林浩濤 陳仕坤

（廣東惠和工程檢測(cè)有限公司 廣東廣州 510410）

1 前言

反射波法是一種快捷、簡(jiǎn)易的基樁低應(yīng)變檢測(cè)手段，在建設(shè)工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，通常用來(lái)普查基樁樁身完整性，為靜載、鉆芯法和高應(yīng)變法動(dòng)測(cè)試驗(yàn)確定樁位提供依據(jù)，彌補(bǔ)靜載、鉆芯法和高應(yīng)變法試驗(yàn)抽樣率低帶來(lái)的不足。本文結(jié)合筆者對(duì)基樁縱向振動(dòng)理論的理解，著重分析基樁受到瞬態(tài)激勵(lì)時(shí)樁身速度和樁身內(nèi)力。

2 阻抗無(wú)變化時(shí)樁身速度以及樁身內(nèi)力分析

瞬態(tài)激勵(lì)狀態(tài)的入射波可以利用正弦脈沖或三角形脈沖進(jìn)行模擬。為了方便研究，這里按照非對(duì)稱(chēng)三角形波展開(kāi)討論。假定樁頂受到的入射波為三角形脈沖（見(jiàn)圖1），脈沖幅值為V0，脈沖寬度t1，上升階段脈沖寬度為m，下降階段脈沖寬度為n（顯然m+n=t1），波速C，樁長(zhǎng)L，樁身力學(xué)阻抗Z，x為樁身計(jì)算截面到樁頂?shù)木嚯x。

圖1 入射波為三角形脈沖

（1）當(dāng)t≤t1時(shí)，則入射波未完全入射。畫(huà)出入射波關(guān)于縱坐標(biāo)V軸的對(duì)稱(chēng)圖形，初始波V（0）沿著橫坐標(biāo)t軸從原點(diǎn)向右移動(dòng)距離為Ct，則得到樁身速度 V（x，t）的圖像（見(jiàn)圖 2）（注：圖 2 橫坐標(biāo)除以 C 就是 t，這里仍稱(chēng)為 V（x，t）圖像，以下相同）。

圖 2 當(dāng) t≤t1 時(shí)，樁身速度 V（x，t）圖像

①當(dāng) x≤Ct時(shí)，由于樁身只有下行波，故樁身內(nèi)力 F=ZV（x，t）；②當(dāng)x＞Ct時(shí)，應(yīng)力波未到達(dá)截面 x處，則 V（x，t）=0，F(xiàn)（x，t）=0。

（2）當(dāng) t1≤t＜（Ct1≤Ct＜L）時(shí)，入射波完全入射并且入射波初始波V（0）未到達(dá)樁底。畫(huà)出入射波關(guān)于縱坐標(biāo)V軸的對(duì)稱(chēng)圖形，初始波V（0）沿著橫坐標(biāo)t軸從原點(diǎn)向右移動(dòng)距離為Ct，則得到樁身速度V（x，t）的圖像（見(jiàn)圖3）。

①當(dāng) x＜C（t-t）1時(shí)，應(yīng)力波已經(jīng)越過(guò)截面 x 處，V（x，t）=0，F(xiàn)（x，t）=0。②當(dāng) C（t-t1）≤x≤Ct時(shí)，F(xiàn)=ZV（x，t）；③當(dāng) Ct＜x≤L 時(shí)，應(yīng)力波未到達(dá)截面x 處，則 V（x，t）=0，F(xiàn)（x，t）=0。

圖 3 當(dāng) t1≤t＜（Ct1≤Ct＜L）時(shí)，樁身速度 V（x，t）圖像

（3）當(dāng) C（t-t1）≤L 且 L≤Ct≤2L 時(shí)，入射波的末波 V（t1）未到達(dá)樁底或剛好到達(dá)樁底。對(duì)于樁底為自由端，樁底速度加倍，樁底內(nèi)力為零，故樁身速度 V（x，t）圖像見(jiàn)圖 4，樁身內(nèi)力 F（x，t）圖像見(jiàn)圖 5。

