反射波法低应变检测

1,反射波法低应变检测,2,第一篇概述,3,桩的动测技术与传统的静载荷试桩相比，具有检测速度快、费用低、设备轻便等优点。低应变检测主要用于检测混凝土桩的桩身完整性，是一项综合定性分析的检测技术。桩基动测技术可分为低应变和高应变两类。,4,低应变动测方法主要有反射波法、机械阻抗法（瞬态阻抗法和稳态阻抗法）、水电效应法、动力参数法、共振法、球击法。前三种方法用于检测桩身完整性，反射波法、机械阻抗法列入了建筑基桩检测技术规范水电效应法在激振和分析方法上较有特色。后五种方法可用于检测单桩承载力（因激振能量较小，故而得到的是单桩容许承载力，而不是极限承载力）,5,按激振方式分类：,1、瞬态法：对桩顶面施以轴向瞬时冲击力或施以冲量激起桩的振动。目前的低应变动测法大都属于瞬态法。反射波法是用手锤或力棒激振；瞬态机械阻抗法是用手锤敲击；水电效应法采用高压放电产生脉冲力；动力参数法使用手锤或特制的穿心锤冲击；球击法顾名思义采用铁球冲击2、稳态法：稳态法是对桩顶面施以一个幅值恒定的轴向谐振力来激发桩的振动。稳态机械阻抗法及共振法属于稳态法。,6,按分析方法分类：,（1）时域法反射波法在时域里通过分析反射波速度-时间曲线来判断桩身混凝土质量。动力参数法及球击法利用时域振动波形求取某些参数，用于推算单桩承载力的标准值（2）频域法机械阻抗法通过导纳曲线、共振法通过幅频曲线来判断桩身混凝土质量，有各自求得的动刚度，进而推算单桩承载力（3）时、频域法水电效应法：综合利用时域曲线、频域幅值及自功率谱判断桩身质量及推算单桩承载力。,7,第二篇波的基本知识,8,桩的各种动力测试技术的理论基础包括：1、将桩作为土中杆件的振动理论；2、动力作用在桩内作为应力波传递的波动理论,9,1、波的种类波的种类是根据介质质点的振动方向和波动传播方向的关系来区分的，它分为纵波、横波、表面波等。,10,1.1纵波弹性介质当受到交替变化的拉应力和压应力作用时，就相应地产生交替变化的伸长和压缩形变，质点产生疏密相间的纵向振动，振动又作用于相邻的质点而在介质中传播。此时介质质点的振动方向和波动的传播方向相同，这种波称为“纵波”，如下图所示。,任何弹性介质在体积变化时都能产生弹性力，所以纵波可以在任何弹性介质（固体、液体、气体）中传播。由于纵波的发生与接收都比较容易，因而在工业探伤、故障诊断中得到广泛的应用。桩的动测技术中主要采用纵波。,11,1.2横波固体介质除具有体积弹性外，还具有剪切弹性。固体介质当受到交变的剪切力作用时，将会相应地发生交变的剪切形变，介质质点产生具有波峰和波谷的横向振动，振动又作用于相邻的质点而在介质中传播。此时介质质点的振动方向和波动的传播方向垂直；这种波称为“横波”，又称切变波，如下图所示。,液体和气体由于没有剪切弹性，所以液体和气体内部只能传播纵波，而不能传播横波和具有横向振动分量的其它波。,12,1.3表面波（瑞利波）固体介质表面受到交替变化的表面张力，使介质表面的质点发生相应的纵向振动和横向振动，结果使质点作这两种振动的合成振动，即绕其平衡位置作椭圆振动，椭圆振动又作用于相邻的质点而在介质表面传播，这种波称为表面波。下图为表面波传播示意图。图中示出了瞬时的质点位移状态，右侧的椭圆表示质点振动的轨迹。由图可知，它在固体表面（XZ平面）沿X方向传播。质点在XY平面内作椭圆振动。,13,2、弹性波在杆内的传播（引入几个公式：广义波阻抗：胡克定律：,14,（1）弹性波在杆的固定端和自由端的反射当杆中传播的应力波到达杆的另一端时将发生波的反射，其情况视边界条件而异，边界条件对于入射波来说，是在入射波波阵面后方的一个新扰动，这一扰动的传播就是反射波，反射波的具体情况应根据入射波与反射波合起来的总效果符合所给定的边界条件而定，对于弹性波来说，入射波与反射波的总效果可按叠加原理来确定。两弹性波相互作用后杆中质点速度V3和应力3分别为V3=V1+V23=1+2a、如有V2=V1，则V3=0，3=2*1，即两波相遇界而处质点速度为零而应力加倍，这相当于法向入射弹性波在固定端（刚壁）的反射。