基于虚拟仪器的低应变桩基检测的研究

　　摘要：通过对反射波动测法进行分析，得到桩基缺陷的判别标准，利用虚拟仪器技术，开发了低应变桩基检测系统，试验表明，该系统具有较高的精度，误差在0.09m以内，满足工程实际要求。
　　关键词：虚拟仪器；低应变桩；检测；反射波法
　　引言
　　在现代建筑中桩基础是工程结构中采用的主要基础类型，目前约占全部工程结构基础的70％以上[1]。由于它是地下隐蔽结构物，在施工过程中极易出现扩颈、缩颈、夹泥、断桩等缺陷[2]，故对桩基础施工质量实施检测是十分必要的。桩基质量检测方法有静载荷试验检测方法和动力检测方法。静载荷试验需要大量堆载，实施不便，成本高，且只能对少数桩进行检测；动力检测方法简单易行，在工程中应用广泛[3]。
　　低应变反射波法是目前应用最广泛的基桩完整性动力检测方法，通过揭示应力波在桩体中的传播规律来诊断桩身完整性状况及局部缺陷位置。随着中国建筑业的蓬勃发展，对建筑检测仪器的要求也越来越高，这就要求拥有土木工程专业知识的土木工程师自行研法更适合本行业的检测仪器，而虚拟仪器（VisualInstruments）技术[4]的出现使其得以实现。
　　1 反射波法检测原理
　　1.1 弹性波在桩身中的传播原理
　　假定桩为一维连续的弹性均质杆件，忽略四周土阻力的作用，桩顶受到瞬态锤击后截面仍保持为平面，沿截面有均布的轴向应力[5]。由一维方程的波动解可知，一维杆中质点位移有上下行波两部分组成，在顶端受到瞬态冲击后产生的初始下行波中存在压应力σI。在σI作用下桩身质点产生运动，其质点运动速度VI取决于应力大小和材料特性：
　　  （1）
　　式中：ρ为桩的密度，C为一维线性杆件上的应力波传播速度。
　　两边同乘以桩身截面积A，得到应力波作用下桩身内力与运动速度的关系为：
　　  （2）
　　上式右端即为波阻抗，即为Z，则上式可写成：
　　  （3）
　　
　　图1应力波在不同阻抗桩体中的传播
　　在波阻抗改变的界面处如图1所示，以Z1、Z2分别表示界面上下的阻抗，脚码I、R、T分别表示入射波、反射波和透射波，根据界面处连续条件，得到位移、速度和力的平衡方程：
　　 位移： （4）
　　 速度： （5）
　　 力： （6）
　　由一维波动方程的波动解得，入射下行波为：
　　  （7）
　　式中：。uI对x和t求偏导后得到：
　　  （8）
　　同理，对于透射波有：
　　  （9）
　　对于反射波：
　　  （10）
　　同样的方法可以得到：
　　  （11）
　　将速度及式9、10、11代入式5有：
　　  （12）
　　由，，式12整理后变为：
　　  （13）
　　联立式7解得：
　　  （14）
　　再由式5、13得：
　　  （15）
　　依次可以求得：
　　  （16）
　　  （17）
　　其中，，成为反射系数，-1＜α≤1，等号在Z2（自由端反射）时成立。α即为低应变反射波法检测对缺陷或桩反射信号进行分析判断的重要依据，由此可得出如下结论：
　　1）当Z1＞Z2，α＞0，即桩身存在断裂、夹泥、混凝土离析、缩颈或摩擦桩桩底等阻抗相对减小时，缺陷部位的反射相位与初始入射波相同；
　　2）当Z1＜Z2，α＜0，即桩身存在扩颈或嵌岩桩桩底等阻抗相对增大时，其反射波相位与初始入射波相反；
　　3）自然状态下，桩顶为自由端时，VR(n)=αnVI，n为同一阻抗变化部位的n次反射，因此对于Z1＞Z2，α＞0时，多次反射的相位始终与初始入射波同相；对于Z1＜Z2，α＜0时，奇次反射的相位与初始入射波相反，而偶次反射的相位却与初始反射波同相；
　　4）当Z1=Z2，α=0，即桩身无缺陷或存在阻抗匹配时，无反射波信号。由式16、17可知，透射波不改变方向和符号，始终与初始入射波同相。
　　1.2 缺陷位置的判断
　　以桩的缩颈缺陷为例，设桩长为L，桩身缺陷处的深度为L1，桩底反射波到达的时间为t，缺陷处反射波到达的时间为t1，如图2所示。
　　
　　图2桩身缺陷位置确定的示意图
　　则桩身混凝土的波速vp为：
　　  （18）
　　则桩身缺陷处深度为L1：
　　  （19）
