CN106677232A - 一种用于基桩检测的扭剪波激振采集分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工程测量技术领域，公开了一种用于基桩检测的扭剪波激振采集分析方法，包括：通过在被测桩桩侧施加切向力生成扭剪波；通过反对称安装在桩身两侧的两只传感器，分别获得所述两传感器位置处的振动信号；将所述两传感器获得的振动信号叠加得到扭剪波信号；根据扭剪波信号，计算缺陷位置的等效半径和等效回转半径，进而分析缺陷的程度和性状；识别浅部缺陷；检测纵向缺陷；通过扭剪波的频域分析，计算桩长和缺陷位置。本发明方法通过桩顶偏心激振和反对称安装的传感器实现扭剪波的激振采集，通过改进的公式与分析方法将扭剪波测试技术成功应用于实际检测，实现扭剪波对纵波的补充，进一步将基桩低应变检测技术引向深入。

Description

一种用于基桩检测的扭剪波激振采集分析方法

技术领域

本发明属于工程检测技术领域，更具体地，涉及一种用于基桩检测的扭剪波激振采集分析方法。

背景技术

扭剪波与纵波的传播机理相近，但是二者对于同种缺陷的波形反应却并不相同。纵波反射波法存在对浅部小缺陷具有检测盲区、对竖向裂缝不敏感和横向惯性弥散等问题，扭剪波可以弥补其不足；而纵波的特点在于波速比扭剪波波速高，传播的距离更远，能够测到的桩长更长，便于检测到长桩桩底。综合纵波法和扭剪波法分析，将扭剪波曲线与纵波曲线联合，可以计算缺陷位置的等效半径和回转半径，等效半径相当于把缺陷等效为实心圆外面的环形，而回转半径与缺陷形状密切相关，回转半径可以判断缺陷的偏心程度，从而可以进一步提高对于缺陷性状的认知，进一步扩大了低应变法的应用范畴，使该方法更具明确物理意义。现有技术中虽然理论非常成熟，但是相比较纵波的激振，在当下基桩检测领域，尚未有一种行之有效的激振方式使得扭剪法的理论能够应用到实际当中，扭剪法信号的提取方式也是扭剪法无法应用到实际的一大难题，而且对于浅部缺陷盲区和纵向裂缝也缺乏一种行之有效的采集分析方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于基桩检测的扭剪波激振采集技术及分析方法，其目的在于在扭剪波法中提供一种行之有效的激振方式以及扭剪波信号的提取方式，由此解决现有技术中扭剪波缺乏简便有效的激振方式且没有有效的提取方式的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于基桩检测的扭剪波激振采集技术及分析方法，包括：

通过在待测基桩桩侧施加切向力产生横向偏心激振，从而生成扭剪波；

通过反对称安装在桩身两侧的两只传感器，分别获得该传感器位置处的振动信号；

将所述两只传感器所获得的振动信号叠加得到扭剪波信号；

根据所述扭剪波信号和纵波信号计算缺陷位置的等效半径和回转半径，并进一步根据所述等效半径和回转半径识别缺陷程度与性状；或者，

根据所述扭剪波信号，识别浅部缺陷；或者，

根据所述扭剪波信号，检测管桩纵向裂隙或灌注桩纵向泌水缝缺陷；或者，

根据所述扭剪波信号，利用频域分析，分析扭剪波中各谐振频率和频差对应的缺陷位置。

本发明的一个实施例中，通过在被测基桩的桩侧施加切向力产生横向偏心激振，具体为：

在圆桩桩侧通过膨胀螺栓固定木质、尼龙质、铝质、铁质激振块，使用激振锤沿圆桩侧面切向敲击所述激振块，通过激振块向所述圆桩施加切向力产生横向偏心激振；或者，

使用激振锤敲击方桩桩顶处的桩身侧面角点，从而施加切向力产生横向偏心激振。

本发明的一个实施例中，所述振动信号为所述传感器位置处的切向速度，所用传感器为能够横向固定安装且灵敏度为50mV/ms^-2的加速度计。

本发明的一个实施例中，所述将两个传感器所获得的传感信号叠加得到扭剪波信号，具体为：

V_S＝V_T1+V_T2

其中，V_S为叠加后得到的扭剪波信号，V_T1和V_T2分别为两个传感器获得的切向速度信号。

本发明的一个实施例中，根据所述扭剪波信号和纵波信号，计算缺陷位置的等效半径和回转半径，具体为：

其中：

V_R——实测纵波第一次反射波波峰幅值；

V_I——实测纵波入射波波峰幅值；

ω_R——实测扭剪波第一次反射波波峰幅值；

ω_I——实测扭剪波入射波波峰幅值；

R₁——完整桩身等效半径；

R₂——缺陷处桩身等效半径；

R_g1——完整桩身回转半径；

R_g2——缺陷处桩身回转半径；

η——桩侧土耦合系数；

b——缺陷处的深度；

ξ——桩身等效半径与桩身回转半径的平方比；

进一步根据所述等效半径和回转半径识别缺陷性状。

等效半径相当于把缺陷等效为实心圆外面的环形，而回转半径与缺陷形状密切相关，回转半径可以判断缺陷的偏心程度，从而可以进一步提高对于缺陷性状的认知。

本发明的一个实施例中，根据所述扭剪波信号识别浅部缺陷，具体为：根据扭剪波对浅部缺陷的反射到时计算浅部缺陷位置，并根据反射幅值计算等效半径和回转半径，进而得出所述浅部缺陷的缺陷程度及性状。