b、如有V2=V1，则有V3=2V1，3=0，即两波相遇界而处应力为零而质点速度加倍，这相当于法向入射弹性波在自由端（自由表面）的反射。,15,（2）弹性波在变截面杆中的反射和透射在变截面（A有变化而C相同）杆中，当应力波通过截面积发生突然变化的界面时将发生反射和透射，用下标I、R、T分别表示入射、反射和透射。界面两侧总作用力相等和速度相等，于是有AI（I+R）=A2TVI+VR=VT由波阵面处动量守恒条件可得：,16,由此联立求解可得当界面两侧（C）相同，仅由于截面积的变化引起弹性波的反射和透射的情况下，n=A1/A2，由于n总为正值，则T必为正，所以透射波和入射波总是正号；F的正负则视A1和A2相对大小而异；当应力波由小截面传入大截面（A1A2或即n1）时，反射波的应力和入射波的应力异号（反射卸载）,17,（3）弹性波在不同介质面上的反射和透射在不同介质（A相同而C有变化）杆中，设弹性波从一种介质（有关各量都用下标1表示），传播到另一种声阻抗不同的介质（有关各量都用下标2表示），传播方向垂直于界面，即讨论入射的情况，当弹性波到达界面时，不论对于第一种介质或对于第二种介质，都引起了一个扰动，分别向两种介质中传播，此即反射波和透射波，只要这两种介质在界面处始终保持接触（既能承压又能承拉而不分离），则根据连续条件和牛顿第三定律，界面上两侧质点速度应相等，应力应相等：VI+VR=VTI+R=T由波阵而动量守恒条件，可把上式化为,18,与上两式联立求解可得F和T分别称为反射系数和透射系数，完全由两种介质的声阻抗比值n所确定，显然，1+F=T注意，T总为正值，所以透射波和入射波总是同号。F的正负取决于两种介质声阻抗的相对大小，,19,现分两种情况来讨论：（1）如果n0。这时，反射波的应力和入射波的应力同号（反射加载），而透射波从应力幅值上来说强于入射波（T1）。这就是应力波由所谓“软”材料传入“硬”材料时的情况。在特殊情况下，当时，就相当于弹性波在刚壁（固定端）的反射，这时，有T=2，F=1。（2）如果n1，即（c）1（c）2时，则F0。这时反透射波从应力幅值上来说弱于入射波（T1）。这就是应力波由所谓“硬”材料传入“软”材料时的情况。在特殊情况下，当(c2)0(n)时，就相当于弹性波在自由表面（自由端）的反射，这时有T=0，F=-1。注意，两种不同的介质，即使和C各不相同，只要其声阻抗相同，即（C）1=（C）2n=1,，则弹性波在通过此两种介质的界面时将不产生反射（F=0），称为阻抗匹配，对于某些不希望产生反射波的情况，选材时需考虑到波阻抗的匹配问题。,20,第三篇基本原理,21,今天主要介绍平时最常用的反射波法目前国内外普遍采用瞬态冲击方式，通过实测桩顶加速度或速度响应时域曲线，籍一维波动理论分析来判定基桩的桩身完整性，这种方法称之为反射波法（或瞬态时域分析法）,22,1、反射波法基本原理是在桩顶竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗差异的界面（如桩底、断桩和严重离析等）或桩身截面积发生变化（如缩颈或扩颈），将产生反射波，经接收、放大、滤波和数据处理，可识别来自不同部位的反射信息，通过对反射信息进行分析计算，判断桩身混凝土的完整性，判定桩身缺陷程度及其位置。,23,其理论基础是以一维线弹性杆件模型为依据（一维理论要求应力波在桩身中传播时平截面假设成立，所以，对薄壁钢管桩和类似于H型钢桩的异型桩，本方法不适用）。该方法假定桩为连续弹性的一维均质杆件，并且不考虑桩周土体对沿桩身传播的应力波的影响。作以下假设：材料均匀直杆等截面直杆变形中横截面保持为平面，且彼此平行直杆横截面上应力分布均匀忽略直杆的横向惯性效应,24,取直杆的轴线为X轴，假设变形前的原始截面积A，密度，弹模E及其他材料性能参数均与坐标无关，各运动参数仅为x和t的函数，直杆各截面的纵向振动位移表示为u(x,t)，如下图,25,设任一截面x处的纵向应变为(x)，内力为P(x),则有在x+dx截面处的内力为：由达朗伯原理得出微元dx的运动微分方程为上式整理后可得：一维杆应力波波动方程式中的物理意义即为弹性波在杆件内的传播速度,26,2、时域分析：取桩身某段为一个分析单元，其介质密度、纵波波速、横截面积和弹性模量分别用、c、A、E表示，令Z=cA=EA/c当桩身几何尺寸或材料物理性质发生变化时，相应的、c、A发生变化，其变化发生处为波阻抗界面。