　　式中：vpm为同一工地内多根已测合格桩桩身纵波速度的平均值。
　　2 检测系统的构件
　　检测系统的硬件设备主要包括：加速度传感器、数据线、NI9233信号调理模块、NIUSB－9162信号采集模块、计算机。
　　软件系统设计主要包括数据采集系统(如图3所示)和数据分析系统(如图4所示)，其中数据采集系统主要对信号调理、采集和保存，数据分析系统主要对保存的波形进行读取、显示、滤波、FFT变换、频谱分析、获取计算参数、显示分析结果等功能。由于该系统要对信号的相位给予精确的读取，因此采样率取为50000，滤波器采用幅值畸变和相位畸变都很小的巴特沃兹带通滤波器，高截止频率取为1200Hz，低截止频率取为100Hz。
　　
　　图3数据采集系统程序框图
　　
　　图4数据分析系统程序框图
　　3 试验研究与数据分析
　　为消除偶然因素的影响，对每一根待检测的桩基用不同力度敲击5次，取其平均时间间隔作为计算时间差。未进行处理的波形由于有干扰信号的存在，其波形起伏大，激振点信号不清晰（如图5所示），而滤波后的信号平滑，激振信号和底反信号都很明显（如图6所示）。
　　
　　图5滤波前的信号
　　
　　图6滤波后的信号
　　将加速度传感器安装在待检测的桩端，打开低应变桩基数据采集系统，用不同力度锤击桩端中心5次，保存信号。测量桩长，并将其输入数据分析系统，经过处理得到滤波后的波形图及桩端到缺陷处距离。由于处理的波形图太多，无法一一列举，仅列举3号桩的检测波形图，图7为3号桩缺陷处的波形图，表1为试验检测结果。
　　
　　图7缺陷处的识别
　　表1低应变桩基试验检测结果
　　桩号 1 2 3 4 5 6 7 8
　　底反信号传播时间(ms) 3.72 3.50 4.30 4.32 3.58 3.60 3.74 3.68
　　波在桩上的传播速度(m/s) 4032 4286 3488 3472 4190 4167 4010 4076
　　缺陷处反射信号传播时间(ms) 2.12 2.12 2.06 2.64 1.66 1.76 1.92 1.78
　　测得的桩端到缺陷处距离(m) 4.27 4.54 3.59 4.58 3.48 3.67 3.85 3.62
　　桩端到缺陷处的实际距离(m) 4.26 4.53 3.58 4.49 3.47 3.66 3.89 3.67
　　误差(m) －0.01 －0.01 0.01 －0.09 －0.02 －0.01 0.04 0.05
　　试验所采用的采样率为50000Hz，采样间隔为0.02ms，系统误差ζ可由式20求得，系统误差为0.043m（波速取4300m/s）。由表1可知，用低应变桩基检测系统对杆件断裂处进行检测的最大误差为0.09m。考虑到杆件的不均匀性，以及杆件的裂缝与杆件的轴线不完全垂直，用直尺测得的杆件端部到缺陷处的距离不完全是波的传播距离，因此，实际误差小于0.09m，满足工程实际中桩基检测的精度要求。
　　  （20）
　　4 结语
　　由试验结果分析可见，利用虚拟仪器技术对低应变桩基检测系统进行检测的误差小于0.09m，因此，将该系统应用于桩基检测是可行的，且具有编程简单、结果准确、稳定性好等优点，土木工程师可根据工程实际的需要对仪器仪表进行开发。由于该系统需要人工确定波峰位置，工作量较大，因此，应对该系统进行更进一步的研究，以达到自动识别波峰，实时显示检测结果的功能。
　　参考文献：
　　[1]许颜,耿盛楠,李松然等.低应变动力检测技术在桩身完整性检测中的应用分析[J].中州煤炭,2011,(11):32-33.
　　[2]贠永峰,张存明,王军舰等.反射波法在基桩动测中的应用[J].中外公路,2011,31(5):183-185.
　　[3]丁选明,陈育民,孔纲强等.PCC桩低应变反射波法检测时速度波形成机制探讨[J].岩土力学,2012,33(1):154-161.
　　[4]宋媛媛,李晓雷,霍喜平等.虚拟仪器技术在激振器自动测控系统中的应用[J].仪表技术与传感器,2002,(8):17-19.
　　[5]陈军.低应变反射波法检测桩中缩颈离析桩的判别[J].山西建筑,2009,35(21):119-120.