扭剪波波速：

纵波波速结果：

其中：

C_S——扭剪波波速；

C_L——一维纵波波速；

E——桩身混凝土材料弹性模量；

G——桩身混凝土材料剪切模量；

ρ——桩身混凝土材料密度；

ν——桩身混凝土材料泊松比。

桩身混凝土材料的泊松比v介于0.16～0.18之间，相应一维纵波波速约为剪切波波速的倍，同一缺陷的反射到时，扭剪波长于纵波倍。依据扭剪波信号分析，有效避免了浅部缺陷在纵波信号中因到时过短而受振源脉宽影响导致的难以识别问题也即所谓浅部盲区问题。

并且进一步地，根据所述扭剪波信号和纵波信号，计算缺陷位置的等效半径和回转半径，并根据等效半径和回转半径计算所述浅部缺陷的位置和缺陷性状。

本发明的一个实施例中，根据所述扭剪波信号，检测管桩纵向裂隙或灌注桩纵向泌水缝缺陷，具体为：

比较所述纵波信号和所述扭剪波信号，如果同一缺陷在所述纵波中没有形成反射波，而在所述扭剪波中形成了明显的反射波，那么，对于管桩而言，意味着该处存在纵向裂隙，对于灌注桩而言，则可能存在纵向泌水缝。

本发明的一个实施例中，根据所述扭剪波信号，利用频域分析，分析扭剪波中各谐振频率和频差对应的缺陷位置，具体为：

针对所述扭剪波信号进行傅里叶变换，得到频谱图，在所述频谱图中寻找各阶谐振峰，计算所述各谐振峰频率和相邻两谐振峰之间的频差，利用所述扭剪波波速，依据下式计算桩长和缺陷位置。

或

或

其中

L——实测桩长；

b——实测缺陷位置；

C_s——扭剪波波速；

f_b——缺陷所对应的谐振峰；

f_L——桩底所对应的谐振峰；

Δf_L——整桩所对应的相邻谐振峰频差；

Δf_b——缺陷所对应的相邻谐振峰频差。

总体而言，本发明技术方案具有如下有益效果：

(1)本发明方法通过在待测桩基桩顶的桩身侧面施加切向力产生横向偏心激振从而生成扭剪波，提供了一种行之有效的激振方式，可以较好的激振产生扭剪波信号，克服了现有技术中无法有效激振产生扭剪波的技术问题；

(2)本发明方法通过对称反向安装在桩身两侧的两个传感器，分别获得该传感器位置处的传感信号；并将所述两个传感器所获得的传感信号叠加得到扭剪波信号；从而提供了一种有效的扭剪波提取方式，可以较好的得到扭剪波的激振信号；

(3)本发明方法通过桩顶横向偏心激振和对称反向安装的传感器实现扭剪波的激振和提取，通过使得扭剪波信号能够得以应用于实际检测当中，从而发挥出扭剪波信号在实测中对纵波信号的补充作用：根据所述扭剪波信号和纵波信号计算缺陷位置的等效半径和回转半径，并进一步根据所述等效半径和回转半径识别缺陷程度与性状；或者，根据所述扭剪波信号，识别浅部缺陷；或者，根据所述扭剪波信号，检测管桩纵向裂隙或灌注桩纵向泌水缝缺陷；或者，根据所述扭剪波信号，利用频域分析，分析扭剪波中各谐振频率和频差对应的缺陷位置。对于扭剪波的利用使得判断更加完整，减少错判或者误判的情况，保证工程质量和人民生命财产安全；

(4)本发明方法将扭剪波曲线和纵波曲线联合，可以计算缺陷位置的等效半径和回转半径，等效半径相当于把缺陷等效为实心圆外面的环形，而回转半径与缺陷形状密切相关，回转半径可以判断缺陷的偏心程度，从而可以进一步提高对于缺陷性状的认知，进一步扩大了低应变法的应用范畴，使该方法更具明确物理意义。

附图说明

图1是本发明实施例中扭剪法原理示意图；

图2是本发明实施例中力的叠加示意图；其中(a)为侧击力的示意图，(b)为纯扭力的示意图，(c)为弯曲力的示意图；

图3是本发明实施例中如图2所示三种激励方式下速度信号曲线示意图；

图4是本发明实施例中几种力的信号的叠加对比示意图；

图5是本发明实施例中多个速度信号点示意图；

图6是图5中V1、V2、V3三个速度信号点的信号曲线示意图；

图7是本发明实施例中叠加曲线和纯剪、纯扭曲线对比示意图；

图8是图5中V1、V3两个速度信号点的信号曲线分析示意图；

图9是图5中V4、V5两个速度信号点的信号曲线分析示意图；

图10是本发明实施例中2ms加载脉宽下的圆桩扭剪波时域波形示意图；

图11是本发明实施例中2ms加载脉宽下的方桩扭剪波时域波形示意图；

图12是本发明实施例中方桩现场实测图；

图13是本发明实施例中方桩纵波和扭剪波对比信号示意图；其中图13(a)是扭剪波示意图，图13(b)是纵波示意图；

图14是本发明实施例中圆桩现场实测图；

图15是本发明实施例中圆桩扭剪波信号示意图；

图16是本发明实施例中圆桩现场实测图，增加了木质和铁质辅助激振块；

图17是图16场景中测得的信号示意图；其中图17(a)是加木质辅助激振块用尼龙锤得到的纵波信号，其中图17(b)是加木质辅助激振块用小铁锤敲击的扭剪波信号，其中图17(c)是加木质辅助激振块用尼龙锤敲击的扭剪信号；