将波阻抗的比值表示为n-波阻抗比,27,在桩顶激振后，将产生压缩波，以波速c沿桩身向下传播，当遇到波阻抗界面时，产生反射波和透射波,如右下图所示。根据应力波传播理论,只要这两种分质在界面处始终保持接触（既能承压又能承拉而不分离），则根据连续条件和牛顿第三定律，界面上两侧的质点速度、应力均应相等,公式如下:由波阵面动量守恒条件得,28,将两式联立求解，可得式1式2其中：式3式中：F-反射系数T-透射系数式1式3为反射波分析的依据，桩身各种性状以及桩底不同的支承条件均可归纳成以下三种波阻抗变化类型：,29,(1)、波阻抗近似不变（Z1Z2）桩底支承介质较桩身阻抗近似；桩身完整、均匀、无缺陷都属于这种类型Z1Z2，则n=1，F=0，T=1，由式1和式2得R=VR=0，应力波为全透射，无反射信号产生。因此，若桩底岩石与桩身混凝土阻抗接近时，将无法得到桩底反射信号。,30,（2）、波阻抗减小（Z1Z2）桩底支承介质较桩身材料软及桩身断裂、缩颈、离析、疏松、裂缝、裂纹等缺陷都属于这种类型Z1Z2，则n1，F0，T恒0，由式1可知：R与I异号，反射波为上行拉力波，根据应力符号的定义，上行拉力波与下行压缩波的方向一致，由式2可知，VR与VI符号一致，总之，在桩顶检测出的反射波速度、应力均与入射波信号极性一致。当桩底支承介质的阻抗远小于桩身阻抗或桩身完全断裂时(相当于自由端），Z1Z2，则n，F=-1，T=0，由式1和式2有R=-I，VR=VI，即桩底处的应力为0，而速度加倍，由于透射波为0，桩身完全断裂处发生全反射，应力波仅在断裂位置以上多次反射，故而无法检测断裂部位以下的桩身质量。,31,（3）、波阻抗增大（Z1Z2）桩底支承介质较桩身材料硬，桩身扩径、鼓肚等都属于这种类型。Z1Z2，则n1，F0，T恒0,由式1和式2可知，R与I同号，反射波为上行压缩波，VR与VI符号相反。总之，在桩顶检测出的反射波速度、应力均与入射波信号极性相反。当桩底支承介质的阻抗远大于桩阻抗（桩底近似为固定、嵌岩桩），Z1Z2，则n=0，F=1，T=2，由式1和式2得出，R=I，VR=-VI，即桩底处的速度为0，而应力加倍。,32,应力波在自由端完整桩中的传播,33,应力波在自由端完整桩中的传播,入射波与反射波同相,34,应力波在自由端完整桩中的传播,桩在自由端,35,应力波在固定端完整桩中的传播,36,应力波在固定端完整桩中的传播,T,V,37,应力波在固定端完整桩中的传播,桩嵌岩,38,应力波在波阻抗减小桩中的传播,39,应力波在波阻抗减小桩中的传播,桩截面减小,40,应力波在波阻抗减小桩中的传播,桩缩径,41,应力波在波阻抗增大桩中的传播,42,应力波在波阻抗增大桩中的传播,桩截面增大并嵌岩,43,应力波在波阻抗增大桩中的传播,桩扩径,44,3、感知模型桩为了对反射波法的检测原理有一个感性认识，我们可以利用模型桩作研究。图a-c给出了塑料模型桩的三组速度曲线，它们分别是完整桩、局部缩颈桩和局部扩颈桩。由于材料特性均匀，且无土阻抗，因此，这些曲线是非常容易用以上理论加以解释的。,45,图（a）为完整桩。在t=0时刻，敲击桩头产生压缩波，在曲线0.0m处出现一个下凹信号。该波不间断的沿桩长向下传播直到桩尖，桩尖处反射一个方向相反的拉力波（上行拉力波），与入射波同相，在5.0m处出现下凹。,46,图（b）为局部缩颈的模型桩。初始敲击后，曲线在t=0时刻为起始压缩波，在曲线0.0m处出现下凹，同图（a）。距t=0后某一处(约3m)缩颈位置时，桩阻抗减小，产生上行拉力反射波，与入射波极性一致，曲线出现下凹，下凹程度取决于阻抗下降的程度，接着由于应力波通过缩颈后又回到原截面，阻抗又相对增加，曲线随即上凸到零线上某一点，即压缩波反射。