仇道刚，陈启超，刘国跃

（南京铭创测控科技有限公司，江苏 南京 210032）

0 引言

低应变波速除了与桩身混凝土强度有关外，还与混凝土的骨料品种、粒径级配、密度、水灰比、成桩工艺（导管、振捣、离心）等因素有关。波速与桩身混凝土强度整体趋势呈正相关关系，即强度越高，波速越高［1］。当以上条件都相同时，我们简称为同条件的下的桩型，同条件的下的桩型低应变波速是在一定范围内变化的，偏差并不大。国内普遍采用混凝土强度等级估算低应变波速，也是基于这个原因。金隆等［2］的研究结果如表1 所示，试验过程:选取同条件的 6 根冲击成孔灌注桩作为试验对象，桩身设计强度 C30，分别沿桩身钻取φ100 mm 的芯样，在距桩顶 3 m、10 m 以及 18 m 附近分别截取 3 根 1 m 长芯样，分别标记n－1 #、n－2 # 和n－3 # 芯样（n为桩号），芯样加工好后，对芯样进行低应变波速测试，然后再进行抗压强度试验，从表1 中可以看出，同条件下的桩型低应变波速相差并不大。然而在实际工程中，有时会出现同条件下的桩型，低应变实测波速差异过大的情况，为了搞清楚背后的真实原因，下面对一个真实的案例进行分析。

表1 同条件下桩型低应变波速统计

1 案例概述

在某房建工程中，发现在同一批桩中，有两根桩的实测波速差异过大。具体情况:桩号 4-5，桩径 600 mm，设计强度 C30，设计桩长 6.65 m，桩型为嵌岩桩，持力层为中风化凝灰岩。低应变测试波形如图1 所示，在 2.79 ms 处有明显同向反射，假如此同向反射是桩底，波速按照 3 800 m/s 计算，则桩长只有 5.3 m，而且同向反射与持力层的性状不符［3］，遂判定短桩或严重沉渣。为了验证低应变的判断，进行了取芯，芯样照片如图2 所示，取芯结果:芯样长度 6 m，下面有近 1 m 厚的碎石沉渣，同向反射即为沉渣界面的反射，按照实际桩长 6 m 计算，则实测波速如式（1）所示。

图1 桩 4-5 实测低应变波形

图2 桩 4-5 芯样照片

式中:c为低应变实测波速，m/s；L为桩长，m；Δt为桩底反射时间，ms。

桩号4-6，桩径 600 mm，设计强度 C30，设计桩长6.5 m，桩型为嵌岩桩，持力层中风化凝灰岩；低应变波形如图3 所示，显示在 2.68 ms 处有明显反向反射，此反射应该为入岩反射；在 3.72 ms 处有明显同向反射，由于持力层为中风化凝灰岩，不应该有明显同向反射，遂判定为沉渣。为了验证低应变的判断，进行了取芯，芯样照片如图4 所示。取芯结果:芯样长度 7.2 m，有 20 cm 左右碎石沉渣，3.72 ms 处同向反射就是沉渣界面的反射。按照实测桩长计算，则实测波速代入式（1）计算。

图3 桩 4-6 实测低应变波形

图4 桩 4-6 芯样照片

以上两根桩为同一个工地、同条件下的桩型。混凝土标号、骨料、配合比等完全一致。为了排除送错混凝土这种情况，笔者又对芯样进行了抗压强度试验，结果表明，抗压强度差异不大。从芯样外观以及抗压强度看，可以确定是同条件下的桩型，然而实测波速却相差较大，因此，数据的真实性被质疑，更重要的是，这不符合在同条件下桩型，低应变波速在一定范围内分部规律。

那么波速的差异究竟是什么原因导致，似乎很难找到一个确切的答案。论文将采用横向尺寸效应来分析解释该问题。

2 横向尺寸效应

低应变一维杆的基本假设是L＞λ＞R（L桩长、λ激振波长有效高频分量、R桩半径），这时平截面的假设才成立。当在某些条件下，出现λ≤R时，出现的一些不符合反射波法传播基本规律的现象，称之为横向尺寸效应。横向尺寸效应会给检测带来两个不利因素:①通过峰峰反射计算的实测波速不准；②大直径桩用高频激振时易产生高频振荡。这里我们只介绍第一个因素。

