钻孔桩低应变反射波法上课用1课件

第十一章钻孔灌注桩检测钻孔灌注桩的检测内容（一）施工前的检测

（原材料检验、配合比检验、施工机具检验）（二）施工过程检测（检测筑岛、检测护筒、泥浆检验、混凝土质量检验）（三）桩完整性检测（桩完整性检验、承载力检验）补充：灌注桩的施工（一）设计分类：

1、摩擦桩：（1）承载原理：主要考虑桩周土体摩擦承载。（2）影响因素：桩周土层土质、设计桩长及桩径，桩底承载力一般仅考虑10%左右。

2、端承桩：（1）承载原理：主要考虑桩底岩体支撑。（2）影响因素：桩底岩层强度及嵌入深度、桩体自身强度、刚度。浇筑工艺：1、水下浇筑：

水中内置导管，导管内首盘砼料封住至一定埋深，砼通过导管逐步注入，使孔中水及沉渣由导管外溢出，至桩顶。（见图1）2、干孔灌注：

砼通过导管连续灌入，直至灌满。（见图3）补充：灌注桩的施工常见缺陷：

1、水下灌注：

（1）断桩（全断面夹泥或夹砂）（2）局部截面夹泥或缩颈（图2）（3）集中性气孔（4）分散性泥团及“蜂窝”状缺陷（图2）（5）桩底沉渣或泥浆沉渣层过厚（6）桩头低强区（7）桩孔深度不够2、干孔灌注：

（1）因地下水漏入而形成的砼层状离析，严重时成断桩（2）砼局部严重离析（3）因护筒渗漏而形成的局部夹泥或“蜂窝”状缺陷（4）桩底沉渣（图3）补充：灌注桩的施工（二）施工过程检测

成孔质量检验及质量标准一、孔径检测（１）必须在桩孔成孔后、下钢筋笼前进行．（２）检测方法：用制作好笼式井径器入孔二、孔形检测（１）检测方法开挖检测和超声波检测（2）开挖检测一般在工程试桩结束，直接观察桩身形状的相应土层中的变化。三、孔深和孔底沉渣检测（1）采用标准测锤检测四、桩孔竖直度检测（1）采用钻杆测斜法五、桩位检测（二）施工过程检测

清孔的质量要求和检测方法一、质量要求摩擦桩：孔底沉淀土的厚度不大于设计规定;清孔后的泥浆性能指标满足规定要求；支承桩：灌注混凝土前，孔底沉淀土的厚度不大于设计规定；二、沉淀土厚度的检测方法沉淀土厚度的测算基准面：（1）用平底钻锥和冲击、冲抓锥时，沉淀土厚度从锥头或冲抓锥底部所到达的孔底平面算起；（2）用底部带圆锥的笼式锥头时，沉淀土厚度从锥头下端的圆锥体高度中点标高算起．检测方法：；（１）取样盒检测法；（２）测锤法；（３）声纳法；（４）电阻率法（５）电容法

（二）施工过程检测

泥浆性能指标检测—粘度检测粘度η定义：液体或混合液体运动时各分子或颗粒之间产生的内摩阻力（frictionresistance）。检测方法：用标准漏斗粘度计测定，用两端开口量杯分别量取200mL和500mL泥浆，通过滤网滤去大砂砾后，将泥浆700mL均注入漏斗，然后使泥浆从漏斗流出，流满500mL量杯所需时间（s），即为所测泥浆的粘度。校正方法：漏斗中注入700mL清水，流出500mL，所需时间应是15s，其偏差如超过±1s，测量泥浆时应校正。（二）施工过程检测

