基桩完整性检测(反射波)

1、反射波法检测基桩完整性反射波法检测基桩完整性技术方法及设备技术方法及设备2008年8月辽宁省交通高等专科学校公路工程质量检测中心桩基低应变反射波法基本原理描述桩基低应变反射波法基本原理描述l在桩顶施加低能量冲击荷载，实测加速度(或速度)响应的过程曲线，运用一维波动理论的时域和频域分析，对被检桩的完整性进行评判。反射波检测基桩完整性反射波检测基桩完整性l基桩分类l基桩工程常见质量问题l基本原理l仪器设备l现场检测技术方法及影响因素l数据分析处理与报告编写l工程实例桩基分类桩基分类l挤土桩l部分挤土桩l非挤土桩按成桩方法对土层影响分按成桩方法对土层影响分按桩材分按桩材分l木桩l混凝土桩l钢桩l组合

2、桩按功能分按功能分l抗轴压桩：摩擦桩、端承桩、端承摩擦桩l抗剪桩l抗拔桩按成桩方法分按成桩方法分l打入桩l就地灌注桩l静压桩l螺旋桩l喷粉桩或搅拌桩不同类型的桩，可能出现的质量问题不一样反射波检测基桩完整性反射波检测基桩完整性l基桩分类l基桩工程常见质量问题l基本原理l仪器设备l现场检测技术方法及影响因素l数据分析处理与报告编写l工程实例基桩工程的常见质量问题基桩工程的常见质量问题l沉管灌注桩：锤击、振动、压力沉管 （质量不稳定，故障率高）极易振断初凝邻桩，软件硬土层交界处尤重桩距小于三倍桩径，使初凝砼拉裂拔管过快，淤泥层易缩颈动水压力作用，冒水桩演变成断桩振动沉管用活瓣桩尖张开不灵活，砼下落

3、不畅，断桩或密实度差预制桩尖被卡住，吊脚桩基桩工程的常见质量问题基桩工程的常见质量问题l冲、钻孔灌注桩：地下水位较高的场地，冲抓式、冲击式、回转钻式、潜钻式，成孔过程泥浆护壁，采取带隔水栓的导管水下浇灌砼浇灌砼不连续，隔水层凝固，后结砼无法下灌，上拔导管，泥浆进入开成断桩；若冲破隔水层，造成桩身局部低劣砼。桩径过小（600mm），砼上升不畅，易堵管，形成断桩或钢筋笼上浮泥浆比重不当，孔壁易坍塌清孔不干净，孔底沉渣太厚，影响桩端承载力发挥砼和易性不好，易离析导管连接处漏水，形成断桩基桩工程的常见质量问题基桩工程的常见质量问题l人工挖孔灌注桩：地下水丰富的场地采用时，易发生以下质量问题地下水渗流严

4、重的土层，护壁易崩塌。土层出现流砂或有动水压力时，泥土随水涌出，护壁与土体脱空或引起孔形不规则边挖孔边抽水，护壁易产生裂缝孔较深时，不采用导管浇灌砼，砼自由下落易离析孔底水不易抽干或未抽干时浇灌，桩尖砼被稀释，降低桩端承载力基桩工程的常见质量问题基桩工程的常见质量问题l混凝土预制桩：柴油锤、蒸汽锤或自由落锤锤垫和桩垫不合适，过软，打入难；过硬，易击碎桩头。打桩的拉应力易引起桩身开裂桩锤不合适，难于打至设计标高桩头钢筋网片设置、配筋不符合要求，或桩顶不平，砼标号低，桩头易碎桩身倾斜或遇障碍物，易导致桩头错位反射波检测基桩完整性反射波检测基桩完整性l基桩分类l基桩工程常见质量问题l基本原理l仪器设

