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波动技术在桥梁桩基质量检测中的应用及分析
【摘 要】桥梁桩基的桩身质量直接关系整座桥梁结构的安全性与可靠性，为力求准确、快速判定其桩身质量，保证整座桥梁工程能够按质、按量及按期完成，在现场检测环境和检测条件对某种检测方法限制时根据规范的相关原则采用其他检测方法辅助检测，相互验证、补充，从而达到保证桥桩质量的目的。本文就目前较为成熟的三种波动技术（即声波透射法、低应变反射波法及高应变动力试验法）在桥桩质量检测中的联合应用用案例作了一些说明及分析。
【关键词】波动技术；声波透射法；低应变反射波法；高应变动力试验法 0.概述
近年来，随着交通建设的快速发展，大量的桥梁在不断兴建，其结构类型也是多种多样，而作为支承上部结构的桥梁基础，绝大多数采用了桩基础，故桩基础的质量如何，将直接影响到整座桥梁的安全。为了准确、快速高效掌握桥桩桩身质量这唯一目的，需要充分利用各种成熟、先进的检测技术方法进行检测，然而由于各种检测方法均有其优点和缺点，加上在工程现场检测时会受到环境、检测条件等等因素的限制，故检测过程中需充分发挥各种检测方法的优点，并利用各种方法之间的互补性，综合应用，相互验证，以求达到得比较好的检测效果。波动技术作为基于波动理论和波动力学发展起来的一门检测技术，在包括桥桩在内的桩基质量检测中应用
最为广泛，具有方便、快速和较为准确的优点。通过以声波透射法、低应变反射波法及高应变动力试验法为主要代表的几种波动检测技术的联合应用，相互补充验证，使得在检测中其桩身质量状况得到较为准确的判定，从而保证了桥桩质量。 1.波动技术概念
任何连续介质内的局部振动都会向四周传播，所谓波动，就是这种局部振动向四周的传播过程。例如地震这种发自地球内部的局部振动，就会经过长距离的传播到达地面，对人类的生存和活动产生极其复杂而严重的影响。波动过程是介质的质点运动与其局部变形向外交替发展的过程，其中介质的应力应变始终处于其材料弹性范围内的波动称为弹性波，包括在流体中传播的声波和在固体中传播的应力波。波动的基本参量可分为2组：一是运动参量，包括位移u、速度v和加速度a；二是变形参量，包括应变ε、应力σ和力f。各参量间的相互关系可用以下三个公式来表示：
所谓波动技术，就是根据波动理论和波动力学，通过人为的激振来产生波动，并利用波动参量的变化来达到某些检测的目的的技术手段。在桩基工程领域，最近几十年来，波动技术作为一门崭新的桩基质量诊断技术已广泛应用，并极大地充实了桩基检测工作内容。
2.波动技术分类
根据目前在世界范围内基本肯定和普遍应用的较为成熟的波动技术主要有三种，即声波透射法、低应变反射波法及高应变动力试
验法，其主要原理及方法如下： 2.1声波透射法
声波透射法是在桩内预埋纵向声测管道，将超声脉冲发射和接收探头置于声测管中，管中充满清水作耦合剂，由仪器发出周期性电脉冲通过发射探头发射并穿透混凝土，被接收探头接收并转换成电信号。由仪器中的测量系统测出超声脉冲穿过桩体所需时间、接收波幅值、接收脉冲主频率、接收波形及频谱等参数。最后由数据处理系统按判断软件对接收信号的各种参数进行综合判断和分析，即可对混凝土各种内部缺陷的性质、大小、位置作出判断，并给出混凝土总体均匀性和强度等级的评价指标。数据分析的几种方法如下。
2.1.1声时分析
选取声时平均值 与声时2倍标准差δt之和作为判定桩身有无缺陷的临界值。
式中，n为测点数，ti为第i个测点的声时值，u为声时平均值，δ为声时标准差，s为判定桩身有无缺陷的临界值。若ti>si，即判定基桩在此深度处可能存在缺陷。 2.1.2波幅分析
波幅是对缺陷最为敏感的声学参数，选取接收到的超声波信号波幅平均值的一半作为判断有无缺陷的临界值，波幅值以衰减器的衰减量q表示，通常用分贝值表示：
式中，uq为波幅平均值，qi为第 个测点的波幅，n为测点数，q
为判断桩身有无缺陷的临界值。若qikc时，该点可判为断桩。 2.2低应变反射波法
低应变反射波法是在桩顶（pile top）向下激发低能量的应力波，当桩身存在明显波阻抗z变化界面（如离析、断桩等部位）或桩身截面积变化（如缩颈、扩颈）部位，一部分波将反射向上传播，另一部分波产生透射向下传播至桩底，在桩底处又产生反射。经安装在桩顶的传感器接受反射波信号，并由桩基检测仪进行积分或放大滤波等处理，得到速度时程曲线。从曲线的形态特征可以判断阻抗变化位置或校核桩长，由平均波速大小估计混凝土的强度等级。 当桩嵌于土体中，将受桩周土的阻尼作用，桩的动力特性满足一维波动方程，即：
式中，v为质点振动位移，x、t为振动质点到振源的距离和质点振动的时间，n为阻尼系数，a为桩的截面积，e为桩基混凝土弹性模量， v为纵波在桩中的传播速度。
当桩顶施加瞬时外力f（t）时，应力波沿桩身向下传播，波在不同的波阻抗面上发生反射，根据上式可导出应力波在桩中传播的时间及其对不同结构介质桩的纵波速度。
式中，l为桩长，△t为速度波第一波峰与桩底反射波峰的时间差。
当桩身存在缺陷或断桩时各界面反射波使曲线变得复杂。对时程曲线进行分析选出可靠的缺陷反射时间 ，从而得到缺陷部位的具体位置。