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1、低应变低应变( (反射波法反射波法) )检测检测黄恒英 低应变反射波法检测利用手锤或力棒在低应变反射波法检测利用手锤或力棒在桩头施加一小冲击力桩头施加一小冲击力F F（t t），激发一应力），激发一应力波沿桩身传播，然后利用速度或加速度传波沿桩身传播，然后利用速度或加速度传感器接收由初始信号和由桩身缺陷或桩底感器接收由初始信号和由桩身缺陷或桩底产生的反射信号组合的时程曲线，最后利产生的反射信号组合的时程曲线，最后利用信号采集分析对所记录的带有桩身质量用信号采集分析对所记录的带有桩身质量信息的波形进行处理和分析，并结合有关信息的波形进行处理和分析，并结合有关地质资料和施工记录作出对桩的完整性的地
2、质资料和施工记录作出对桩的完整性的判断。判断。基本原理基本原理 假定一根桩作为一维杆件，考虑材质均假定一根桩作为一维杆件，考虑材质均匀，截面恒定的弹性杆，长度为匀，截面恒定的弹性杆，长度为L L，截面积为，截面积为A A，弹性模量为，弹性模量为E E，质量密度为，质量密度为。取杆轴为。取杆轴为轴，若杆变形时平截面假设成立，受轴向力轴，若杆变形时平截面假设成立，受轴向力F F作用，沿杆轴向产生位移作用，沿杆轴向产生位移u u，质点运动速，质点运动速V=V=u/u/t t 和应变和应变=u/u/x x变化，通过动力学变化，通过动力学和运动学得出一维波动方程求解。和运动学得出一维波动方程求解。( (
3、一一) )广义波阻抗及波阻抗界面广义波阻抗及波阻抗界面 设桩体某段唯一分析单元，其桩身介质密设桩体某段唯一分析单元，其桩身介质密度，弹性波波速，截面面积分析用度，弹性波波速，截面面积分析用、c c、A A表表示，则令示，则令 Z=Z=c cA (1)A (1) 称为广义波阻抗。称为广义波阻抗。 当桩身的几何尺寸或材料的物理性质发生当桩身的几何尺寸或材料的物理性质发生变化时，则相应的变化时，则相应的、c c、A A发生变化处称为波发生变化处称为波阻抗界面，其比值可表示为阻抗界面，其比值可表示为 n=Zn=Z1 1/Z/Z2 2 =( =(1 1c c1 1A A1 1) / ) / （2 2c
4、c2 2A A2 2） （2 2） 即称为广义波阻抗比。即称为广义波阻抗比。( (二二) )应力波在波阻抗界面处的反射和透射应力波在波阻抗界面处的反射和透射 设一维平面应力波沿桩身传播到达一与传播反向垂直设一维平面应力波沿桩身传播到达一与传播反向垂直的波阻抗界面。的波阻抗界面。根据应力波理论，由连续性条件和牛顿第三定律有根据应力波理论，由连续性条件和牛顿第三定律有 v vI I+v+vR R=v=vt t (3) (3) A A1 1( (1 1+ + r r)=A)=A2 2t t (4) (4)式中：式中：v v、分别表示应力波的速度和应力，下标分别表示应力波的速度和应力，下标I I、R
5、R、T T分分别表示入射波、反射波和透射波。由波阵面动量守恒条件，别表示入射波、反射波和透射波。由波阵面动量守恒条件，由式（由式（4 4）得）得 1 1c c1 1A A1 1（v vI I-v-vr r）=2 2c c2 2v vT T (5) (5)联方式（联方式（3 3）、（）、（5 5）求解可得）求解可得 v vI I = -Fv = -FvI I (6a) (6a) v vt t = nTv = nTvT T (6b) (6b)其中其中 F = 1-n/1+n (F = 1-n/1+n (反射系数反射系数) ) （7a7a） T = 2/1+n T = 2/1+n （透射系数）（透射
