工程物探总复习(三)

1、工程物探总复习（三）主讲：王伟主讲：王伟邮箱：邮箱：岩土工程教研室岩土工程教研室一、基桩分类及常见的缺陷 桩荷载要通过桩与桩周土或岩石的接触向持力层内扩散，对于不同的承载方式和地基，桩将受到不同方式的反作用力，按桩的受力机理分为端承桩和摩擦桩及加固桩三类。基桩常见的缺陷包括基桩常见的缺陷包括: :断桩:它是指沉人地基中的桩出现断裂或断开的情况。离析:桩的离析是指混凝土桩外形完整，但成桩材料不合格或配料不当，搅拌不均或振捣不密实，或桩的某些区段含石砂量过高，呈现蜂窝状结构，或呈松散状态。缩径和扩径桩:缩径是指灌注桩成桩后在某处的桩径缩小，截面积不符合要求;扩径是指灌注桩在成桩后，桩的某些局部区段

2、出现明显大于设计桩径的现象。 设A1、1、v1及A2、2、v2分别代表桩身及基桩性质突变面处的截面积，弹性体密度及波速，并设突变面上的 入射波为ua，反射波为ub，透射波为uc，则位移波的反射系数为 上式中Av的乘积称为广义波阻抗。) 1 . 1 . 6(222111222111vAvAvAvAuuRabu 图图6.1-1 6.1-1 完整摩擦桩理论波形示意图完整摩擦桩理论波形示意图 图图6.1-2 6.1-2 摩擦缩径桩理论波形示意图摩擦缩径桩理论波形示意图 图图6.1-4 6.1-4 摩擦离析桩理论波形示意图摩擦离析桩理论波形示意图图图6.1-5 6.1-5 断桩理论波形示意图断桩理论波形

3、示意图四、反射波法进行基桩质量检测总结四、反射波法进行基桩质量检测总结时间域时间域 根据接收到的波列图中入射波、反射波、振幅、频率、相位及波的到达时，分别判别桩底反射或桩间反射。对于完整桩来说桩底反射明显，并保持桩顶平整，激振时力锤垂直激振桩的中心; 对长桩采用低频大能量激振，为获得低频激振信号，在激振时需垫上胶垫，使应力波易于传播并能得到较好的桩底反射。 检测时用黄油或橡皮泥将传感器紧贴在桩顶上，其位置要与激振点保持一定距离。 图6.1-6 扩径桩实测波形曲线1. 扩径模型桩实测波形曲线 图6.1-6是扩径模型桩实测波形曲线。该桩桩长8m，桩径0.4m。从实测波形分析，入射波t0 =1.77

4、m，扩径位置反射波t1=3.37ms，其相位与入射波相位相反; 二次反射波t2=4.97ms，其相位与入射波相位相同，与扩径位置反射波相位相反，时间为二倍关系。桩底反射波时间t3=5.77ms，波速：)/(400077. 177. 58*22smtLvp 图图6.1-7 6.1-7 大型超长桩实测波形曲线大型超长桩实测波形曲线图6.1-7是大型超长桩实测波形曲线，该桩桩长52m，桩径1.0m，检测时龄期在一个月以上。从实测波形分析，入射波t0 =4ms，桩身无桩间反射，桩底反射时间为t1=28.48ms，波速值vp =(2x52)/(28.48-4)=4248m/s此桩判定为完整好桩。3.缩扩

5、径桩和扩缩径桩实测波形曲线 工程检测中，桩身存在缩径的同时也伴随有扩径现象。或桩身存在扩径的同时也伴随有缩径现象。实测波形图6.1-8和图6.1-9是具有代表性的两种波形曲线。图 6.1-8是桩身存在缩扩径，而缩径界面的反射波又出现二次反射。图图6.1-8 6.1-8 缩扩径实测波形曲线缩扩径实测波形曲线入射波t0=3.28ms，缩径界面的反射波t1=6.8ms，其相位与入射波相位相同，二次反射波t3=10.3ms，其相位与入射波相位相同，时间与缩径界面反射波t1成倍数关系。扩径位置反射波t2=7.63ms,其相位与入射波相位相反。 图图6.1-9 6.1-9 扩缩径实测波形曲线扩缩径实测波形

