泛频响函数法检测既有建构筑物下高承台桩完整性的方法

摘要

本发明公开了一种泛频响函数法检测既有建构筑物下高承台桩完整性的方法。本发明包括如下步骤：步骤1.数据的采集；步骤2.通过泛频响函数法分析采集到的数据；步骤3.判断高承台桩基桩桩长和完整性；具体通过在受测基桩正上方的承台顶面激振，获得桩身上部某位置的速度信号和力信号，并利用泛频响函数法计算该位置的泛频响函数以分析桩身的完整性。当在基桩承台顶面激振时，对于基桩某一位置而言，先产生下行波，而后经桩底（缺陷）反射形成上行波，上行波相对于下行波的变化仅与该位置以下的桩-土相关，上行波的傅里叶变换除以下行波的傅里叶变换得到泛频响函数，利用该泛频响函数评价该位置以下桩身的完整性，能够消除上部结构的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及既有建构筑物下高承台桩完整性检测技术，具体涉及一种泛频 响函数法检测既有建构筑物下高承台桩完整性的方法。

背景技术

高承台桩基础是桥梁、码头等工程中常见的基础形式，近年来，世界各国 自然灾害频发，在每次较大规模的灾害如破坏性地震、滑坡、海啸发生后，受 灾地区的很多桥梁、码头会遭到不同程度的破坏和损伤，这些破坏和损伤不仅 发生在桥梁及码头上部的结构物中，同时也会发生在下部的基础部分。另一方 面，由于桥梁、码头桩这类高承台桩基础的部分桩身出露于地表，容易遭受人 为事故的破坏和损伤，例如车辆、船舶撞击及爆炸冲击等。在这些自然灾害或 人为事故发生后，需对其安全性进行检测评估，而高承台桩基础的大部分桩身 位于地下（水下），具有隐蔽性和复杂性，其检测评估相对上部结构物的评价而 言，具有更高的难度和技术要求。

基桩质量常规检测手段包括单桩静载荷试验、低应变反射波法、声波透射 法、钻孔取芯法四类，采用常规检测方法时通常要求桩顶为自由端，而对于在 役的高承台桩，常规方法很难操作。此外，针对既有建筑物基桩检测的旁孔透 射波法，检测时，需要在桩侧附近钻孔且每根桩需要检测数十甚至数百个测点， 其检测效率相对较低，成本较高，不适用于较大面积的质量普查，特别是对于 水上的码头及桥梁桩，实际操作较难，而对于较长的桩，钻孔倾斜将导致不可 靠的测试结果。

因此研究一种能在不损坏上部结构和桩身的前提下，有效消除上部结构对 测试结果的影响，将复杂结构系统下的基桩转化到单桩测试模式下进行检测分 析的方法，对灾后桥梁、码头等建构筑物基础安全性能的准确客观评定有着较 大的现实意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种泛频响函数法检测既有建构筑 物下高承台桩完整性的方法。即不损坏基桩和上部结构物，就能检测出基桩桩 长和完整性的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

步骤1.数据的采集；

步骤2.通过泛频响函数法分析采集到的数据；

步骤3.判断高承台桩基桩桩长和完整性。

步骤1所述的数据的采集具体如下：

1-1.在受测基桩的桩身一定位置对称地安装两组传感器；

每组传感器包括一个加速度传感器和一个应变传感器，通过导线将两组传 感器连接至动态数据采集和分析仪；且其中一组中的加速度传感器作为采样触 发器；

所述的两组传感器的安装方向与受测基桩轴向一致；安装位置为检测面的 位置，且检测面距承台底面的距离大于1.5m；

1-2.用激振锤在受测基桩正上方对应的承台顶面竖向激振，采样触发器被 触发，然后两组传感器采集数据信号，并将信号传递给动态数据采集和分析仪 进行同步显示和存储；其中加速度传感器采集桩身检测面位置处的加速度信号， 应变传感器采集桩身检测面位置处的应变信号；

若步骤1-2两组传感器采集到的加速度信号和应变信号的吻合程度差异较 大，则调整激振位置重复采集；若波形出现异常导致无法判别采样质量好坏， 则多次采集并存储；所述激振锤的激振位置为受测基桩截面中心对应的承台顶 面位置。

步骤2所述的通过泛频响函数法分析采集到的数据，具体如下：

2-1.将采集的加速度信号和应变信号转换为速度信号（v）和力信号（p）；

2-2.获取检测面位置的泛频响函数；

将步骤2-1得到的速度信号v和力信号p，结合检测面位置处桩身截面力学 阻抗z，得到泛频响函数如下：

其中，DFT表示离散傅里叶变换；

2-3.计算检测面以下桩段顶在模拟半正弦脉冲下行波输入后得到的上行波 曲线；

上行波曲线=IDFT[泛频响函数×FT(模拟半正弦脉冲下行波)]

其中，IDFT表示离散傅里叶逆变换，FT表示傅里叶变换。

步骤3所述的判断高承台桩基桩桩长和完整性，具体如下：

3-1.计算高承台桩检测面以下桩长：

根据上行波曲线桩底反射信号计算高承台桩检测面以下桩长H：

H＝t×c/2

其中，t表示桩底反射信号出现的时刻；c表示桩身一维纵向应力波传播速 度；

3-2.判断高承台桩检测面以下桩身是否完整:

若上行波曲线在桩底反射出现之前有其他反射信号，则说明检测面以下桩 身存在缺陷，并计算缺陷位置L:

