070303-声波检测技术中的反射法.pdf

1 声波检测技术中的反射法声波检测技术中的反射法 吴庆曾吴庆曾 中国地质调查局技术方法研究所 中国地质调查局技术方法研究所 1 引引 言言 声波检测技术最初仅能使用透射法 以后单孔 一发双收 声波测试技术的开发应 用 从方法上扩展到了折射波法 声波检测的反射波法 又称应力波反射法 低应变反 射波法 是从一维干的基桩检测开始的 桩式基础使用最多的荷兰 早在二十世纪六十 年代中期 开发了反射波法检测基桩的完整性 我国是在上个世纪八十年代中后期 在 国家基本建设大规模发展的背景下 首先由地矿系统的科研单位开发研究并推广了反射 波法基桩完整检测技术 继而由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 T93 95 这个行业规程为 2003 年建设部颁发的 建筑基桩检测技术规 范 JGJ 106 2003 中的低应变动力检测的编写打下了基础 二十世纪八十年代左右 国际上和我国先后开展了声波反射波法检测混凝土板厚度 的研究 在上世纪九十年代中期国外商品化的混凝土板厚检测仪器拥入我国之后 我国 的反射法混凝土板厚检测仪器也相应推出 例如康科瑞工程检测技术公司的混凝土板厚 检测系统 2 2 反射波法的基本原理反射波法的基本原理 波阻抗界面的反射规律 见图 1 如桩身介质是不连续的存在界面 n n 界面以 上的波阻抗为 Z1 以下的波阻抗为 Z2 其中 当 Z1 Z2 纵波 P 垂直入射到界面 n 时 在产生垂直向上的 反射波 R 的同时 还有垂直的透过波 T 图 1 垂入射的反射及透过 反射波 R 的大小取决于振速反射系数 2211 2211 CC CC RV 此外 一维杆的桩截面积变化时也产生反射 其反射系数 21 21 AA AA RA 综合上述两式 广义的振速反射系数 222111 222111 ACAC ACAC RV 1 1 中的 1 1111 ZAC 2222 ZAC 可称为广义波阻抗 111 CZ 222 CZ 2 透过波的大小取决于透过系数 RT 21 2 2 ZZ Z RT 2 可见 Z1 Z2 无反射 Z1 Z2反射系数为正 Z1越大于 Z2反射系数越大 透过系数越小 3 3 反射波法检测基桩完整性反射波法检测基桩完整性 3 13 1 桩可视为一维杆件的边界条件桩可视为一维杆件的边界条件 当满足下列条件时 基桩可视为一维杆件 即 LD D 5 1 2 3 3 式中 为入射到桩身中的声波 弹性波 波长 已知 C f VB f D 为桩径 L 为 桩长 3 23 2 桩身内的纵波声速桩身内的纵波声速 由波动方程可推导出一维杆沿其轴线传播的声速为 VB E VB 4 4 中 E 为弹性模量 为介质的密度 可见 一维杆的声速比无限体的声速 21 1 1 E VP要小 一般桩身混凝土的泊桑比 0 2 0 25 时 Vp 1 05 1 1 VB 3 33 3 桩土体系内声波的传播规律桩土体系内声波的传播规律 如图 2 当锤 H 瞬态激励桩头 产生半球面波垂直 向桩身下传播 经一定距离后 已近似为平面波入射至 桩底 在桩与地层的分界面 可称其为波阻抗界面 产 生反射 反射波传播到桩头 被接收传感器 R 接收 入射的半球面波还有一些是斜入射的 于是根据折 射定律 Snell 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 图 2 桩身内的纵波传播 3 注 注 5 5 式中的 式中的 即图即图 2 2 中的中的 式中的 式中的 即图中的即图中的 2 2 t T COSZCOSZ COSZ R 12 2 2 5 