图18为本发明实施例中一纵向缺陷示意图，其中图18(a)为纵切面示意图；图18(b)为横切面示意图；

图19为本发明实施例中纵波与扭剪波仿真计算波形及缺陷识别比较示意图；其中图19(a)为扭剪波；图19(b)为纵波；

图20为本发明实施例中浅部存在小缺陷的纵波法和扭剪波法速度信号示意图；其中图20(a)为纵波法；图20(b)为扭剪波法；

图21为本发明实施例中现场实测图；其中图21(a)为圆桩，图21(b)为方桩；

图22为图21(a)中圆桩所得信号，其中1#、2#道为原始传感器测试信号，3#道为叠加信号；

图23为图21(b)中方桩所得信号，其中1#、2#道为原始传感器测试信号，3#道为叠加信号；

图24为图21(b)中方桩的纵波和扭剪波对比信号，其中图24(a)是扭剪波信号，图24(b)是纵波信号；

图25是本发明实施例中另一种圆桩现场实测图；

图26是图25场景中测得的信号示意图；

图27是本发明实施例中辅助激振块的结构示意图；

图28是本发明实施例中增加了木质辅助激振块测得的信号示意图；其中图28(a)为加木质辅助激振块用尼龙锤得到的纵波信号，图28(b)为加木质辅助激振块用小铁锤敲击的扭剪波信号图，图28(c)为加木质辅助激振块用尼龙锤敲击的扭剪波信号图；

图29是本发明实施例中增加了铁质辅助激振块测得的信号示意图；其中图29(a)为采用铁质辅助激振块用尼龙锤敲击得到的时域信号，图29(b)为采用铁质辅助激振块用尼龙锤敲击得到的频谱示意图；

图30是本发明实施例中增加了铁质辅助激振块测得的信号示意图；其中图30(a)为采用铁质辅助激振块用小铁锤敲击得到的时域信号，图30(b)为采用铁质辅助激振块用小铁锤敲击得到的频谱示意图；

图31是本发明实施例中针对圆桩的扭剪激振测试示意图；

图32是本发明实施例中针对方桩的扭剪激振测试示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

纵波和扭剪波都是声波在混凝土桩中传播的一种形式，基于纵波能够在混凝土桩中传播并检测桩身完整性，联想到扭剪波同样也能用于检测，并研究扭剪波是否在完善纵波的不足点上有所帮助，从而提出了扭剪波理论，用于检测浅部缺陷和竖向裂隙。下面首先对本发明方法所基于的扭剪波的基本理论予以说明：

1扭剪波基本理论

1.1基本控制方程

如图1所示，扭剪法采用物质坐标，在平截面保持不变的假定前提下研究均匀圆截面桩的纯扭运动。如果以M表示扭矩，表示扭转角，而以ω和θ分别表示角速度和单位扭转角。

则有协调方程和运动方程为：

式中为单位长度桩元对扭转轴X(中心轴)的转动惯量，m为线密度(dm＝ρdA)、R_g为回转半径、A为横截面面积。

线弹性材料存在剪切应力应变关系为：

τ＝Gγ (4)

式中G为剪切模量。

在扭转截面不变的假定下是，由材料力学可知：

代入方程(4)可得

式(3)和(7)组成以ω和θ为未知数的双曲型一节偏微分方程组，在形式上与纵波理论所组成的方程组完全一致。可得以为未知函数的二阶双曲型偏微分方程(波动方程)：

上式中为扭剪波波速。其与一维纵波波速C_L关系为：由于桩身材料的泊松比v介于0.16～0.18之间，C_L/C_S约为不同频率的扭剪谐波都以相同的相速度传播不发生频散现象。

1.2扭剪波在完整桩中的传播特性

采用与纵波类似的方法，以特征线法求解(4)和(5)构成的方程组，可得特征线及相容方程：

定义Z_s为广义剪切波阻抗，Z_s＝C_sI_p＝ρAC_sR_g ²。间断剪切波条件为：

根据牛顿第三定律以及连续介质位移(速度)连续原理可得：

在这里定义n_S＝Z_S/Z_S′、F_S＝(n_S-1)/(n_S+1)、T_S＝1-F_S。式中下标S用与纵波表示区别，显然，缩颈类缺陷引起同向反射，而扩径类缺陷导致反向反射。并且缺陷程度越大，反射幅值越强烈。由广义剪切波阻抗Z_s＝C_sI_p＝ρAC_sR_g ²，在同种条件下，相对于纵波与截面面积的平方成正比，所以同样的缺陷，扭剪波反射信号将强于纵波。

