如何提高模型桩低应变检测的准确性
浅谈模型桩低应变测试中的峰值法与起跳法
通常在低应变检测计算波速和确定缺陷位置时有“峰值法”和“起跳法”两种。所谓“峰值法”,也称“峰-峰法”,根据桩底反射计算波速以及根据波速确定缺陷位置时,都采用峰值点确定时间。所谓“起跳法”,也称“升-升法”,采用入射波和反射波的起跳点来计算波速和缺陷位置。
低应变检测尤其是模型桩测试时,通常会遇到一个问题,明明缺陷和桩底位置都很明显,但是测出来的缺陷位置与实际的缺陷位置存在明显偏差,这个偏差,有些规范的条文说明做了一些解释,但是那种解释有些隔靴搔痒,比如以激振点和测点之间的距离,以及表面波波速低于纵波波速为因素的解释,多少有些荒唐。桩顶那么小的区间,尤其尼龙棒一类的模型桩,直径很小,激振点到安装点的范围内,直达波谈不上是表面波波速的,依然是纵波波速。此外,仪器的采集触发,是以传感器接收到信号为始点的,实际上去掉了这个传播距离的影响。
如果单纯依据波的传播特性来解释缺陷位置计算误差,更多的应该归咎于大桩浅部的三维效应,包括三维纵波波速与一维纵波波速相差近20%这些方面,测点与安装点之间的距离影响,基本可以忽略不计,特别是小桩和尼龙棒模型桩。

图1岩海模型桩之一


a)峰值法 b)起跳法
图2 同一实测曲线的不同判读模式
造成缺陷定位误差的真正原因,其实主要是材料中的波速弥散。
图2为图1所示的2.5m长模型桩实测信号,传感器安装在模型桩右侧,从桩顶往下137cm处有明显的缩径缺陷,(a)和(b)分别展示了峰值法和起跳法计算的缺陷位置,不难看出,起跳法测出的位置误差更小,更接近实际的缺陷位置。
应力波在传播过程中会有材料阻尼引起的波速弥散,导致同一种介质,不同频率波速不同,光波如此,应力波同样如此。波速弥散与材料特性密切相关,尼龙棒比混凝土严重,混凝土比钢材严重。一个典型的案例便是,同一根桩,超声波测试的波速(即便一维)比低应变高出500m/s左右,而低应变又比高应变高出200m/s以上。因为材料阻尼,高频信号在传播过程中会更容易被吸收,导致剩下来的应力波,低频更丰富(早晚太阳是红的、中午是白的,就是这个道理),以至于信号的主瓣宽度逐渐变大,如图2,
从桩顶的0.56ms变成桩底的0.68ms。此时如果用峰值法确定波速,那么桩底参与计算的时间值明显偏大,应力波相速度低于实际波速,导致缺陷位置,特别是浅部缺陷位置计算结果偏浅。而起跳法取的是起跳点,波速弥散导致的波速变低问题影响较小,因而计算结果更加接近实际。桩长越长,弥散效应引起的后果越严重,峰峰法计算的误差也就越大。
起跳法的难点在于如何准确确定起跳点。这需要一定经验,如图3所示。即便是模型桩也不能以反射波与坐标轴的相交点为起跳点,还是以反射趋势开始点为起跳点为宜,当然具体应观察反射开始前的波形特征。

图3起跳法起跳点的确定难度
一个比较合理的建议是,对于尼龙棒模型桩,根据起跳法确定应力波传播波速,以峰值法确定浅部缺陷位置;以峰值法确定应力波传播速度,同样以峰值法确定深部缺陷位置;中部缺陷,可以二者综合。
对于工程桩,缺陷位置可以适当超估,特别是遇到需要现场开挖或者抽芯验证时。
武汉岩海公司技术部
2022年11月28日