而后曲线逐渐归零，最后仍在5.0m处测得桩尖的响应。,47,图(c)为有局部扩径的模型桩。初始敲击后，曲线在t=0时刻为起始压缩波，在曲线0.0m处出现下凹，同图（a）。距t=0后某一处(约3m)扩颈位置时，桩阻抗增加，产生上行压缩反射波，与入射波极性相反，曲线出现上凸，上凸程度取决于阻抗增加的程度，接着由于应力波通过扩颈后又回到原截面，阻抗又相对减少，曲线随即下凹到零线下某一点，即拉力波反射。而后曲线逐渐归零，最后仍在5.0m处测得桩尖的响应。,48,第四篇现场检测,49,1.适用范围本方法适用于检测混凝土桩的桩身完整性，判定桩身缺陷的程度及位置。2.技术依据建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2003）3、抽样数量（1）柱下三桩或三桩以下的承台抽检桩数不得少于1根；（2）设计等级为甲级，或地质条件复杂、成桩质量可靠性较低的灌注桩，抽检数量不应少于总桩数的30%，且不得少于20根；其他桩基工程的抽检数量不应少于总桩数的20%，且不得少于10根；（3）对于地下水位以上且终孔后桩端持力层已通过核验的人工挖孔桩，以及单节混凝土预制桩，抽检数量可适当减少，但不应少于总桩数的10%，且不应少于10根；（4）当检测出的III类、IV类桩之和大于抽检桩数的20%时，应在未检桩中继续扩大抽检。,50,4、检测仪器、设备基桩完整性测试仪（新、老PIT）桩基动测仪（RS-1616K（P）5、受检桩应符合下列规定：(1)受检桩混凝土强度至少达到设计强度的70%，且不小于15MPa。(2)桩头的材质、强度、截面尺寸应与桩身基本等同。(3)桩顶面应平整、密实，(凿去浮浆，平整桩头，切除桩头外露过多的主钢筋),并与桩轴线基本垂直。,51,6、测试参数设定应符合下列规定：（1）时域信号记录的时间段长度应在2L/c时刻后延续不少于5ms；幅频信号分析的频率范围上限不应小于2000Hz。（2）设定桩长应为桩顶测点至桩底的施工桩长，设定桩身截面积应为施工截面积。（3）桩身波速可根据本地区同类型桩的测试值初步设定。（4）采样时间间隔或采样频率应根据桩长、桩身波速和频域分辨率合理选择；时域信号采样点数不宜少于1024点。（5）传感器的设定值应按计量检定结果设定。,52,7、测量传感器安装（加速度计）和激振操作应符合下列规定：（1）传感器安装应与桩顶面垂直；用耦合剂粘结时，应具有足够的粘结强度(粘结层应尽可能薄)。（2）实心桩的激振点位置应选择在桩中心，测量传感器安装位置宜为距桩中心2/3半径处；空心桩的激振点与测量传感器安装位置宜在同一水平面上，且与桩中心连线形成的夹角宜为90，激振点和测量传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。相对桩顶横截面尺寸而言，激振点处为集中力作用，在桩顶部位可能出现与桩的横向振型相应的高频干扰。当锤击脉冲变窄或桩径增加时，这种由三维尺寸效应引起的干扰加剧。传感器安装点与激振点距离和位置不同，所受干扰的程度各异。初步研究表明：实心桩安装点在距桩中心约2/3半径R时，所受干扰相对较小；空心桩安装点与激振点平面夹角等于或略大于90时也有类似效果,53,（3）激振点与测量传感器安装位置应避开钢筋笼的主筋影响。（4）激振方向应沿桩轴线方向。（5）瞬态激振应通过现场敲击试验，选择合适重量的激振力锤和锤垫(目前激振设备普遍使用的是力锤、力棒，其锤头或锤垫多选用工程塑料、高强尼龙、铝、铜、铁、橡皮垫等材料，锤的质量为几百克至几十千克不等)，宜用宽脉冲获取桩底或桩身下部缺陷反射信号（锤头质量较大或刚度较小时，冲击入射波脉冲较宽，低频成分为主；当冲击力大小相同时，其能量较大，应力波衰减较慢），宜用窄脉冲获取桩身上部缺陷反射信号（锤头较轻或刚度较大时，冲击入射波脉冲较窄，含高频成分较多）。,54,8、信号采集和筛选应符合下列规定：（1）根据桩径大