一種用于基樁檢測的扭剪波激振采集分析方法與流程
本發(fā)明屬于工程檢測技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于基樁檢測的扭剪波激振采集分析方法。
背景技術(shù)：
扭剪波與縱波的傳播機(jī)理相近，但是二者對于同種缺陷的波形反應(yīng)卻并不相同?？v波反射波法存在對淺部小缺陷具有檢測盲區(qū)、對豎向裂縫不敏感和橫向慣性彌散等問題，扭剪波可以彌補(bǔ)其不足；而縱波的特點(diǎn)在于波速比扭剪波波速高，傳播的距離更遠(yuǎn)，能夠測到的樁長更長，便于檢測到長樁樁底。綜合縱波法和扭剪波法分析，將扭剪波曲線與縱波曲線聯(lián)合，可以計(jì)算缺陷位置的等效半徑和回轉(zhuǎn)半徑，等效半徑相當(dāng)于把缺陷等效為實(shí)心圓外面的環(huán)形，而回轉(zhuǎn)半徑與缺陷形狀密切相關(guān)，回轉(zhuǎn)半徑可以判斷缺陷的偏心程度，從而可以進(jìn)一步提高對于缺陷性狀的認(rèn)知，進(jìn)一步擴(kuò)大了低應(yīng)變法的應(yīng)用范疇，使該方法更具明確物理意義?，F(xiàn)有技術(shù)中雖然理論非常成熟，但是相比較縱波的激振，在當(dāng)下基樁檢測領(lǐng)域，尚未有一種行之有效的激振方式使得扭剪法的理論能夠應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，扭剪法信號的提取方式也是扭剪法無法應(yīng)用到實(shí)際的一大難題，而且對于淺部缺陷盲區(qū)和縱向裂縫也缺乏一種行之有效的采集分析方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種用于基樁檢測的扭剪波激振采集技術(shù)及分析方法，其目的在于在扭剪波法中提供一種行之有效的激振方式以及扭剪波信號的提取方式，由此解決現(xiàn)有技術(shù)中扭剪波缺乏簡便有效的激振方式且沒有有效的提取方式的技術(shù)問題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于基樁檢測的扭剪波激振采集技術(shù)及分析方法，包括：
通過在待測基樁樁側(cè)施加切向力產(chǎn)生橫向偏心激振，從而生成扭剪波；
通過反對稱安裝在樁身兩側(cè)的兩只傳感器，分別獲得該傳感器位置處的振動信號；
將所述兩只傳感器所獲得的振動信號疊加得到扭剪波信號；
根據(jù)所述扭剪波信號和縱波信號計(jì)算缺陷位置的等效半徑和回轉(zhuǎn)半徑，并進(jìn)一步根據(jù)所述等效半徑和回轉(zhuǎn)半徑識別缺陷程度與性狀；或者，
根據(jù)所述扭剪波信號，識別淺部缺陷；或者，
根據(jù)所述扭剪波信號，檢測管樁縱向裂隙或灌注樁縱向泌水縫缺陷；或者，
根據(jù)所述扭剪波信號，利用頻域分析，分析扭剪波中各諧振頻率和頻差對應(yīng)的缺陷位置。
本發(fā)明的一個實(shí)施例中，通過在被測基樁的樁側(cè)施加切向力產(chǎn)生橫向偏心激振，具體為：
在圓樁樁側(cè)通過膨脹螺栓固定木質(zhì)、尼龍質(zhì)、鋁質(zhì)、鐵質(zhì)激振塊，使用激振錘沿圓樁側(cè)面切向敲擊所述激振塊，通過激振塊向所述圓樁施加切向力產(chǎn)生橫向偏心激振；或者，
使用激振錘敲擊方樁樁頂處的樁身側(cè)面角點(diǎn)，從而施加切向力產(chǎn)生橫向偏心激振。
本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述振動信號為所述傳感器位置處的切向速度，所用傳感器為能夠橫向固定安裝且靈敏度為50mV/ms-2的加速度計(jì)。
本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述將兩個傳感器所獲得的傳感信號疊加得到扭剪波信號，具體為：
VS＝VT1+VT2
其中，VS為疊加后得到的扭剪波信號，VT1和VT2分別為兩個傳感器獲得的切向速度信號。
本發(fā)明的一個實(shí)施例中，根據(jù)所述扭剪波信號和縱波信號，計(jì)算缺陷位置的等效半徑和回轉(zhuǎn)半徑，具體為：
其中：
VR——實(shí)測縱波第一次反射波波峰幅值；
VI——實(shí)測縱波入射波波峰幅值；
ωR——實(shí)測扭剪波第一次反射波波峰幅值；
ωI——實(shí)測扭剪波入射波波峰幅值；
R1——完整樁身等效半徑；
R2——缺陷處樁身等效半徑；
Rg1——完整樁身回轉(zhuǎn)半徑；
Rg2——缺陷處樁身回轉(zhuǎn)半徑；
η——樁側(cè)土耦合系數(shù)；
