预应力管桩低应变反射波法检测时的尺寸效应研究

第 26卷 2004年 第 3期 5月 岩 土 工 程 学 报 Chine~ Journal of Geotechnical Engineering Vo1．26 No．3 May． 2004 预应力管桩低应变反射波法检测时的尺寸效应研究 Dimension effect on low strain integrity testing of prestressed pipe piles 陈 凡，罗文章 (中国建筑科学研究院 地基基础研究所 ，北京 100013) 摘 要：通过数值计算与实验速度曲线的对比分析研究，提出_r计算不 点激励速度峰值时间差的关系式，并从振型的角度解释了 管桩顶面不同测点处高频干扰随加载脉冲变宽时的衰减现象．．本文还对缺陷管桩波形变化进行了一些研究。 关键词：管桩；应力波；高频干扰 中图分类号：TU 473 文献标识码：A 文章编号：1000—4548(2004)03—0353—04 作者简介：陈 凡(1957一 )，男，硕士，研究员，从事桩基动测研究。 CHEN Fan．LUO Wen．zhan g (Institute of Foundation Engineering，China Academy of Building Research，Beijing 100013，China) Abstract：Inthis paper，based onthe comparison and analysis of velocity curves gotfrom tests Of nurrm-ical calculation，aformulais obtainedfortime difference among the kudal velocity signals at different points．From the viewpoint ofvibration mode，the fact is explained that hi曲 frequency disturb- ing signals at different points are weakened and changed when the load irr~ se changes．At last some signals from defect pipe piles are studied． Key words：pipe pile；stress wave；hi曲 frequency disturbing signal (1)不考虑桩土相互影响，管桩为一不受任何约束 ^ 0 ‘- ●0●一 U 刖 吾 近十年来，预应力管桩在我国华南、华东等沿海地 区得到广泛应用。目前为检测其桩身完整性应用最多 的方法是低应变反射波法，其理论基础为一维弹性杆纵 波理论。采用一维弹性杆纵波理论需两方面的要求：① 入射波的波长必须足够大。一般要求其与桩直径的比 值大于 1O，此时可忽略桩的同一横截面上不同质点间运 动状态的差异，而认为各质点的运动状态完全一致 ，这 就是通常所说的平截面假设。②波长与桩长的比值又 必须足够小，否则桩身的运动状态更接近刚体，波动性 状不明显，不利于较浅部缺陷的定位。显然桩的横向、 纵向尺寸和激励脉冲波长的关系本身就是矛盾。这种 尺寸效应对不同横截面尺寸桩的影响需要研究。笔者 等利用有限单元法对匀质自由圆柱体并结合实验进行 了以下研究：①桩顶各点激励速度峰值时刻随其与圆心 敲击点距离不同而相应有一些滞后；②高频干扰波为桩 顶圆心与周边间来 回反射的剪切波并可能包含瑞利波 成分，波速介于二者间；③激励力脉冲宽度、桩径大小和 传感器安装位置等直接影响高频干扰波的强弱；①桩的 浅部有严重缺陷且激励脉冲较宽时，缺陷以上桩身段波 形传播性状不明显，波形主要表现出二阶单自由度质量 一 弹簧系统运动，即大振幅 、低频宽幅摆动性状 ～。 1 基本假设与计算模型 对于本文中的管桩，作如下假定 的匀质圆环柱体 ； (2)动力学基本方程中不考虑重力的影响； (3)忽略材料阻尼作用； (4)在脉冲荷载作用下，整个计算域内一直为弹性 状态。 对于本文而言，采用大小相对均匀的单元更能反 应应力波在本模型结构中的传播特性。我们利用四节 点四面体常应变单元对其空间域进行离散，其顶面单 元划分形式如图 1，并利用 Newmark方法求解相应运 动方程。 图 1 顶面单元划分形式 Fig．