6、曲线 桩底反射时间t4 =19.92ms，桩长30m，桩径为1.5m，经计算波速v=3613m/s。 图6.1-9是桩身存在扩缩径，而入射波t0=1.6ms，扩径位置的反射波t1=3.55ms,其相位与入射波相位相反。 缩径位置的反射波t2=4.0ms，其相位与入射波相位相同。 桩底反射时间t3=11.25ms，桩长为19m，桩径为1.2m，经计算波速为v=3958m/s 严重缺陷桩实测波形曲线严重缺陷桩实测波形曲线凡是出现断桩，其波形均出现不规则且有明显桩间反射，缺陷严重的断桩在断桩界面可出现多次反射波，一般无桩底反射，如图6.1-10所示。 图图6.1-10 6.1-10 严重缺陷桩实测波

7、形曲线严重缺陷桩实测波形曲线 图6.2.1 常时微动测量方法示意图 1.放大器;2.示波器;3.磁带机;4.短周期拾震器; 5.长周期拾震器; 6.井中拾震器(二)资料处理 常时微动的资料处理方法主要有两种，一种是周期频度分析法，另一种是频谱分析法。 周期频度法是通过计算各种周期成分的波所出现的次数，从而得出波形和周期特性。周期频度法多以手工进行，随着计算机的普及使用，频谱分析法已基本取代周期频度法。 对常时微动进行频谱分析，通常采用功率谱分析法。设常时微动为时间的函数，用x(t)表示，对其进行傅氏积分) 1 . 2 . 6()(21)(dtetxxti利用x()及其共扼复数x*()，还可以求

8、得功率谱P()，即 )2 . 2 . 6()()(1)(*XXTp 实际解释中，将明显混入噪声的时间段剔除不用，用各时间段波形功率谱的算术平均值求平均功率谱P() 3 . 2 . 6()(1)(1NnnpNp一般取10s为一个时间段，大约做二十个时间段的功率谱，取平均值，就能得到该观测点的稳定的功率谱值。 根据相关函数与能量谱密度的关系，对功率谱进行傅氏变换就得到自相关函数R()该值越大，相关程度越好，且相关函数相邻峰值的时间差，即为该波形的卓越周期。)4 . 2 . 6()()(depRi 常时微动的振动特性与地基的构造和振动特性有关。试验表明，冲积砂土的优势频率较高，冲积粘土的优势频率较低

9、，呈现出地基越软弱，优势频率越低的倾向。 三、有关地基和建筑物振动特性 (一)地基的振动特性 (二)建筑物的振动特性 建筑物的振动特性与建筑物的高度、结构、构造有关，同时也与地基的构造有关。低矮建筑物的振动特性主要由地基的常时微动所引起。为了解振源特性可同时测量地基的常时微动。 一般来说，建筑物越旧，高度越高，材料越柔，地基土越软，其自振频率越低。判定建筑物的新旧和质量好坏，可通过长期监测，并根据动态特性的变化来进行。 高层建筑物的常时微动一般认为是地基的常时微动和风造成的，测量时需注意风的影响。测量表明，建筑物的刚性增加，固有周期缩短。建筑物的优势周期长边方向和短边方向是不相同的建筑物的优势

10、周期长边方向和短边方向是不相同的，低层建筑 (5层以下)长边方向的优势周期比短边方向短，而高层建筑 7层以上长边方向的优势周期大多比短边方向长。 建筑物的高度越高，其优势周期较长。有一个数值分布范围。 高度相同的建筑物优势周期不同，可以用地基条件不同来解释。建筑在坚硬地基上的建筑物，其优势周期较短，因地基的S波速高，故优势周期短。 四、常时微动资料的应用 (一)卓越周期划分地基土类别 由于常时微动与地基的固有振动特性密切相关，因此在土木工程建筑和地震小区划中，经常利用常时微动的观测结果进行地基分类. 即地基从I类到IV类逐渐变软，常时微动周期变长。 在日本判定的四种场地类别如下: 第1类:基岩