5 说明 地层的波阻抗 Z2越大 地层越硬 由桩身折射入地层的声能越多 同时也说 明 软地层中桩身内的声能折射扩散出去的声能要少 绝大多数的声能在桩身内传播 更容 易获得桩底反射波 3 4 3 4 桩身内缺陷的反射波桩身内缺陷的反射波 图 3 桩身内声波的反射 图 3 说明桩身内存在缺陷时缺陷的反射 入射 P 波的波形在时程曲线上为 D 入射波 在缺陷上界面的反射波为 Pf 由于其反射系数为正 Ps 的相位与 D 同相 缺陷下界面的反射 波为 Pfs 其反射系数为负 Pfs 的相位与 D 相同 注 实际工程桩检测时 只有当缺陷尺 寸较大时 上下界面的反射波 Ps 与 Pfs 才能分开 原因待述 3 5 3 5 工程桩的缺陷类型工程桩的缺陷类型 4 由于施工中的工艺因素 地层的地质因素 施工的人为因素 桩身可能出现下列缺陷 离析 原地灌注桩 空洞 原地灌注桩 夹泥 原地灌注桩 微裂 预制打入式桩 原地灌注桩 断 裂 预制打入式桩 原地灌注桩 二次浇灌面 原地灌注桩 缩径 原地灌注桩 扩径 原地灌注桩 3 6 3 6 反射波法的现场检测技术要点反射波法的现场检测技术要点 3 6 1 3 6 1 桩头的处理 击振点及接收点应打摩平整 3 6 2 3 6 2 瞬态击振问题 击振脉冲宽度要适当 瞬态击振技术是基桩反射波法完整性检测技术的关键 其核心问题是 应根据桩长 地层状态和预期检测缺陷位置来选择击振脉冲波的频率 原则是 长桩击振频率要低 硬地层的中长桩频率要低 短桩击振频率要高 检测浅部缺陷频率要高 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 即击振脉冲频 率与击振脉冲宽度成一定比例关系 图 4 说明了它们的关系 a b c 图 4 锤击击振脉冲宽度的有关因素 5 从图 4 中可以看出 击振锤锤头的材质与击振脉冲宽度有关 材质软脉冲宽度宽 击振锤锤头的面积与击振脉冲宽度有关 面积大脉冲宽度宽 击振锤的落距与击振脉冲宽度关系不大 此外 加不同材质的锤垫 也能调整击振 脉冲宽度 3 6 3 3 6 3 接收传感器的安装与耦合 不论速度型还是加速度型传感器 安装和耦合都是能否能取得优质信号的关键 是检测 工作中非常重要的一个环节 应注意的问题有 安装的位置混凝土应完整 无松动 表面平整 传感器安装应与桩顶面垂直 用耦合剂粘结时要粘牢 不可在击振时使其产生付加振动 耦合剂可以是黄油 凡士林 牙膏 橡皮泥 在用加速度传感器时 用橡皮泥一 类的耦合剂还可以起到机械滤波 将击振的高频干扰成分滤除 其它有关问题参阅 建筑基桩检测技术规范 JGJ 106 2003 3 6 3 3 6 3 典型的检测实例 检测实例见图 5 图 5 典型的基桩反射波法记录 a 完整桩 b 扩径桩 c 缩径桩 d 多缺陷桩 6 特殊的缺陷反射 1 a b 图 6 扩径的多次反射 a 示意 b 实例 特殊的反射 2 图 7 断桩的反射记录 特殊的反射 3 a b 图 8 桩顶严重离析 a 实测曲线 b 开挖照片 7 3 7 3 7 反射波的信号处理反射波的信号处理 国内外的反射波基桩完整性检测仪器 都不同程度需要对现场采集到的反射信号进行处 理 目的在于去处杂波 改善信号质量 甚至使信号看起来更加直观 让委托检测单位的一 般人员也能看懂 这些后续处理归结起来有 频谱分析 用于了解干扰波的频率范围 低通滤波 去处高频干扰波 基桩反射法适用的优势频率约在 500 2000Hz 多点平滑滤波 将相邻若干采样点的信号幅度相加 再平均成为此点的幅度 去除直流成分 将信号中的直流去除 只要有用的交流部分 即波动部分 积分处理 积分后振动加速度可成为振动速度信号 