《市政工程智慧检测》课件-低应变反射波法检测桩身缺陷

低应变反射波法检测桩身缺陷目录CONTENTS数据分析与判定4检测原理

1仪器设备

2现场检测3

公路桥梁一般采用桩基础，由钻孔灌注桩和承台组成。导入钻孔下钢筋笼灌注混凝土导入泥浆钢筋混凝土地基

钻孔灌注桩因混凝土浇筑中断、导管拔管不当、泥浆渗入混凝土等原因常出现断桩、夹泥、扩径、缩径、蜂窝、桩头强度低、沉渣过厚、桩长不足等缺陷，影响结构安全。检测原理

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低应变反射波法检测桩身缺陷的原理基于一维弹性杆波动理论，其核心是通过分析应力波在桩身传播过程中的反射信号来判定桩身完整性‌。

在桩顶锤击力作用下，产生一压缩波，此波以波速c沿桩向下传播。截面的桩阻抗任何变化都使部分入射波产生反射。1.检测原理一维杆Z3Z1Z2

桩阻抗是其横截面积、材料密度和弹性模量的函数：Z—桩的广义波阻抗(N·s/m)；

E—桩的弹性模量(N/m2)；

A—杆件的面积(m2)；c—桩的弹性波速度(m/s)；

ρ—桩的质量密度(kg/m3)；ρc—桩的波特性阻抗或波阻抗率(kg/m2·s)。1.检测原理一维杆Z3Z1Z2Z

EA/

c

cA

假设桩中某处阻抗发生变化，当应力波从介质I(阻抗为Z1)进入介质II(阻抗为Z2)时，将产生速度反射波和速度透射波。令桩身质量完整性系数β=Z2/Z1，反射系数为α，则有：1.检测原理Z1

Z2

Z3入射波反射波At𝑅𝛼

= =𝑇 𝑣2𝑇𝑣2𝑅

𝑍2𝑣2𝑅=𝑍

𝑣2

2𝑇122 1𝑍1

−

𝑍2 1−

𝑍2Τ𝑍1 1−

𝛽= = =𝑍 +

𝑍 1+

𝑍

Τ𝑍 1+

𝛽①若β=1，Z1=Z2时，α=0说明界面无阻抗差异，即没有反射波。②若β<1，Z1>Z2时，α>0说明界面阻抗变小，出现与入射波同相的反射波。③若β>1，Z1<Z2时，α<0说明界面阻抗变大，出现与入射波反相的反射波。仪器设备22.仪器设备信号采集及处理仪传感器激振设备2.仪器设备（1）信号采集及处理仪

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）放大器增益宜大于60dB，可调且线性度良好，其频响范围应满足5Hz~5kHz。2.仪器设备（2）传感器

1）传感器宜选用压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。

2）加速度传感器的电压灵敏度应大于100mV/g，电荷灵敏度应大于20PC/G，上限频率不应小于5kHz，安装谐振频率不应小于6kHz，量程应大于100G。

3）速度传感器的固有谐振频率不应大于30Hz，灵敏度应大于200mV/cm·s-1，上限频率不应小于1.5kHz，安装谐振频率不应小于1.5kHz。2.仪器设备（3）激振设备—金属锤、尼龙锤、橡胶锤

1）锤激能量：其大小取决于锤的质量和下落速度。对大直径长桩，应选择质量大的锤或力棒，以产生主频率低、能量大的激励信号，获得较清晰的桩底反射信号，但这时桩身的微小缺陷会被掩盖。

2）锤头材料：锤头材料硬，产生的高频脉冲波有利于提高桩身缺陷的分辨率，但高频信号衰减快，不容易探测桩身深部缺陷；锤头材料软，产生的低频脉冲波，衰减慢，有利于获得桩底反射信号，但降低了桩身缺陷的分辨率。

3）脉冲宽度：小钢锤的脉冲宽度约为0.6ms，尼龙锤约为2.0ms，橡皮锤约为4.0ms。激振脉冲宽度大，有利于探测桩身的深部缺陷，但波长大于缺陷尺寸时，由于波的绕射作用，桩身内的小缺陷不容易识别，从而降低了分辨率；激振力脉冲宽度小，应力波频率高，波长短，有利于对桩身小缺陷的分辨率，但在桩浅部不能满足一维弹性杆件的平截面假定条件，会出现接收信号波形畸变。现场检测33.现场检测准备工作传感器安装采样激振3.现场检测（1）准备工作1）现场调查，搜集资料：工程地质、基桩设计图纸和施工记录、监理日志等，了解施工工艺及施工过程中出现的异常情况，明确被检测桩号。2）选择与安装仪器：选择合适的激振设备、传感器及检测仪，检查测试系统各部分之间是否连接良好，确认整个测试系统处于正常工作状态。

3）磨平激振点与测点：桩顶应凿至新鲜混凝土面，并用打磨机将测点和激振点磨平。

4）检测时间：混凝土灌注桩的检测宜在成桩14d以后进行。

5）参数设置：采样频率f为0.5~2000，采样点数N为1024，桩径、桩长等也应设置。3.现场检测（2）传感器安装

1）传感器的安装可采用石膏、黄油、橡皮泥等耦合剂，粘结应牢固，并与桩顶面垂直。2）对混凝土灌注桩，传感器宜安装在距桩中心1/2～2/3半径处，且距离桩的主筋不宜小于50mm。3）当桩径不大于1000mm时不宜少于2个测点；当桩径大于1000mm时不宜少于4个测点。3.现场检测（3）激振