泥浆性能指标检测—失水量失水量（mL/30min）和泥皮厚（mm）定义：泥浆在钻孔内受内外水头压力差的作用在一定时间内渗入地层的水量，以mL/30min为单位。检测方法：（1）失水量检测：用一张120mm×120mm的滤纸（filterper），置于水平玻璃板上，中央画一个直径30mm的圆圈，将2mL的泥浆滴于圆圈中心，30min后，量算湿润圆圈的平均半径，减去泥浆坍平成为泥饼的平均半径（mm）即失水量。（2）泥皮厚检测：在滤纸上量出泥饼厚度（mm）即为泥皮厚。泥皮愈平坦、愈薄，则泥浆质量愈高，一般不宜厚于2～3mm。（二）施工过程检测

钻孔灌注桩的混凝土质量检测１．桩身混凝土抗压强度符合设计规定；每根桩取混凝土抗压强度试件组数为2-4组，检测结果应满足混凝土质量检验要求２．检验方法和数量应符合设计要求（三）桩完整性检测桩基础检测方法：（一）直观检测主要检验桩身完整性（二）辐射能检测主要检测桩身完整性（三）静力检验主要估算单桩承载力（四）动力检测具有检验桩身完整性和单桩承载力的功能（三）桩完整性检测-应力波反射法基桩动力检测：

通过对桩的应力波传播特性的测定和分析来评价桩的完整性，推算桩的承载力、桩侧和桩端岩土阻力及打桩应力的检测方法；桩身完整性：

反映桩身长度和截面尺寸、桩身材料密实性和连续性的综合状况；桩身缺陷：

指桩身断裂、裂缝、缩颈、夹泥、离析、蜂窝、松散等现象；低应变反射波法：

在桩顶施加低能量冲击荷载，实测加速度响应时程曲线，运用一维性波动理论的时域和频域分析，对被检桩的完整性进行评价的检测方法。频率域主要参数：频率、相位、周期、幅值时间频主要参数：波速、走时、力值、阻抗

周期T

相位相同的相邻的波之间所经历的时间。频率f

周期的倒数，Hz。混凝土超声检测使用频率20~200kHz。振幅A

波动的幅度，表征波的强弱，以屏幕上波高度的毫米数、输出电压值或分贝（dB）表示。波长λ

声波波动一次所传播的距离。波速v

单位时间波传播的距离，m/s。1.2.2波形参数（三）桩完整性检测-应力波反射法

二、基本原理反射波法源于应力波理论。基本原理是在桩顶进行竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，在桩身存在明显波阻抗界面（如桩底、断桩或严重离析等部位）或桩身截面积变化（如缩径或扩径）部位，将产生反射波。一、适用范围：1、实测桩顶速度响应信号的特征来检测桩身混凝土的完整性2、判定桩身缺陷位置及影响程度3、推定缺陷类型及在桩身中的位置4、可以对桩长进行校核5、对桩身混凝土强度等级做出估计6、判断桩端嵌固情况适用于混凝土灌注桩和预制桩等刚性材料桩的桩身完整性检测三、特点：

便捷、价廉、便于普查纵波(P波)

介质质点的振动方向与波的传播方向一致。纵波的传播是依靠介质时疏时密（即时而拉伸，时而压缩）使介质的容积发生变形引起压强的变化而传播的，和介质的容变弹性有关。任何弹性介质（固体、液体、气体）在容积变化时都能产生弹性力，纵波可以在任何固体、液体、气体中传播。横波的传播是使介质产生剪切变形时引起的剪切应力变化而传播，和介质切变弹性有关。由于液体、气体无一定形状，其形状发生变化时不产生切变应力，所以液体、气体不能传播横波,横波只能在固固体中传播。2、横波(S波)

介质质点的振动方向与波的传播方向垂直。（三）波速与各弹性模量之间的关系波长的定义是弹性波在一个振动周期T内所传播的距离，如果波速为C则波长λ有反射波法测桩所用的频率低，满足λ＞D，及D＜L（D为桩径，L为桩长），所以这时所测的是杆状的拉伸波（纵波）波速。

