1 前言

对于旧楼改造或旧桥评估来讲，由于历史原因常缺少准确的地质、结构设计、施工或验收检测等相关资料。特别是隐蔽工程的地下桩基础，由于其与上部结构相连接，其桩身完整性无法采用常规的低应变反射法进行检测。到目前为止，尚未寻找到有效的测试方法，成为公认地工程难题之一。近年来美国工程技术人员提出基桩双速度测试和分析技术，为既有基础下基桩桩身完整性检测带来希望。通过不断改进测试方法，克服实际工况条件下不利因素，势必会成为解决这一难题的有效方法。

 2 基本原理

当既有基础下基桩桩顶与上部结构相连且桩长未知时，采用应力波反射法测试有两个复杂因素无法回避：（1）桩身平均波速未知，影响桩长的确定；（2）由于应力波本质是纵波，纵波属于体波。对于既有结构下基桩，纵波在结构交界面处或桩顶处会产生极为复杂应力波，不仅产生下行波，而且产生上行波。这些次生的反射波必须要识别出来，避免与桩身阻抗变化或桩底引起的上行反射波混淆。为此引入双速度测试方法，沿桩侧安装两个加速度传感器，同时采集两个加速度信号，通过计算可以确定两个传感器间桩身平均速度以及从实测波形中分离出上行应力波。

双速度测试方法用于既有结构下桩身完整性测试原理为在桩身侧面距离桩顶z1和z2处分别安装两个加速度计A1和A2。测试时在A1之上某一位置冲击桩身，可以得到A1和A2两条速度曲线，如图1所示。A1和A2曲线中包含了上行波和下行波速度。图中显示了应力波传播路径及两道速度随时间的变化，其中L表示桩长，c表示桩身平均波速，应力波沿桩身传到桩底的时间为L/c，桩底反射波到达A1处时间为2L/c。时间t1和t2分别是A1和A2下行应力波的到达时间，而t3和t4分别是A2和A1上行应力波（桩底反射波）的到达时间。

2.1 平均波速的确定

由于实测了两个速度曲线，可采用下式计算桩身平均波速

                                         (1)

式中：c―桩身平均波速；

―加速度传感器A1和A2之间的已知距离（z2-z1）；

 
―到达加速度传感器A1和A2的时间差（t2-t1或t4-t3）

图1 双速度测试示意图

2.1.1手动分析

利用t2-t1代替式（1）中的，得到

                                  (2)

当t1、z1和z2不变时，改变波速将影响t2和传播线倾角。正确的波速应使下行应力波传播线通过冲击脉冲的起点，上行应力波传播线通过桩底反射的起点。手动调整波速，使得应力波以合理的传播途径穿过四个时间t1、t2、t3和t4。

2.1.2自动分析

如图2所示，固定A1速度曲线（实线曲线），沿时间轴向右移动A2速度曲线（虚线曲线）。如果A1和A2间距和波速正确，两条速度曲线的桩底反射时间应该相同。若波速和两传感器间距不正确，将不能自动使两个桩底反射峰重叠。调整波速（或两传感器间距）使两个桩底反射时间相同，由此得到桩身平均波速。

图2 自动确定平均波速

2.1.3互相关分析

利用互相关分析方法计算桩身平均波速。如图3（a）所示，固定A2速度曲线（虚线曲线），沿时间轴移动A1速度曲线（实线曲线），直到找到与A2速度脉冲匹配的时间，如图3（b）所示，然后利用式（1）计算波速。

图3 互相关分析确定平均波速 (a)实测速度曲线 (b)互相关曲线

2.2上行应力波

    在基桩动测技术中，无论是高应变法还是低应变法，上行应力波是最为重要的。因为只有上行应力波才能反映桩身阻抗变化或土阻力变化信息，因此上行应力波是有效波。对于既有结构下基桩完整性来讲，获得上行应力波更为重要。

举一个简单的例子，桩顶上部存在一个承台基础，承台顶部允许敲击，桩身上只安装一个加速度传感器，如图4所示。使用手锤敲击承台顶部。由速度记录可观察到如下反射信号：（1）由冲击作用产生的下行应力波；（2）由承台界面反射形成的下行应力波；（3）由缺陷反射形成的上行应力波；（4）由承台界面反射形成的下行应力波；（5）由桩底反射形成的上行应力波。其中缺陷反射的上行波（3）和桩底反射的上行波（5）是有效波，而冲击作用和承台界面引起的下行波是需要加以区分的。

为了将上行应力波分离出来，Johnson et al.(1996)^[1]给出下行波速度计算公式：

            (3)

    式中：―传感器Ax处t 时刻的实测速度；

          ―传感器Ax处t 时刻计算的下行波速度；

          ―应力波由传感器A1到A2的传播时间。

上行波速度可由下式计算：

                              （4）

式中：―传感器Ax处t 时刻的计算的上行波速度。

图4 应力波在承台下带有缺陷的桩身中传播路径

3 实例分析

试桩为一横截面积25.4cm×25.4cm，桩长12.2m的预制混凝土桩。两个加速度传感器A1和A2分别安装在桩顶以下4.57m和5.18m处。冲击位置在桩顶以下3.96m处。如图5所示。敲击后，产生两个应力波,一个向上传播称为“应力波1”，另一个向下传播称为“应力波2”。

图5 试桩的应力波传播图

“应力波1”向上至桩顶反射，“应力波2”向下至桩底反射。A1处观测到的速度变化包括：（1）“应力波2”的冲击脉冲；（2）“应力波1”的桩顶反射；（3）“应力波2”的桩底反射；（4）“应力波1”的桩底反射；（5）“应力波2”的桩顶反射；（6）“应力波1”的桩顶反射；（7）“应力波2”的桩底反射。对测试来讲，有效波是来自桩底的反射（3）、（4）和（7）的上行波。图6为A1处的实测曲线。若无桩长和桩身结构资料很难从曲线中辨别出桩底反射。

图6 A1处实测曲线

A1和A2处的实测速度曲线如图7（a）所示，其中实线为A1速度曲线，虚线为A2速度曲线；计算的上行波速度曲线如图7（b）所示，可以看出有三个主要反射峰，分别位于7.6m、11.6m和19.8m处。显然，位于7.6m处的第一个主反射是桩底反射。如果只使用A1，则很难确定桩底反射位置，甚至可能将3.5m的反射误以为缺陷。

图7上行波计算曲线 (a)实测速度曲线 (b)计算的上行波速度曲线

4 结论

理论和实践证明，采用双速度分析技术测试既有基础下基桩完整性是行之有效的方法。为测试既有基础下基桩桩身平均波速和提取上行应力波提出了新思路。然而需要提醒的是既有基础形式各异，工矿条件非常复杂，有时敲击点选择很困难，影响实测曲线质量。特别是

A2处实测信号容易受到各种因素干扰，对平均波速的准确确定和上行波计算造成影响。当然传感器间距、标定系数、采样频率等也都会影响测试精度。这些问题还需实践中不断总结经验，结合具体情况调整和改善测试方法，克服实际工况条件下的不利因素，这一方法必将得到认可和广泛应用。

参考文献

[1]Johnson, M., and Rausche, F., (1996), “Low Strain Testing of Piles Utilizing Two Acceleration Signals,” StressWave 1996, Orlando, FL, p.859-869