回波法检测在桥桩倾斜中的应用

柳光伟

(黑龙江省煤田地质测试研究中心)

回波法检测在桥桩倾斜中的应用

柳光伟

(黑龙江省煤田地质测试研究中心)

随着国民经济的高速发展，道路桥梁等设施大量兴建，桥梁基础质量的好坏尤为重要，基础是地下隐蔽工程，它承担着桥梁的全部荷载，其质量如何，至关重要。主要介绍了基桩倾斜状态下的检测方法。

回波法;基桩倾斜;应用原理

1 基础原理

1.1 检测桩的一维波动理论

当桩长L远远大于桩的直径D，可把桩近似当做一维杆件处理，其波动方程为∂2u/∂t2=V2p∂2u/∂y2。

根据反射原理，在桩身内传播的弹性波，当遇到波阻抗不连续的界面时，必然产生反射及投射。

1.2 倾斜桩回波法测试原理

(1)惠更斯—菲涅耳原理

在弹性介质中，波动传到空间任一点，此点可看作是一个新的点源，在空间任意一点上观测到的波动是再次相遇到各个波所引起的振动的合成。

(2)绕射原理

广义绕射地震学认为，弹性波传到空间任何一点都可以看做一个新的绕射源，形成一个新的绕射波并向四周传播。地面上观测到的波动是由这些绕射源产生的绕射在观测点上的叠加。

实际检测过程中，所使用的压电式加速度传感器其方向性极强，主要接收来自垂直方向的信号，因为，在实测回波时程曲线上，绕射点A对应出现负脉冲异常极大值点t'，故可方便地求出L'。

另实际工作中，△X为已知，故可用下式计算出基桩倾斜角度α

2 标准物质实验

2.1 实验1

斜面圆铁棒，直径13 cm，长5.87 m，斜角5°。

曲线特征：直达波后在零线下马上出现一段较平直线，总体呈宽“U”型曲线特征。底部反射信号受到削弱。

2.2 实验2

平面圆铁棒，直径10 cm，长5.51 m，斜角0°。

曲线特征：在直达波与杆底反射波之间，曲线对称，呈宽对称“凸”型曲线特征。底部反射信号强。

3 模型桩实验

测试研究中心在基地内作了3根模型桩。1号桩为垂直桩，2号桩向西倾约9°，3号桩向东倾约11°。

反射法测量结果：

1号垂直桩，起跳后在零线附近，出现微小的起伏，直至桩底，桩底反射明显。

2、3号(倾斜桩)，起跳后，在零线下出现明显的宽“U”型曲线段，延伸至7.5～8 m后归零，桩底反射不明显。

4 工程应用事例

4.1 实例1

J10号桩为钻孔桩，桩径Φ1 000 mm，施工桩长13.28 m，混凝土设计强度等级C30，桩底持力层为中风化炭质页岩。

反射法测试曲线特征：八个方向上其回波时程曲线均在直达波后，桩底反射波到达之前时间段内出现明显的宽大负向脉冲异常，直至桩底，桩底反射不明显，且各向曲线变异性较大。WN向负向脉冲异常相对较大，而S-ES方向负向脉冲异常相对较小，由此推断该桩为倾斜桩，且由WN向ES方向倾。

由WN方向回波时程曲线图上可查出t'=5.33 ms，求出L'=10.13 m。而由振幅谱图中可查出 f1=70 Hz，f2=256.56 Hz，△f'=186.6 Hz，由此可算出特征点 L'=10.18 m。

由(1)式可求出J10号桩的倾斜角为1.5°。

4.2 实例2

H14号桩为钻孔桩，桩径 Φ1 000 mm，施工桩长18.29 m，混凝土设计等级C30，持力层为中风化炭质页岩。

实测时程曲线特征：八个方向曲线均在直达波后与桩底反射波到达之前时间段内，出现明显的负向脉冲异常，桩底反射不明显。各向曲线变异性较大，且NW向曲线负向脉冲异常最大，而SE向相对较小，为典型倾斜桩时程曲线特征，由此推测H14号桩为倾斜桩，且由NW向SE方向倾。

由SE测回波法时程曲线图上可查出t'=6.82 m，求出L'=13 m，而从振幅谱图上可查出 f1=64.4 Hz，f2=211.6 Hz，△f=147.2 Hz，求出 L'=12.9 m。

从(1)式求出 H14号桩倾角3.5°。

钻探抽芯验证共布设3隔空，抽芯验证结果，1号孔抽至8.21 m处偏出桩外，2号孔抽至10.052 m处偏出桩外，3号孔抽至11.10 m处偏出桩外，抽芯验证桩由NW向SE倾，回波法推测与之相一致，抽芯验证该桩倾斜3°，回波法推测桩倾斜角 3.5°，两者误差 0.5°。

5 结论

(1)基桩倾斜时，其回波时程曲线在直达波之后，桩底反射波到达之前这一时间段内，有明显的负向脉冲异常。

(2)对于垂直桩各项激振与接收，曲线变异性甚少。而对于倾斜桩，不同敲击点与接收点的曲线变异性较大。

(3)当桩底存在波阻抗差异界面时，垂直桩时程曲线桩底反射明显，而倾斜桩回波时程曲线桩底反射信号被极大地削弱。

(4)在桩倾斜方向一侧激振与接收，其回波时程曲线相对其他方向激振与接收其负向脉冲异常最小，而反倾向一侧激振与接收相对其他方向其负向脉冲异常最大。

(5)在传感器中轴线与桩倾斜方向的下侧界面交点上，回波时程曲线其负向脉冲达到极大值。而相应在频率域振幅谱图上亦存在界面干扰频差△f'，所求出Lf'与时程曲线所求出的Lt'相一致。说明L'对应A点为倾斜桩的特殊物理现象点(特征点)。

U445.7

C

1008-3383(2012)06-0014-01

2011-11-29

柳光伟(1965-)，男，高级工程师，从事工程地质。