基于双速度法的通信单管塔单桩基础结构完整性检测

李祥君，张 博

(中国通信建设集团设计院有限公司，北京 100176)

双速度法是运用“一维波动理论”，通过加速度、速度、内力和阻抗等参数来分析桩基完整性的一种低应变测试方法[1]。该方法将桩基简化为一根材料相同且均匀的连续直杆，通过敲击桩顶使桩身中产生应力波，应力波在介质中传播时会在阻抗变化界面生成反射波和投射波，桩身上的传感器接收反射波信号，对接收到的反射波进行放大、降噪等处理，依据波形图来分析判断桩基完整性。使用该方法检测通信单管塔单桩基础时，单桩基础桩顶以下1～3 m处存在大直径的地脚螺栓以及上、下两个定位盘，使得桩顶部分的反射波十分复杂，不利于检测的分析与判断；其优点在于，单管塔的单桩基础一般为桩长6～12 m的刚性灌注桩，桩长稳定且已知，利用双速度法测出波速后便可以计算出桩长[2]。

唐勇等[3]认为双速度法可以应用于桩基检测中，但在无承台条件下的优势不明显。赵冉等[2]通过工程实例研究后认为双速度法可以用于在役桩基的完整性检测。杨芒生等[4]研究了输电铁塔基础结构完整性检测，认为可以通过上行波的特征判断铁塔基础结构的完整性。虽然建筑及电力行业在低应变法的应用上已经有了很大的进展，但在通信行业尤其在单管塔单桩基础方面还缺少相应的研究。

文章主要通过相关公式推导出相应的理论依据，对青海地区22座通信单管塔的单桩基础进行现场完整性检测，并与当地维护站的常规检测结果进行对比，验证双速度法检测通信单管塔单桩基础结构完整性的可行性。

1 主要原理

1.1 低应变法基本原理

1.1.1 低应变法基本假设

分析时，有以下假设：① 桩为连续一维的均质弹性杆件；② 应力波传播不受桩侧土的影响；③ 桩在轴向变形时横截面运动方式为平动，沿截面的轴向应力均匀分布；④ 入射波的波长远大于桩的直径，小于桩的长度。

1.1.2 低应变法公式推导

若基本假设成立，质杆变形时，质点位移L，波位移u、应变ε、质点速度v和应力σ都是关于x和t的函数。杆件受力分析模型如图1所示。

图1 杆件受力分析模型

在杆件上取微元dx，则微元dx所受到的外力F为

F=σE

(1)

根据牛顿定律和式(1)，可得

F=ma=AEε=AρdL·a

(2)

式中：E为桩的弹模；A为桩横截面积；ρ为桩的体积密度；a为加速度。

根据胡克定律和运动关系，可得

(3)

(4)

根据式(3)和(4)推导，可得

(5)

(6)

根据式(2)和(5)推导，可得

(7)

(8)

根据“一维波动理论”建立微元dx的惯性力方程

(9)

(10)

根据式(8)和(9)可得

(11)

1.2 双速度法的基本原理

双速度法检测原理如图2所示，图中桩长为L；K1、K2为加速度传感器，深度分别为y1和y2；K3为缺陷，深度为y3，t1～t6分别为激振波被传感器接收的时间节点；则有

图2 双速度法检测原理示意

(16)

(17)

(18)

由于通信单管塔的单桩基础长度大多为6～15 m，且一般为灌注桩，长度大多可以确定，可将测出的桩长L与设计图纸中的桩长相比较，判断c值的准确度。根据式(17)计算出缺陷位置后再根据仪器显示的相应波形特征结合材料、施工工艺和顺序等分析出缺陷的性质[5-12]。

2 检测试验

2.1 检测背景

应海西铁塔公司维护部的要求，对青海省海西蒙古族藏族自治州的22座铁塔进行检测。海西州为“三山(祁连山、昆仑山、阿尔金山)夹一盆(柴达木盆地)”地形，其境内盐碱含量极高，以茶卡盐湖及察尔汗盐湖地区为最。高碱环境对建筑基础的侵蚀破坏极大、极快，通信铁塔设计服役年限为50 a，在此期间，一旦基础被破坏，将对铁塔造成致命威胁。检测站点均位于茶卡盐湖以及察尔汗盐湖区域，服役年限均在10 a以上。双速度法检测与维护站的超声波检测将同时进行，超声波检测的结果将用于与双速度法检测结果相互验证，保证检测结果的准确性。

2.2 检测结果与分析

采用RSM-PRT(M)型基桩低应变检测仪，检测时将一个传感器置于桩顶，桩基础侧壁开挖0.3 m后放置第二个传感器，加上桩外伸出地面的0.2 m，两个传感器的间距为0.5 m。其中茶卡盐湖区域检测14个基站，察尔汗盐湖检测8个基站，检测基站分布如图3所示。检测仪器读取数据与缺陷位置分析结果如表1所示。

图3 检测基站分布

表1 检测仪器读取数据与缺陷位置分析结果

如表1所示，检测仪可读取出波的时间节点，t1，t2为下行波经过两传感器的时间节点；t3，t4为由缺陷位置产生的反射波上行经过两传感器的时间节点；t5，t6为由桩底产生的反射波上行经过两传感器的时间节点。波速c可由仪器自动计算得出，桩长及缺陷位置可由数据导出后计算机分析得出。

用时间参数求出波速和桩长后，与设计桩长相比，误差均在0.2 m内，说明采用双速度法测量桩长是可行的。其中19号和20号基站的桩出现缺陷，笔者通过检测数据计算出了缺陷位置，分别位于距离桩顶2.3 m和4.6 m处。

5号基站位于7号基站北侧1.2 km处，维护人员同时进行超声波检测和双速度法检测，均未发现桩基异常。5号基站检测波形如图4所示，除因上部地脚螺栓部分造成的紊乱外，波形以平稳状态缓慢减益，符合无损桩基的反射波形状。

图4 5号基站检测波形

7号基站位于茶卡盐湖，距离茶卡盐湖中央湖区仅120米，服役时间超过10 a，为高45 m的单管景观塔基础，设计桩长为9.8 m，属人工挖孔灌注桩，采用C30混凝土。维护站技术人员经超声波及其他检测办法测得其距离桩顶2.35 m左右出现扩径缺陷。7号基站检测波形如图5所示，发现上行波图像出现明显紊乱，经仪器降噪处理后测得缺陷位置在距离桩顶2.3 m处，与超声波检测结果误差很小，基本可确认检测结果准确。

图5 7号基站检测波形

20号基站位于察尔汗盐湖，距离位于盐湖中央湖区边缘，服役时间为13 a，维护站确认其曾在春汛期间被卤水淹没。20号基站为高30米的景观塔，设计桩长为7 m，属人工挖孔灌注桩，采用C30混凝土灌注。维护站技术人员经超声波检测及其他检测办法发现距离桩顶4.6 m处出现离析与侵蚀缺陷。20号基站检测波形如图6所示，发现两传感器接收到的波形出现紊乱，上行波波形也出现明显紊乱，说明检测结果准确。

图6 20号基站检测波形

3 结论

通过推导双速度法的原理并将双速度法应用于上部结构复杂的通信单管塔单桩基础的缺陷检测，得出以下结论。

(1) 双速度法测定桩长结果比较准确，可以根据图纸双向验证波速。

(2) 双速度法可以准确测定缺陷的位置，上部结构形成的干扰不影响检测结果。