6、系数） （7b7b）式（式（7 7）就是小扰动应力波反射法中利用的反射波与入射波）就是小扰动应力波反射法中利用的反射波与入射波的速度量的相位关系来分析的重要性。的速度量的相位关系来分析的重要性。 假设在基桩中某处存在一个波阻抗变化界，界假设在基桩中某处存在一个波阻抗变化界，界面上部波阻抗面上部波阻抗z z1 1=1 1c c1 1A A1 1，下部波阻抗，下部波阻抗 z z2 2=2 2c c2 2A A2 2。当当z z1 1=z=z2 2时，表示桩截面均匀无缺陷；时，表示桩截面均匀无缺陷；当当z z1 1zz2 2时，表示在相应位置存在截面缩小或砼质量时，表示在相应位置存在截面缩小或砼质量
7、较差缺陷，反射波较差缺陷，反射波V VR R与入射波与入射波V VI I相位一致；相位一致；当当z z1 1zz2 2时，表示在相应位置存在扩径，反射波时，表示在相应位置存在扩径，反射波V VR R与与入射波入射波V VI I相位相反；相位相反；当桩身存在缺陷时，根据反射波当桩身存在缺陷时，根据反射波V VR R时刻与桩顶锤击时刻与桩顶锤击触发时刻的差值触发时刻的差值t t和桩身传播速度和桩身传播速度C C来推算缺陷来推算缺陷位置位置L LX X， L LX X=t=tc/2 c/2 （1010）二、典型桩波形分析二、典型桩波形分析 通过以上桩身缺陷性质判断规律：如举列几种典型缺通过以上桩身缺
8、陷性质判断规律：如举列几种典型缺陷桩波形。陷桩波形。 1 1、完整桩：完整桩仅有桩底反射：反射波和入射波同相位。、完整桩：完整桩仅有桩底反射：反射波和入射波同相位。 2 2、截面突变桩：桩身截面变小处反射波上行拉力波，遇桩顶自、截面突变桩：桩身截面变小处反射波上行拉力波，遇桩顶自由端发射为下行压力波（由端发射为下行压力波（t1 = t2 = 2L/Ct1 = t2 = 2L/C）；桩身截面变）；桩身截面变大处反射为上行压力波，遇桩顶自由端反射为下行拉力波大处反射为上行压力波，遇桩顶自由端反射为下行拉力波（t1=t2=2L/Ct1=t2=2L/C）。）。3 3、断桩：在断桩处应力波产生多次反射，
9、反射波和入射波、断桩：在断桩处应力波产生多次反射，反射波和入射波同相位，看不到桩底反射。同相位，看不到桩底反射。 4 4、半断桩身夹层处的发射波和入射波同相位，桩底反射、半断桩身夹层处的发射波和入射波同相位，桩底反射波和入射波同相位。波和入射波同相位。 5 5、缩颈、离析和夹泥桩：缩颈桩和离析桩，开始部位和、缩颈、离析和夹泥桩：缩颈桩和离析桩，开始部位和反射波和入射波同相位，缩颈和离析结束部位的反射反射波和入射波同相位，缩颈和离析结束部位的反射波和入射波反相位，缩颈和离析不严重的桩，部分应波和入射波反相位，缩颈和离析不严重的桩，部分应力波还透射传播，可看到桩底反射，反射波和入射波力波还透射传播
10、，可看到桩底反射，反射波和入射波同相位。同相位。6 6、扩底桩：扩底桩在扩底开始处的反射波和入射波反相、扩底桩：扩底桩在扩底开始处的反射波和入射波反相 位，底结束处的反射波的入射波同相位。位，底结束处的反射波的入射波同相位。 7 7、嵌岩桩：嵌岩效果好的桩，桩底反射波和入射波反相位。、嵌岩桩：嵌岩效果好的桩，桩底反射波和入射波反相位。 8 8、截面渐变桩：截面渐变桩不易判断，截面渐变过程和、截面渐变桩：截面渐变桩不易判断，截面渐变过程和侧阻力增加的反射波近似，渐变结束处的反射波和入侧阻力增加的反射波近似，渐变结束处的反射波和入射波同相位。射波同相位。三、工程实例分析（1）完整性 工程桩13#桩