L＝t_d×c/2

其中，t_d表示缺陷反射信号出现的时刻；

若上行波曲线在桩底反射出现之前未出现其他反射信号，则说明检测面以 下桩身完整。

本发明的有益效果是：

（1）本方法能在不破坏上部结构和桩身的情况下，完全消除上部结构对桩 身完整性检测的影响，使得待测桩从复杂结构中“隔离”出来，对隔离后的单 桩问题容易参照传统的单桩一维振动问题进行分析评价，大大降低了问题的难 度，提高了检测结果可靠性；

（2）不需要钻孔等复杂施工，操作简单方便，经济成本较低，同时不会对 在役基桩产生损伤，能够在需要大量普查的工程中推广采用；

（3）高承台桩（如桥梁、码头桩）的部分桩身暴露在地面（水面）以上， 特别适合于采用本方法进行测试分析，对于其他既有结构物下的低承台桩基， 如果通过在桩身周围开挖，使其一部分桩身侧面暴露，也可以采用上述方法进 行检测和评价。

附图说明

图1为本发明检测结构示意图；

图2为本发明中两组传感器安装示意图；

图中，激振锤1、承台2、导线3、动态数据采集及分析仪4、受测基桩5、 应变传感器6、检测面7、加速度传感器8、地基土9、相邻基桩10。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明方法作进一步说明：

如图1、图2所示，泛频响函数法检测既有建构筑物下高承台桩完整性的方 法，具体包括如下步骤：

步骤1.数据的采集；

步骤2.通过泛频响函数法分析采集到的数据；

步骤3.判断高承台桩基桩桩长和完整性。

步骤1所述的数据的采集具体如下：

1-1.在受测基桩5的桩身一定位置对称地安装两组传感器；

每组传感器包括一个加速度传感器8和一个应变传感器6，通过导线3将两 组传感器连接至动态数据采集和分析仪4；且其中一组中的加速度传感器作为采 样触发器；

所述的两组传感器的安装方向与受测基桩5轴向一致；安装位置为检测面7 的位置，且检测面7距承台2底面的距离大于1.5m。

1-2.用激振锤1在受测基桩5正上方对应的承台顶面竖向激振，采样触发 器被触发，然后两组传感器采集数据信号，并将信号传递给动态数据采集和分 析仪4进行同步显示和存储；其中加速度传感器采集桩身检测面位置处的加速 度信号，应变传感器采集桩身检测面位置处的应变信号。

若步骤1-2两组传感器采集到的加速度信号和应变信号的吻合程度差异较 大，则调整激振位置重复采集；若波形出现异常导致无法判别采样质量好坏， 则多次采集并存储；

步骤2所述的通过泛频响函数法分析采集到的数据，具体如下：

2-1.将采集的加速度信号和应变信号转换为速度信号（v）和力信号（p）；

2-2.获取检测面位置的泛频响函数；

将步骤2-1得到的速度信号（v）和力信号（p），结合检测面位置处桩身截 面力学阻抗（z），得到泛频响函数如下：

其中，DFT表示离散傅里叶变换；

2-3.计算检测面以下桩段顶在模拟半正弦脉冲下行波输入后得到的上行波 曲线；

上行波曲线=IDFT[泛频响函数×FT(模拟半正弦脉冲下行波)]

其中，IDFT表示离散傅里叶逆变换，FT表示傅里叶变换。

步骤3所述的判断高承台桩基桩桩长和完整性，具体如下：

3-1.计算高承台桩检测面以下桩长：

根据上行波曲线桩底反射信号计算高承台桩检测面以下桩长H：

H＝t×c/2

其中，t表示桩底反射信号出现的时刻；c表示桩身一维纵向应力波传播速 度；

3-2.判断高承台桩检测面以下桩身是否完整:

若上行波曲线在桩底反射出现之前有其他反射信号，则说明检测面以下桩 身存在缺陷，并计算缺陷位置L:

L＝t_d×c/2

其中，t_d表示缺陷反射信号出现的时刻；

若上行波曲线在桩底反射出现之前未出现其他反射信号，则说明检测面以 下桩身完整。

本发明工作原理如下：

在一维振动（波动）条件下，桩身任意截面的波动均能够分解为上、下行 波两部分。取受测基桩桩身上部某一截面（具体以安装传感器位置为准）作为 检测面，而初始激振源位置位于该检测面上方。未激振时，桩身处于静止状态， 激振后，相对于检测面而言，应先产生下行波，当下行波在向下传播过程中遇 到桩身阻抗变化界面或桩尖以及地基土作用时会产生反射而形成上行波。下行 波是激振力、上部结构（包括承台、承台上的建构筑物、相邻基桩）、检测面上 下部分桩身及地基土的共同作用结果，而上行波是下行波及检测面以下桩身及 地基土共同作用的结果，因此检测面处测得的上行波相对于下行波的变化仅反 映了检测面以下的桩身及地基土的作用，即这一变化关系仅与检测面以下的桩 长、桩身完整性及桩周土的情况有关。因此，类似于传统的频响函数，能将检 测面处的上行速度波（或力波）的傅里叶变换除以下行速度波（或力波）的傅 里叶变换定义为泛速度（力）频响函数（简称为泛频响函数），该泛频响函数唯 一地反映了检测面以下桩身的完整性及土层情况而与检测面以上的桩身和结构 情况完全无关，所以能够利用该泛频响函数对检测面以下桩身的完整性进行检 测和评价，且能完全消除上部结构和桩身的影响。上述上行波和下行波能够通 过检测面处实测的速度响应和截面力波响应计算得到。获得检测面处的泛频响 函数后，可进一步通过数值分析方法在检测面以下桩段顶虚拟输入一个半正弦 脉冲下行波，得到对应的上行波曲线，通过这种上行波曲线，直观准确地判断 出桩身缺陷的性质和位置。