b——缺陷處的深度；
ξ——樁身等效半徑與樁身回轉(zhuǎn)半徑的平方比；
進(jìn)一步根據(jù)所述等效半徑和回轉(zhuǎn)半徑識別缺陷性狀。
等效半徑相當(dāng)于把缺陷等效為實(shí)心圓外面的環(huán)形，而回轉(zhuǎn)半徑與缺陷形狀密切相關(guān)，回轉(zhuǎn)半徑可以判斷缺陷的偏心程度，從而可以進(jìn)一步提高對于缺陷性狀的認(rèn)知。
本發(fā)明的一個實(shí)施例中，根據(jù)所述扭剪波信號識別淺部缺陷，具體為：根據(jù)扭剪波對淺部缺陷的反射到時計(jì)算淺部缺陷位置，并根據(jù)反射幅值計(jì)算等效半徑和回轉(zhuǎn)半徑，進(jìn)而得出所述淺部缺陷的缺陷程度及性狀。
扭剪波波速：
縱波波速結(jié)果：
其中：
CS——扭剪波波速；
CL——一維縱波波速；
E——樁身混凝土材料彈性模量；
G——樁身混凝土材料剪切模量；
ρ——樁身混凝土材料密度；
ν——樁身混凝土材料泊松比。
樁身混凝土材料的泊松比v介于0.16～0.18之間，相應(yīng)一維縱波波速約為剪切波波速的倍，同一缺陷的反射到時，扭剪波長于縱波倍。依據(jù)扭剪波信號分析，有效避免了淺部缺陷在縱波信號中因到時過短而受振源脈寬影響導(dǎo)致的難以識別問題也即所謂淺部盲區(qū)問題。
并且進(jìn)一步地，根據(jù)所述扭剪波信號和縱波信號，計(jì)算缺陷位置的等效半徑和回轉(zhuǎn)半徑，并根據(jù)等效半徑和回轉(zhuǎn)半徑計(jì)算所述淺部缺陷的位置和缺陷性狀。
本發(fā)明的一個實(shí)施例中，根據(jù)所述扭剪波信號，檢測管樁縱向裂隙或灌注樁縱向泌水縫缺陷，具體為：
比較所述縱波信號和所述扭剪波信號，如果同一缺陷在所述縱波中沒有形成反射波，而在所述扭剪波中形成了明顯的反射波，那么，對于管樁而言，意味著該處存在縱向裂隙，對于灌注樁而言，則可能存在縱向泌水縫。
本發(fā)明的一個實(shí)施例中，根據(jù)所述扭剪波信號，利用頻域分析，分析扭剪波中各諧振頻率和頻差對應(yīng)的缺陷位置，具體為：
針對所述扭剪波信號進(jìn)行傅里葉變換，得到頻譜圖，在所述頻譜圖中尋找各階諧振峰，計(jì)算所述各諧振峰頻率和相鄰兩諧振峰之間的頻差，利用所述扭剪波波速，依據(jù)下式計(jì)算樁長和缺陷位置。
或
或
其中
L——實(shí)測樁長；
b——實(shí)測缺陷位置；
Cs——扭剪波波速；
fb——缺陷所對應(yīng)的諧振峰；
fL——樁底所對應(yīng)的諧振峰；
ΔfL——整樁所對應(yīng)的相鄰諧振峰頻差；
Δfb——缺陷所對應(yīng)的相鄰諧振峰頻差。
總體而言，本發(fā)明技術(shù)方案具有如下有益效果：
(1)本發(fā)明方法通過在待測樁基樁頂?shù)臉渡韨?cè)面施加切向力產(chǎn)生橫向偏心激振從而生成扭剪波，提供了一種行之有效的激振方式，可以較好的激振產(chǎn)生扭剪波信號，克服了現(xiàn)有技術(shù)中無法有效激振產(chǎn)生扭剪波的技術(shù)問題；
(2)本發(fā)明方法通過對稱反向安裝在樁身兩側(cè)的兩個傳感器，分別獲得該傳感器位置處的傳感信號；并將所述兩個傳感器所獲得的傳感信號疊加得到扭剪波信號；從而提供了一種有效的扭剪波提取方式，可以較好的得到扭剪波的激振信號；
(3)本發(fā)明方法通過樁頂橫向偏心激振和對稱反向安裝的傳感器實(shí)現(xiàn)扭剪波的激振和提取，通過使得扭剪波信號能夠得以應(yīng)用于實(shí)際檢測當(dāng)中，從而發(fā)揮出扭剪波信號在實(shí)測中對縱波信號的補(bǔ)充作用：根據(jù)所述扭剪波信號和縱波信號計(jì)算缺陷位置的等效半徑和回轉(zhuǎn)半徑，并進(jìn)一步根據(jù)所述等效半徑和回轉(zhuǎn)半徑識別缺陷程度與性狀；或者，根據(jù)所述扭剪波信號，識別淺部缺陷；或者，根據(jù)所述扭剪波信號，檢測管樁縱向裂隙或灌注樁縱向泌水縫缺陷；或者，根據(jù)所述扭剪波信號，利用頻域分析，分析扭剪波中各諧振頻率和頻差對應(yīng)的缺陷位置。對于扭剪波的利用使得判斷更加完整，減少錯判或者誤判的情況，保證工程質(zhì)量和人民生命財產(chǎn)安全；
(4)本發(fā)明方法將扭剪波曲線和縱波曲線聯(lián)合，可以計(jì)算缺陷位置的等效半徑和回轉(zhuǎn)半徑，等效半徑相當(dāng)于把缺陷等效為實(shí)心圓外面的環(huán)形，而回轉(zhuǎn)半徑與缺陷形狀密切相關(guān)，回轉(zhuǎn)半徑可以判斷缺陷的偏心程度，從而可以進(jìn)一步提高對于缺陷性狀的認(rèn)知，進(jìn)一步擴(kuò)大了低應(yīng)變法的應(yīng)用范疇，使該方法更具明確物理意義。