11、长为9.30m,实测曲线的反射波波形规则、波列清晰桩底反射波明显可辨，桩底反射波初至与入射波初至同相位，桩底反射时间为4.70ms,纵波波速为3950m/s。 现场钻心法检查，桩身砼芯呈柱状，连续完整，表面光滑，断口吻合，胶结好、骨料分布均匀，桩底无沉渣现象，底部与持力层界面清晰，对砼抽检抗压强度在34.948.9之间,属于完整桩。钻芯检测结果与反射波检测结果一致。（2 2）离析桩）离析桩 工程桩工程桩11#11#，桩长，桩长10.5m,10.5m,实测曲线与完整桩不相同实测曲线与完整桩不相同, ,入射入射波与反射波同相位波与反射波同相位, ,并在缺陷处波形非常明显反射并在缺陷处波形非常明显反
12、射, ,反射时间反射时间为为1.41ms,1.41ms,按本工程完整桩的平均波速，计算出该桩实测缺按本工程完整桩的平均波速，计算出该桩实测缺陷在陷在2.3m2.3m处。处。 现场钻芯取样，上部现场钻芯取样，上部02.30m02.30m段砼芯样连续完整段砼芯样连续完整, ,呈柱呈柱状及短柱状状及短柱状, ,表面光滑表面光滑, ,断口吻合断口吻合, ,骨料分布较为均匀。中部骨料分布较为均匀。中部2.405.80m2.405.80m段砼芯样较为松散，胶结较差或无胶结现象，段砼芯样较为松散，胶结较差或无胶结现象，取中部较为完整呈柱状体芯样，进行砼试块试压，其最大砼取中部较为完整呈柱状体芯样，进行砼试块
13、试压，其最大砼抗压强度为抗压强度为14.1Mpa14.1Mpa。钻芯结果与反射波检测法基本吻合。钻芯结果与反射波检测法基本吻合。（3 3）离析（断）桩）离析（断）桩 工程桩工程桩9#9#，桩长，桩长10.25m10.25m。该桩现场实测波反射较强，往后。该桩现场实测波反射较强，往后同样出现多次反射、其反射时间间隔相等，无法找出桩底反射同样出现多次反射、其反射时间间隔相等，无法找出桩底反射位置。按本工程的完整桩平均波速反算，该桩身在位置。按本工程的完整桩平均波速反算，该桩身在2m2.2m2m2.2m处处全断。全断。 现场钻芯取样，桩顶上部现场钻芯取样，桩顶上部0.2m0.2m厚度无骨料厚度无骨料
14、,0.22.0m,0.22.0m段段芯样表面有蜂窝、麻面，水泥渗量少，胶结较差，芯样表面有蜂窝、麻面，水泥渗量少，胶结较差，2.02.06.15m6.15m段，砼芯破碎严重，部分砂、石分离无胶结，段，砼芯破碎严重，部分砂、石分离无胶结，6.15m6.15m至至桩底砼芯样连续，呈柱状表面光滑、断口吻合、胶结较好，桩底砼芯样连续，呈柱状表面光滑、断口吻合、胶结较好，桩底与持力层接触面清晰。该桩钻芯结果与低应变反射波检桩底与持力层接触面清晰。该桩钻芯结果与低应变反射波检测结果较为一致。测结果较为一致。 四、现场检测要求四、现场检测要求 低应变动测试桩较为简单，但现场检测中低应变动测试桩较为简单，但现
15、场检测中不能忽略，在检测过程必须严格按有关规定要不能忽略，在检测过程必须严格按有关规定要求进行。求进行。 1 1、桩头处理、桩头处理 现场信号采集工作中，桩头的处理是测试现场信号采集工作中，桩头的处理是测试成功的第一关键，但在多数情况下，很多测试成功的第一关键，但在多数情况下，很多测试人员忽略这一点。一般基本要求，桩头的处理人员忽略这一点。一般基本要求，桩头的处理以平承台底的有效桩长，桩头露出骨料的混凝以平承台底的有效桩长，桩头露出骨料的混凝土面为止，尽量凿平磨平，清理干净，有利于土面为止，尽量凿平磨平，清理干净，有利于传感器的安装和力棒或力锤敲击。传感器的安装和力棒或力锤敲击。2 2、测试参
16、数设定、测试参数设定 测试前必须按规定设有足够信号记录和信号测试前必须按规定设有足够信号记录和信号分析要求（时域的时间段长度分析要求（时域的时间段长度2L/C2L/C时刻延续不少时刻延续不少于于5ms5ms，幅频的频率范围上限不少，幅频的频率范围上限不少2000Hz2000Hz，桩的几，桩的几何尺寸（桩长、桩身截面），桩身波速初值，采何尺寸（桩长、桩身截面），桩身波速初值，采集点（不少于集点（不少于10241024点）及传感器计量检定参数。点）及传感器计量检定参数。3 3、传感器的安装、传感器的安装 传感器的安装对现场信号的采集影响较大，传感器的安装对现场信号的采集影响较大，传感器越轻，越贴近
