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1、工程桩桩身完整性,反射波法检测工程桩桩身完整性吴 庆 曾原中国地质调查局技术方法研究所2013.01.22,概述 反射波法检测桩身缺陷的基本原理 桩身内不同类型缺陷反射波规律 反射波法的现场数据采集技术要点 反射波信号的处理 数据采集后的处理和推断解释方法 反射波的频域解释 反射波存在的不足之处,讲授和讨论下列问题,1. 1 桩式基础的优越性, 有很好的抗震性能（一般动荷载比静荷载要大67倍）； 桩的承载力高(可加大桩径，扩大桩底面增加承载力)； 沉降量较小 复杂地层如沙土地层、软弱地层、黄土地层等可用桩穿过这些地层使荷载作用到承载力高的地层上。,一 概述,1.2 基桩的分类,桉成桩方式可分为
2、：,1. 打入式桩；可有钢筋混凝土预制桩、预应力管桩、钢桩、木桩； 2. 原地灌筑桩可分为,1 概述,此外还有扩径缺陷、扩底桩,1.3 原地灌注桩桩身可能存在的缺陷,1.概述,施工中由于工艺因素、地层的地质因素、施工的人为因素，桩身出现的下列缺陷反射波法可以检测 ：1. 空洞（原地灌注桩） 2. 夹泥（原地灌注桩）3. 微裂（预制打入式桩、原地灌注桩）4. 断、裂（预制打入式桩、原地灌注桩）5. 二次浇灌面（原地灌注桩）6. 缩径（原地灌注桩）7. 扩径（原地灌注桩） 8. 扩底,1.4 反射波法可能检测到的桩身缺陷类型,1.概述,声波透射法、低应变反射波法、钻芯法、 高应变法,1.建筑工程基
3、桩检测技术规范（JGJ/T 106-2003）2.公路工程基桩动测技术规程（JTG/T F81-01-2004）3.基桩低应变动力测桩规程 （JGJ/T 9395）4.超声法检测混凝土缺陷技术规程（CECS 21：2000）,1.6 工程基桩完整性检测的有关规程,1.5 工程桩完整性检测方法,1.概述,1.荷兰在二十世纪六十年代中期开发了反射波法检测基桩的完整性2.我国在上世纪八十年代中后期国家基本建设大规模发展的背景下 开发研究并推广了反射波法基桩完整检测技术 3.1995年地质矿产部和建设部联合颁发了基桩低应变动力检测规程（JGJ/T 9395）4. 2003年建设部颁发 建筑基桩检测技术
4、规范（JGJ 1062003）5. 2004年交通部颁发公路工程基桩动测技术规程（JTG/T F81-01-2004）,1.7 反射波检测基桩完整性的发展概况,1.概述,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理,锤头击振桩头会产生什么现象？,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理,2.1 锤击激振在桩身内引起振动与波动规律,当锤击激励桩头，会引起什么物理现象发生？有两方面问题需考虑：一桩身内会产生什么振动和波动；二地层中会引起波动吗？,为搞清上述问题，我得到一个部级资助研究项目：研究“桩土体系内声波传播规律”。给出了答案，将在后面论述。,2. 反射波检测桩身缺陷的基本
5、原理, 首先建立波振面概念。波振面说的是介质受到外力扰动时，质点弹性振动的传递波动过程，在最前面的波动面的形状称“波振面”。它和振源的类型有关。, 波振面有三种形式，如下：,2.1 锤击激振在桩身内引起振动与波动规律,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理, 高应变击振使用的是大吨位的重锤，锤头是平面的，击振桩头后，在桩身内激励的是平面波，如右图。,2.1 锤击激振在桩身内引起振动与波动规律,锤击击振桩头产生的是半球面波,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理, 低应变使用的是小锤，垂头是球面的，它属于点振源，激励桩头后，在桩身内激励产生的是半球面波。远离振源后，可近似的视为平面波，实践证实，这种简化