由于传感器的安装点与锤击点总是有一定的距离，如图5 所示，这将导致传感器的信号接收总是滞后于锤击时刻，锤击以后即产生应力波，应力波沿表面传播至传感器，t0为应力波从锤击点传播到传感器所用的时间。由于t0的存在，进而导致测试的桩底反射时间Δt变小。如图6 所示，时刻 1 为锤击时刻，时刻 2 为传感器初次接收应力波时刻，时刻 3 为应力波从桩底反射至桩顶时刻，应力波从桩头传播到桩底再反射到桩头所用时间为Δt，但是由于t0的存在，实际测试的反射时间为 Δt′，显然，Δt′＜Δt。

图5 锤击后应力波的传播

图6 实测桩底反射时间变小示意图

由式（1）可以得知，Δt变小，则实测波速c变大。由于t0是表面波，波速大概只有纵波的二分之一，也就是传播同样的距离，时间是纵波的二倍，对于长桩测试时，Δt的变化可以忽略不计，但是在一些大直径短桩的测试中，t0是不能忽视的，因为这时 Δt本身就比较小，只有几毫秒，因此t0的影响就会更明显。

由以上分析，可以得出结论，假如传感器安装点和激振点的距离不同，会影响实测波速的大小，理论上，由于横向尺寸效应的影响，低应变实际测试的波速都比真实的波速偏高。对于大直径的短桩，这种影响更加明显，不能忽略。在实际检测时，桩头的打磨点有一定的随机性，这就导致传感器安装点与激振点的距离是随机的，这个距离变化同样会影响实测波速。但是，到底影响有多大？胡新发［4］的研究表明，当敲击一次，两个传感器同时采集时，传感器布置情况如图7 所示，传感器 1 与传感器 2 的距离之差为 28 cm 时，传感器接收的信号时差为 0.15 ms。此时，表面波波速为 1 866 m/s。也就是说，表面波在锤击点与传感器安装点之间传播 28 cm 的距离时，要耗时 0.15 ms。那么，上述案例是否可以用横向尺寸效应解释？

图7 两个传感器距离差 28 cm 时的采集现场

3 横向尺寸效应解释

假设在上述案例中，桩 4-5 在测试时，传感器的安装点与锤击点的距离与桩 4-6 不同，且桩 4-5 传感器安装点与锤击点的距离比桩 4-6 的要大 28 cm 以上。则根据胡新发的研究，桩 4-5 的接收信号滞后 4-6 的时间是 0.15 ms 以上。因为横向尺寸效应会导致实测波速偏高，所以应该对偏高的波速进行修正，将变小的 Δt增加0.15 ms，则 4-5 修正后的波速代入式（1）。

也就是说，上述假设成立的话，换算成相同的测试条件，4-5 的实测波速应该小于 4 081 m/s（距离差等于 28 cm 时，波速是 4 081 m/s），而 4-6 的实测波速是 3 870 m/s，显然这个波速差异符合同条件下桩型的波速认知。由于 4-5、4-6 当时检测时传感器的安装点与锤击点距离的实际情况已经无法考证，所以认定该波速差异是横向尺寸效应引起的，证据不充分。但是反过来，如果在实际测试时，不同的桩敲击点与传感器的安装点之间的距离不同，则一定会导致实测波速出现差异，这个结论是正确的。

4 结语

低应变在实际工程测试时，确实有同条件下的桩型实测波速差异大这一现象存在，在没有搞清楚原因的情况下，不能简单的以此作为质疑数据真实性的理由。这样做，只会表现出对低应变认知的不全面。也许，在低应变检测中，还会出现一些无法解释的现象，但是我们相信这些可能都是暂时的，因为技术的发展从来就是先发现问题，再解决问题，只是这个过程需要些时间，在没有搞清楚问题之前，不能简单地下结论。

横向尺寸效应的存在会给低应变的测试带来一定的影响，会导致实测的Δt变小，从而引起实测波速偏高。这会给实际工程检测带来两个方面的不利影响:①当不同的桩之间传感器与锤击点距离不同时，会带来实测波速差异大的情况，短桩尤为明显；②由于实测波速偏高，会影响缺陷桩缺陷深度的计算。因此，研究横向尺寸效应，能进一步了解低应变在某些方面存在的不足之处，从而消除这些不利因素对检测结果的误导与判断，让低应变这门技术更好地服务于工程检测。