与纵波分析类似，当桩底为岩土持力层时，桩底土对桩体作用以扭转弹簧代替，弹簧刚度为K_S，桩端发生扭转时的单位扭转角为

λ_S＝K_S/GI_P (11)

若定义桩底耦合条件为M-λ_SZ_Sω≡0，及桩底耦合系数β_S＝(1-λ_S)/(1+λ_S)，则有：

式中：

λ_S→0，β_S→1，表示桩端为自由端；

λ_S→∞，β_S→-1，表示桩端为完全固定端；

λ_S→1，β_S→0，表示桩端土与桩身广义波阻抗完全匹配，ω_R→0，M_R→0，没有反射发生；

λ_S＜1，β_S＞0，ω_R与ω_I同向，表示桩底有沉渣或持力层软弱；

λ_S＞1，β_S＜0，ω_R与ω_I反向，一般表示桩底持力层软好，且入岩。

由以上分析可见，纵波传播的理论对于扭剪波同样适用。

1.3频域基本理论

低应变测试中，人们对于频域分析应用并不多，然尔频域分析作为时域分析的重要补充，往往可以对时域分析的结果起到佐证的作用。对于实际动测所得到的信号，可认为由是由许多具有不同频率(或波长)、幅值和相位的谐波构成。现采用振动理论中的分离变量法对一维波动方程进行求解。以纵波求解为例，桩底土对桩体作用以弹簧代替，弹簧刚度为K_L，则桩体的边值条件可写为：

(桩顶自由) (14)

(桩底弹性地基) (15)

令：

u＝Acos(h_Lx+θ_L)·sin(2πf·t+φ_L) (16)

将式(16)代入纵波的波动方程，结合桩顶边界条件后可得h_L＝2πf/C_L及θ_L＝0，继而代入桩底边界条件，可得频率方程：

或

当桩底自由时，K_L＝0，此时频率方程为：

该方程的解即为两端自由桩体的各阶谐振频率：

当桩底自由时，K＝+∞，此时频率方程为：

该方程的解即为一端自由，一端固结的桩体的各阶谐振频率：

通过对以上两种极端情况频率方程的解答可见，桩底自由时基频f₀＝0，端固结时的基频f₀＝C_L/4f，两种情况下的相邻频差均为C_L/2f。

实际工程中的桩为摩擦桩或端承桩，桩底弹簧的刚度介于0与+∞之间，由于方程(14)不便直接求解，现对方程做如下变换：

以上频域分析只是针对纵波，对于扭剪波，桩底土弹簧刚度为K_S，则桩体的边值条件为：

(桩顶自由) (23)

(桩底弹性地基) (24)

令：

将式(23)代入式(16)，结合桩顶边界条件后可得h_S＝2πf/C_S及θ_S＝0，继而代入桩底边界条件，可得频率方程：

或

可见扭剪波频域方程与纵波频域方程有着相同的形式，两者频域求解结果只因波速不同而在数值上有所差异，所以纵波频域理论对于扭剪波同样适用。

1.6纵波与扭剪波综合分析

综上所述，以单一缺陷为例，用R₁，R₂，R_g1，R_g2分别表示桩的正常部位和缺陷部位的等效半径、等效回转半径，并用R表示桩外径，首次反射波的表达式为

下面的实例分析将表明，桩身材料阻尼导致的衰减因子几乎小η一个数量级，故分析埋入土中的桩时，可以将其予以忽略。于是，当假定桩身几何形状不变时，实测V_R，V_I，ω_R，ω_I后，上述方程包含两位未知数两个方程，问题得解。

对于实心圆桩，令已知参数则上述方程化为

以R_g2和η为未知数，可以求解(必要时，由于缺陷部位的形态变化剧烈，可乘以一大于1的修正系数)。

而对预应力管桩，有

固定D或T，以其中之一和η为未知数，方程同样可解。

2扭剪波的激励及提取方法

2.1侧击信号叠加处理的研究

经过相关研究，得到的技术思路是在单侧敲击激励下，通过增加接收点，即桩身安装多个传感器的方法，试图从多个传感器的信号叠加中得到纯扭转信号。

由于单向切向敲击所激励的信号包括两个部分，一部分是纯扭转波信号，另一部分是弯曲波信号，由桩外形的对称性和根据结构力学中力的分解原理，如图2所示，我们将单向切向的力(图2(a))分解为一对产生弯曲的对称力(图2(c))和一对产生扭剪波的反对称力(图2(c))。

通过数值模拟分析，我们可以证明该分解的可行性。选择桩长22m，桩直径1m，弹性模量E为3.8×104Mpa，密度为2000kg/m3，泊松比为0.2，不考虑桩土作用的自由桩做初步的仿真研究。取桩顶2米处的桩周任意一点作为接受点，a、b、c三种激励下分别得到其切向速度信号曲线如图3所示。我们看到侧击和纯剪的信号曲线都出现上漂情况，不利于分析桩身完整性。

