桥梁基桩检测低应变法激发方式的理论性研究及应用

　　摘要：低应变法是桥梁尤其是铁路桥梁基桩完整性检测中应用比较广泛的一种检测方法。本文利用有限元程序对低应变法检测中不同的激振力产生的效果进行分析研究，总结其规律以便于更好的应用于实际检测。
　　关键词：低应变法，应力反射波，激振力频率，脉冲宽度，有限元
　　1.前言及动测基本原理
　　低应变法又称为低应变发射波法，它是以应力波在桩身中的传播反射特征为理论基础的一种方法。该方法将桩假定为连续弹性的一维截面均质杆件，并且不考虑桩周土体对沿桩身传播应力波的影响。当在桩顶施加一瞬态锤击振力，将在桩内激发应力波，由于桩与周土之间的波阻抗差异悬殊，应力波的大部分能量将在桩内传播，当桩长L，桩径为D，应力波波长λ﹥7D时，桩可以看作一维杆件，应力波在桩内传播可以采用一维杆波动方程计算。垂直入射的应力波在桩内传播过程中，当桩内存在有波阻抗差异界面时，波将产生反射波和透射波，反射波将沿桩身反向传播到桩顶，而透射波继续向下传播。桩身的缺陷、桩底均可以根据反射波的相位、振幅、频率特性，辅以地层资料、施工记录以及实践分析经验，对其性质进行综合分析判断。
　　2.不同频率激振力影响的分析研究
　　在桩基础低应变发射波法检测中，激振力一般是通过外界的锤击作用来施加的。根据锤的材料不同，所产生激振力的脉冲宽度也不一样，即激振力的频率也不一样，常用的锤有三种：木锤、尼龙锤、铁锤。锤的刚度越大产生激振力的脉宽就越小，反之脉宽越大。因此对激振力脉冲宽度的影响进行分析，有利于在工程检测中更加准确的判断桩身质量情况。
　　下面对桩长为15m，直径为1.0m，桩体的弹性摸量E=21.0MPa，泊松比μ=0.167，重度γ=24.0KN/m3的基桩进行有限元模拟，选取激振力脉宽分别为0.2ms、0.6ms、1.0ms三种情况时的反射波曲线进行分析，激振力峰植为1.0N，计算时间为20ms。计算结果如图（1）、（2）、（3）所示。

　　图（1）激振力脉宽0.2ms反射波曲线

　　图（2）激振力脉宽0.6ms反射波曲线

　　图（3）激振力脉宽1.0ms反射波曲线
　　
　　根据图（1）、（2）、（3）和输出计算表格，可得到三种脉宽激振力作用下入射波和反射波的幅值，如表（1）所示。
　　表（1）不同脉宽情况下应力波波形参数

　　由表（1）可以得出以下结论：
　　激振力脉宽越大，入射波的幅值就越小，反射波的幅值就越大，衰减也越慢，桩底反射越明显；反之，激振力脉宽越小，入射波的幅值就越大，反射波的幅值就越小，衰减也越快，桩底反射也越弱。这是因为激振力的脉冲宽度越大，频率越低，与桩体的固有频率相差越大引起桩顶质点的位移就越小，所以入射波的波幅越小；而较小的激振力频率产生的应力波在传播的过程中损耗的能量就越小，发射波的波幅也就越大。
　　3.不同频率激振力在实际检测中的应用
　　由以上结论可以得知，不同频率的激振力产生的影响是不一样的，在实际的检测中，为了获得最佳的检测效果，需要根据实际情况选择不同的激振力频率。图（4）、图（5）分别为对一根桩长7.0m，桩径为1.0m的缺陷工程桩采用尼龙锤、铁锤进行检测的结果。根据处理情况得知该桩在距离桩顶1.2的位置存在一个夹泥软弱层。

　　图（4）尼龙锤反射波曲线

　　图（5）铁锤反射波曲线

　　从图（4）、图（5）可以看出，采用尼龙锤激发时，缺陷特征反射不明显，分辨率不高，但是可以看的到明显的桩底反射；当采用铁锤激发时，在距离桩顶约1.2m的位置可以看到一个明显的缺陷特征反射，与实际情况吻合，但是桩底反射却几乎看不到。这是因为高频激振产生应力波的能量在传播过程更容易损失，而高频应力波受叠加干扰的影响较小，能获得较高的分辨率。
　　4.结语
　　通过以上的理论及实例分析，可以得知：不同频率的激振力产生的效果是不一样的，在实际的检测中，激振力的频率并不是越高越好，也不是越低越好，要根据实际的情况和需要选择适当的激振力频率，使检测的结果更加真实准确。
　　
　　
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