1 FEM mesh of pipe pile head 本文计算采用钟形力脉冲，我们把钟形力脉冲曲 线上幅度为该脉 冲最大幅度的 10％的两点之间的时 间差定义为该钟形力脉冲的宽度 。 收稿 日期：2003—05—20 维普资讯 http://www.cqvip.com 354 本程序首先以桩顶面受到而加载之情形进行了验 证，此时桩底反射速度峰幅值为初始激励速度峰幅值 的两倍。但在本文后续计算 中只研究点加载的情形 ， 为衰减掉因多边形代替圆周这种边界的改变而产生的 额外的高频干扰 ，故采用了数值阻尼．．当然，这对其它 高频干扰波和桩底反射峰值也有部分衰减作用一 2 应力波在管桩顶面的传播及其影响 文献[1]指出，在实心桩桩心实施敲击后，桩顶面 沿径向各点的起始速度峰幅值各异且不是同时达到最 大值 ，而是随着与敲击点的径向距离 r变化有一个时 间差△￡=r／c (式中 c 为表面波波速)，但经过2L／C 时间反射回桩顶面各点的速度峰不仅同幅，而且 同时 ， 见图 2。所以按入射峰 一桩底反射峰确定的波速比实 际的高，按“正确的波速”确定缺陷位置将比实际的浅 4 3 2 E 1 皇 = o 一 1 — 2 ～ 妻兰八 ’ r ～ ⋯ ’ ， s ／ V 图2 1．0 m直径实心桩不同半径上的计算速度曲线 (L=10．0 m) Fig．2 Computed velocity curve along radial distance of a pile with 1．0 m(L=10．0 In) 对于无限弹性固体中传播的两种波，即膨胀波和 畸变波，当其中任何一种波入射到两种介质的交界面 上时，同时将产生反射和折射，一般的情况下将产生四 种不同的波 J。对于管桩 ，由于内外两个侧而的存在， 受敲击后所产生的应力波(包括压缩波 、剪切波 、瑞利 波等)在 内外环的两个边 界面上有复杂的反射现象 我们实际所能测试到的速度峰值将是由激励所产生的 应力波和边界反射波 的叠加结果。图 3为 T =0．6 时的计算结果，它表明对于管桩 ，其结论和文献[1] 中关于实心桩的相应研究结果相似。 笔者通过对顶面所有点的计算结果分析发现，除 了加载点附近一定范围外，其它同角度的外侧点的激 励速度峰值时刻相对于内侧点而言有滞后 ，形式上表 现为波在沿环向传播的同时，也从内侧向外侧传播 它表明应力波在管桩表面的传播总体表现为其在沿环 中心线外侧的某个圆弧向前传播 由于各种波的波速 并不相 同，当较慢的应力波从一侧环 向还未传播到 180。点时 ，通过另一侧环向传播 的速度较快的应力波 2004往 已经通过 180~,点传过来。因而在 l80。点附近的一定范 围内，各种应力波的叠加现象将更为复杂 。这是导 致在 90。点或略大于 90。的位置激励速度峰值最小 ，而 远离加载点的 180~,点处激励速度峰值反而又偏大的原 因 实验中，由于管桩端头板 的影响 、边界条件 的改 变、计算与实验中泊松 比 v(本文 中为 0．2)的差别 以 及实验时数据采样时间间隔并非足够小等原因，叠加 后的波沿管桩环向的传播表现为匀速。 图 3 +8ooX 110 mm管桩各测点处计算速度 曲线 (L =13 0 m) Fig．3 Computed velocity curve at different points of a pipe pile with+8oo X 110 mm(L=13．0 m) 3 传感器安装位置与加载脉冲宽度对 高频干扰波的影响 一 般我们均知道桩在受激励后有纵向振动，其振 型对应频率为： nC ／ ， 瓦 式中 C和 L分别表示桩身纵波波速 和桩长。实际 上，在管桩产生纵向振动的同时 ，也会产生径向振动 、 扭转振动、弯曲振 动等 ，这些振动均有 自己对应 的振 型 所有被激励的振型均会对实测的速度时域曲线及 其频谱产生影响，而这些振型的叠加将导致管桩顶面 不同位置受到的高频干扰不同。 文献[1]指出，对于实心桩 ，当桩顶圆心在集中力 脉冲的作用下时，距桩心不同距离的点上所感受的高 频干扰的频率一样，但速度振幅不同(见图 2)，高频干 扰振幅的最小点约在距桩心 2R／3处，而对于同一位置 激励脉冲变宽，高频干扰减弱。 对于管桩 ，根据实际 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 及有关试算结果 ，作者选 择的用作对比的测点见图 1。q,8oo×110 ITUn管桩的有 限元计算结果见图3，由该图可以看出，各测点处高频 干扰波振幅也不 同，同时 45。、135。