振动速度可成为位移信号 指数放大 波幅是按指数规律衰减 用随时间按指数放大可要突出桩底信号 波幅的归一化处理 波形的编辑 对上述处理后的波形进行 平移 旋转 现以康科瑞公司的 KON PIT 反射法基桩完整性检测仪的信号后处理为例 说明以 上问题 见图 9 及图 10 图 9 反射波的后处理 1 8 a 原始信号 b 低通滤波 c 指数放大 d 积分 e 旋转 f 移动 图 10 反射波的后处理 2 目前 国内外的反射波基桩完整性检测仪 并不是都将上述的各种后处理全表现出来 都由操作者进行处理 有的国外仪器只需由用户选择 是否选用多点平滑滤波及所选平滑点 9 数 此功能把波形处理得平滑好看 把小的缺陷遮盖掉 如荷兰 TNO 的 FPDS 型 是否选择 使用指数放大及放大倍数 如美国 PDL 公司的 PIT 仪 TNO 的 FPDS 仪 是否选择积分 如 美国的 PIT 有的把信号处理与编辑功能放在机外软件上去处理 康科瑞公司的 KON PIT 反射波基桩完整性检测仪 强调首先要能看到采集到的原始信 号 因为只有未受加工的原始信号才能反映桩的真实情况 这样才可以有目的的进行信号处 理 使处理后的结果更加符合真实情况 KON PIT 仪器内部的信号处理功能如图 9 而机外 信号处理软件功能如图 10 但它不具备多点平滑滤波功能 3 8 3 8 反射法的频域解释反射法的频域解释 前面论述的是反射波在时间域中的波形分析原理 所考虑的是当锤击激励桩头后桩内质 点的振动传播的有关规律 但实际是如锤击激励的合适 还可以在激励起桩身内质点振动的 同时 使一维杆状的桩在桩的轴线方向上下振动 即轴向振动 轴向振动需要在频率域里来 研究 3 8 13 8 1 桩顶受脉冲力桩顶受脉冲力 F F 冲击后桩的轴向振动冲击后桩的轴向振动 前提条件 D L f VB 为波长 D 桩径 L 桩长 桩身等截面 材质均匀 地层对桩身有阻尼力 一维杆的振动方程 2 2 1 t u VBt u EA h z u c 2 2 6 它的边界条件是 0 z u 0z u z u d z KEA L u 沿轴向位移 E 弹性模量 A 桩身截面积 Kd 动刚度 hc 土的阻尼系数 其解为 EA V L V B B d k tg 可得桩的轴向振动频率 fn如下 a d K 桩尖地基刚性 10 L VB tg 2 1n2 B V L n 0 1 2 或 L VB 4 1n2 fn 7 L V f B 4 1 b 0kd 桩尖地基刚度为零即桩尖自由 0tg L VB n B V L n 1 2 3 n 或 B V L2 n fn 8 L V f B 2 1 c 实际情况是 d k 0kd 22 f 1 n EAf Vk tg n L V n BdB 9 由 7 或 8 式可有 LVB 12 ff2fL2 10 3 8 23 8 2 动刚度动刚度 K K 与频差的关系与频差的关系 当桩底嵌固极差 K 0 f2 f1 f1 1 f1 VB 2L 当桩底嵌固极佳 K f2 f1 f1 2 f1 VB 4L 由此 可了解桩底的嵌固情况 3 8 3 3 8 3 实例实例 图 12 反射法的频域解释实例 11 3 9 3 9 反射法的资料解释需掌握桩制造过程的相关资料反射法的资料解释需掌握桩制造过程的相关资料 3 9 1 根据桩身内声波的传播规律可知 可以根据反射波时域曲线的直达波 桩底反射波和 缺陷反射波的波幅 频率 相位推断评价桩身完整性 但是 仅仅依靠这些来分析推断桩身 完整性是不够的 主要原因是 反射波法和其它的物理检测方法一样 存在多解性 也就是 仅从波形和声参量异常 可能会有多种解释 例如 对桩身中的离析 空洞 二次浇灌面 