附圖說明
圖1是本發(fā)明實(shí)施例中扭剪法原理示意圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例中力的疊加示意圖；其中(a)為側(cè)擊力的示意圖，(b)為純扭力的示意圖，(c)為彎曲力的示意圖；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例中如圖2所示三種激勵方式下速度信號曲線示意圖；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例中幾種力的信號的疊加對比示意圖；
圖5是本發(fā)明實(shí)施例中多個速度信號點(diǎn)示意圖；
圖6是圖5中V1、V2、V3三個速度信號點(diǎn)的信號曲線示意圖；
圖7是本發(fā)明實(shí)施例中疊加曲線和純剪、純扭曲線對比示意圖；
圖8是圖5中V1、V3兩個速度信號點(diǎn)的信號曲線分析示意圖；
圖9是圖5中V4、V5兩個速度信號點(diǎn)的信號曲線分析示意圖；
圖10是本發(fā)明實(shí)施例中2ms加載脈寬下的圓樁扭剪波時域波形示意圖；
圖11是本發(fā)明實(shí)施例中2ms加載脈寬下的方樁扭剪波時域波形示意圖；
圖12是本發(fā)明實(shí)施例中方樁現(xiàn)場實(shí)測圖；
圖13是本發(fā)明實(shí)施例中方樁縱波和扭剪波對比信號示意圖；其中圖13(a)是扭剪波示意圖，圖13(b)是縱波示意圖；
圖14是本發(fā)明實(shí)施例中圓樁現(xiàn)場實(shí)測圖；
圖15是本發(fā)明實(shí)施例中圓樁扭剪波信號示意圖；
圖16是本發(fā)明實(shí)施例中圓樁現(xiàn)場實(shí)測圖，增加了木質(zhì)和鐵質(zhì)輔助激振塊；
圖17是圖16場景中測得的信號示意圖；其中圖17(a)是加木質(zhì)輔助激振塊用尼龍錘得到的縱波信號，其中圖17(b)是加木質(zhì)輔助激振塊用小鐵錘敲擊的扭剪波信號，其中圖17(c)是加木質(zhì)輔助激振塊用尼龍錘敲擊的扭剪信號；
圖18為本發(fā)明實(shí)施例中一縱向缺陷示意圖，其中圖18(a)為縱切面示意圖；圖18(b)為橫切面示意圖；
圖19為本發(fā)明實(shí)施例中縱波與扭剪波仿真計(jì)算波形及缺陷識別比較示意圖；其中圖19(a)為扭剪波；圖19(b)為縱波；
圖20為本發(fā)明實(shí)施例中淺部存在小缺陷的縱波法和扭剪波法速度信號示意圖；其中圖20(a)為縱波法；圖20(b)為扭剪波法；
圖21為本發(fā)明實(shí)施例中現(xiàn)場實(shí)測圖；其中圖21(a)為圓樁，圖21(b)為方樁；
圖22為圖21(a)中圓樁所得信號，其中1#、2#道為原始傳感器測試信號，3#道為疊加信號；
圖23為圖21(b)中方樁所得信號，其中1#、2#道為原始傳感器測試信號，3#道為疊加信號；
圖24為圖21(b)中方樁的縱波和扭剪波對比信號，其中圖24(a)是扭剪波信號，圖24(b)是縱波信號；
圖25是本發(fā)明實(shí)施例中另一種圓樁現(xiàn)場實(shí)測圖；
圖26是圖25場景中測得的信號示意圖；
圖27是本發(fā)明實(shí)施例中輔助激振塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖28是本發(fā)明實(shí)施例中增加了木質(zhì)輔助激振塊測得的信號示意圖；其中圖28(a)為加木質(zhì)輔助激振塊用尼龍錘得到的縱波信號，圖28(b)為加木質(zhì)輔助激振塊用小鐵錘敲擊的扭剪波信號圖，圖28(c)為加木質(zhì)輔助激振塊用尼龍錘敲擊的扭剪波信號圖；
圖29是本發(fā)明實(shí)施例中增加了鐵質(zhì)輔助激振塊測得的信號示意圖；其中圖29(a)為采用鐵質(zhì)輔助激振塊用尼龍錘敲擊得到的時域信號，圖29(b)為采用鐵質(zhì)輔助激振塊用尼龍錘敲擊得到的頻譜示意圖；
圖30是本發(fā)明實(shí)施例中增加了鐵質(zhì)輔助激振塊測得的信號示意圖；其中圖30(a)為采用鐵質(zhì)輔助激振塊用小鐵錘敲擊得到的時域信號，圖30(b)為采用鐵質(zhì)輔助激振塊用小鐵錘敲擊得到的頻譜示意圖；
圖31是本發(fā)明實(shí)施例中針對圓樁的扭剪激振測試示意圖；
圖32是本發(fā)明實(shí)施例中針對方樁的扭剪激振測試示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
