低应变动测技术在桥梁钻孔灌注桩上的应用

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1、低应变动测技术在桥梁钻孔灌注桩上的应用潘卫育　吴凯　金嵘　朱进【江苏省交通科学研究所　　南京　210017】摘　要：本文阐述了桥梁钻孔灌注桩低应变动测的基本原理，介绍了美国PIT桩基低应变动测仪器的性能，通过对实际工程桩测试和对波形的分析判断，介绍了低应变动测技术在桥梁钻孔灌注桩完整性测试上的体会。关键词：低应变　动测技术　桥梁钻孔灌注桩　应用　　桩基低应变无损检测的方法较多，主要有反射波法、机械阻抗法、动力参数法、声波透射法等。目前，常用的方法为反射波法，其原理是通过锤击桩顶，应力脉冲以波的形式沿桩体传播，应力(速度)波在传播的过程中遇到桩体界面变化时，将表现为桩身阻

2、抗变化而产生反射波，通过安装在桩顶的传感器接收波的变化，从而判断桩身的完整情况。目前，较常用的主要仪器设备有美国PDI公司生产的PIT低应变桩身完整性检测仪，荷兰生产的TNO仪器及我国生产的RSM-24FD浮点工程动测仪等。　　我所于1995年4月引进美国生产的PIT仪器，经过大量的桥梁钻孔灌注桩实测和对一些工程模拟桩进行的测试，积累了一定的经验。本文主要阐述PIT仪器在南京机场高速公路桥梁钻孔灌注桩低应变无损动测上的应用及体会。1　低应变动力测桩的基本原理　　低应变动力测桩的理论根据是一维波动方程。在具体应用时，将作出如下假定：①桩身是一根弹性杆件；②桩在纵向振动过程

3、中，其横截面始终保持平面，并忽略桩的纵向变形，即同一截面上的各点仅在桩的轴向作相等的位移；③忽略了桩身内、外阻尼和桩周表面的摩擦力的影响。基于上述假定，在外力作用下，桩轴向位移是纵向坐标X和时间T两个变量的函数，可用一个二阶偏微分方程来描述：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）式中：U—桩身轴向位移；　，其物理意义就是应力波在桩身中的传播速度；　　　E——桩身弹性模量；　　ρ——桩身质量密度。　　在应力波作用下，桩身产生运动，其质点的运动速度V取决于应力的大小和材性：             （2）式中：ρc——桩身材料的波阻，等于材料的

4、密度ρ和波速c的乘积。　　将(2)变换后乘以桩身面积A可得下式：  　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3）式中：Z——为桩身的截面力学阻抗。　　一维波动方程(1)的波动解为：　　U(Xtt)=F(X-ct)+G(X+ct)（4）　　其解由两部分组成，分别代表两个行波，其传播速度均为c而传播方向相反，在竖向的桩身中通常称为上行波和下行波。　　在波动分析中，约定桩身受力以受压为正，受拉为负；桩身运动以向下为正，向上为负。则有：　　　　对于下行波　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(5)　　　　对于上行波　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(6)设弹性波从一种

5、介质传播到另一种阻抗不同的介质，传播方向垂直于界面，当弹性波到达界面时，不论对于第一种介质还是第二种介质，都会引起一个扰动，分别向两种介质中传播。传回第一种介质的波为反射波(BR)，传入第二种介质的波叫透射波(BT)，入射波记为BI(见图1)。图1　　在界面S处由力平衡及速度连续条件得：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(7)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(8)　　根据(4)有：(9)与(7)、(8)联立求解得：(10)(11)将(10)除以VI，得到：(12)式中：K——为反射系数；ρ1c1A1——为桩身混凝土广义波

6、阻抗；ρ2c2A2——为桩身缺陷和桩底岩土部分的广义波阻抗。由(12)可知，在桩顶要接受到反射波，必须满足K≠0。对于完整桩来说，桩身中无波阻抗的差异，所接受到的反射波基本上是桩底反射上来的；对于缺陷桩，即有桩身缺陷部分的波阻抗ρ2c2A2存在，K值可在0～±1范围内变化。这样，就可以根据反射系数的正负来判断桩身缺陷的性质：①K＞0时，反射波与入射波同相，若ρ1c1=ρ2c2，则A2＜A1，表明桩身缩径；②K＞0时，反射波与入射波同相，若A1=A2，则ρ2C2＜ρ1C1，表明桩身断裂、离晰或为桩底；③K＜0时，反射波与入射波反相，若ρ1c1=ρ2c2，则A2＞A1，表

7、明桩身扩径；④K＜0时，反射波与入射波反向，若A1=A2，则ρ2c2＞ρ1c1，表明下界面强度大于上界面或嵌岩。2PIT仪器简介PIT是美国PDI公司生产的桩基低应变检测仪器，它配备高灵敏度(60mv/g)、高分辩率(0.002g)、宽频带的加速度传感器，并采用16bitA/D转换，能探测到由缺陷处或桩底反射的极微弱信号。PIT具有力和速度两个通道，可同时探测冲击力和加速度两个信号。它配有时域和频域分析软件，通过串行接口与微机联接，可进行时域和频域分析，能准确地确定桩身的完整性，并且使用PITWAP软件可以对桩阻抗和外形进行模拟运算，以达