夹泥等和桩身缩径的反射波曲线的反映大体 一致 因而无法确切说明究竟是何种缺陷 当桩身渐渐的扩径后再缩径 反射波曲线反应的是缩径 于是常常会把扩径误判为 缩径 地层变化引起的反射波和桩身缺陷的反射波是无法区分的 因而会导致误判为桩身 存在缺陷 3 9 2 3 9 2 解决多解性的方法是 在检测之前 必须收集与掌握基桩全部制作过程的技术资料 档案 包括 工程场地的工程地质勘察报告 水文地质概况 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 工艺 灌注桩的成孔方式 工艺 灌注桩的浇灌环境 如是否是水下作业灌注桩的浇灌环境 如是否是水下作业 方式 工艺 方式 工艺 只有掌握上述技术资料 做为分析判断桩身完整性 有无缺陷 是何种缺陷的佐证后 才有 可能比较正确的对桩身完整性及缺陷性质做出推断解释 例如 由地层的岩性是否黏土层 可以判断排除是否缩径 由地层是否是砂层来判断是否扩径 或可能是渐扩径 由成孔方式 是人工挖孔 还是钻孔 可推断缺陷是否是夹泥 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是离析 由浇灌过程是否连续或中断 判断缺陷是否是二次浇灌面或断桩 同一场地 如许多桩都在同一深度存在 缺陷 反射波时 应查看地质 勘察报告 了解地层是否由软突然变硬 或由硬突然变软 3 10 反射法存在的不足反射法存在的不足 反射波法检测基桩完整性存在下列问题 a 缺陷的上下界面混叠 很难分辨缺陷垂直方向的尺寸 b 缺陷水平方向的尺寸无法定量确定 c 嵌岩桩有可能推断出孔底有无沉渣 但无法确定其厚度 12 d 逐渐扩径后突然缩径的缺陷很容易误判为缩径 e 只能了解桩身的平均声速 不可用声速推定桩身混凝土强度 f 仅从反射波的时域波形不能推断出缺陷的性质 4 4 反射波法检测混凝土板状物的厚度反射波法检测混凝土板状物的厚度 当混凝土构筑物只有一个检测面时 如路面 机场跑道 隧道衬砌 楼板 挡土墙等 其厚度较薄 可视其为板状物 对其厚度 缺陷进行检测 便只有应用反射波法 这就是二 十世纪八十年代左右 国际上和我国先后开展了声波反射波法检测混凝土板厚度研究的背 景 上世纪九十年代国外出现商品化产品 本世纪初国内的产品也相继问世 4 1 基本原理基本原理 目前 检测混凝土板厚采用冲击回波法 Impact Echo 如图 13 所示 如接收传感器 R 与手锤 H 的锤击激振点十分靠近 这时入射波与板底界面反射波接近平行 只要测取到 反射波的传播时间 tR t1 t2 如果混凝土的声速 c 已知 则混凝土板厚 d 如下式 d 2 1 C tR 11 图 13 冲击回波法测厚 但实际测试中并不那么简单 原因是接收传感器在接收到板底界面反射波的同时 还接收 到沿板表面传播的直达波 它们混叠在一起 不像有一定长度的基桩 桩底反射波的走时远 大于激振的脉冲宽度 可以把底部的反射与直达波区分开 并准确的测读反射波的走时 解 决的方法是 利用前面论述过的 当激振后在板内引起的多次反射 接收传感器将它与直达 波一道接收下来 再处理分析 其分析是在频率域中进行 简称 频域测试法 4 24 2 频域测试法频域测试法 测试方法如图 14 a 手锤击振产生直达波 D 板底界面多次反射波 Pr 接收传感器 接收到的信号 R 如图 14 b 显然 欲得到理想的测试结果 需满足如下条件 13 D 直达波信号 Pr 反 射波信号 t1 入射波声时 t2 反射波声时 tR t1 t2 锤击激振脉冲宽度 R 当 t1时传感器接收到 的信号 f0 对 R 进行频 谱分析的主频 激振脉冲宽度 t1 tR 2 