1）混凝土灌注桩、混凝土预制桩的激振点宜在桩顶中心部位。2）短桩或浅部缺陷桩的检测宜采用轻锤短脉冲激振；长桩、大直径桩或深部缺陷桩的检测宜采用重锤宽脉冲激振，也可采用不同的锤垫来调整激振脉冲宽度。3）采用力棒激振时，应自由下落；采用力锤敲击时，应使其作用力方向与桩顶面垂直。3.现场检测（4）采样

1）各测点的重复检测次数不应少于3次，且检测波形具有良好的一致性。2）信号幅值适度，波形光滑，无毛刺、振荡出现，信号曲线最终归零。3）当干扰较大时，可采用信号增强技术进行重复激振，提高信噪比；当信号一致性差时，应分析原因，排除人为和检测仪器等干扰因素，重新检测。数据分析与判定44.数据分析与判定缺陷位置分析时域分析频域分析缺陷类型分析缩径、扩径、蜂窝夹泥、断桩沉渣、桩长、强度等基桩完整性判定Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类4.数据分析与判定（1）缺陷位置分析—时域分析

1）确定混凝土波速c

当桩长已知、桩底反射信号明确时，选用相同条件下（地质条件、设计桩型、成桩工艺相同）不少于5根I类桩的桩身波速平均值确定桩身波速平均值。混凝土强度(MPa)C15C20C25C30C35C40波速范围(km/h)2500~30003000~35003500~38003700~40003900~42004100~4500特征波速(km/h)280032003650395041004300不同强度等级混凝土的波速4.数据分析与判定（1）缺陷位置分析—时域分析

2）计算桩身缺陷位置

当桩身有缺陷但测不到桩底信号时，可根据本地区、本工程同类桩型的波速测试值，按下式计算桩身缺陷x的位置：x—桩身缺陷至传感器安装点的距离(m)；tx—速度波第一峰与缺陷反射波峰间的时

间差(ms)；c—受检桩的桩身波速(m/s)，无法确定时用cm值代替；f—幅频曲线上缺陷相邻谐振峰间的频差(Hz)。4.数据分析与判定（1）缺陷位置分析—频域分析

尽管现场动测时的时域信号能较真实地反应桩身情况，但许多实测曲线不可避免地夹杂着许多干扰信号，这给时域分析带来困难，因此对测试信号进行频域分析是必要的。

如桩存在缺陷，其缺陷处距桩顶距离

L’与两阶谐振峰频率之差的关系式如下：Δf’—两阶谐振峰频率之差；fn’—第n阶谐振峰频率；fn-1’—第n-1阶谐振峰频率。4.数据分析与判定（2）缺陷类型分析—缩径

当ρ1=ρ2，c1=c2，A1>A2时，可得Z1>Z2，波阻抗面反射波与初始波同相。此时波形一般比较规则，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。

如果缩径作为某桩身的第一缺陷，一般均易于判断。如果缩径下紧接一扩径缺陷，此时缩径的程度被削弱，扩径也不易分辨。如果缩径为桩单侧部位，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，因此必须移动传感器和变换敲击位置，再进行采样。Z

EA/

c

cAZ1

Z2 Z34.数据分析与判定（2）缺陷类型分析—扩径

当ρ1=ρ2，c1=c2，A1<A2时，可得Z1<Z2，波阻抗面反射波与初始波反相。此时波形较规则，一般似正弦形，上半幅较小，偶尔仅见下半幅半波。

如果扩径下紧接小于桩横截面的缩径时，缩径反射波形与初始波反向，之后出现不规则、中频率反射波，无明显缩径特征波出现。这是由于下行的压缩应力波行程遇到突缩的位置时，扩径处积聚的能量形成桩间反射，有少量于缩径波阻抗面反射到桩头，另一小部分则透射到缩径以下介质中。扩缩径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。Z1Z2Z3Z

EA/

c

cA4.数据分析与判定（2）缺陷类型分析—离析

当ρ1>ρ2，c1>c2，A1=A2时，可得Z1>Z2，波阻抗面反射波与初始波同相。此时波形不规则，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。如果本身是第二缺陷，则信号易被第一缺陷掩盖；如果桩深部出现，则不易分辨。Z1Z2Z3Z4Z

EA/

c

cA4.数据分析与判定（2）缺陷类型分析—断裂或夹层

当ρ1>ρ2，c1>c2，A1=A2时，可得Z1>Z2，波阻抗面反射波与初始波同相。

近水平断裂或夹泥缺陷严重时，反射波波形尖锐且能量强，主频率单一夹高频成份似正弦波形，下半幅稍弱。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。

单一的断裂或夹泥缺陷较微时，定义为裂缝，反射振幅小，能量弱。两个以上断裂并存时，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。Z

EA/

c

cAZ1Z2二次反射三次反射4.数据分析与判定（2）缺陷类型分析—桩底沉渣过厚

当ρ1>ρ2，c1>c2，A1=A2时，可得Z1>Z2，波阻抗面反射波与初始波同相。

正常情况下，端承桩的桩尖响应几乎无反映或微弱反映。若采集到较强且清晰的端承桩桩尖响应信号，并与初始波同相位，此时判定桩底沉渣较厚，超过规范要求。

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。Z

EA/

c

cAZ14.数据分析与判定（3）桩基完整性判定

桩身完整性分析宜以时域曲线为主，辅以频域分析，并结合施工情况、岩土工程勘察资料和波形特征等因素进行综合分析判定。类别时域信号及频域特征分类原则I类桩桩底反射波较明显，桩身无缺陷反射，频谱图中谐振峰排列基本等间距，混凝土波速处于正常