6、问题的处理方法是正确的。,2.1 锤击激振在桩身内引起振动与波动规律,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理,2.2 点源激振在桩身内的振动与波动规律,2.2.1 桩身内平面波的声波传播速度,桩身混凝土弹性模量(MPa/m2),桩身混凝土密度（Kg/m3）,一维干的声波传播速度,预制桩桩身的声速 ： 4200 m/s 水下灌筑桩的声速 ： 3300-3800 m/s干作业灌筑桩声速 ： 3500-4000 m/s,2.2.2 桩可视为一维杆的边界条件,即当 桩身声速为波长C/fVB/f；D为桩径；L为桩长。,工程桩桩身内的纵波声速（CB）,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理,2.2.3 桩身反射波
7、的传播速度和超声测试波速的关系,一维干的声速超声波的声速所以超声波的声速高于反射波的声速一般桩身混凝土的泊桑比（0.20.25）VP =(1.051.1)VB这是超声波所测声速大于反射波所测声速的原因,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理,2.2.4 桩头水平方向波的传播,沿桩头表面传播的是纵波、横波、面波堆积在一起的波动， 故称之为“直达波”,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理,2.2.5 桩身中声波的折射与反射概念,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理, 斜入射时的反射与折射 垂入射时的反射与透射, 射射定律（Snell）,2.2.6 斜入射的波会在桩土界面产生“折射现象“,根据折射定律在桩土
8、界面会 产生折射现象，折射定律说的是：,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理,所以，斜入射的纵波P，在桩土界面有折射纵波 PP 折射到土层，同理还有折射横波 PS 也折射到图层。,上述结论，是作者所承担部级资助课题“桩土体系声波传播规律”研究实验成果所所证实。详细论述，参阅基桩声测与动测技术一书，该书2009年出版,实际桩身内存在多次反射和折射，所以桩身特别是桩头内的声场是较复杂的。这些多次反射不会影响我们对桩身缺陷的检测，就忽略它们的存在。,2.2.6 折射波会使桩内传播的声波产生“折射损失”,在桩土界面产生折射纵波和折射横波进入地层。造成锤击入射波的损失，称“折射损失”由下式决定：,由上式可
9、知地层越硬，Z2 越大， 折射进入地层的能量越多，分配到垂 直入射的能量越少。,不是地层越硬，土阻力越大造成入射波不容易传播到桩底。,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理,如介质是不连续的，存在界面 n其中： ； 当Z1Z2纵波P垂直入射到界面 n（桩底）时，产生垂直向上的反射波 R,2.3. 垂直入射波在桩身波阻抗界面上的反射,反射波R的大小取决于振速反射系数,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理,桩的截面积变化时也会产生反射，其反射系数广义的振速反射系数上式中 ； 称广义波阻抗,2.3 垂直入射波在桩身直径变化界面上的反射,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理,由波阻抗界面上，入射波与反射波的应
10、力推导出的反射系数,称声压反射系数,2.4 波阻抗界面的透过波的大小取决于透过系数RT,2.3 垂直入射波在桩身直径变化界面上的反射,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理,RV和RP的同一性详细论述，参阅基桩声测与动测技术一书，该书2009年出版,“振速反射系数”与”声压反射系数”的物理概念是一致的，只不过从不同的角度来求解，得出不同的公式。由于振速反射系数可直接给出反射波的相位关系，故实用中多用振速反射系数。,2.5 桩身内反射波的衰减规律,L 声波在桩身内的传播距离（m）击振点除去折射损失后的声波振幅A 传播了L距离后的声波波幅桩身混凝土的声衰减系数(dB/m)，是频率的函数，高频衰减快。,