17、桩面，与桩面之间接触刚传感器越轻，越贴近桩面，与桩面之间接触刚度越大，传递性越好，测试信号也越接近桩面度越大，传递性越好，测试信号也越接近桩面的质点振动。因此一定选用足够粘结强度的耦的质点振动。因此一定选用足够粘结强度的耦合剂。合剂。 对实心桩，传感器安装位置为距桩心对实心桩，传感器安装位置为距桩心2/32/33/43/4半径处；对管桩锤击点与传感器安装位置宜半径处；对管桩锤击点与传感器安装位置宜在同一水平面上，且与桩中心连线形成在同一水平面上，且与桩中心连线形成9090夹夹角，传感器安装位置为壁厚的角，传感器安装位置为壁厚的1/21/2处；对于钢筋处；对于钢筋笼主筋露出时，传感器尽量避开位置
18、。笼主筋露出时，传感器尽量避开位置。4 4、击振方式的选择、击振方式的选择 长、大桩的测试一般应当用力棒或大铁球击长、大桩的测试一般应当用力棒或大铁球击振击，其重量大、能量大、脉冲宽、频率低、振击，其重量大、能量大、脉冲宽、频率低、衰减小，适用于桩底及深部缺陷的检测，桩底衰减小，适用于桩底及深部缺陷的检测，桩底及深部缺陷的信号较为强烈，但容易带来浅层及深部缺陷的信号较为强烈，但容易带来浅层缺陷和微小缺陷的误判和漏判，因此长、大桩缺陷和微小缺陷的误判和漏判，因此长、大桩除以上以外，还须采用小锤或小力棒配合使用。除以上以外，还须采用小锤或小力棒配合使用。 对小桩浅部缺陷，使用小锤或小力棒击振重对小
19、桩浅部缺陷，使用小锤或小力棒击振重量小、能量小、脉冲窄、频率高、衰减快、易量小、能量小、脉冲窄、频率高、衰减快、易判缺陷位置。判缺陷位置。5 5、信号采集和筛选、信号采集和筛选 根据桩径大小而确定，一般大桩最少根据桩径大小而确定，一般大桩最少2 24 4个检测点，每个检测点采集有效信号不少于个检测点，每个检测点采集有效信号不少于3 3个，个，如实测信号有异常，着重分析，增加检测点数如实测信号有异常，着重分析，增加检测点数量，检测信号是否失真，产生零漂或信号幅值量，检测信号是否失真，产生零漂或信号幅值超过测量系统的量程。超过测量系统的量程。四、检测数据整理与分析四、检测数据整理与分析 在检测前要
20、了解工程概况，收集有关资料在检测前要了解工程概况，收集有关资料（图纸设计、地质勘察报告、成桩工艺、成桩日（图纸设计、地质勘察报告、成桩工艺、成桩日期、施工记录等）。做好对检测数据分析的准备期、施工记录等）。做好对检测数据分析的准备工作。工作。 1 1、为分析同时段或频段信号所反映的桩身阻抗信息，、为分析同时段或频段信号所反映的桩身阻抗信息，核验桩底信号并确认桩身缺陷位置，需要确定桩核验桩底信号并确认桩身缺陷位置，需要确定桩身波速及平均值身波速及平均值C Cm m。 C Cm m=1/nC=1/nCi i C Ci i=2000L/=2000L/ T T， C Ci i=2000L=2000L
21、波速除与桩身混凝土强度有关外，还与混凝波速除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、成桩土的骨料品种、粒径级配、密度、水灰比、成桩工艺（导管灌、振捣、离心）等因素有关。工艺（导管灌、振捣、离心）等因素有关。 2 2、桩身缺陷位置确定、桩身缺陷位置确定 X=1/2000tX=1/2000tx xC C X=1/2 X=1/2c/fc/f 采用本方法确定桩身缺陷的位置是有误差。采用本方法确定桩身缺陷的位置是有误差。原因一：原因一：（1 1）缺陷位置处）缺陷位置处t tx x和和ff存在读数误差；存在读数误差；（2 2）采样点数不变时，提高采样频率降低了频域分辨率；）采