和 180。三点的频率 基本相同，而90。点处的频率相对于它们三点而言高出 约一倍，图 4为 9()。和 135~, 处的相应速度曲线频谱 。 图 5为 q,8oo×1 10 1TUn管桩在两测点 的实验速度曲线 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 3期 陈 儿，等 琐应力僻傩低 变反射波法检测时的尺寸效应研究 355 及相直频谱 。由于数值阻尼的影响，图 4中仅 出现 一 个高频共振峰。从振型的角度理解 ，作者认为，纵向振 动的振型决定其频谱中的基频，如图4中所示为 162 H2，这与实心桩情况相 同。在已知桩长的情况下 ，可 利用基频及公式(1)推算纵波波速 C 至于对高频T 扰的影响 ，在径 向振动(可能还有 它形式振动的叠 加)振型作用下，管桩 90。点在叠加后的第一阶振型处 表现为驻点，而其它三点均受第一阶振型影响，因而任 90。点更容易消除或减弱高频干扰。在实际检测 中一 般采用较宽的激励脉 冲，以使所有振型均不被激励出 来。图 6与图 7为 同一根管桩 的实 测结 果 住图 6 中，如上所述 ，90。点的高频干扰频率显然较 45。点更 高。当敲击加一层垫时，所有的高频_丁扰均消失，如图 7。若用 厂表示第一阶振型对应频率值，作者发现，管 桩外径大小对 厂值影响较大 ，管壁厚薄也有影响 外 径越大，管壁越薄，厂值越小，亦即在相同脉冲荷载作 用下，大 口径管桩的第一阶振型更易被激励。这也是 实际检测大直径管桩时为减少高频干扰获得更好信号 需要加锤垫或用软锤头的原因。需要特别指 出的是 ， 各种实际被激励的振型叠加后对实测结果的影响很复 杂，管桩的端头板，实验传感器的安装条件，实验时加 载是否垂直于管桩顶面以及实际的边界条件等诸多因 素对实验结果都会产生一定影响，、 图4 怊00×110 ITlm管桩在90。、135。的 计算速度曲线频谱 Fig．4 Frequenc) spectrum of computed vP】o(‘itx Ctll've at 90~and 135。points of a pipe pile with moo×110 I]31"gl 在数值上，利用上述影响高频干扰的第一阶振犁 所对应的频率 厂可求得波沿环外侧传播的总平均速 度，它与瑞利波波速相差不大。若忽略速度的径 向不 均匀性 ．并且认为波沿管桩环向的传播是匀速的，9{JJ管 桩不同角度点起始速度峰值时刻可表示为式(3)、 f= C ／2nR ， (2) f：￡ +(fJ兀 ／180CR)： t +(01360f)， (3) 1000 2000 3000 4OOO 5000 Hz (a)90‘点 I O w [1[~ 2 375 Hz ，、 ，、 H 0 1000 2000 3O00 4OO0 5000 Hz (b)135 点 图5 +8oo×l10 H1n 管桩在不同测点的实验速度 曲线及频谱(L：13．0 n1) ig．5 Measured velocity cllrve and its frequency spectrum at different points of a pipe pile with moo×l10 mm(L=13．0 I／1) l0 7．5 一 5 l 2．5 三 0 — 2·5 — 5 — 一 图6 夺400×90 mm管桩在 45。和 90~点的实验速度 对 比曲线(L=8．0 I／1) Fig．6 Comparison of measured velocity curves at 45。and 90~ points of a pipe pile with ×90mm(L=8．0 I／1) 图7 似00×90 film管桩在45。和 90~点的实验 速度对比曲线(L=8．0 m) F 7 Comp~ n of measured velocity curves at 45。and 90~po ints of a pipe pile with ×90m~(L=8．0 m) 式 中 =( 。+尺2)／2；t0，R．，R2，0和 cR分别表示管 桩加载点起始速度峰值 时刻 、外径 、内径 、接受点与加 载点相应于圆心的夹角和瑞利波波速。对于 +80o× 维普资讯 http://www.cqvip.com 356 2004正 110 mill的管桩 ，取 厂=1170 Hz，利用式(3)可算得相距 90。的两点激励速度幅值时刻差为 0．：25 IlLS，实验中管 桩 45。