5、备l现场检测技术方法及影响因素l数据分析处理与报告编写l工程实例l连续弹性的一维均质杆件（DL）l不考虑桩周土体对沿桩身传播应力波的影响l桩在变形时横截面保持为平面，沿截面有均布的轴向应力满足以上假定条件时，桩可视为一维杆件满足以上假定条件时，桩可视为一维杆件 基本原理基本原理l基本假设半球面波平面波基本原理基本原理l声波传播示意图l折射及折射损失：折射损失主要在桩头附近产生；土层越硬，折射损失越大，反射信号越弱。l衰减损失：高频成份会不同程度的衰减。 桩不是完全弹性的，桩身存在内阻尼 桩是埋入土中，桩侧土的阻力，同样产生弹性波的衰减 l反射、透射及反射损失：桩身内出现缺陷的部位及桩底均存在波

6、阻抗界面，均会产生反射及透射基本原理基本原理l波的传播l阻抗Z = EA/C = AC E: 弹性模量 C: 波速 A: 截面积 : 密度l质点力与速度的关系: F=ZVlF=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)FlV=(Z1-Z2)/(Z2+Z1)V222111222111ACACACACRv2221112222ACACACRT反射系数透射系数缺陷反射波波幅的大小与缺陷尺寸有关基本原理基本原理l基本公式Z1F , v F1 , v1 F , v Z2lA2A1, 2=1, C2=C1lSo that, Z20l(Z1-Z2)/(Z2+Z1)V0lV & V in the same dire

7、ctionlF=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)FlV=(Z1-Z2)/(Z2+Z1)VA1 A2基本原理基本原理l缩径（颈）基本原理基本原理l缩径（颈）(阻抗减小)局部阻抗缩小全界面阻抗缩小Z1F , v F1 , v1 F , v Z2lF=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)FlV=(Z1-Z2)/(Z2+Z1)V1 2lA2=A1, 21, C2C1lSo that, Z20l(Z1-Z2)/(Z2+Z1)V0lV & V in the same direction基本原理基本原理l不密实区（空洞，孔隙）Z1F , v F1 , v1 F , v Z2lF=(Z2-Z1)/(Z2+Z1

8、)FlV=(Z1-Z2)/(Z2+Z1)VA1 A1, 2=1, C2=C1lSo that, Z2Z1lZ1-Z20l(Z1-Z2)/(Z2+Z1)V8位l前置放大：10倍l采样间隔：=512l频响：10Hz至2000Hzl波形采集、显示、存储、处理、打印仪器设备仪器设备l主机系统 主要包括控制系统、电源系统、模拟滤波、放大系统、信号采集、控制与分析软件等。l激振效果的好坏，主要受碰撞材料的重量、硬度、弹模、接触面积及碰撞方向和速度等影响；l材质越软、碰撞速度越低，锤体越重，信号的脉冲宽度就越大，覆盖的高频成份也就越少。仪器设备仪器设备l激振装置l碰撞方向和碰撞形式主要影响波形形态，反射波测

9、桩以自由落体和垂直敲击为宜，有利于抑制质点的横向振动。l对不同长度、不同类型的基桩，需采用不同材料、不同能量的激振设备。一般大长桩用大力棒（能量大、频率低），短细桩或测试浅部缺陷时用手锤（能量小，频率高），介于中间的桩则可用小力棒（能量及频率介于大力棒及手锤之间），当然敲击设备的选择也与地质情况有关，用户可以根据经验选择 仪器设备仪器设备l激振装置l锤头材料：过硬，高频波提高缺陷分辨率，探测浅部缺陷有利，易衰减，不易获取桩底反射；过软，低频波有利于桩底反射，但降低桩身上部缺陷的分辨能力。l冲击能量：锤重及落锤速度决定能量大小。能量应适中，过小，应力波很快衰减，看不到下部缺陷和桩底反射。在检测大

10、直径长桩时应选择较重的力锤并加大锤击速度，大幅度提高敲击力，但锤过重将掩盖微小缺陷。锤重的选择应使得有明显的桩底反射为原则。 仪器设备仪器设备l振源对检测信号的影响l接触面积：对于直径灌注桩，除选择重锤加大能量冲击外，还要加大锤的直径，使接触面积增大。l脉冲宽度：脉冲宽度大，有利于长桩及深部缺陷检测，但波长增大，绕射，小缺陷识别能力差；脉冲宽度小，波长小，不能满足一维弹性杆的要求，出现速度及波形的畸变。 应根据桩的特点，激发合适脉冲宽度的入射波，有时在同一根桩上，按照不同的检测目的，需要产生不同的脉冲宽度。仪器设备仪器设备l振源对检测信号的影响仪器设备仪器设备l接收传感器l足够的量程范围、动态

