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1、低应变反射波法基桩完整性检测技术 1 第三章反射波法检测技术 1声学基础1 1反射波的基本原理在桩顶进行竖向激振 弹性波沿着桩身向下传播 在桩身存在明显波阻抗界面 如桩底 断桩或严重离析等部位 或桩身截面积变化 如缩径或扩径 部位 将产生反射波 反射波经接收 放大 滤波和数据处理 可识别来自桩身不同部位的反射信息 据此计算桩身波速 判断桩身缺陷的程度及位置 2 1 1波阻抗界面的反射与透射如介质是不连续的 存在界面n介质的波阻抗Z1 Z2纵波P垂直入射到界面n时 产生垂直向上的反射波R还有垂直的透过波T 3 4 5 1 2一维杆件 6 1 3一维杆的声速与无限体声速间的关系一维杆的声速无限体的
2、声速一般桩身混凝土的泊桑比 0 2 0 25 Vp 1 05 1 1 VBVB 0 9 0 95 Vp这是超声波所测声速大于反射波所测声速的原因 7 入射的半球面波有一些是斜入射的 根据折射定律 在桩身侧面将产生折射纵波PP和折射横波PS 使一部分能量由桩身折射扩散进入地层 折射入地层的能量与斜入射的折射系数RT有关 注 上式中的 即图中的 式中的 t即图中的 2 1 4桩土体系内声波传播规律 8 1 5桩底及缺陷的反射波 9 10 11 2 1参数设置中应注意的问题A工程信息设置工程名称 检测单位 检测日期桩号 桩长 桩径 波速 桩型 灌桩工艺B参数设置 传感器类型 速度型 加速度型激振器
3、冲击锤 力锤 带传感器的锤 2 现场检测技术要点 12 采样间隔 采样点数 决定了每次采样的记录时间长度 一般采样长度设置为1024个点 采样间隔5 s 50 s举例说明显示时间 1024 10 s 10000 s 10ms假设V 4km s 可测桩长L 4km s 10ms 2 10m一般默认采样长度从1024点 只设桩长和波速 仪器自动计算采样间隔 13 增益 信号的放大倍数 放大镜 对接收到的信号按指定倍数进行放大长桩信号弱 应加大倍数 短桩减小倍数 以在屏幕上显示的波形大小适宜为准 不能超屏 也不能过小 放大的特点是所有信号 含干扰信号 都进行放大了 区别于信号处理时的放大 指数放大
4、线性放大 按指数规律把桩底信号放大显示出来 14 触发方式 外触发 内触发 力锤 触发电平 电压大于某个数值 阀值 时 认为是有用信号 15 速度 加速度 显示速度信号或加速度信号一般使用的是加速度传感器 接收到的是加速度信号习惯上看速度信号 相当于把原始信号进行积分 显示的是积分后的速度信号 16 2 2桩头的处理 击振点及接收点应打磨平整凿去桩头浮浆层和不密实混凝土后 选择2 4个点打磨平整 桩中心一个点 周边均匀分布几个点 桩身混凝土强度达到设计强度70 以上才能进行检测 17 2 3瞬态击振问题 击振脉冲宽度要适当A 根据桩长 地层状况和预期检测缺陷位置来选择击振脉冲波 击振频率应能分
5、辨整个桩长的一阶和多阶共振频率 3 F以上 桩的轴向振动特性下限频率33Hz 上限频率3 F 1200Hz因此 击振频率区间 30 1500 Hz 18 B 击振脉冲波的频率与击振脉冲宽度有关 窄脉冲频率高 宽脉冲频率低 不同材质的锤垫 能调整脉冲宽度 锤头的材质软 脉冲宽度宽 19 不同材质的锤头激励脉冲宽度和主频相关关系 20 l锤头的面积大脉冲宽度宽 21 l锤的落距与脉冲宽度关系不大 只有信号能量大小变化 22 C 击振的锤及力棒 23 激振方法总结击振脉冲波的主频选择推荐值 长桩 硬地层的中长桩击振频率要求低 用材质软的锤头 重锤重敲L 40m左右 f 500 1000Hz 用力棒敲
