反射波法低应变检测.

1、反射波法低4应变检测2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.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）4按激振方式分类： 1、瞬态法：对桩顶面施以轴向瞬时冲

2、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锋冲击； 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.按分析方法分类：(1)时域法反射遮法在时壊里通过分析反射波速度-时间曲 线来判断S身混凝±质量.动力#数法及養击法利用时域振动波形求取某 些参数，甬于推算箪桩承fe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 參来混鑿主质氐有各自求得的

3、动刚度， 进而推算Mffi承籤力(3)时、频域法衣电效应法=综合利用时域迪线、频域幅值及自功 i谱判断桩身质量及推算单淮承载另。6第二篇波的基本知识桩的各种动力测试技术的理论基础包 括：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81、波的种类BE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。2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，质点产生琉密相间的纵向振动， 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

4、图所示。卜一- « * y* ” X i» X 传«方向191纵波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101.2横波ra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。 . k亠

5、传播方向A图1.2横 波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, 而不能传横波和具有横向振动分量的其它波.111.3表面波（瑞利波）Hl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。'I2、弹性波在杆内的传播（引入几个公式：V =±C

6、 £广义波阻抗：Z =代 = EA /<胡克定律十¥培（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*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03分别为V3 = V1 + V2<73=6+72a、如有V2=-V1,贝iJV3=0, a3=2*a1 >即两波相遇界而处质点

7、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, a3 = 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.M-（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pC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Al（CTI+CTR）=A2OTVi+Vr =Vt由波阵面处动量守恒条件可得：fT卩S)21516由此联立求解可得厂1 ",1 + nT =2I +

8、 n1;1HI当界面两侧（PC）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5当应力波由小截面传入 大截面（AlvA2即riv1）时，反射波的应力和入射波应力 同号（反射加载）。当应力波由大截面传入小截面 （A1> A2或即n"）时，反射波的应力和入射波的应力异 号（反射卸载）1:1（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pc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

9、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 = VT(/*'),(pt-), (pc-)j由波阵而动量守恒条件，可把上式化为-176 = Fs匕=-码与上两式联立求解可得« = (pc), /(QC)2 . I 一 ZI 卜 =1 + /) 竹27 =1 4 nF和T分别称为反射系数和透射系数，完全由两

10、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，-现分两种情况来讨论：（1）如果n <1,即（pc） 1 V （pc） 2,则F > 0° 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（T>1）。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=1o（2）如果nAl,即（pc） 1 > （pc） 2时，则FvO。这 时反透射波从应力幅值上来说弱于

11、入射波（TC）。这就是 应力波由所谓“硬"材料传入“软”材料时的情况。1:1在特殊情况下，当（pc2）T0（nT8）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=-K注意，两种不同的介质，即使P和C各不相同，只要其声阻抗相同， 即（pc1 = （pC） 2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，选材时需考总到波阻抗的匹配问题.1920今天主要介绍平时最常用的反射波法 目前国内外普遍釆用瞬态冲击方式， 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

12、射波法（或瞬态 时域分析法）-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。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够响。 作以下假

13、设：A材料均匀直杆等截面直杆变形中橫截面保持为平面，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取直杆的轴线为X轴，假设变形前的原始截面 积A,密度P，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01:1-设任一截面X处的纵向应变为£(X),内力为P®),则有P(./) = AEe = AE Mdr在x+dx截面处的内力为：P +薯心=.0欝+豊由达朗伯原理得出微元dx的运动微分方程为 . E -yd/far 2"7V01 1上式整理后可得：一维杆应力波波动方程 色恥=0加&a

14、mp;2式中d p的物理意义即为弹性波在杆件内的传播速度 2、时域分析：1:1取桩身某段为一个分析单元，其介质密度、 纵波遊速、横截面积和弹性模量分别用A 6 A、 E表示,令Z=pcA= EA/c1:1当桩身几何尺寸或材料物理性质发生变化时， 相应的P、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Zz ""'2n波阻抗比26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.抿据应力波传播理论，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），則根 据连续条件和牛顿第三定

15、律，界面上两侧的质点迷度、 应力均应相等，公式如下：八 I（6 t ）= /'zG由波阵面动量守恒条件得Zi=P>clA>ZapMA?Tpl < p t'l p2<2Z（7u Ur）=乙卩厂27将两式联立求解，可得处=乙一乙”（乙+乙=用4 err = r2Zj/（Z, + Z） = 7a, J5 -V1I （乙一Z|） （Zi + Z?） -Fvj jt>r 3 viE2Zi/< 乙 + Z?） = fiTvijF=二"I u>7 =弃”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

16、件均可归纳成以下三种波阻抗变化类型：其中: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=l, F=O, T=l,由式 1 和式2得CT r=Vr=O,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。29（2）、波阻抗减小（Z1>Z2）桩底支承介质校桩身材料秋及桩身斯裂.缩颈、析、 疏松、裂缝、裂纹等铁陷都属于这种类型Z1 >Z2,則n>l, FV0, T恒>0 ,由式 1 可知：<7 11与<7 1 异号，反射波为上行拉力波，根据应力

17、符号的定义，上行拉力 波与下行压缩沐的方向一致，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.当桩底支承介廣的阻抗远小于桩身阻抗或桩身完全断裂时 （相当于自由端），Z1 > >Z2,则n-* 8 , F- -1, T-0,由式1 和式2有<7 R- -a I, Vr Vr,即桩底处的应力为0,而速度加倍, 由于透射波为0,桩身完全斷裂处发生全反射，应力波仅在斯 裂位置以上多次反射，故而无法检测斷裂部位以下的桩身质童.30-（3）、波阻抗增大（Z1VZ2）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。Z1VZ2,则

18、F>0, T恒>0,由式 1 和 式2可知，bR与bI同号，反射波为上行压缩波， %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）.Z1VVZ2,贝lJn=0, F=1, T=2,由式 1和式2得出，a R =a I , Vk - -Vi ,即桩底处的速度为0, 而应力加倍.应力波在自由端完整桩中的传播32应力波在自由端完整桩中的传播3533应力波在自由端完整桩中的传播桩在rti师应力波在固定端完整桩中的传播37桩 嵌UL4石应力波在波阻抗减小桩中的传播38应力波在波阻抗减小桩中的传播应力波

19、在波阻抗减小桩中的传播3应力波在波阻抗增大桩中的传播41应力波在波阻抗增大桩中的传播桩截面增大并嵌岩rriiiT"T >iliTWTM01底 反射.崭被IM43-3、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ac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。图（a）为完整桩。在t=0时刻，敲击桩头产 生压缩波，在曲线00m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50m处出现下凹。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60m处出现下凹，同图（a） 距 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 又相对増加，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46S.Ott10,4oniAQ-Z I2345678910(c)图(C)为有局部扩径的模型桩.初始敲击后，曲线在1=0时 刻为起始