11、入射与反射波的衰减,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理,根据振速反射系数，可确定桩底反射波的相位，振速反射系数：,由已知桩长和桩身声速预 估桩底反射波到达时间范围tR 2L / VB,2.6 桩底的反射波的识别,如：L21m； VB 3500m/s；tR 12ms，（则桩底反射波在12ms左右位置）,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理,一般桩底反射波与直达波同相位。,2.7 桩底反射与桩身内缺陷的反射,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理,2.8.1. 判断桩底计算桩身混凝土声速,由已知桩长和桩底反射波到达时间tR，计算桩身声速VB2L / tR,2.8.2. 缺陷的识别,由 确定缺陷的类别,由
12、 tR 确定缺陷的位置（深度L）,2.8 桩身内缺陷反射波的识别,2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理,3. 桩身内不同类型缺陷反射波的规律,3.1 完整桩的反射波,特点：只有直达波 D 和桩底 R 反射；在直达波D和桩底反射波R之间没有任何反射波。,3.2 缩径类缺陷的反射,1.缩径类包括桩身夹泥、离析、蜂窝、空洞 、缩径等；2.缺陷反射波 R 与直达波 D 同相位；3.桩底反射波 R 波幅小，频率低。,桩长29.6m 在3.72m处出现缩径缺陷,3. 桩身内不同类型缺陷反射波的规律,3.3 缩径桩的多次反射,1. 严重的缩径会产生多次反射波，特点是多次反射是等时间间隔的； 2. 靠近桩头的缩
13、径类缺陷，易出现多次反射，一般是2-3次； 3. 缩径类缺陷多次反射，可见桩底,3. 桩身内不同类型缺陷反射波的规律,3.4 扩径的反射波和多次反射,1. 严重的扩径会产生多次反射； 2. 奇次反射与直达波同相； 3. 偶次反射于直达波同相； 4. 要注意区分扩径偶数多次反射与缩径类反射波的区分。,3. 桩身内不同类型缺陷反射波的规律,由声压反射系数可以解释扩径的多次反射的相位关系,声压反射系数,3.5 断桩的反射,断桩的多次反射是等间隔的；2. 断桩多次反射的后面一般没有桩底反射。,3. 桩身内不同类型缺陷反射波的规律,3.6 桩头浅部反射-关于检测的盲区,1, 直达波的周期约1-2ms，这
14、段时间是反射波检测缺陷的盲区；2. 要注意盲区内有无波的干涉，由此可在盲区内发现缺陷。,3. 桩身内不同类型缺陷反射波的规律,3.7 扩底桩的反射,扩底桩在桩底反射波的前面，会出现与直达波同相位的微弱反射波。,3. 桩身内不同类型缺陷反射波的规律,3.8 嵌岩桩的桩底反射,在花冈岩地区嵌岩桩的特有现象，这是由于中风化的岩体与上部强风化岩体的波阻抗差异大，形成的地层反射。,3. 桩身内不同类型缺陷反射波的规律,由此可见，桩的反射，不再是一维杆的问题。,3.9 桩头附近严重缺陷的“反射波”,钢筋龙成了弹簧K，桩头部位的混凝 土块成了质量块M，这个质弹系统的振荡 频率,可见：激励的力信号脉冲波较窄，
15、后面的振荡周期很长，波形频率很低,3. 桩身内不同类型缺陷反射波的规律,3.10 关于地层的反射,1.地层由软突然变硬，产生与直达波同相位的反射波；2.地层由硬突然变软，产生与直达波反相位的反射波；3.多条桩同深度出现反射波要考虑是地层反射。,3. 桩身内不同类型缺陷反射波的规律,3.11 缺陷上界面与缺陷下界面的反射,除去断桩、裂缝，其它的缺陷如夹泥、离析、蜂窝、空洞、缩径、 扩径等都有一定的体积，故缺陷一定存在上界面和下界面的反射。 但是在缺陷尺寸较小，上界面反射波的一个振荡周期还没结束，缺 陷下界面反射波就到来，上下界面反射波必然混叠。如果缺陷纵向尺寸较大，那么缺陷上下界面的反射波才能分开。,3. 桩身内不同类型缺陷反射波的规律,3.12 基桩多缺陷的反射波,要注意多缺陷的反射和缺陷的多次反射的区别； 多缺陷的反射波桩底反射较弱； 注意，这里是缩径和扩径多缺陷。,3. 桩身内不同类型缺陷反射波的规律,建筑基桩检测技术规范JGJ 106 -2003 修订报批稿中有： 3.基本规定 3.3.2 检测工作程序框图,4. 反射波法的现场数据采集技术要点,4. 反射波法的现场数据采集技术要点,3.2.2 调查、资料收集阶段宜包括下列内容：收集被检测工程的岩土工程勘察资料、桩基设计图纸、施工记录；了解施工工艺和施工中出现的异常情况。进一步明确委托方的具体要求。,