6、击L 15 25m f 500 1000Hz 用力棒或软锤头敲击 短桩或浅部缺陷击振频率要高 用材质硬 质量轻的锤头 轻锤轻敲L 10m左右 f 1000 2000Hz 用质量较轻的铁锤轻敲 24 2 4接收传感器 速度型传感器 磁电式速度传感器工作原理 电磁传感器固定在实测体上 当被测体产生振动时 金属外壳和永久磁铁相对静止 线圈在弹簧片支撑下 将随被测体的质点振动而振动 线圈切割磁力线 产生感应电动势输出处理 临界阻尼 传感器设计在0 6 0 7倍临界阻尼 只振动1 2个周期 有利于信号的接收和识别幅频特性 谐振峰小于30Hz 上限频率频率1500 2000Hz频率低于谐振峰后 灵敏度下降
7、灵敏度 200mV cm s 1 缺点 高频上不去 低频下不来 影响了使用 25 加速度型传感器 压电式频带范围 1Hz 5000Hz安装谐振频率 几十Hz横向灵敏度 小于5 直达波不会很大电荷灵敏度 对加速度的响应程度灵敏度高 频带宽 被广泛推广使用 26 传感器的安装和耦合是能否能取得优质信号的关键问题 是检测工作另一个重要环节 应注意的问题有 A 安装的部位混凝土应完整 无松动 表面平整 B 传感器安装应与桩顶面垂直 C 用耦合剂粘结要粘牢 不可在击振时使其产生附加振动 D 耦合剂可以是黄油 凡士林 牙膏 橡皮泥 E 使用加速度感器时用橡皮泥一类的耦合剂还可以起到机械滤波 将击振的高频干
8、扰成分滤除 F 防止碰撞破坏 接收传感器的安装与耦合 27 2 5存储多道波形 每个安装点敲击三次 三次波形叠加后的平均波形存储下来作为一道 所以要求三次敲击的波形基本一致 否则平均下来的波形就没有意义 每个安装点要求存储2道以上波形 如果有三个安装点 就要存储6道波形 这6道波形要求趋势基本一致 可能看到桩底信号 目的是在波形分析的时候波形相互对比 确定缺陷的位置和性质 28 如果发现桩头浅部有缺陷时 波形表现为宽幅低频大摆动信号 除了正常敲击信号外 还要增加高频敲击信号 方法为 1选用质量较轻的铁锤或铝质锤头轻轻敲击 得到的高频信号在分析时可以准确确定缺陷的深度 2设定较短的桩长 比如设定
9、的桩长为2m左右 波速设为经验值 再用质量较轻的铁锤或铝质锤头轻轻敲击 得到的高频信号 2 6浅部缺陷的位置确定 29 30 3反射波的信号处理目的 去除杂波 改善信号质量 使信号直观 一般人员能看懂 3 1低通滤波 去处高频杂波或干扰波长桩 30 40m f 500 1000Hz短桩 10 20m f 1000 2000Hz浅部缺陷 f 1000 2000Hz 原始信号 31 低通滤波3000Hz 低通滤波2000Hz 32 低通滤波500Hz 低通滤波1000Hz 33 3 2积分处理 加速度型传感器信号积分的结果是质点速度 振动 信号 积分的目的是改善信号质量 去除弱的振动 减小余振 使
10、直达波和桩底反射信号 缺陷反射信号更加直观振动速度信号微分的结果是还原为加速度信号振动速度信号再积分可成为位移信号 34 第一组信号原始波形加速度信号 速度信号积分后的位移信号 积分后的速度信号 35 第二组信号原始加速度信号 36 低通 积分速度信号 第二组信号积分后的速度信号 37 线性放大 波幅按固定的放大倍数放大指数放大 波幅是按指数规律衰减 按指数放大的目的是突出深部缺陷及桩底信号放大延迟 桩头和浅部信号较强 不需要放大处理 放大的起点位置在桩头向下一定深度开始 3 3信号放大 38 39 频谱分析 用于了解干扰波的频率范围 根据声速估算桩长 缺陷位置或者根据设计桩长计算波速频域曲线
11、 频差 多阶振型 3 4频谱分析 40 去除直流成分 将信号中的直流干扰成份去除多点平滑 使波形光滑波幅的归一化处理 将波形中最大峰值调到满度 其他波峰按比例增加波形的编辑 对上述处理后的波形进行 平移 旋转 局部缩放 3 5其它处理技术 41 声时波幅频率相位时域曲线 直达波桩底反射波缩径类缺陷反射波扩径类缺陷反射波扩径多次反射波频域曲线 频差 多阶振型 3 6反射法的资料解释 42 同相位反射波 43 反相位反射波 44 时程曲线图与扩径多次反射信号 45 缺陷的判定 缩径类缺陷 同相位波形 存在多解性 例如 离析 空洞 二次浇灌面 夹泥 缩径地层由硬变软扩径类缺陷 反相位波形必须收集与掌