1．反射定律入射线、反射线和法线在同一个平面内，入射波P、反射波P1、透射波P2PP1P2x=nP1C2P2C2图5.6垂直入射的反射、透射2．形成反射波的条件 当R=0时，即Z2=Z1，不产生反射——均匀介质； 当R≠0时，即Z2≠Z1，产生反射——非均匀介质，此时存在着差异波阻抗的反射界面（产生反射波的条件）。R---应力反射系数

Z---桩身截面力学阻抗

3．透射定律 当入射波通过反射界面形成透射波时，由于分界面两侧波传播的速度不同，透射波的射线要改变入射波射线的方向而发生偏折，偏折程度的大小决定于透射定律：入射线、透射线位于界面的两侧；入射线、透射线、法线在同一个射线平面内；入射角的正弦与透射角的正弦之比等于入射波和透射波速度之比。 基桩检测中，如基桩桩头截面倾斜且存在二至三层非水平的波阻抗面（即缺陷有两至三个），并假设波速是递增的，即C1＜C2＜C3，透射波射线逐层偏折，直至桩边，然后在桩内垂直于桩头方向反复反射，这种现象称透射损失。此时难以观测到桩底的反射波。声波在介质界面的反射和折射声波在传播过程中，由一种介质到达另一种介质，在两种介质的分界面（界面）上，声波会发生方向和能量的变化：一部分声波被反射回到原来介质中，称为反射波；另一部分声波透过界面在另一种介质中继续传播，称为折射波。反射系数与透射系数的大小取决于两种介质的声学特性，具体来说取决于介质的特性阻抗Z。特性阻抗Z表征介质的声学特性，其值为介质的密度和波速的乘积，即Z=ρ×v1.5声波在介质界面的反射和折射

项目

材料

杨氏弹性模量（104MPa）泊松比σ密度（g/cm3）声速（m/s）特性阻抗ρv(104g/cm2.s)vPvS钢21.00.297.859403220470玻璃7.00.252.558003350129陶瓷5.90.232.453003100130混凝土3.00.282.445002756108石灰石7.20.312.761303200166淡水

20℃——0.998148114.8空气20

℃——0.00123430.004IRTZ1=ρ1×v1Z1=ρ2×v2R+T=1，符合能量守恒定律；Z1=Z2时，R=0，T=1，即当两种介质特性阻抗相等时，声波全部透过界面，无反射；两种介质特性阻抗相差悬殊时（Z1>>Z2或Z1<<Z2），R→1，T→0，即声波能量在界面绝大部分被反射，难于进入第二种介质。

声波在介质界面的反射和折射？为什么换能器和被测体之间需要耦合介质（黄油、水等）？超声波为什么可以探测裂缝！钢、混凝土一类固体介质特性阻抗较大，液体一类介质次之，空气的特性阻抗最小，因此，在空气与固体介质界面上，声波很难通过，绝大部分被反射。1.5声波在介质界面的反射和折射检测仪器与设备

检测系统包括信号采集及处理仪、传感器、激振设备和专用附件（一）信号采集及处理仪应符合下列规定：1、数据采集装置的模－数转换器不得低于12bit，2、采样间隔宜为10-500μs，可调3、单通道采样点不少于1024点4、放大器增益大于60dB，可调，线性度良好，其频响范围应满足5HZ-5KHZ（三）桩完整性检测-应力波反射法（三）桩完整性检测-应力波反射法（二）传感器的性能要求：选用电式加速度传感器或磁电式速度传感器，频响曲线的有效范围应覆盖整个测试信号的频带范围（三）根据桩型和检测目的，选择不同材料和质量的力锤，以获得所需的激振频率和能量（三）桩完整性检测-应力波反射法1、检查设备（激振设备、传感器等）是否连接完好，处于正常工作状态；2、桩头处理：