11、、硬砂砾层和第三纪前 地层构成的地基。 第II类:砂砾层、掺砂硬粘土层和洪 积层构成的地基。 第III类:冲积层。 第IV类:腐殖土，特别软弱的冲积层 和填土层。 在日本 道路桥规范中规定，在做抗震设计时，原则上以地基特性值（卓越周期）Tg来划分地基种类: 第I类:Tg0.2 第II类:0.2Tg0.4 第III类:0.4Tg0.6 第IV类:0.6Tg 这个Tg实际上是基于1/4波长法则的地基固有周期，与常时微动的卓越周期相当。 (二)地震小区域的划分 大地震对房屋的破坏率与场地常时微动卓越周期有相关关系例如日本的旧民房基本是木制的，其固有周期在0.4s左右，房屋破坏主要是由于共振作用造成的

12、。1966年河北邢台地震时，在某个裂度异常区观测地面常时微动时发现:表层黄土较薄、卓越周期小于0.1s的地区，房屋破坏很轻; 表层黄土较厚、卓越周期稍长 (0.17-0.23s)的地区，房屋破坏严重。1976年对唐山地震常时微动的观测也表明，震害与常时微动周期频度谱形状有一定关系，频谱宽的震害一般较重。 震害与卓越周期存在着一定的关系，地震灾害在很大程度上取决于地基的振动特性，而常时微动反映了场地土的动力特性，许多城市小区划都把常时微动的观测作为场地土动力特性调查的一个手段。 在进行建筑物抗震设计时，要使建筑物自振周期远离场地土卓越周期，以免地震时发生共振。 依据振动特性对地基的小区划分，对于

13、预测震害是非常有用的基础资料。 (三)判断砂土液化 1983年日本的秋田、青森县受7.7级地震破坏，地基的砂土液化造成的震害比较突出。 非液化地点与液化地点的土层物理特性有明显不同。非液化地点常时微动的频谱比较简单，后者则较复杂；他们归纳了液化地点和非液化地点常时微动谱的形态特征，将其分成a型谱与b型谱，如图6.2-2所示。 研究表明，常时微动观测有可能成为地震液化预测研究的一个重要手段。常时微动属被动式地震法的一种，只能从整体上给出地基动态特性。图图6.2-2 6.2-2 液化与非液化地点常时微动谱分析结果液化与非液化地点常时微动谱分析结果 瑞雷波勘探方法是近年来发展起来的浅层地震勘探新方法

14、。由于瑞雷波速度同剪切波速度及岩、土力学参数有着密切的关系， 因此在岩、土工程和地基处理方面得到广泛的应用。 从方法上讲，瑞雷波勘探有频率域观测的稳态法和时间域观测的瞬态法两种第三节第三节 瞬态瑞雷波勘探技术瞬态瑞雷波勘探技术一、瞬态瑞雷波勘探原理一、瞬态瑞雷波勘探原理 瞬态瑞雷波法是用锤击使地面产生一个包含所需频率范围的假设离震源一定距离处有一观测点A，记录到的瑞雷波是f1(t)，根据傅里叶变换，其频谱为在波的前进方向上与A点相距为x 的观测点B同样也记录到时间信号f2(t)，其频谱是) 1 . 3 . 6()()(11dtetfFti)2 . 3 . 6()()(22dtetfFti若波从

15、A点传播到B点，它们之间的变化完全是频散引起的，则应有下列的关系式vR()是圆频率为的瑞雷波的相速度。上式也可写成()21( )( )(6.3.3)xvRiFFe)4 . 3 . 6()()(12ieFF)(/Rvx)5 . 3 . 6(/2)(xfvR式中是F1()和F2 ()之间的相位差,比较式 (6.3.3)和 (6.4.4)可知根据上式，只要知道A、B两点间的距离x和每一频率的相位差，就可以求出每一频率的相速度vR () .为得到勘探点的频散曲线，需要对两观测点的记录作相干函数和互功率谱的分析。 作相干函数的目的是对记录信号的各个频率成分的质量作出估计，并判断噪声干扰对有效信号的影响程

16、度。 作互功率谱的目的是利用互功率谱的相位特性求出这两个观察点在各个不同频率时的相位差，再利用 (6.3.5)式求出相速度，当我们已知频率为f的瑞雷波速度vR 后，其相应的波长为R R =vR/f (6.3.6) 瑞雷波的能量主要集中在介质的自由表面附近，其深度大体在一个波长深度范围内，由半波长理论，所测量的瑞雷波的平均波速vR 可以认为是半波长深度处介质的平均弹性性质，即勘探深度是 H=R/2=vR/2f (6.3.7)由(6.3.7)可知，频率越高，波长R越短，勘探深度越小;反之，频率越低，波长R越长，勘探深度越大。 两个观测点之间的距离也要随着波长的改变而改变。对于勘探较深的低频而言，x