縱波和扭剪波都是聲波在混凝土樁中傳播的一種形式，基于縱波能夠在混凝土樁中傳播并檢測樁身完整性，聯(lián)想到扭剪波同樣也能用于檢測，并研究扭剪波是否在完善縱波的不足點(diǎn)上有所幫助，從而提出了扭剪波理論，用于檢測淺部缺陷和豎向裂隙。下面首先對本發(fā)明方法所基于的扭剪波的基本理論予以說明：
1扭剪波基本理論
1.1基本控制方程
如圖1所示，扭剪法采用物質(zhì)坐標(biāo)，在平截面保持不變的假定前提下研究均勻圓截面樁的純扭運(yùn)動。如果以M表示扭矩，表示扭轉(zhuǎn)角，而以ω和θ分別表示角速度和單位扭轉(zhuǎn)角。
則有協(xié)調(diào)方程和運(yùn)動方程為：
式中為單位長度樁元對扭轉(zhuǎn)軸X(中心軸)的轉(zhuǎn)動慣量，m為線密度(dm＝ρdA)、Rg為回轉(zhuǎn)半徑、A為橫截面面積。
線彈性材料存在剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：
τ＝Gγ (4)
式中G為剪切模量。
在扭轉(zhuǎn)截面不變的假定下是，由材料力學(xué)可知：
代入方程(4)可得
式(3)和(7)組成以ω和θ為未知數(shù)的雙曲型一節(jié)偏微分方程組，在形式上與縱波理論所組成的方程組完全一致。可得以為未知函數(shù)的二階雙曲型偏微分方程(波動方程)：
上式中為扭剪波波速。其與一維縱波波速CL關(guān)系為：由于樁身材料的泊松比v介于0.16～0.18之間，CL/CS約為不同頻率的扭剪諧波都以相同的相速度傳播不發(fā)生頻散現(xiàn)象。
1.2扭剪波在完整樁中的傳播特性
采用與縱波類似的方法，以特征線法求解(4)和(5)構(gòu)成的方程組，可得特征線及相容方程：
定義Zs為廣義剪切波阻抗，Zs＝CsIp＝ρACsRg2。間斷剪切波條件為：
根據(jù)牛頓第三定律以及連續(xù)介質(zhì)位移(速度)連續(xù)原理可得：
在這里定義nS＝ZS/ZS′、FS＝(nS-1)/(nS+1)、TS＝1-FS。式中下標(biāo)S用與縱波表示區(qū)別，顯然，縮頸類缺陷引起同向反射，而擴(kuò)徑類缺陷導(dǎo)致反向反射。并且缺陷程度越大，反射幅值越強(qiáng)烈。由廣義剪切波阻抗Zs＝CsIp＝ρACsRg2，在同種條件下，相對于縱波與截面面積的平方成正比，所以同樣的缺陷，扭剪波反射信號將強(qiáng)于縱波。
與縱波分析類似，當(dāng)樁底為巖土持力層時，樁底土對樁體作用以扭轉(zhuǎn)彈簧代替，彈簧剛度為KS，樁端發(fā)生扭轉(zhuǎn)時的單位扭轉(zhuǎn)角為
λS＝KS/GIP (11)
若定義樁底耦合條件為M-λSZSω≡0，及樁底耦合系數(shù)βS＝(1-λS)/(1+λS)，則有：
式中：
λS→0，βS→1，表示樁端為自由端；
λS→∞，βS→-1，表示樁端為完全固定端；
λS→1，βS→0，表示樁端土與樁身廣義波阻抗完全匹配，ωR→0，MR→0，沒有反射發(fā)生；
λS＜1，βS＞0，ωR與ωI同向，表示樁底有沉渣或持力層軟弱；
λS＞1，βS＜0，ωR與ωI反向，一般表示樁底持力層軟好，且入巖。
由以上分析可見，縱波傳播的理論對于扭剪波同樣適用。
1.3頻域基本理論
低應(yīng)變測試中，人們對于頻域分析應(yīng)用并不多，然爾頻域分析作為時域分析的重要補(bǔ)充，往往可以對時域分析的結(jié)果起到佐證的作用。對于實(shí)際動測所得到的信號，可認(rèn)為由是由許多具有不同頻率(或波長)、幅值和相位的諧波構(gòu)成?，F(xiàn)采用振動理論中的分離變量法對一維波動方程進(jìn)行求解。以縱波求解為例，樁底土對樁體作用以彈簧代替，彈簧剛度為KL，則樁體的邊值條件可寫為：
(樁頂自由) (14)
(樁底彈性地基) (15)
令：
u＝Acos(hLx+θL)·sin(2πf·t+φL) (16)
將式(16)代入縱波的波動方程，結(jié)合樁頂邊界條件后可得hL＝2πf/CL及θL＝0，繼而代入樁底邊界條件，可得頻率方程：
或
當(dāng)樁底自由時，KL＝0，此時頻率方程為：
該方程的解即為兩端自由樁體的各階諧振頻率：
當(dāng)樁底自由時，K＝+∞，此時頻率方程為：
該方程的解即為一端自由，一端固結(jié)的樁體的各階諧振頻率：
通過對以上兩種極端情況頻率方程的解答可見，樁底自由時基頻f0＝0，端固結(jié)時的基頻f0＝CL/4f，兩種情況下的相鄰頻差均為CL/2f。
實(shí)際工程中的樁為摩擦樁或端承樁，樁底彈簧的剛度介于0與+∞之間，由于方程(14)不便直接求解，現(xiàn)對方程做如下變換：
