摘要：通過對反射波動測法進行分析，得到樁基缺陷的判別標準，利用虛擬儀器技術，開發了低應變樁基檢測系統，試驗表明，該系統具有較高的精度，誤差在0.09m以內，滿足工程實際要求。
　　關鍵詞：虛擬儀器；低應變樁；檢測；反射波法
　　引言
　　在現代建筑中樁基礎是工程結構中采用的主要基礎類型，目前約占全部工程結構基礎的70％以上[1]。由于它是地下隱蔽結構物，在施工過程中極易出現擴頸、縮頸、夾泥、斷樁等缺陷[2]，故對樁基礎施工質量實施檢測是十分必要的。樁基質量檢測方法有靜載荷試驗檢測方法和動力檢測方法。靜載荷試驗需要大量堆載，實施不便，成本高，且只能對少數樁進行檢測；動力檢測方法簡單易行，在工程中應用廣泛[3]。
　　低應變反射波法是目前應用最廣泛的基樁完整性動力檢測方法，通過揭示應力波在樁體中的傳播規律來診斷樁身完整性狀況及局部缺陷位置。隨著中國建筑業的蓬勃發展，對建筑檢測儀器的要求也越來越高，這就要求擁有土木工程專業知識的土木工程師自行研法更適合本行業的檢測儀器，而虛擬儀器（VisualInstruments）技術[4]的出現使其得以實現。
　　1 反射波法檢測原理
　　1.1 彈性波在樁身中的傳播原理
　　假定樁為一維連續的彈性均質桿件，忽略四周土阻力的作用，樁頂受到瞬態錘擊后截面仍保持為平面，沿截面有均布的軸向應力[5]。由一維方程的波動解可知，一維桿中質點位移有上下行波兩部分組成，在頂端受到瞬態沖擊后產生的初始下行波中存在壓應力σI。在σI作用下樁身質點產生運動，其質點運動速度VI取決于應力大小和材料特性：
　　  （1）
　　式中：ρ為樁的密度，C為一維線性桿件上的應力波傳播速度。
　　兩邊同乘以樁身截面積A，得到應力波作用下樁身內力與運動速度的關系為：
　　  （2）
　　上式右端即為波阻抗，即為Z，則上式可寫成：
　　  （3）
　　
　　圖1應力波在不同阻抗樁體中的傳播
　　在波阻抗改變的界面處如圖1所示，以Z1、Z2分別表示界面上下的阻抗，腳碼I、R、T分別表示入射波、反射波和透射波，根據界面處連續條件，得到位移、速度和力的平衡方程：
　　 位移： （4）
　　 速度： （5）
　　 力： （6）
　　由一維波動方程的波動解得，入射下行波為：
　　  （7）
　　式中：。uI對x和t求偏導后得到：
　　  （8）
　　同理，對于透射波有：
　　  （9）
　　對于反射波：
　　  （10）
　　同樣的方法可以得到：
　　  （11）
　　將速度及式9、10、11代入式5有：
　　  （12）
　　由，，式12整理后變為：
　　  （13）
　　聯立式7解得：
　　  （14）
　　再由式5、13得：
　　  （15）
　　依次可以求得：
　　  （16）
　　  （17）
　　其中，，成為反射系數，-1＜α≤1，等號在Z2（自由端反射）時成立。α即為低應變反射波法檢測對缺陷或樁反射信號進行分析判斷的重要依據，由此可得出如下結論：
　　1）當Z1＞Z2，α＞0，即樁身存在斷裂、夾泥、混凝土離析、縮頸或摩擦樁樁底等阻抗相對減小時，缺陷部位的反射相位與初始入射波相同；
　　2）當Z1＜Z2，α＜0，即樁身存在擴頸或嵌巖樁樁底等阻抗相對增大時，其反射波相位與初始入射波相反；
　　3）自然狀態下，樁頂為自由端時，VR(n)=αnVI，n為同一阻抗變化部位的n次反射，因此對于Z1＞Z2，α＞0時，多次反射的相位始終與初始入射波同相；對于Z1＜Z2，α＜0時，奇次反射的相位與初始入射波相反，而偶次反射的相位卻與初始反射波同相；
　　4）當Z1=Z2，α=0，即樁身無缺陷或存在阻抗匹配時，無反射波信號。由式16、17可知，透射波不改變方向和符號，始終與初始入射波同相。
　　1.2 缺陷位置的判斷
　　以樁的縮頸缺陷為例，設樁長為L，樁身缺陷處的深度為L1，樁底反射波到達的時間為t，缺陷處反射波到達的時間為t1，如圖2所示。
　　
　　圖2樁身缺陷位置確定的示意圖
　　則樁身混凝土的波速vp為：
　　  （18）
　　則樁身缺陷處深度為L1：
　　  （19）
　　式中：vpm為同一工地內多根已測合格樁樁身縱波速度的平均值。