板底界面反射波的 走时tR t1 t2 t1 2 板内多次反射波 的周期T t1 t2 tR 在这些都近似满足后 对接收信号 R 进行频谱分 析 其振幅谱如图 5 c 主 频 f0必然存在 T 1 f0 由此可知板的厚度 图 14 冲击回波测厚频率法原理 0 f22 1 d C TC 12 可见频域法的成功与否在于激振可见频域法的成功与否在于激振 如果如果 t1不能得到满足不能得到满足 频谱分析结果主频频谱分析结果主频 f0的倒数的倒数 T 不能满足不能满足 T tR按按 12 式计算的板厚式计算的板厚 d 也就是错误的 致使测试失败 也就是错误的 致使测试失败 图 15 是北京康科瑞公司在 a 0 28m 厚飞机跑道 b 0 15m 厚现浇楼板的实测结果 技 术进步如能做到窄冲脉冲余振激振 可使测试简化 这便是 时域测试法 14 图 15 工程现场实测结果 a 0 28m 飞机跑道 b 0 15m 现浇砼楼板 4 34 3 时域测试法时域测试法 现场测试如图 16 a 即在工程现 场布测线一条 根据测试精度要求 沿测线等距布置测点 紧靠接收点 Ri 的 Ti点激振 i 1 2 3 N 将各点 的时域记录曲线排列如图 16 b 由直 达波及板底界面反射波的同相轴 可 以比较清晰判断出板底界面反射波的 走时 经时程转换可得到 0 20m 模拟 路面的混凝土厚为 0 196m 略有误差 时域法的关键仍在激振 但对锤 击脉冲宽度并不要求一定在某一个宽图 16 时域测试方法及波形记录 a b 15 度 只要求越短越好 同时余振要短 工程现场检测的公路隧道二衬厚度的时域检测结果见图 17 它是福建物探工程勘察院 在福建某公路隧道的测试结果 二衬平均厚度为 0 48m 与工程实际相符 从二衬底面的反 射波同相轴 可看到二衬底面隧洞体凸凹不平的起伏 二衬底面的二次及三次反射波的同相 轴就更加明显 图 17 公路隧道二衬原度的时域法检测案例 4 4 冲击回波法的水平分辨率冲击回波法的水平分辨率 关于惠更斯 Huygens 原理及菲涅尔 Fresnel 带 惠更斯首先提出 球面波在某一时刻 t 波前上的所有点均可视为该时刻开始振动的新点振源 各点振源产生新的球面波 这些球面 波经 t t 时刻后 波前的包络叠加组合形成新的波前 如此循环不已 如图 18 当入射球 面波波前传播到水平界面 AB 并与其相切于 O 点 继续传播经 4 为波长 后的波前 与界面 AB 相交于 C D 两点 CD 称之为菲涅尔带 16 图 18菲涅尔带 菲涅尔带上各个点的反射波与 O 点垂直反射波在观测点 O 叠加 使观测点反射回来的 波幅相长 对观测点的反射波幅做出贡献 而菲涅尔带以外各点产生的反射波则相消 故菲 涅尔带是产生反射的有效面积 这就决定了反射法的可分辨的水平方向的尺寸 即水平分辨 率 由图 18 可计算出菲涅尔带直径 2 H dF 13 13 式中 R 为菲涅尔带直径 h 为波的垂直入射深度 为波长 f c f 为频率 如果混凝土声速 c 4500m s 激振脉冲波的频率在 5 20KHz 菲涅尔带 R 与入射波的 入射深度 h 如表 1 表 1菲涅尔带 R 与入射深度 h 及频率 f 关系 f KHZ R cm h m 51020 0 119 17 02 8 0 228 811 54 5 0 337 116 07 4 0 446 120 89 6 0 555 125 011 9 由表 1 可见 反射所检测到的不是一个点的反射信号 所检测到的混凝土板厚是一个有效反射面上综合结果 对板中缺陷的分辨能力随深度而变化 窄脉冲复频波 如 5 20KHz 所决定的菲涅尔带是复变的 4 5 关于混凝土声速的确定