以上頻域分析只是針對縱波，對于扭剪波，樁底土彈簧剛度為KS，則樁體的邊值條件為：
(樁頂自由) (23)
(樁底彈性地基) (24)
令：
將式(23)代入式(16)，結(jié)合樁頂邊界條件后可得hS＝2πf/CS及θS＝0，繼而代入樁底邊界條件，可得頻率方程：
或
可見扭剪波頻域方程與縱波頻域方程有著相同的形式，兩者頻域求解結(jié)果只因波速不同而在數(shù)值上有所差異，所以縱波頻域理論對于扭剪波同樣適用。
1.6縱波與扭剪波綜合分析
綜上所述，以單一缺陷為例，用R1，R2，Rg1，Rg2分別表示樁的正常部位和缺陷部位的等效半徑、等效回轉(zhuǎn)半徑，并用R表示樁外徑，首次反射波的表達(dá)式為
下面的實(shí)例分析將表明，樁身材料阻尼導(dǎo)致的衰減因子幾乎小η一個數(shù)量級，故分析埋入土中的樁時，可以將其予以忽略。于是，當(dāng)假定樁身幾何形狀不變時，實(shí)測VR，VI，ωR，ωI后，上述方程包含兩位未知數(shù)兩個方程，問題得解。
對于實(shí)心圓樁，令已知參數(shù)則上述方程化為
以Rg2和η為未知數(shù)，可以求解(必要時，由于缺陷部位的形態(tài)變化劇烈，可乘以一大于1的修正系數(shù))。
而對預(yù)應(yīng)力管樁，有
固定D或T，以其中之一和η為未知數(shù)，方程同樣可解。
2扭剪波的激勵及提取方法
2.1側(cè)擊信號疊加處理的研究
經(jīng)過相關(guān)研究，得到的技術(shù)思路是在單側(cè)敲擊激勵下，通過增加接收點(diǎn)，即樁身安裝多個傳感器的方法，試圖從多個傳感器的信號疊加中得到純扭轉(zhuǎn)信號。
由于單向切向敲擊所激勵的信號包括兩個部分，一部分是純扭轉(zhuǎn)波信號，另一部分是彎曲波信號，由樁外形的對稱性和根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)中力的分解原理，如圖2所示，我們將單向切向的力(圖2(a))分解為一對產(chǎn)生彎曲的對稱力(圖2(c))和一對產(chǎn)生扭剪波的反對稱力(圖2(c))。
通過數(shù)值模擬分析，我們可以證明該分解的可行性。選擇樁長22m，樁直徑1m，彈性模量E為3.8×104Mpa，密度為2000kg/m3，泊松比為0.2，不考慮樁土作用的自由樁做初步的仿真研究。取樁頂2米處的樁周任意一點(diǎn)作為接受點(diǎn)，a、b、c三種激勵下分別得到其切向速度信號曲線如圖3所示。我們看到側(cè)擊和純剪的信號曲線都出現(xiàn)上漂情況，不利于分析樁身完整性。
為研究三種信號的相關(guān)性，對3種激勵方式進(jìn)行疊加，分別使(純剪+純扭)以及(側(cè)擊-純剪)，得到的曲線與側(cè)擊曲線和純扭曲線對比，如圖4所示。圖中四條曲線只顯示2條曲線，實(shí)際上是側(cè)擊曲線和(純剪+純扭)曲線重合以及純扭曲線和(側(cè)擊-純剪)曲線重合，說明理論上把側(cè)擊信號分解方法是可行的。通過(側(cè)擊-純剪)的信號處理方法能夠的到純扭的速度信號曲線。
在實(shí)際應(yīng)用中，我們更多的關(guān)注純扭部分的信號，以下討論如何在側(cè)擊激勵方式中得到純扭速度信號。
采集同一截面(離樁頂2米處)不同節(jié)點(diǎn)的速度信號，V1、V2、V3、V4、V5布置位置及方向詳見圖5。其中：
(1)V1、V2、V3信號曲線見圖6。應(yīng)用前一部分的疊加原理，側(cè)擊情況下，切向速度信號曲線包含著純扭和純剪兩部分信號，在樁側(cè)原點(diǎn)對稱的兩個測點(diǎn)所采集速度信號中，包含對稱的純剪信號和反對稱的純扭信號，所以理論上可以通過(V1+V2)/2和(V1-V2)/2分別得到純剪和純扭的速度信號。所以我們對模擬的速度信號曲線的進(jìn)行(V1+V2)/2和(V1-V2)/2運(yùn)算后，與純扭和純剪所得的信號進(jìn)行對比，見圖7?？梢娂兗羟闆r和(V1+V2)/2重合，純扭情況與(V1-V2)/2也重合，可見通過測試V1、V2獲得純扭信號是可行的。
(2)討論通過V1、V3獲得純扭速度曲線的可行性。如圖8所示，我們?nèi)3與純剪信號作對比，兩曲線相似度極高，可認(rèn)為V3速度信號曲線即為純剪速度曲線，我們可以通過(V1-V3)/2信號獲得純扭的速度曲線。然后取(V1-V3)/2與純扭作對比，得到同樣的結(jié)論。
(3)從V4、V5所處的位置和方向看，其受純剪作用的影響是最小的，取兩者的速度曲線與純扭的速度曲線作對比，如圖9。其相似性可以說明V4、V5能夠代表純扭速度曲線。
綜上所述，采用側(cè)擊激勵得到純扭信號的方法有以下幾種：