17、要大，才能测到较为正确的相位。对于勘探较浅的高频来说，x要小。根据实际经验，x 取1/3R -2R 间较为合适，即 5 . 03xR说明：在一个波长内的采样点数，要小于在间距x内的采样点数的三倍，大于在x内的采样点数的0.5倍。 这个滤波准则要针对不同的仪器分辨率和场地的实际情况做适当调整 根据以上讨论，同一波长的瑞雷波传播特征反映了地质体水平方向的变化情况，不同波长的瑞雷波传播特性反映了不同深度地质体的变化情况实际工作中。为了提高效率，瑞雷波勘探时，在地面上沿波的传播方向，以一定的道间距x设置N+l个检波器,我们就可以检测到Nx长度范围内瑞雷波的传播特征。 对于频率为fi 的频率分量，进行互

18、谱分析时，计算得到相邻检波器记录的相移i，得相邻道x长度内瑞雷波的传播速度；)7 . 3 . 6(/2iiRixfv在满足空间采样定理的条件下，测量范围Nx内的平均波速为在同一测点对一系列频率fi求取相应的vRi值，就可以得到一条vR-f曲线，即频散曲线。 根据 (6.3.6)式，可将vR-f曲线转换为vR-R曲线，vR-R曲线反映出该测点介质深度上的变化规律。沿测线不同点的vR-R曲线则反映了介质沿剖面方向上的变化特征)8 . 3 . 6(/21NjijiRixNfv 资料处理工作主要包括:对原始记录的整理和评价，提高信号质量的处理（切除处理、频率滤波、能量衰减等），面波速度的计算和结果的输

19、出。 频率滤波是数据处理中最常见的处理手段，它可以消除各种干扰。瞬态瞬态瑞雷波法资料处理瑞雷波法资料处理 对于浅层勘探，保留高频成分，对于较深目的层保留低频成分。对于中等深度勘探，要合理选择通频带，以降低干扰，使资料质量得到改善，并最终减小对频散曲线的影响。 切除处理可以把直达波和折射波等部分地消除，从而保留下来较纯的面波，切除以后可以大大改善频散曲线的计算结果。 能量衰减也是一种数据处理手段，它可以对一定时窗内的地震波进行能量衰减控制。由于地震记录中面波能量最强，因此增益处理以后，可以使相对较弱的反射波、直达波等幅值减小，使其在计算频散曲线时相关系数变小，从而达到减少干扰的目的。 一般而言，

20、增益处理后计算的频散曲线更加平滑，且对深层目标反映的更清楚，不利之处是这种平滑可能会便面波勘探的分辨率降低，并产生低频段的低速假象。 经以上对原始记录的整理和处理后，需要确定面波速度vR。由式 (6.3.5)，首先确定两接收点间的相位差.因此就要对两观测点的记录作互功率谱的分析。 如果两观测点的时域记录为f1(t)和f2(t)，其频谱分别为F1(f)和F2(f)的自功率谱可分别表示为：其中的F1*(f)和F2*(f)为F1(f)和F2(f)的复共扼谱。)10. 3 . 6()()()()()()(*2222*1111fFfFfSfFfFfSf1(t)和f2(t)的互功率谱为 可见互功率谱中的相

21、位谱反映了包含在面波中的相应单频波的相位差. 在互功率谱函数中，并非对所有频率成分都有效，衡量某频率成分是否有效的方法是用相干函数相干函数)11. 3 . 6()()()()()()()(21*21*1221fiefFfFFfFfFfFfS 检测面波由测点A向测点B传播时，是否有良好的相干性。定义相干函数 上式中G(f)的模应恒为1，可通过G(f)的实部进行相干性评价。如果在传播过程中系统是理想的，则该频段内 G(f)的实部绝对值应接近1，若由于干扰和系统的非线性使信号的质量下降，G(f)实部的绝对值将下降。)12. 3 . 6()()()()()(2211*2121fSfSfSfSfG一般选择其值大于0