为研究三种信号的相关性，对3种激励方式进行叠加，分别使(纯剪+纯扭)以及(侧击-纯剪)，得到的曲线与侧击曲线和纯扭曲线对比，如图4所示。图中四条曲线只显示2条曲线，实际上是侧击曲线和(纯剪+纯扭)曲线重合以及纯扭曲线和(侧击-纯剪)曲线重合，说明理论上把侧击信号分解方法是可行的。通过(侧击-纯剪)的信号处理方法能够的到纯扭的速度信号曲线。

在实际应用中，我们更多的关注纯扭部分的信号，以下讨论如何在侧击激励方式中得到纯扭速度信号。

采集同一截面(离桩顶2米处)不同节点的速度信号，V1、V2、V3、V4、V5布置位置及方向详见图5。其中：

(1)V1、V2、V3信号曲线见图6。应用前一部分的叠加原理，侧击情况下，切向速度信号曲线包含着纯扭和纯剪两部分信号，在桩侧原点对称的两个测点所采集速度信号中，包含对称的纯剪信号和反对称的纯扭信号，所以理论上可以通过(V1+V2)/2和(V1-V2)/2分别得到纯剪和纯扭的速度信号。所以我们对模拟的速度信号曲线的进行(V1+V2)/2和(V1-V2)/2运算后，与纯扭和纯剪所得的信号进行对比，见图7。可见纯剪情况和(V1+V2)/2重合，纯扭情况与(V1-V2)/2也重合，可见通过测试V1、V2获得纯扭信号是可行的。

(2)讨论通过V1、V3获得纯扭速度曲线的可行性。如图8所示，我们取V3与纯剪信号作对比，两曲线相似度极高，可认为V3速度信号曲线即为纯剪速度曲线，我们可以通过(V1-V3)/2信号获得纯扭的速度曲线。然后取(V1-V3)/2与纯扭作对比，得到同样的结论。

(3)从V4、V5所处的位置和方向看，其受纯剪作用的影响是最小的，取两者的速度曲线与纯扭的速度曲线作对比，如图9。其相似性可以说明V4、V5能够代表纯扭速度曲线。

综上所述，采用侧击激励得到纯扭信号的方法有以下几种：

分别采集与敲击点同一平面且对称于桩两侧的两个的切向速度信号，通过(V1-V2)/2的处理方法的得到纯扭信号。

分别采集与敲击点成90度的径向速度信号以及与敲击点同一平面的切向速度信号，通过(V1-V3)/2处理方法的得到纯扭信号。

直接采集与敲击点成90度的切向信号。

采用第一种方式得到获得纯扭剪信号的方法对方桩和圆桩经行分析得到如图10所示的结果:

波形分析：一次反射波幅值比为-1.94，误差为3.0％，二次反射波幅值比为1.86，误差为7.8％；根据入射波峰时与一次反射波峰时的时差计算波速为2222.2m/s，与该桩理论扭剪波波速相差1.6％。

波形分析：桩底一次反射波幅值比为-1.96，二次反射波幅值比为1.94，反射波幅值比误差均小于5％。根据一次桩底反射峰时与入射波峰时时差得计算波速为2042.6m/s，与理论波速相差9.6％,

扭剪波的传播理论是基于杆件在纯扭转运动下，截面保持不变的假定。由弹性力学可知，该假定只有圆桩和圆桩能够符合，而对于其他的截面形状，扭剪理论难以精确成立。

虽然仿真获取得信号较理论仍然有一定的误差，但是偏心敲击、对称测点信号相叠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选取。

在实际的操作过程中，因现场条件或实际需要采用的是信号叠加的第一中方式进行的信号叠加处理。具体地，针对圆桩和方桩扭剪测试如图31和图32所示所示。由于实测中，桩顶纯力偶难以施加，扭剪波可采用横向偏心激振，信号叠加以剔除横向振动的方法加以提取。如图31和32所示，传感器对称反向安装，对于圆桩，在桩顶激振施加切向力，测线12与X轴形成大于45°的夹角；对于方桩，激振力施加于角点。传感器提取的切向速度V_T1、V_T2，直接叠加即可得到扭剪波：

V_S＝V_T1+V_T2 (30)

2.2.1方桩扭剪实测

如图12所示，被测方桩为一根混凝土预制桩，桩身无缺陷，混凝土强度C30，边长B＝260mm，桩长L＝2.85m，方桩实测时的现场图片和纵波、扭剪波对比信号如图13所示，。

在方桩的纵波信号和扭剪波信号中都可以看到明显的入射信号和反射信号，纵波信号按“峰-峰”时差计算所得波速为4059m/s，扭剪波信号按“峰-峰”时差计算所得波速为2133m/s，两者波速比为1.90，与理论不符。这是由于纯扭运动下的平截面假定不完全适用于方桩，加之扭剪波较纵波会发生更大程度的频散，导致实测扭剪波速偏低所致。所以对于扭剪波在方桩上的信号提取和完成行之有效的激振的验证方桩都满足条件。