11、范围、灵敏度；良好的阻尼特性。l速度传感器：磁电式；将振动速度转换为电量；常用下限频率10、14、28、38Hz，阻尼0.6-0.7，灵敏度大约300mv/cm/s.l加速度传感器：压电式；体积小、重量轻、量程大、工作频带宽；常用灵敏度100mv/g，频响几Hz至几kHz.lICP加速度传感器（内装阻抗变换电路的压电加速度计）l若现场处理或后续分析得当，对于中深部缺陷（2-40m），两种传感器可以得到相似甚至一致的信号；l由于速度传感器的高频不足，浅部缺陷（2m）辨别困难；并非所有浅部缺陷都难以识别，如果采用合理振源、合理安装方法和处理方法，它还是可以识别大部分浅部缺陷，只是较加速度传感器差而

12、已。l由于低频不足，使用速度传感器检测桩长大于40m时，时域波形的桩底反射特征往往模糊不清，频域曲线难见整桩的一阶谐振。l高阻尼速度传感器采用牺牲灵敏度，增大阻尼办法拓宽其频响范围，比低阻尼速度传感器更适宜于测桩仪器设备仪器设备l加速度、速度传感器比较仪器设备仪器设备lZBL-P810主要特点l一根桩最多可存储12道信号（每根桩测四个方位，每个方位敲击三锤）；l可以对信号进行叠加平均，去除“噪声”信号，最多可叠加20锤信号，可对叠加信号随意回放，剔除质量较差的信号；l仪器操作简单，一切从实际工程检测的需要出发，易学易用，几分钟即可学会使用；l文件按工程桩分级管理，直观、方便，用户可以方便地查看

13、、添加、删除工程或桩的测试数据；l双通道同时采集，每根桩测试多个方位时，可以提高工作效率；仪器设备仪器设备lZBL-P810主要特点l自适应浮点放大，波形永不失真；l可配接多种速度计和加速度计；l内置可充电锂电池，供电时间长（5小时以上），随时充电无“记忆”；l真正的USB接口，支持移动存储；l使用U盘对仪器内部软件升级，方便、可靠，l高清晰、真彩色液晶显示，阳光下清晰可见；l体积小、重量轻（约2kg），携带方便； 反射波检测基桩完整性反射波检测基桩完整性l基桩分类l基桩工程常见质量问题l基本原理l仪器设备l现场检测技术方法及影响因素l数据分析处理与报告编写l工程实例现场检测技术方法现场检测技

14、术方法l工程名称、地点，建设、勘察、设计、监理、施工单位名称l桩基础施工平面图l桩的成孔工艺l成桩机具及工艺l工程桩设计资料和施工记录l岩土工程地质勘察报告l收集资料现场检测技术方法现场检测技术方法l安装传感器l传感器的耦合点及锤的敲击点都必须干净、平整、坚硬、无积水，所以在测试前应对桩头进行必要的处理清除桩头表面的浮浆及其他杂物、在桩头打磨出两小块平整表面分别用以安放传感器、手锤敲击。妨碍正常测试的外露主筋应割掉。l安装完毕后的传感器必须与桩顶面保持垂直，且紧贴桩顶面，在信号采集过程中不得产生滑移或松动。现场检测技术方法现场检测技术方法l安装传感器l传感器安装点及其附近不得有缺损或裂缝；l当