A、破除至新鲜坚硬砼；

B、顶面干净，贴传感器及击振点，要求打磨平滑，必要时进行烘干；

C、准备2—4个传感器贴点备用。

D、该检测应在成桩后14天左右进行（三）桩完整性检测-应力波反射法3、传感器安装（1）采用石膏黄油等结合剂，粘贴要牢固，并与桩顶垂直；（2）对于混凝土桩：安装在距桩中心1/2～2/3半径处，且距离桩的主筋不宜小于50mm，桩径小于1000mm时，不少于2个测点，桩径大于1000mm时，不少于4个测点（三）桩完整性检测-应力波反射法4、激振：可备用不同重量和材料的击锤击振，用改变初始入射波脉冲宽度或频率成分方式，采集所需波形。A、一般刚度较小的锤头，入射波脉冲较宽，含低频成分较多，加上激振能量大，波表减较慢，适合于获取长桩深度缺陷或桩端反射信号。B、刚度较大的锤头，入射波脉冲较窄，高频成分较多，加上激振能量小，适合于桩身浅部缺陷的识别和定位。（1）混凝土灌注桩的激振点宜在桩顶中心部位；（2）激振锤和激振参数通过现场比对试验选定；（3）采用力棒时，应自由下落；采用力锤敲击时，作用力方向与桩顶面垂直。（三）桩完整性检测-应力波反射法5、波形采集：A、每桩检测次数不宜少于3次，必要时可增加测点，以确认检测信号的真实性和一致性。B、对底返信号较弱波形可适当采取指数放大，以利于识别桩底。C、波形存盘要有清晰的桩号分类，以免混淆。D、对疑问桩要及时向施工一线当事人员了解异常情况，并调查施工钻孔及浇筑原始记录。（三）桩完整性检测-应力波反射法6、数据分析：1、桩身波速确定：Cm—桩身波速平均值Ci—第i根桩的桩身波速计算值L—完整桩桩长N—桩的数量△f—幅频曲线桩端相邻谐振峰间的频差，计算时不取第一和第二峰

2、桩身缺陷位置计算X—测点至桩身缺陷之间的距离

均匀桩不产生反射波，入射波以不变的波速和应力幅值与方向向下传播。若在桩的顶端安装加速度传感器，则可测得各截面反射波加速度信号（或速度信号）为零。

当在桩顶检测出的反射波速度或应力与入射波信号相位一致时，则表明在相应位置存在截面缩小；反之，当反射波信号与入射波初始信号相位相反时，则表明在相应位置存在扩颈。

7、各类桩基缺陷的时程曲线波形特征自然条件下，工程桩尖持力层刚度介于零与无穷之间，一般很难求得波速、桩长和土阻尼的关系式。但由于桩内传播的应力波满足波阵面的动量守恒和连续条件，而桩的缺陷主要由波阻抗差异面的反射波显示，故可通过反射波传播过程中波阻抗变化关系反映的实测反射波波形特征定性，半定量的判断桩身缺陷。

（1）混凝土预制桩的桩身缺陷时程曲线波形特征混凝土预制桩桩身较常见的“裂”性缺陷显示的反射波波形特征，一般浅部要较深部易于判断。无论是摩擦桩还是端承桩，缺陷波形相位均与桩头初始波、桩尖反射波同相。裂隙和裂缝缺陷反射波波形能量弱，高频成分多，初相位与初始波相位一致，极少见到二次以上反射（能量已被衰减）；难以达到设计强度的桩尖，打入时遇到坚硬土层或障碍物造成的局部碎裂缺陷反射波，与桩尖反射叠合，表现出较高频、能量弱、不规则扰动、相位不明的波形特征。

（二）混凝土灌注桩的桩身常见缺陷时程曲线波形特征如前所述，混凝土灌注桩种类较多，桩身成形条件隐蔽，并常用于高速公路桥梁、港口码头等重要工程的桩基。如施工时不符规范要求，现场记录马虎，难免不会出现各种类型桩身缺陷，笔者根据大量的实践体会，将反映在混凝土灌注桩桩身缺陷的反射波波形特征总结如下：