分別采集與敲擊點(diǎn)同一平面且對稱于樁兩側(cè)的兩個的切向速度信號，通過(V1-V2)/2的處理方法的得到純扭信號。
分別采集與敲擊點(diǎn)成90度的徑向速度信號以及與敲擊點(diǎn)同一平面的切向速度信號，通過(V1-V3)/2處理方法的得到純扭信號。
直接采集與敲擊點(diǎn)成90度的切向信號。
采用第一種方式得到獲得純扭剪信號的方法對方樁和圓樁經(jīng)行分析得到如圖10所示的結(jié)果:
波形分析：一次反射波幅值比為-1.94，誤差為3.0％，二次反射波幅值比為1.86，誤差為7.8％；根據(jù)入射波峰時與一次反射波峰時的時差計(jì)算波速為2222.2m/s，與該樁理論扭剪波波速相差1.6％。
波形分析：樁底一次反射波幅值比為-1.96，二次反射波幅值比為1.94，反射波幅值比誤差均小于5％。根據(jù)一次樁底反射峰時與入射波峰時時差得計(jì)算波速為2042.6m/s，與理論波速相差9.6％,
扭剪波的傳播理論是基于桿件在純扭轉(zhuǎn)運(yùn)動下，截面保持不變的假定。由彈性力學(xué)可知，該假定只有圓樁和圓樁能夠符合，而對于其他的截面形狀，扭剪理論難以精確成立。
雖然仿真獲取得信號較理論仍然有一定的誤差，但是偏心敲擊、對稱測點(diǎn)信號相疊加提取扭剪波的方法是可行的。
2.2行之有效的激振方式的選取。
在實(shí)際的操作過程中，因現(xiàn)場條件或?qū)嶋H需要采用的是信號疊加的第一中方式進(jìn)行的信號疊加處理。具體地，針對圓樁和方樁扭剪測試如圖31和圖32所示所示。由于實(shí)測中，樁頂純力偶難以施加，扭剪波可采用橫向偏心激振，信號疊加以剔除橫向振動的方法加以提取。如圖31和32所示，傳感器對稱反向安裝，對于圓樁，在樁頂激振施加切向力，測線12與X軸形成大于45°的夾角；對于方樁，激振力施加于角點(diǎn)。傳感器提取的切向速度VT1、VT2，直接疊加即可得到扭剪波：
VS＝VT1+VT2 (30)
2.2.1方樁扭剪實(shí)測
如圖12所示，被測方樁為一根混凝土預(yù)制樁，樁身無缺陷，混凝土強(qiáng)度C30，邊長B＝260mm，樁長L＝2.85m，方樁實(shí)測時的現(xiàn)場圖片和縱波、扭剪波對比信號如圖13所示，。
在方樁的縱波信號和扭剪波信號中都可以看到明顯的入射信號和反射信號，縱波信號按“峰-峰”時差計(jì)算所得波速為4059m/s，扭剪波信號按“峰-峰”時差計(jì)算所得波速為2133m/s，兩者波速比為1.90，與理論不符。這是由于純扭運(yùn)動下的平截面假定不完全適用于方樁，加之扭剪波較縱波會發(fā)生更大程度的頻散，導(dǎo)致實(shí)測扭剪波速偏低所致。所以對于扭剪波在方樁上的信號提取和完成行之有效的激振的驗(yàn)證方樁都滿足條件。
2.2.2圓樁扭剪實(shí)測
如圖14所示，圓樁的實(shí)驗(yàn)對象為一根外徑D＝500mm，內(nèi)徑d＝300mm，樁長L＝4.9m的圓樁，樁身無缺陷，混凝土強(qiáng)度C80，實(shí)測信號如如圖15所示。
在樁底反射處，信號出現(xiàn)較大程度的下漂與畸變，同向反射峰值與反向反射峰值的絕對值接近相等，信號質(zhì)量差，所以該法需要進(jìn)一步改進(jìn)。
2.2.3圓樁扭剪的進(jìn)一步實(shí)測
實(shí)驗(yàn)的對象還是上面所提到的那根圓樁，如圖16所示，所不同的是添加了輔助激振裝置，得到的實(shí)測信號如圖17所示。
對于扭剪信號，尼龍錘激振時，一次反射波幅值比為1.44，波速為2623m/s；小鋼錘激振一次反射波幅值比為1.09，波速為2570m/s?？梢姼哳l波在傳播過程中的衰減更大，進(jìn)而導(dǎo)致了幅值比與波速的降低。
縱波一次反射波幅值比達(dá)到1.83，可見圓樁上實(shí)測，扭剪波的衰減依然遠(yuǎn)大于縱波?？v波波速為4343m/s，與尼龍錘激振測得的扭剪波波速比為1.66，與理論計(jì)算范圍相符。
通過仿真分析扭剪波信號的提取方法和實(shí)際測試中扭剪波的激振方式，可以較好的得到扭剪波的激振信號，使得扭剪波信號能夠得以應(yīng)用于實(shí)際檢測當(dāng)中，從而發(fā)揮出扭剪波信號在實(shí)測中對縱波信號的補(bǔ)充作用，使得對信號的判斷更加完整，減少錯判或者誤判的情況，保證工程質(zhì)量和人民生命財產(chǎn)安全。
2.3扭剪波法對豎向缺陷以及淺部小缺陷的分析