15、锤击点在桩顶中心时，传感器安装点与桩中心的距离宜为桩半径的三分之二；l当锤击点不在桩顶中心时，传感器安装点与锤击点的距离不宜小于桩半径的二分之一；l对于预应力管桩，传感器安装点、锤击点与桩顶面圆心构成的平面夹角宜为90度。l对于大直径桩，宜在不同位置选取24个测点l尽量避开钢筋、混凝土质量有问题的位置现场检测技术方法现场检测技术方法l耦合剂的选择原则：使传感器与桩紧密结合在一起，传感器能 准确记录桩顶质点的振动作用：类似一个滤波器，可滤除一部分桩顶质点 振动的高频成分选择：耦合时耦合剂要尽量薄，粘性要大，粘结 性最好不要受水等的影响一般可用黄油、凡士林、橡皮泥等作耦合剂一般可用黄油、凡士林、橡

16、皮泥等作耦合剂现场检测技术方法现场检测技术方法l敲击设备的选择l激振脉冲波的频带要适中：对于不同长度、不同类型的桩基，其频率范围不同l激振的能量要适中，必须沿轴向激振。l激振的振动模式要单一：如果在桩基完整性检测时，在桩头只激激励出纵波，则质点的振动会简单得多。l对不同长度、不同类型的桩基，需采用不同材料、不同能量的激振设备。 l1）充分了解仪器及场地和桩型特点，进行细致的测前准备：lA)选择合适的锤，一般中小桩备好专用手锤和小尺寸力棒，长大桩则应带好足够重量的力棒。lB)根据桩型、桩头状况，选择合理的传感器。lC）根据天气状况，桩头准备情况和所选用传感器，选择合适的耦合剂和安装方式现场检测技

17、术方法现场检测技术方法l现场检测要点l2）认真测试头几根桩，注意波形是否合理，桩底和浅部缺陷的反映是否正常；l3）传感器、振源、安装方式、参数设置等在头几根桩上调试结束后，即可迅速在余下桩中展开，过程中应记下疑难桩（或在疑难桩上多花时间详测）、注意各桩的桩底反射情况和浅部缺陷情况，同时还应注意信号的一致性，每条桩上应确保三条以上一致性较好的信号；l4）详测疑难桩，换用传感器和激振锤及激振点，仔细推敲该桩可能存在的问题现场检测技术方法现场检测技术方法l现场检测要点反射波检测基桩完整性反射波检测基桩完整性l基桩分类l基桩工程常见质量问题l基本原理l仪器设备l现场检测技术方法及影响因素l数据分析处理

18、与报告编写l工程实例数据分析处理数据分析处理l信号后处理 数字积分：如果测试波形为加速度信号波形，且需要观察其速度波形时，可通过积分变换将加速度波形变为速度波形。积分前积分后数据分析处理数据分析处理l信号后处理 数字滤波：低通、高通、带通在实测速度波形中，经常出现表面波、剪切波在桩顶面来回反射、耦合形成的高频干扰波，能量大且衰减慢，掩盖缺陷及桩底反射，影响完整性的判别。加速度传感器的上限频率过宽，激振时引发的多种高频干扰也一并被接收。常采用数字滤波滤去与桩身质量无关的干扰频率，增大有效波，以便真实反映桩身完整性。桩基检测中，在确定数字滤波上、下限频率之前，最好将原始信号进行全频段的频谱分析，然

19、后结合整个测试系统的频响要求，有目的地选择滤波参数。数据分析处理数据分析处理滤波前500Hz低通滤波后l信号后处理 数字滤波：低通、高通、带通数据分析处理数据分析处理l信号后处理 数据平滑：数据平滑也是一种滤波，处理的效果和低通滤波相近，也是消除高频信号的干扰，尤其适用于消除仪器电噪声和环境噪声的干扰 。平滑点数可设，但设置不能太多，一般要求平滑点数少一些，多次平滑，以达到满意为止。平滑前30点平滑数据分析处理数据分析处理l信号后处理 信号放大：指数、线性、满幅桩长很长或缺陷界面很深时，桩底或缺陷界面的反射波很弱，图形上很难辨认，此时采用局部信号放大的方法，将图形尾部的波形放大，以突出反射波