1．离析，ρ1＞ρ2，C1＞C2，A1=A2，同相，波形不规则，频率较低，第一反射波与初始波同相，后续反射信号杂乱，能量较弱，一般不掩盖缺陷下部桩身出现的较大的第二缺陷信号，但如果本身是第二缺陷，则信号易被第一缺陷掩盖；桩深部出现，则不易分辨。

2．断裂或夹层，ρ1＞ρ2，C1＞C2，A1=A2，同相，近水平断裂或夹泥缺陷严重时，反射波波形尖锐，相位与初始相位同相，且能量强，主频率单一夹高频成份似正弦波形，下半幅稍弱，在桩身可连续追踪二次以上等距多次反射波，难以判定桩底反射。多次反射能量逐步衰减，易于掩盖桩身第二缺陷。角度较大的斜形断裂除具上述特征外，波形呈斜状非正弦形。若二个以上断裂并存时，波形畸变，能量相互干涉，除第一断裂位置易于判断外，难以判定第二断裂位置，且出现若干个小振幅，不规则高频率波形。另外，单一的断裂或夹泥缺陷较微时，定义为裂缝，则反射振幅小，能量弱。

3．桩底沉渣过厚，ρ1＞ρ2，C1＞C2，A1=A2，同相，在端承桩情况下，若采集到较强的清晰桩尖响应信号，并与初始波同相位，此时，应判定桩底沉渣较厚，超过规范要求，因为正常情况下的端承桩，通常桩尖响应几乎无反映或微弱反映。如桩底沉渣清除特别干净，且和基岩接触，此时桩尖响应相位与初始波反相。

4．扩颈，ρ1=ρ2，C1=C2，A1＜A2，反相，波阻抗面反射波与初始相位反相，波形较规则，一般似正弦形，上半幅较小，偶尔仅见下半幅半波。如扩颈下紧接小于桩横截面的缩颈时，缩颈反射波形与初始波反向，之后出现不规则、中频率反射波，无明显缩颈特征波出现。这是由于，下行的压缩应力波行程遇到突缩的位置时，扩颈处的积聚的能量形成桩间反射，有少量于缩颈波阻抗面反射到桩头，另一小部分则透射到缩颈以下介质中。扩缩颈波阻抗面波阻抗互消，且能量相互干涉，故无法追踪到倍程信号的反射波。第三缺陷更不易分辨。

5．缩颈，ρ1=ρ2，C1=C2，A1＞A2，同相，波阻抗面反射波相位与初始波同相，波形一般比较规则，主频突出单一，较缓，似正弦波形，下半幅能量相对较弱，偶仅见上半幅半波。振幅能量随缩颈程度大小相应强弱。如果作为某桩身的第一缺陷，只要有足够的能量显示，无论位于浅部或深部，一般均易于判断。如果缩颈下紧接一扩颈缺陷，此时，缩颈的程度被削弱，扩颈也不易分辨。另外，缩颈若为的桩单侧部位，桩头传感器和敲击位于完好一侧时，反射波形上虽有反映，但能量也明显变弱，因此，当采集到某工程桩的缩颈信号时，必须移动传感器和变换敲击位置，再行采样。图6-1不同桩身阻抗变化情况时的桩顶速度响应波形(a)图6-1不同桩身阻抗变化情况时的桩顶速度响应波形(b)图6-1不同桩身阻抗变化情况时的桩顶速度响应波形(c)（三）桩完整性检测-应力波反射法测试系统：（三）桩完整性检测-应力波反射法完好桩：（三）桩完整性检测-应力波反射法缩、扩径桩：（三）桩完整性检测-应力波反射法断桩：（三）桩完整性检测-应力波反射法短桩：（三）桩完整性检测-应力波反射法较长桩：（三）桩完整性检测-应力波反射法现场检测及注意事项（1