2.2.2圆桩扭剪实测

如图14所示，圆桩的实验对象为一根外径D＝500mm，内径d＝300mm，桩长L＝4.9m的圆桩，桩身无缺陷，混凝土强度C80，实测信号如如图15所示。

在桩底反射处，信号出现较大程度的下漂与畸变，同向反射峰值与反向反射峰值的绝对值接近相等，信号质量差，所以该法需要进一步改进。

2.2.3圆桩扭剪的进一步实测

实验的对象还是上面所提到的那根圆桩，如图16所示，所不同的是添加了辅助激振装置，得到的实测信号如图17所示。

对于扭剪信号，尼龙锤激振时，一次反射波幅值比为1.44，波速为2623m/s；小钢锤激振一次反射波幅值比为1.09，波速为2570m/s。可见高频波在传播过程中的衰减更大，进而导致了幅值比与波速的降低。

纵波一次反射波幅值比达到1.83，可见圆桩上实测，扭剪波的衰减依然远大于纵波。纵波波速为4343m/s，与尼龙锤激振测得的扭剪波波速比为1.66，与理论计算范围相符。

通过仿真分析扭剪波信号的提取方法和实际测试中扭剪波的激振方式，可以较好的得到扭剪波的激振信号，使得扭剪波信号能够得以应用于实际检测当中，从而发挥出扭剪波信号在实测中对纵波信号的补充作用，使得对信号的判断更加完整，减少错判或者误判的情况，保证工程质量和人民生命财产安全。

2.3扭剪波法对竖向缺陷以及浅部小缺陷的分析

基桩完整性检测效果的好坏，涉及测试系统的诸多环节，大量的实测现场试验和理论分析都表明，振源与耦合剂的选择、传感器的安放位置往往会对测试结果产生重要影响。现行工程实践中的测试多以纵波为主，扭剪波因缺乏有效的激振方式，一时难以推广。然而波型的选择亦会影响缺陷的发现，由于扭剪波与纵波传播方式的差异，使得扭剪波在纵向缺陷的识别方面要优于纵波。现建立三维模型并设置纵向缺陷，对扭剪波与纵波的测试加以比较。模型桩桩长L＝10m，半径R＝0.2m，桩底固结。在距桩顶6m～6.4m处设置横截面形状为夹角15°的扇形，长为0.4m的纵向缺陷，缺陷示意图如图18所示，其中图18(a)为纵切面示意图；图18(b)为横切面示意图。

图19为纵波与扭剪波仿真计算波形并进行缺陷识别比较，加载脉宽为1.0ms。分析可见，纵波波形无异常，但是扭剪波却可以发现缺陷的存在。扭剪波桩底反射波峰与入射波峰时差为9.1023×10^-3s，计算波速为C_S＝2197.2m/s，缺陷处正向反射波峰与入射波峰时差为5.4003×10^-3s，缺陷位置x1＝5.9m，缺陷处负向反射波峰与入射波峰时差为5.9213×10^-3s，缺陷位置x2＝6.5m，缺陷位置与实际基本吻合。

扭剪波法与纵波法比较一个优势就是对浅部小缺陷的判断。纵波由于波速较快所以浅部小缺陷有测试盲区。当缺陷距桩顶距离为1m，纵波波速按3500m/s

计算，则反射波初至桩顶时间为0.57ms。低应变测试的脉冲宽度一般为1-2ms，可知当缺陷反射波传播至桩顶时与入射脉冲叠加，故不能分辨出浅部小缺陷。减小入射脉冲宽度可以有效提高分辨浅部小缺陷的能力，减小测试盲区。低应变测试振源材料越硬、碰撞速度越高、锤体重量越轻，信号的脉冲宽度越窄。但改变振源使脉冲宽度减小有一定范围，不可能无限制减小，所以扭剪波波速低的特性可以进一步解决浅部缺陷测试盲区的问题。

数值仿真模拟纵波和扭剪波测试距桩顶1m长1mm的浅部小缺陷速度信号如图20所示，其中图20(a)为纵波法；图20(b)为扭剪波法。

纵波法速度曲线中没有明显缺陷反射出现，只在入射脉冲尾部出现负向脉冲，此时并没有考虑庄周土阻力作用，实际测试中土阻力作用会使入射脉冲之后出现负向脉冲。在实际测试中纵波法测试存在浅部缺陷的盲区。扭剪波法速度曲线入射脉冲尾部出现同向反射，此反射波即为缺陷处反射。纵波法中不能分辨的浅部缺陷在扭剪波测试法中可以准确判断。故扭剪波测试法在测试浅部小缺陷具有纵波法所不具有的优势。

2.4扭剪波以及结合纵波的进一步参数计算

得到扭剪波后，可以根据扭剪波的入射波峰值和一次反射波峰值(或波谷))之间的长度从扭剪图形上得到桩长；两个波峰(或波谷)之间的的时间间隔得到扭剪波在桩中的传播时间，根据桩长和传播时间得到传播波速；缺陷位置的确定通过在入射波和反射波之间的波形来判断，如果出现波形异常(一般情况下在入射波和一次反射波之间的波形都是与X轴平行的曲线)，出现幅值较低波峰或波谷，则可判断有缺陷。

纵波和扭剪波的桩长、波速、以及缺陷的大致位置可以根据上述分析知道。还可以结合扭剪波和纵波进一步计算桩的耦合系数，计算耦合系数还需要桩身截面面积以及桩身半径和桩身回转半径。

