頸對不同激振頻率響應(yīng)分析

鉆孔灌注樁在地下水位附近的松軟土層中，經(jīng)常發(fā)生擴(kuò)頸現(xiàn)象。擴(kuò)頸后樁身截面積增加，波形曲線上會出現(xiàn)與入射波相位相反的反射波。不同規(guī)格的缺陷樁波形曲線如圖1。

由圖1可知，當(dāng)擴(kuò)頸為450mm時，波形曲線上出現(xiàn)與入射波方向相反的反射波，符合擴(kuò)頸檢測波形特點，但是波形特征并不十分明顯;基頻f1大小約為頻差f2-f1的二分之一，通過對頻譜圖的觀察，當(dāng)使用鋁錘和鐵錘敲擊時，產(chǎn)生的激振頻率幅值較大，基頻相應(yīng)的幅值約是一階諧振峰的兩倍以上。對于鐵錘敲擊的時域波形曲線圖，在擴(kuò)頸0.7m處有與入射波相位相反的反射波相位產(chǎn)生，在擴(kuò)頸1.4m處有類似于縮頸的與入射波相位相同的反射波產(chǎn)生。能夠較明顯的看出缺陷樁類型。

3.2縮頸對不同激振頻率響應(yīng)分析

縮頸處截面積變小，波阻抗減小，應(yīng)力波遇到縮頸會產(chǎn)生于入射波相同的反射，波形比較規(guī)則，波速一般正常。由于阻抗減小不大，一般能看見樁底反射，若縮頸部位較淺，縮頸還會出現(xiàn)幾次反射，但是如果縮頸程度較嚴(yán)重，則難以看到樁底反射。不同縮頸樁激振時域曲線見圖2。

由圖2明顯看出在縮頸處有與入射波同向的反射波產(chǎn)生，但是樁底反射并不明顯。當(dāng)縮頸尺寸為350mm時，基頻大小約為頻差的三分之一，基頻幅值約為主頻的二分之一。在頻域圖中，諧振峰呈現(xiàn)較為平滑變化這一特點。當(dāng)縮頸樁的縮頸處截面積變小時，即存在波阻抗變化界面，這時在時域波形圖中能見到明顯的縮頸反射和樁底反射信號。在縮頸處有時還會出現(xiàn)幾次反射信號，其時間間隔基本相等，而反射信號相位與入射波相位相同。

3.3離析對不同激振頻率響應(yīng)分析

離析處介質(zhì)的波速和密度較正常混凝土，導(dǎo)致波阻抗降低，出現(xiàn)同相反射，這一點與縮頸類似。但是離析處的反射波形不規(guī)則，后續(xù)反射信號雜亂;計算的得到的波速偏小;一般不會掩蓋樁身以下部位出現(xiàn)的較大的第二缺陷信號。

由圖3可知，當(dāng)離析10cm時，基頻大小與頻差基本相等，在頻域圖中，鐵錘的敲擊效果最好，有很多的高頻信號產(chǎn)生，頻域曲線上的諧振峰也呈現(xiàn)較為平緩的衰減，而且激振頻率的幅值也較尖。在時域波形圖中，有明顯的離析反射特性，其波幅陡降，波頻也有所降低。離析處的反射波波形不規(guī)則，相位與入射波相同，但一般情況下反射不明顯。當(dāng)離析時，基頻大小與頻差基本相等，在頻域圖中，鐵錘的敲擊效果最好，有很多的高頻信號產(chǎn)生，頻域曲線上的諧振峰也呈現(xiàn)較為平緩的衰減，而且激振頻率的幅值也較尖。這說明在離析樁中，激振頻率衰減較快。隨著離析程度的不斷增大，激振頻率也隨之急劇衰減。

結(jié)論：

對于不同缺陷類型的檢測樁，有時時域曲線只能區(qū)分出擴(kuò)頸與縮頸，對于縮頸與離析、離析與斷樁則很難由時域曲線圖中區(qū)分，這就需要通過頻域曲線圖進(jìn)行進(jìn)一步辨別，由頻域圖可以看出擴(kuò)頸、縮頸及離析的頻譜特點如下：

（1）擴(kuò)頸：由時域圖能明顯看出擴(kuò)頸處的波形變化，但是并無明顯的樁底反射。基頻大小約為頻差的二分之一，基頻相應(yīng)的幅值約是一階諧振峰的兩倍以上。

（2）縮頸：縮頸處截面積變小，波阻抗減小，應(yīng)力波遇到縮頸會產(chǎn)生于入射波相同的反射，波形比較規(guī)則，波速一般正常。對于縮頸樁，隨著缺陷程度的減小，縮頸尺寸的增大，激振錘敲擊樁頂所產(chǎn)生的高頻成分也隨之增多。基頻幅值也隨著縮頸處直徑的增大而增大。

（3）離析：離析的時域圖在樁底并無明顯的樁底反射，波形并不規(guī)則，有與入射波同向的反射波產(chǎn)生，在樁身離析出也存在波阻抗變化界面。在時域波形圖中，有明顯的離析反射特性，其波幅陡降，波頻也有所降低。離析處的反射波波形不規(guī)則，相位與入射波相同，但一般情況下反射不明顯。離析樁中，激振頻率衰減較快。隨著離析程度的不斷增大，激振頻率也隨之急劇衰減。

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