基樁完整性檢測效果的好壞，涉及測試系統(tǒng)的諸多環(huán)節(jié)，大量的實(shí)測現(xiàn)場試驗(yàn)和理論分析都表明，振源與耦合劑的選擇、傳感器的安放位置往往會對測試結(jié)果產(chǎn)生重要影響?，F(xiàn)行工程實(shí)踐中的測試多以縱波為主，扭剪波因缺乏有效的激振方式，一時難以推廣。然而波型的選擇亦會影響缺陷的發(fā)現(xiàn)，由于扭剪波與縱波傳播方式的差異，使得扭剪波在縱向缺陷的識別方面要優(yōu)于縱波?，F(xiàn)建立三維模型并設(shè)置縱向缺陷，對扭剪波與縱波的測試加以比較。模型樁樁長L＝10m，半徑R＝0.2m，樁底固結(jié)。在距樁頂6m～6.4m處設(shè)置橫截面形狀為夾角15°的扇形，長為0.4m的縱向缺陷，缺陷示意圖如圖18所示，其中圖18(a)為縱切面示意圖；圖18(b)為橫切面示意圖。
圖19為縱波與扭剪波仿真計(jì)算波形并進(jìn)行缺陷識別比較，加載脈寬為1.0ms。分析可見，縱波波形無異常，但是扭剪波卻可以發(fā)現(xiàn)缺陷的存在。扭剪波樁底反射波峰與入射波峰時差為9.1023×10-3s，計(jì)算波速為CS＝2197.2m/s，缺陷處正向反射波峰與入射波峰時差為5.4003×10-3s，缺陷位置x1＝5.9m，缺陷處負(fù)向反射波峰與入射波峰時差為5.9213×10-3s，缺陷位置x2＝6.5m，缺陷位置與實(shí)際基本吻合。
扭剪波法與縱波法比較一個優(yōu)勢就是對淺部小缺陷的判斷?？v波由于波速較快所以淺部小缺陷有測試盲區(qū)。當(dāng)缺陷距樁頂距離為1m，縱波波速按3500m/s
計(jì)算，則反射波初至樁頂時間為0.57ms。低應(yīng)變測試的脈沖寬度一般為1-2ms，可知當(dāng)缺陷反射波傳播至樁頂時與入射脈沖疊加，故不能分辨出淺部小缺陷。減小入射脈沖寬度可以有效提高分辨淺部小缺陷的能力，減小測試盲區(qū)。低應(yīng)變測試振源材料越硬、碰撞速度越高、錘體重量越輕，信號的脈沖寬度越窄。但改變振源使脈沖寬度減小有一定范圍，不可能無限制減小，所以扭剪波波速低的特性可以進(jìn)一步解決淺部缺陷測試盲區(qū)的問題。
數(shù)值仿真模擬縱波和扭剪波測試距樁頂1m長1mm的淺部小缺陷速度信號如圖20所示，其中圖20(a)為縱波法；圖20(b)為扭剪波法。
縱波法速度曲線中沒有明顯缺陷反射出現(xiàn)，只在入射脈沖尾部出現(xiàn)負(fù)向脈沖，此時并沒有考慮莊周土阻力作用，實(shí)際測試中土阻力作用會使入射脈沖之后出現(xiàn)負(fù)向脈沖。在實(shí)際測試中縱波法測試存在淺部缺陷的盲區(qū)。扭剪波法速度曲線入射脈沖尾部出現(xiàn)同向反射，此反射波即為缺陷處反射?？v波法中不能分辨的淺部缺陷在扭剪波測試法中可以準(zhǔn)確判斷。故扭剪波測試法在測試淺部小缺陷具有縱波法所不具有的優(yōu)勢。
2.4扭剪波以及結(jié)合縱波的進(jìn)一步參數(shù)計(jì)算
得到扭剪波后，可以根據(jù)扭剪波的入射波峰值和一次反射波峰值(或波谷))之間的長度從扭剪圖形上得到樁長；兩個波峰(或波谷)之間的的時間間隔得到扭剪波在樁中的傳播時間，根據(jù)樁長和傳播時間得到傳播波速；缺陷位置的確定通過在入射波和反射波之間的波形來判斷，如果出現(xiàn)波形異常(一般情況下在入射波和一次反射波之間的波形都是與X軸平行的曲線)，出現(xiàn)幅值較低波峰或波谷，則可判斷有缺陷。
縱波和扭剪波的樁長、波速、以及缺陷的大致位置可以根據(jù)上述分析知道。還可以結(jié)合扭剪波和縱波進(jìn)一步計(jì)算樁的耦合系數(shù)，計(jì)算耦合系數(shù)還需要樁身截面面積以及樁身半徑和樁身回轉(zhuǎn)半徑。
根據(jù)上述各參數(shù)，利用下式計(jì)算缺陷處的等效半徑和回轉(zhuǎn)半徑：
其中：
VR——實(shí)測縱波第一次反射波波峰幅值；
VI——實(shí)測縱波入射波波峰幅值；
ωR——實(shí)測扭剪波第一次反射波波峰幅值；
ωI——實(shí)測扭剪波入射波波峰幅值；
R1——完整樁身等效半徑；
R2——缺陷處樁身等效半徑；
Rg1——完整樁身回轉(zhuǎn)半徑；
Rg2——缺陷處樁身回轉(zhuǎn)半徑；
η——樁側(cè)土耦合系數(shù)；
b——缺陷處的深度；
ξ——樁身等效半徑與樁身回轉(zhuǎn)半徑的平方比；
對于預(yù)應(yīng)力管樁，有
3以下結(jié)合具體實(shí)施例說明本發(fā)明方法在工程中的應(yīng)用實(shí)踐：
3.1圓樁和方樁的扭剪波試驗(yàn)