～135。两点间实测时间差为0．：25 IllS或 0．30 ms， 二者比较吻合。 在实际应用 中，我们常利用桩长 及激励与反射 之间的时间差 △￡，根据 C=2L／At来计算桩身内一维 纵波波速。必要时可利用式 (3)对 △f进行修正 ，以获 得更准确的一维纵波波速 ，尽管实际检测时一般不进 行此种修正。 4 桩身缺陷情况下的反射信号变化 我们以 怊O0×l10 mill(6．0 n )管桩 为例 管桩在 3．0 n 处有缩颈现象，面积减少占总断面面积的 78％， 缩颈处长度为 0．20 m。图 8给出其 T =0．9 IllS时 90。 处的计算速度曲线和相应完整桩情况的对比。这里需 要注意四点 ：①由于前述的应力波沿管桩顶面环向的 传播使9o。处激励峰值相对加载点处而言有滞后，若不 进行相应修正，将导致所判缺陷深度偏浅；②若为影响 深度范围内的浅部缺陷，正如陈凡等在研究实心桩时 指出的那样 ，此时不能再延用建立在一维应力波理论 基础上的评判准则来计算缺陷位置；③由于缺陷的存 在，应力波因为绕行，其传播距离略有延长，故其桩底 反射信号相对完整桩时略有滞后，这和文献[1]关于实 心桩的相应结果相同；④本文中的数值阻尼对桩底反 射峰有一些减弱作用，如图 8中的完整桩，其 2L／C桩 底反射峰值与入射峰值之比并不等于 2，而是偏小 对于局部缺陷，管桩在 3．0 I11处缺失一半 ，即面积 减少占总断面面积的 50％，缺陷处长度为 0．20 I11。我 们将敲击点分别定于缺陷正上方、偏 9o。、偏 180。处 ，通 过对距敲击点9o。处的计算速度曲线的分析发现，当选 定两点一为敲击点另一为接收点时 ，无论在哪点敲击， 另一点接收的信号相差不大。敲击点、接收点分别为 缺陷正上方、缺陷正上方偏 9o。处时，其计算速度 曲线 和完整桩情况的对比见图 9曲线 l，而敲击点 、接收点 分别为缺陷正上方 9o。、缺陷正上方偏 180。处时，则 见 图9曲线 2。前一种情况的缺陷信号更为明显。理论 上．检测时可通过变换敲击点和接收点位置的多个信 号来对 比判断缺陷的方位。当然，实际检测时会受很 多因素影响 ，需要更多的研究和经验积累。 5 结 论 (1)应力波在管桩顶面的传播导致距加载点不同 距离的接收点起始激励速度峰值出现相应时间滞后， 造成按速度峰 一峰值确定的一维纵波波速偏高，可利 图8 缺陷桩与完整桩 90~处的计算 速度对比曲线(L=6．0 m) Fig．8 Comparison of computed velocity ellrves at 90~point between intact and defective piles(L=6．0 m) 图 9 缺陷桩与完整桩 90~处的计算 速度对比曲线(L=6．0 m) Fig．9 Comparison of computed velocity Clll'Ves at 90o point between intact and defective piles(L=6．0 m) 用本文中公式(3)进行相应修正。另外，和桩身存在缺 陷或扩径情况的实心桩一样，管桩桩身截面尺寸改变 也将导致桩底反射峰值的适当时间滞后，这是应力波 因绕行其传播距离略有延长所致。 (2)实验与有限元分析均表明，管桩在点击荷载作 用下 ，被激励的各种径向振动的固有振型的叠加结果 是导致管桩顶面不同点处高频干扰强弱不同的最主要 原因。90。点是一阶振型的驻点 ，所以在实际检测时应 采用较宽的加载脉冲以使所有的径向振型至少是一阶 以上振型不被激励出来 。由于径向振动振型频率随管 桩直径增大或管壁变薄而减小，因而更容易受高频干 扰的影响。 (3)当敲击点与接收点之一位于缺陷正上方，另一点 与其相对圆心夹角为 寸，缺陷处反射信号更为显著。 参考文献 ： 『1 陈 凡．．E仁军．尺寸效应对基桩低应变完整性检测的影响 [J]．岩土工程学报，1998，20(5)：92—96． f2：中国建筑科学研究院地基基础研究所．建筑科学研究 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 — — 低应变反射波法测试分析方法的完善[R]．1996． 『3 考尔斯基 H著，王仁，等译．固体中的应力波[M]．北京l科 学出版社 ，1958． f4：罗文章．管桩在低应变瞬态集中荷载作用下的速度响应研 究[D]．北京：中国建筑科学研究院，2002． 维普资讯 http://www.cqvip.com