　　2 檢測系統的構件
　　檢測系統的硬件設備主要包括：加速度傳感器、數據線、NI9233信號調理模塊、NIUSB－9162信號采集模塊、計算機。
　　軟件系統設計主要包括數據采集系統(如圖3所示)和數據分析系統(如圖4所示)，其中數據采集系統主要對信號調理、采集和保存，數據分析系統主要對保存的波形進行讀取、顯示、濾波、FFT變換、頻譜分析、獲取計算參數、顯示分析結果等功能。由于該系統要對信號的相位給予精確的讀取，因此采樣率取為50000，濾波器采用幅值畸變和相位畸變都很小的巴特沃茲帶通濾波器，高截止頻率取為1200Hz，低截止頻率取為100Hz。
　　
　　圖3數據采集系統程序框圖
　　
　　圖4數據分析系統程序框圖
　　3 試驗研究與數據分析
　　為消除偶然因素的影響，對每一根待檢測的樁基用不同力度敲擊5次，取其平均時間間隔作為計算時間差。未進行處理的波形由于有干擾信號的存在，其波形起伏大，激振點信號不清晰（如圖5所示），而濾波后的信號平滑，激振信號和底反信號都很明顯（如圖6所示）。
　　
　　圖5濾波前的信號
　　
　　圖6濾波后的信號
　　將加速度傳感器安裝在待檢測的樁端，打開低應變樁基數據采集系統，用不同力度錘擊樁端中心5次，保存信號。測量樁長，并將其輸入數據分析系統，經過處理得到濾波后的波形圖及樁端到缺陷處距離。由于處理的波形圖太多，無法一一列舉，僅列舉3號樁的檢測波形圖，圖7為3號樁缺陷處的波形圖，表1為試驗檢測結果。
　　
　　圖7缺陷處的識別
　　表1低應變樁基試驗檢測結果
　　樁號 1 2 3 4 5 6 7 8
　　底反信號傳播時間(ms) 3.72 3.50 4.30 4.32 3.58 3.60 3.74 3.68
　　波在樁上的傳播速度(m/s) 4032 4286 3488 3472 4190 4167 4010 4076
　　缺陷處反射信號傳播時間(ms) 2.12 2.12 2.06 2.64 1.66 1.76 1.92 1.78
　　測得的樁端到缺陷處距離(m) 4.27 4.54 3.59 4.58 3.48 3.67 3.85 3.62
　　樁端到缺陷處的實際距離(m) 4.26 4.53 3.58 4.49 3.47 3.66 3.89 3.67
　　誤差(m) －0.01 －0.01 0.01 －0.09 －0.02 －0.01 0.04 0.05
　　試驗所采用的采樣率為50000Hz，采樣間隔為0.02ms，系統誤差ζ可由式20求得，系統誤差為0.043m（波速取4300m/s）。由表1可知，用低應變樁基檢測系統對桿件斷裂處進行檢測的最大誤差為0.09m。考慮到桿件的不均勻性，以及桿件的裂縫與桿件的軸線不完全垂直，用直尺測得的桿件端部到缺陷處的距離不完全是波的傳播距離，因此，實際誤差小于0.09m，滿足工程實際中樁基檢測的精度要求。
　　  （20）
　　4 結語
　　由試驗結果分析可見，利用虛擬儀器技術對低應變樁基檢測系統進行檢測的誤差小于0.09m，因此，將該系統應用于樁基檢測是可行的，且具有編程簡單、結果準確、穩定性好等優點，土木工程師可根據工程實際的需要對儀器儀表進行開發。由于該系統需要人工確定波峰位置，工作量較大，因此，應對該系統進行更進一步的研究，以達到自動識別波峰，實時顯示檢測結果的功能。
　　參考文獻：
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　　[2]贠永峰,張存明,王軍艦等.反射波法在基樁動測中的應用[J].中外公路,2011,31(5):183-185.
　　[3]丁選明,陳育民,孔綱強等.PCC樁低應變反射波法檢測時速度波形成機制探討[J].巖土力學,2012,33(1):154-161.
　　[4]宋媛媛,李曉雷,霍喜平等.虛擬儀器技術在激振器自動測控系統中的應用[J].儀表技術與傳感器,2002,(8):17-19.
　　[5]陳軍.低應變反射波法檢測樁中縮頸離析樁的判別[J].山西建筑,2009,35(21):119-120.