22、样点数不变时，提高采样频率降低了频域分辨率；（3 3）波速确定的方式及用抽样所得平均值）波速确定的方式及用抽样所得平均值C Cm m代替某具体桩身代替某具体桩身段波速带来的误差。段波速带来的误差。原因二：入射波原因二：入射波桩底反射峰确定的波速将比实际的高，桩底反射峰确定的波速将比实际的高，若按若按“正确正确”的桩身波速确定缺陷位置将比实际的低。的桩身波速确定缺陷位置将比实际的低。若能测到若能测到4L/C4L/C的二次桩底反射，则有的二次桩底反射，则有2L/C2L/C至至4L/C4L/C时段的时段的波速是正确。波速是正确。3 3、结果评定分析、结果评定分析 从实测曲线特征表现的信号判定相对来说
23、较简从实测曲线特征表现的信号判定相对来说较简单直观，而分析缺陷桩信号则复杂，有的信号的单直观，而分析缺陷桩信号则复杂，有的信号的确是因施工质量缺陷产生的，但也有是因设计构确是因施工质量缺陷产生的，但也有是因设计构造或成桩工艺本身局限导致的不连断面产生的。造或成桩工艺本身局限导致的不连断面产生的。因此，查明造成缺陷信号特征，划分缺陷性质。因此，查明造成缺陷信号特征，划分缺陷性质。 根据测试信号幅值大小判定缺陷程度，除受缺根据测试信号幅值大小判定缺陷程度，除受缺陷程度影响外，还受桩周土阻尼大小及缺陷所处陷程度影响外，还受桩周土阻尼大小及缺陷所处的深度位置影响。的深度位置影响。 如何正确判定缺陷程度
24、，特别是缺陷十分明显时，如何正确判定缺陷程度，特别是缺陷十分明显时，如何区分如何区分类桩或类桩或类桩。类桩。 仔细对照桩型、地质条件、施工情况，结合当地经仔细对照桩型、地质条件、施工情况，结合当地经验综合分析判断；验综合分析判断； 结合基础和上部结构型式对桩的承载安全性要求；结合基础和上部结构型式对桩的承载安全性要求； 考虑桩身承载力不足引发桩身结构破坏的可能性。考虑桩身承载力不足引发桩身结构破坏的可能性。 对桩身缺陷难以确定时，必要时采用借助其他计算对桩身缺陷难以确定时，必要时采用借助其他计算方式及相关测试量作为辅助分析手段，采用时域信方式及相关测试量作为辅助分析手段，采用时域信号曲线拟合法
25、和幅频曲线或导纳曲线计算分析。号曲线拟合法和幅频曲线或导纳曲线计算分析。 4 4、结果判定、结果判定 低应变动测桩身完整性判定：按现场测试分低应变动测桩身完整性判定：按现场测试分析计算结果，以析计算结果，以建筑基桩检测技术规范建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2003JGJ106-2003）表）表3.5.13.5.1的规定和表的规定和表8.4.38.4.3所列所列实测或幅频信号特征进行综合分析判定。实测或幅频信号特征进行综合分析判定。五、检测报告五、检测报告 除了除了建筑基桩检测技术规范建筑基桩检测技术规范（JGJ106-JGJ106-20032003）第）第3.5.53.5.5条内容外，低应变法还需提供条内容外，低应变法还需提供如下内容：如下内容： 1 1、桩身完整性检测的实测信号曲线；、桩身完整性检测的实测信号曲线； 2 2、桩身波速取值；、桩身波速取值； 3 3、桩身完整性描述，缺陷的位置及桩身完整性类、桩身完整性描述，缺陷的位置及桩身完整性类别；别； 4 4、时域信号时段所对应的桩身长度标尺指数，线、时域信号时段所对应的桩身长度标尺指数，线性放大范围，幅频信号曲线分析的频率范围，性放大范围，幅频信号曲线分析的频率范围，桩底或桩身缺陷对应相邻谐振峰的频差。桩底或桩身缺陷对应相邻谐振峰的频差。
