经典低应变反射波法的基本原理

一、低应变反射波法的基本原理低应变反射波法是以一维弹性杆平面应力波波动理论为基础的。将桩身假定为一维弹性杆件（桩长直径） ，在桩顶锤击力作用下，产生一压缩波，沿桩身向下传播，当桩身存在明显的波阻抗 Z 变化界面时，将产生反射和透射波，反射的相位和幅值大小由波阻抗 Z变化决定。桩身波阻抗 Z 由桩的横截面积 A、桩身材料密度 等决定:Z=CA假设在基桩中某处存在一个波阻抗变化界面，界面上部波阻抗 Z1=1C1A1，上部波阻抗 Z2=2C2A2。当 Z1=Z2 时，表示桩截面均匀，无缺陷。当 Z1Z2 时，表示在相应位置存在截面缩小或砼质量较差等缺陷，反射波速度信号与入射波速度信号相位一致。当 Z1 低应变实测波速 高应变实测波速。超声波检测混凝土强度的方法和声波透射法基本一致。8、联线接头及信号线的保护仪器与传感器之间通过联线进行连接，接头部位是最容易出问题的地方，无论是传感器接头、信号线接头和电源线接头，都存在硬软交接现象，一般均通过焊接、硅胶和线卡固定，承重能力和抗折拉能力较差，因此对于这些部位在加强衔接、增大接触部位摩擦力、延长硬软变换缓冲带（一般由厂家负责）的同时，实际使用过程中，应尽量避免承重和大力折拉，转场时应用手握住传感器，如果将传感器吊在半空，极容易导致接头处脱落。信号线除重点保护接头外，自身的老化和折拉变形也会严重降低寿命和使用的可靠性，贮存和装箱时信号线不应长期处于折拉状态，也不应长期与易腐蚀物质相处，泥砂、盐碱、污渍应及时清洗，利用小型辘轳或线盘收放信号线是合适的，现场测试时，还应尽量避免大力牵拉和甩动信号线；为防止行人拌动，信号线接头部的前端务必固定。一旦绝缘电阻降低或接触不良以至无法使用的信号线最好弃旧购新。对于速度计而言，普通（橡胶外套含双屏蔽的）音频线可以代用。加速度计必须购买低噪声电缆线，接头也必须用专门工具安装，非常麻烦。正因如此，现场保护联线和接头十分重要。实际使用中，一些人员忽略了对联线和接头的保护，往往造成信号线的损坏，然后自行联接信号线，并用普通电工用黑纱布进行包箍，实测结果表明，在潮湿地区它们均存在严重的干扰，拆开后发现，绝大部分被包箍的线头均存在不同程度的锈蚀，这说明普通电工纱布不能防水，因而在野外工程试验中也不能起到较好的绝缘作用。因此应该说，单纯用这类纱布包线不合适甚至适得其反的。正确的处理办法是选用防水绝缘胶布包箍连接部位，正确的接线方式应当如下：焊好芯线和屏蔽线，各自裹数层绝缘防水胶布。在二线的外边，屏蔽层未达到的部位包一层锡箔纸，然后再用防水胶和黑纱布箍紧。打结或其它办法处理，提高连接处的抗拉能力。低噪声电缆线连接更加麻烦，一般尽量不要增加中间环节，一根线捅到底最好。9、仪器自触发、不触发的检查经常有测试人员反映 RSM24FD 浮点工程动测仪老是自触发，有时又不触发，事后检查，仪器没有任何毛病，工作状态一切良好，那么到底应当怎样检查仪器的触发是由仪器故障还是传感器故障还是联接电缆故障造成的呢？首先谈谈传感器故障对仪器触发的影响：速度计用万用表测量其内阻一般在 500-600 之间。当速度计内阻为 0（即短路）时，仪器采样时应不触发；当速度计内阻为无穷大（即开路）时，仪器采样时应自触发。加速度计用万用表很难测量其内阻阻值。但当加速度计内阻为 0（即短路）时，仪器采样时应自触发；当加速度计内阻为无穷大（即开路）时，仪器采样时应该不触发。其次谈谈联接电缆故障对仪器触发的影响：当速度计联接电缆中信号线短路时，仪器采样时应该不触发；当速度计联接电缆中信号线断开时，仪器采样时应该自触发。当加速度计联接电缆中信号线短路时，仪器采样时应该自触发；当加速度计联接电缆中信号线断开时，仪器采样时应该不触发。那么当仪器出现自触发或不触发现象时，我们首先应将传感器及其联接电缆联接到其它的相应通道上测试，看是否有同样的现象发生，若没有同样的现象发生则表示前面那个通道出现问题，此时按 RSM 动测仪说明书上的联接图，量一量六合一接头联线相应通道的两根信号线是否通断或是否短路开路，若联线有问题可修理六合一接头联线或另购一根，若联线没有问题则表示仪器相应通道出现故障。若接到其它的相应通道上测试，仍出现同样的现象，则有可能是传感器及其联接电缆出现故障，也有可能是仪器的几个通道都出现故障，按上面的方法用万用表对传感器及其联接电缆进行测试，若有问题则对传感器及其联接电缆进行修理或另购，此时最好用一正常的传感器及联接电缆对仪器测试一下；若传感器及其联接电缆没有问题，则表示仪器的所有通道都出现故障，必须进行修理。10、时域、频域分析如何利用频域分析判断桩身完整性？