根据上述各参数，利用下式计算缺陷处的等效半径和回转半径：

其中：

V_R——实测纵波第一次反射波波峰幅值；

V_I——实测纵波入射波波峰幅值；

ω_R——实测扭剪波第一次反射波波峰幅值；

ω_I——实测扭剪波入射波波峰幅值；

R₁——完整桩身等效半径；

R₂——缺陷处桩身等效半径；

R_g1——完整桩身回转半径；

R_g2——缺陷处桩身回转半径；

η——桩侧土耦合系数；

b——缺陷处的深度；

ξ——桩身等效半径与桩身回转半径的平方比；

对于预应力管桩，有

3以下结合具体实施例说明本发明方法在工程中的应用实践：

3.1圆桩和方桩的扭剪波试验

分别选择如图21所示的两根无缺陷的模型桩进行实测。图21(a)中的圆桩外径R＝250mm，径r＝150mm，桩长L＝4.9m，混凝土强度C80；图21(b)中的方桩边长B＝260mm，桩长2.85m，混凝土强度C30。传感器对称反向安装，圆桩选择尼龙锤切向敲击桩壁，方桩选择小钢锤敲击角点，图22所示为圆桩测试所得信号，图23所示为方桩测试所得信号，其中1#、2#道为原始传感器测试信号，3#道为叠加信号。

对波形分析可得：根据入射波峰与桩底反射峰时差可得圆桩实测波速2735m/s，方桩实测波速2382m/s；方桩叠加后的扭剪波信号正常，由于混凝土材料阻尼作用，信号出现衰减和频散。圆桩扭剪波在桩底反射处，信号出现较大程度的下漂，经分析认为这是由于手锤切向激振时，对桩壁施加与传感器接收方向一致的径向力，径向力产生的弯曲波对切向速度信号造成干扰所致。

3.2方桩的纵波和扭剪波对比信号

被测方桩为一根混凝土预制桩，桩身无缺陷，混凝土强度C30，边长B＝260mm，桩长L＝2.85m，纵波、扭剪波对比信号如图24所示。

在方桩的纵波信号和扭剪波信号中都可以看到明显的入射信号和反射信号，纵波信号按“峰-峰”时差计算所得波速为4059m/s，扭剪波信号按“峰-峰”时差计算所得波速为2133m/s，两者波速比为1.90，与理论不符。这是由于纯扭运动下的平截面假定不完全适用于方桩，加之扭剪波较纵波会发生更大程度的频散，导致实测扭剪波速偏低所致。所以对于扭剪波在方桩上的信号提取和完成行之有效的激振的验证方桩都满足条件。

3.3圆桩的纵波扭剪波对比实验

如图25所示，圆桩的实验对象为一根外径D＝500mm，内径d＝300mm，桩长L＝4.9m的圆桩，桩身无缺陷，混凝土强度C80。实测信号如图26所示。

在桩底反射处，信号出现较大程度的下漂与畸变，同向反射峰值与反向反射峰值的绝对值接近相等，信号质量差，所以该法需要进一步改进。

圆桩扭剪的进一步实测：实验的对象还是上面所提到的那根圆桩，所不同的是添加了辅助激振装置，例如如图27所示的激振块(一种为木质辅助激振块，另一种为铁质辅助激振块)，得到的实测信号和现场实测图片如下：

图28(a)为加木质辅助激振块用尼龙锤得到的纵波信号，图28(b)为加木质辅助激振块用小铁锤敲击的扭剪波信号图，图28(c)为加木质辅助激振块用尼龙锤敲击的扭剪波信号图。

对于扭剪信号，尼龙锤激振时，一次反射波幅值比为1.44，波速为2623m/s；小钢锤激振一次反射波幅值比为1.09，波速为2570m/s。可见高频波在传播过程中的衰减更大，进而导致了幅值比与波速的降低。

纵波一次反射波幅值比达到1.83，可见圆桩上实测，扭剪波的衰减依然远大于纵波。纵波波速为4343m/s，与尼龙锤激振测得的扭剪波波速比为1.66，与理论计算范围相符。

3.4扭剪波法的频域分析

实验对象依然还是那根横躺地表的圆桩，所不同的是，激振用的辅助装置改为铁质的，激振锤仍然采用小铁锤和尼龙锤，得到敲击信号和频谱图如图29和图30所示，其中图29(a)为采用铁质辅助激振块用尼龙锤敲击得到的时域信号，图29(b)为采用铁质辅助激振块用尼龙锤敲击得到的频谱示意图，图30(a)为采用铁质辅助激振块用小铁锤敲击得到的时域信号，图30(b)为采用铁质辅助激振块用小铁锤敲击得到的频谱示意图。

尼龙锤激振，信号出现的震荡如同有缺陷存在，并且经滤波处理无法消除。小钢锤激振测得的扭剪信号震荡剧烈，杂乱无章，经滤波处理后与B1类似，但震荡更甚，所以和用木质辅助激振块敲击得到的信号比较，用木质激振块得到的信号更加明显，便于实际施工操作。