20、放大前10倍指数放大数据分析处理数据分析处理l信号后处理 去直流直流分量去直流后数据分析处理数据分析处理l信号后处理 波形旋转：旋转前旋转后数据分析处理数据分析处理l时间域分析在测试波形上辨认反射波，由反射波的形态、相位和到达时间，确定反射界面的性质、程度和位置 2/2/tcLTcL桩长及缺陷位置计算波速一般采用同一工地内多根已测完整桩桩身纵波速度的平均值。数据分析处理数据分析处理l频率域分析将测试信号进行频谱分析，在频谱图上根据共振频率的形态与大小，确定界面的性质、程度和位置。fcL2/1）现场测试时，频域分析可用于指导选择及安装传感器，产生合适的振源；2）频域分析可以找出干扰频率，通过数字

21、滤波消除这些干扰；3）时域分析有时难以找到桩底反射信号和某些缺陷的反应信息，但在频域分析时，利用各信号间谐振峰频差出现的规律，则可能计算桩长及相应的缺陷位置。因此，当时域信号一致性较差或干扰严重时，不妨进行频域分析，以增加分析工作的可靠性。 频域分析存在的问题：难以确定缺陷性质，即便是区分扩颈和缩颈；缺陷位置计算偏差较大；不容易识别多个共振峰，特别当缺陷较多或干扰较大时。在实际检测中，应以时域为主，频域分析为辅，相互印证与补充，尽量做到时、频域分析结果相吻合。检测结果评价检测结果评价lI类桩桩身结构完整，可正常使用。lII类桩桩身基本完整，有轻度缺陷，不影响正常使用。lIII类桩桩身有明显缺陷

22、，对桩身结构承载力有影响，应采用其它方法进一步抽检确定其可用性lIV类桩桩身存在严重缺陷，对桩身结构承载力有严重影响。检测结果评价检测结果评价建筑基桩检测技术规范建筑基桩检测技术规范(JGJ 106-2003)(JGJ 106-2003)检测报告编写检测报告编写建筑基桩检测技术规范建筑基桩检测技术规范(JGJ 106-2003)(JGJ 106-2003)l结论准确、用词规范；l包含以下内容： 委托方名称，工程名称、地点，建设、勘察、设计、监理和施工单位，基础、结构型式，层数，设计要求，检测目的，检测依据，检测数量，检测日期； 地质条件描述； 受检桩桩号、桩位和相关施工记录； 检测方法，检测仪

23、器设备，检测过程叙述； 受检桩的检测数据，实测信号曲线、汇总结果； 与检测内容相应的检测结论l还包括下列内容： 桩身波速取值； 桩身完整性描述、缺陷位置及桩身完整性类别； 时域信号时段所对应的桩身长度标尺、指数或线性放大的范围及倍数；或幅频信号曲线分析的频率范围、桩底或桩身缺陷对应的相邻谐振峰间的频差反射波检测基桩完整性反射波检测基桩完整性l基桩分类l基桩工程常见质量问题l基本原理l仪器设备l现场检测技术方法及影响因素l数据分析处理与报告编写l工程实例工程实例工程实例l完整桩秦皇岛某住宅楼工程，钻孔灌注桩，设计桩长12m，设计桩径为600 mm ，加速度传感器，采用手锤敲击北京某工程，钻孔灌注

24、桩，设计桩长20m，设计桩径为1000 mm ，加速度传感器，采用力棒敲击工程实例工程实例l缩颈桩CFG桩实测速度波形。该桩设计桩长16m，桩径0.4m，桩身强度C20。桩周土层为强度较低新近沉积的粘性土，虽然长径比达到40，但桩底反射波形依然比较明显。在桩身4.5m处有不强的反射波出现，此反射波应为缩径的反映。 航勘院模型桩航勘院模型桩，8#桩，设计桩长16m，设计桩径600mm，10m左右缩径工程实例工程实例l扩颈桩河北沧州某工程，钻孔灌注桩，设计桩长45m，设计桩径1000mm ，约5.2m处扩径反应某人工挖孔扩底桩，桩长8.44m，桩径800mm，桩底直径2.2m，距桩顶6.8m开始扩颈工程实例工程实例l断裂（夹层）北京某地CFG桩实测速度波形。该桩设计桩长16m，桩径400，桩身强度C20。实测波形中有3次明显的等间隔反射