分別選擇如圖21所示的兩根無缺陷的模型樁進(jìn)行實(shí)測。圖21(a)中的圓樁外徑R＝250mm，徑r＝150mm，樁長L＝4.9m，混凝土強(qiáng)度C80；圖21(b)中的方樁邊長B＝260mm，樁長2.85m，混凝土強(qiáng)度C30。傳感器對稱反向安裝，圓樁選擇尼龍錘切向敲擊樁壁，方樁選擇小鋼錘敲擊角點(diǎn)，圖22所示為圓樁測試所得信號，圖23所示為方樁測試所得信號，其中1#、2#道為原始傳感器測試信號，3#道為疊加信號。
對波形分析可得：根據(jù)入射波峰與樁底反射峰時差可得圓樁實(shí)測波速2735m/s，方樁實(shí)測波速2382m/s；方樁疊加后的扭剪波信號正常，由于混凝土材料阻尼作用，信號出現(xiàn)衰減和頻散。圓樁扭剪波在樁底反射處，信號出現(xiàn)較大程度的下漂，經(jīng)分析認(rèn)為這是由于手錘切向激振時，對樁壁施加與傳感器接收方向一致的徑向力，徑向力產(chǎn)生的彎曲波對切向速度信號造成干擾所致。
3.2方樁的縱波和扭剪波對比信號
被測方樁為一根混凝土預(yù)制樁，樁身無缺陷，混凝土強(qiáng)度C30，邊長B＝260mm，樁長L＝2.85m，縱波、扭剪波對比信號如圖24所示。
在方樁的縱波信號和扭剪波信號中都可以看到明顯的入射信號和反射信號，縱波信號按“峰-峰”時差計(jì)算所得波速為4059m/s，扭剪波信號按“峰-峰”時差計(jì)算所得波速為2133m/s，兩者波速比為1.90，與理論不符。這是由于純扭運(yùn)動下的平截面假定不完全適用于方樁，加之扭剪波較縱波會發(fā)生更大程度的頻散，導(dǎo)致實(shí)測扭剪波速偏低所致。所以對于扭剪波在方樁上的信號提取和完成行之有效的激振的驗(yàn)證方樁都滿足條件。
3.3圓樁的縱波扭剪波對比實(shí)驗(yàn)
如圖25所示，圓樁的實(shí)驗(yàn)對象為一根外徑D＝500mm，內(nèi)徑d＝300mm，樁長L＝4.9m的圓樁，樁身無缺陷，混凝土強(qiáng)度C80。實(shí)測信號如圖26所示。
在樁底反射處，信號出現(xiàn)較大程度的下漂與畸變，同向反射峰值與反向反射峰值的絕對值接近相等，信號質(zhì)量差，所以該法需要進(jìn)一步改進(jìn)。
圓樁扭剪的進(jìn)一步實(shí)測：實(shí)驗(yàn)的對象還是上面所提到的那根圓樁，所不同的是添加了輔助激振裝置，例如如圖27所示的激振塊(一種為木質(zhì)輔助激振塊，另一種為鐵質(zhì)輔助激振塊)，得到的實(shí)測信號和現(xiàn)場實(shí)測圖片如下：
圖28(a)為加木質(zhì)輔助激振塊用尼龍錘得到的縱波信號，圖28(b)為加木質(zhì)輔助激振塊用小鐵錘敲擊的扭剪波信號圖，圖28(c)為加木質(zhì)輔助激振塊用尼龍錘敲擊的扭剪波信號圖。
對于扭剪信號，尼龍錘激振時，一次反射波幅值比為1.44，波速為2623m/s；小鋼錘激振一次反射波幅值比為1.09，波速為2570m/s?？梢姼哳l波在傳播過程中的衰減更大，進(jìn)而導(dǎo)致了幅值比與波速的降低。
縱波一次反射波幅值比達(dá)到1.83，可見圓樁上實(shí)測，扭剪波的衰減依然遠(yuǎn)大于縱波?？v波波速為4343m/s，與尼龍錘激振測得的扭剪波波速比為1.66，與理論計(jì)算范圍相符。
3.4扭剪波法的頻域分析
實(shí)驗(yàn)對象依然還是那根橫躺地表的圓樁，所不同的是，激振用的輔助裝置改為鐵質(zhì)的，激振錘仍然采用小鐵錘和尼龍錘，得到敲擊信號和頻譜圖如圖29和圖30所示，其中圖29(a)為采用鐵質(zhì)輔助激振塊用尼龍錘敲擊得到的時域信號，圖29(b)為采用鐵質(zhì)輔助激振塊用尼龍錘敲擊得到的頻譜示意圖，圖30(a)為采用鐵質(zhì)輔助激振塊用小鐵錘敲擊得到的時域信號，圖30(b)為采用鐵質(zhì)輔助激振塊用小鐵錘敲擊得到的頻譜示意圖。
尼龍錘激振，信號出現(xiàn)的震蕩如同有缺陷存在，并且經(jīng)濾波處理無法消除。小鋼錘激振測得的扭剪信號震蕩劇烈，雜亂無章，經(jīng)濾波處理后與B1類似，但震蕩更甚，所以和用木質(zhì)輔助激振塊敲擊得到的信號比較，用木質(zhì)激振塊得到的信號更加明顯，便于實(shí)際施工操作。
對上述測得的信號采用頻域進(jìn)行分析，B1信號計(jì)算波速為2777m/s，依據(jù)前三階頻差計(jì)算樁長依次為5.5m、5.4m、5.0m；B2信號，經(jīng)濾波處理后，其計(jì)算波速為2806m/s，依據(jù)前三階頻差計(jì)算樁長依次為6.9m、5.4m、5.0m?？梢姼鶕?jù)高階頻差可以較好的確定樁長。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
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