圖4 樁底為自由端時(shí)，樁身速度V（x，t）圖像

圖5 樁底為自由端時(shí)，樁身內(nèi)力 F（x，t）圖像

令 ΔL=min{C（t-t1），2L-Ct}，則①當(dāng) x＜ΔL 時(shí)，表明應(yīng)力波已經(jīng)第一次越過(guò)截面 x 位置或者第二次未到達(dá)截面 x 位置，V（x，t）=0，F(xiàn)（x，t）=0；②當(dāng) ΔL≤x≤L 時(shí)，樁身速度 V（x，t）為入射波（下行波 Vd）與反射波（上行波 Vu）疊加（相加），即是 V（x，t）=Vd+Vu。樁身內(nèi)力 F（x，t）為入射波（下行波 Vd）與反射波（上行波 Vu）疊加（相減），再與 Z 的乘積，即是 F（x，t）=Z（Vd-Vu）。

對(duì)于樁底為固定端，樁底速度為零，樁底內(nèi)力加倍，故樁身速度V（x，t）圖像見(jiàn)圖 6，樁身內(nèi)力 F（s，t）圖像見(jiàn)圖 7。

令 ΔL=min{C（t-t1），2L-Ct}，則①當(dāng) x＜ΔL 時(shí)，表明應(yīng)力波已經(jīng)第一次越過(guò)截面 x 位置或者第二次未到達(dá)截面 x 位置，V（x，t）=0，F(xiàn)（x，t）=0；②當(dāng) ΔL≤x≤L 時(shí)，樁身速度 V（x，t）為入射波（下行波 Vd）與反射波（上行波-Vu）疊加（相加），即是 V（x，t）=Vd-Vu。樁身內(nèi)力 F（x，t）為入射波（下行波 Vd）與反射波（上行波-Vu）疊加（相減），再與 Z 的乘積，即是 F（x，t）=Z（Vd+Vu）。

圖6 樁底為固定端時(shí)，樁身速度V（x，t）圖像

圖7 樁底為固定端時(shí)，樁身內(nèi)力 F（x，t）圖像

（4）當(dāng) C（t-t1）＞L 且 L≤Ct≤2L 時(shí)，入射波的末波 V（t1）已經(jīng)越過(guò)樁底，樁身只有樁底的反射波，沒(méi)有入射波。當(dāng)樁底為自由端時(shí)，樁身速度V（x，t）圖像見(jiàn)圖 8；當(dāng)樁底為固定端時(shí)，樁身速度 V（x，t）圖像見(jiàn)圖 9。

圖8 當(dāng)樁底為自由端時(shí)，樁身速度V（x，t）圖像

圖9 樁底為固定端時(shí)，樁身速度V（x，t）圖像

①當(dāng) x＜2L-Ct時(shí)，應(yīng)力波未到達(dá)截面 x，則 V（x，t）=0，F(xiàn)（x，t）=0；②當(dāng)2L-Ct≤x≤2L-Ct+Ct1時(shí)，F(xiàn)=ZV（x，t）；③當(dāng) 2L-Ct+Ct1＜x≤L 時(shí)，應(yīng)力波已經(jīng)越過(guò)截面 x，則 V（x，t）=0，F(xiàn)（x，t）=0。

3 工程實(shí)例

引用文獻(xiàn)[2]的例題：有一混凝土預(yù)制樁樁長(zhǎng)L=40m，截面面積A=0.25m2，應(yīng)力波波速C=4000m/s，一端受到下圖所示的鋸齒形脈沖力P（t）激勵(lì)（見(jiàn)圖10），不計(jì)任何阻尼，請(qǐng)分別繪出另一端為自由端、固定端兩種情況下，t=11ms時(shí)的樁內(nèi)力分布圖并計(jì)算最大應(yīng)力值。

圖10 鋸齒形脈沖力P（t）

鋸齒形脈沖力P（t）的脈沖寬度t=4.0ms傳播的距離4000×4×10-3=16m。

初始力波從原點(diǎn)向右移動(dòng)距離為4000×11×10-3=44m。

畫(huà)出入射波關(guān)于縱坐標(biāo)P軸的對(duì)稱(chēng)圖形（其實(shí)由于鋸齒形脈沖力P（t）為對(duì)稱(chēng)圖形，故入射波關(guān)于縱坐標(biāo)P軸的對(duì)稱(chēng)圖形與圖10一致）。另一端為自由端、固定端兩種情況下，t=11ms時(shí)的樁內(nèi)力分布圖分別見(jiàn)圖11～12。

圖11 另一端為自由端，t=11ms時(shí)的樁內(nèi)力分布圖

圖12 另一端為固定端，t=11ms時(shí)的樁內(nèi)力分布圖