12、握基桩施工过程的全部技术资料 档案 包括工程场地的工程地质勘察报告 水文地质概况灌注桩的成孔方式 成孔工艺灌注桩的作业环境 灌注工艺 施工记录 异常情况 46 正确对桩身完整性 缺陷性质做出推断解释的方法 l由地层的岩性是否粘土层 可以判断排除是否缩径 l由地层是否是砂层来判断是否扩径 或可能是渐扩径 l由成孔方式可推断缺陷是否是夹泥 l由地下水文地质条件及混凝土灌注方法 工艺来判断是否可能离析 l浇灌过程是否连续 判断缺陷是否是二次浇灌面或断桩 l同一场地 如许多桩都在同一深度存在 缺陷 反射波时 需了解地层是否由软突然变硬 或由硬突然变软 l没掌握施工时水下灌注未用导管对桩底离析出现的误判
13、 47 缺陷桩的分类 48 3 7工程实例 完整桩加速度信号 完整桩速度信号 实例1 49 50 51 52 实例2 预制方型桩 长10m 尺寸350 350mm 53 54 实例3 55 56 实例4时域分析与频分析深度不一致的情况应引起注意 要多个波形综合分析 57 58 同一根桩的另一组测试信号 59 60 61 实例5 浅部缺陷 62 63 64 65 66 67 68 3 8反射波法存在的不足 缺陷垂直方向大小无法确定缺陷的上下界面混叠 很难分辨缺陷垂直方向的尺寸 69 缺陷的水平方向尺寸无法定量确定 嵌岩桩有可能推断出孔底有无沉渣 但无法确定其厚度 逐渐扩径后突然缩径的缺陷很容易误
14、判为缩径 只能了解桩身的平均声速 不能用声速判定桩身混凝土匀质性 仅从反射波的时域波形不能推断出缺陷的性质 70 4低应变反射波法检测设备 康科瑞公司基桩动测仪KON PIT N 71 智博联公司基桩动测ZBL U8系列 72 岩海公司基桩动测仪RS16系列 73 中科智创公司基桩动测仪RSM PRT W 74 美国PDI公司基桩动测仪PIT系列 75 第四章缺陷成因及处理措施 76 1 缺陷的信号特征及成因分析1 1桩头质量问题位置 一般在桩头向下5m以内区域 出现的问题有夹泥 夹砂或严重离析 分层等缺陷类型 分层离析 夹泥 低强混凝土 缩径 开裂等信号特征 表现为 低头 现象成因 剔凿桩头
15、不到位导管拔出方式和拔出时间不正确其它原因 塌孔 地表强泾流等 温度影响 冬季施工时桩头问题 77 78 1 2桩中缺陷 位置 桩头向下5m以上 夹泥 夹砂或严重离析等缺陷类型 与桩头缺陷有点类似 但缺陷类型更多信号特征 表现为 冒尖 现象成因 与施工工艺有关 如导管埋深不够造成泥浆或沉残留等 也有可能导管埋的太深 混凝土上部水泥浆层与泥砂混合 不能全部翻出来 坍孔或异物掉入也是形成缺陷的主要原因之一 79 80 1 3桩底缺陷 位置 桩底附近 最厚的达到5 0m左右 缺陷类型 沉渣过厚和严重离析信号特征 表现为声速低 幅度低的拖尾巴现象成因 水下灌注桩由于施工工艺的限制 很容易在桩底形成沉渣
16、 在钢筋笼放入桩内 浇筑混凝土之前 必然进行二次清孔 清孔时间要根据沉渣多少进行决定 有的二个小时 有的可能要二天才行 每次清孔后要准确测量桩底沉渣层厚度和实际孔深 符合有关规定后才能进行浇筑 81 82 1 4全桩缺陷 位置 桩身全部 或多位置 多剖面严重异常缺陷类型 断桩 低强混凝土 严重离析等信号特征 桩身匀质性差 声参量低 多段冒尖成因 原材料不合格 水泥 砂子质量不合格 混凝土配合比出错 搅拌过程失控 灌桩工艺不合理等原因形成 83 84 1 5其它问题 声速太低一般是由于混凝土本身质量差 或水灰比控制不好 适成桩身强度太低 超声波声速远远低于同类型桩 信号幅度衰减很严重 此类桩由于无法进行处理 一般判定为四类桩 混凝土严重离析 空洞 异物 如夹石等 桩身倾斜 移位 变形桩长不够 声速异常偏高 85 2 预防缺陷措施 2 1作业指导书的编制与学习工程技术人员根据不同的地层条件 不同的基桩类型 不同的工作环境 编写专业的现场作业指导书 并组织相关人员认真学习 是避免缺陷形成的重要措施 参与现场施工的每一位技术人员 对灌桩的工艺流程 应急处理措施等要一清二楚 86 2 2精确计算