对上述测得的信号采用频域进行分析，B1信号计算波速为2777m/s，依据前三阶频差计算桩长依次为5.5m、5.4m、5.0m；B2信号，经滤波处理后，其计算波速为2806m/s，依据前三阶频差计算桩长依次为6.9m、5.4m、5.0m。可见根据高阶频差可以较好的确定桩长。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于基桩检测的扭剪波激振采集分析方法，其特征在于，包括：

通过在待测基桩桩侧施加切向力产生横向偏心激振，从而生成扭剪波；

通过反对称安装在桩身两侧的两只传感器，分别获得所述传感器位置处的振动信号；

将所述两只传感器所获得的振动信号叠加得到扭剪波信号；

根据所述扭剪波信号和常规纵波法得到的纵波信号计算缺陷位置的等效半径和回转半径，并进一步根据所述等效半径和回转半径识别缺陷程度与性状；或者，

根据所述扭剪波信号，识别浅部缺陷；或者，

根据所述扭剪波信号，检测管桩纵向裂隙或灌注桩纵向泌水缝缺陷；或者，

根据所述扭剪波信号，利用频域分析，分析扭剪波中各谐振频率和频差对应的缺陷位置。

2.如权利要求1所述的用于基桩检测扭剪波激振采集分析方法，其特征在于，通过在被测基桩的桩侧施加切向力产生横向偏心激振，具体为：

在圆桩桩侧通过膨胀螺栓固定木质、尼龙质、铝质、铁质激振块，使用激振锤沿圆桩侧面切向敲击所述激振块，通过所述激振块向所述圆桩施加切向力产生横向偏心激振；或者，

使用激振锤敲击方桩桩顶处的桩身侧面角点，从而施加切向力产生横向偏心激振。

3.如权利要求1或2所述的用于基桩检测扭剪波激振采集分析方法，其特征在于，所述振动信号为所述传感器位置处的切向速度，所用传感器为能够横向固定安装且灵敏度为50mV/ms^-2的加速度计。

4.如权利要求1或2所述的用于基桩检测扭剪波激振采集分析方法，其特征在于，所述将所述两只传感器所获得的振动信号叠加得到扭剪波信号，具体为：

V_S＝V_T1+V_T2

其中，V_S为叠加后得到的扭剪波信号，V_T1和V_T2分别为所述两只传感器获得的切向速度信号。

5.如权利要求1或2所述的用于基桩检测扭剪波激振采集分析方法，其特征在于，根据所述扭剪波信号和纵波信号，计算缺陷位置的等效半径和回转半径，具体为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{V_R}{2V_I}=\frac{R_1^2-R_2^2}{R_1^2+R_2^2}{e}^{-\mathrm{\η}b}\\ \frac{{\mathrm{\ω}}_R}{2{\mathrm{\ω}}_I}=\frac{R_{g1}^4-R_{g2}^4}{R_{g1}^4+R_{g2}^4}{e}^{-\mathrm{\η}\mathrm{\ξ}b}\end{array}\right.$

其中：

V_R——实测纵波第一次反射波波峰幅值；

V_I——实测纵波入射波波峰幅值；

ω_R——实测扭剪波第一次反射波波峰幅值；

ω_I——实测扭剪波入射波波峰幅值；

R₁——完整桩桩身等效半径；

R₂——缺陷处桩身等效半径；

R_g1——完整桩身回转半径；

R_g2——缺陷处桩身回转半径；

η——桩侧土耦合系数；

b——缺陷处的深度；

桩身等效半径与桩身回转半径的平方比；

进一步根据所述等效半径和回转半径识别缺陷程度和性状。

6.如权利要求1或2所述的用于基桩检测扭剪波激振采集分析方法，其特征在于，根据所述扭剪波信号识别浅部缺陷，具体为：

根据扭剪波对浅部缺陷的反射到时计算浅部缺陷位置，并根据反射幅值计算等效半径和回转半径，进而得出所述浅部缺陷的缺陷程度及性状。

7.如权利要求1或2所述的用于基桩检测扭剪波激振采集分析方法，其特征在于，根据所述扭剪波信号，检测管桩纵向裂隙或灌注桩纵向泌水缝缺陷，具体为：

比较所述纵波信号和所述扭剪波信号，如果同一缺陷在所述纵波中没有形成反射波，而在所述扭剪波中形成了明显的反射波，则对于管桩而言意味着该处存在纵向裂隙，对于灌注桩而言则存在纵向泌水缝。

8.如权利要求1或2所述的用于基桩检测扭剪波激振采集分析方法，其特征在于，根据所述扭剪波信号，利用频域分析，分析扭剪波中各谐振频率和频差对应的缺陷位置，具体为：

针对所述扭剪波信号进行傅里叶变换，得到频谱图，在所述频谱图中寻找各阶谐振峰，计算所述各谐振峰频率和相邻两谐振峰之间的频差，利用所述扭剪波波速，依据下式计算桩长和缺陷位置。

或

或

其中

L——实测桩长；

b——实测缺陷位置；

C_s——扭剪波波速；

f_b——缺陷所对应的谐振峰；

f_L——桩底所对应的谐振峰；

Δf_L——整桩所对应的相邻谐振峰频差；

Δf_b——缺陷所对应的相邻谐振峰频。