先将时域信号进行适当压缩，然后作幅值谱（加速度信号系数为积分谱） ，确保频域曲线的分辨率。其次，排除干扰峰，一般来说，高频端（谷侧）如凸显单一高峰，而测试系统又有出现安装谐振之可能，那么该峰当为安装谐振峰，一般来说，此峰属 50Hz 干扰，也不应参与完整性分析。再次，寻找桩底，亦即整桩谐振峰，排除干扰后，屏幕左侧的第一（对于小桩或柔性桩而方，如桩土系统出现如动力参数法假定的那种桩土系统共振，其频率最低，因而整桩谐振峰当为第二）峰，对应的频率即为整桩谐振基频，对于明显的端承桩而言，该频率所对应的深度大约为 2 倍桩长（此时，该峰幅值远高于其它峰） ，而绝大部分情况下与桩长对应，观察谱图中是否有形态类似的谐振峰，利用相邻峰间差等于桩长和阶数增加幅值减少（它排除干扰路线后）的关系进一步判断整桩谐振峰。如谱图中有凸的谐振峰出现，读出其对应的深度（以基频待） ，并在时域加以验证，判明其是否为一缺陷。频域分析中，扩颈、缩颈、裂隙、离析缺陷有以下几点区别： 扩颈：基频约为频差的 1/2，但相应幅值远高于一阶谐振峰（一般为 2 倍以上） ； 离析：基频约等于频差，谐振峰较平缓（宽） ； 裂隙：基频约等于频差，可见较多谐振峰，谐振峰较窄； 缩颈：谐振峰特征介于裂隙与离析之间。与时域分析相比较，频域除易于判明和排除干扰源外，对于深部缺陷（包括桩底）也较时域为优。怎样利用频域时域互补分析？频域和时域分析的理论基础都来自一维波动方程（振动方程） ，只不过是求解方式和分析侧重点不同，前者以傅利叶展开和频域分析为主，后者则通过特征线及特征线上相容关系的求解，重点分析信号的时域特征，无论如何，二者的分析结果应当一致。频域分析的优点是容易识别各种与桩土特征无关的干扰成份，可以大体确认缺陷的形成部位。缺点则是计算缺陷位置的精度不够，缺陷性质不很明确，容易将深部缺陷的多阶谐振与浅部缺陷基频弄混，同一缺陷的多阶谐振峰与频差也不易寻找。时域分析的优点是缺陷性质（扩缩颈） 、缺陷位置一目了然，计算也较准确；但是各种干扰成份对其影响较大，浅部缺陷的多次反射容易与深部缺陷的反射混淆。基于上述情况，我们可以利用频域分析来判断干扰成份（特别是谐振干扰和 50Hz 交流干扰）确定缺陷位置和深部缺陷存在的可能性，为时域分析提供处理方案和参考缺陷，然后在时域中采用滤波等处理排除各种干扰，分析缺陷位置、缺陷性状和浅部缺陷，这些分析必须与频域结果对应，反过来常用于指导解释频域中存在的各谐振峰。值得一提的是，有时候时域不能确定桩底反射和深部缺陷，频域里反而有其频差或基频；频域分析还能很好地判断振源效果。在频域推求缺陷位置时，首先应将各振荡主峰视作各自缺陷的基频，其次寻找相同特征的峰点求频差（这一过程较复杂，只有慢慢体会） ，而真正正确的答案应与时域曲线结合给出。11、浅部缺陷如何判断？这里所讲的浅部主要指 3m 以内。此间断桩经常发生，也很容易判断；一般在时域中表现为大低频振荡，如是铁锤和速度计，原始信号中也可能有高频振荡，曲线严重不对称或低频与高频混叠，如进行谱分析则表现为明显的双峰，其一为 250Hz 以下，其二为1200Hz 以上（打孔）或 830Hz 左右( 手按)。加速度测试信号由于本身即是低频特性，低频振荡是断桩的主要特征，如用极小的锤轻敲可以检测出断桩部位。定点放大的测桩仪，接收的断桩信号往往太强而削波（方波样） ，不少人已经建立这种概念；但使用浮点仪时因放大倍数是自适应的，一般不会削波，这种概念必须打破。速度计一般最多只能指出 1.5m 内断桩，受其带宽限制，无法给出准确的断桩位置，只有加速度计和小锤轻敲可以完成这个任务。与加速计不同，速度存在振荡时难以在时域中看出浅部小缺陷，一般只有结合频域分析。当频域分辨率满足要求时，如果在安装谐振峰附近谱成份不干净，如出现双峰，左侧有平台或馒头状形态都表明该频率对应一浅部缺陷（视其为基频） ，谐振峰平缓或高出许多则说明该谐振峰已与缺陷频率混叠了。谐振峰右侧如有振型出现也有可能表示存在浅部缺陷。采用加速度计或“速度计低频振源”时，分析方法类似，但时域可能有同向反射特征，一般却仅表现为微小抖动或平缓。这个时候必须用高频锤和加速度计复测。浅部明显缺陷桩的动测波形特征当以重锤激振时，实测波形表现为宽峰或者大低频曲线；用轻的刚性锤激振时，为多次等间隔或下拉式等间隔振荡峰，且反射峰相对入射峰幅值较高；入射峰振幅明显高于正常桩的振幅；刚体碰撞的特性。动测发现桩身浅部明显缺陷后的处理1，核实和确定桩位、桩号；2，如果是浮浆或桩顶不密实，应凿出浮浆等，露出新鲜密实混凝土后复检；3，如果是确定浅部桩身断裂，建议开挖验证和处理；4，开挖后，将断桩以上部分截取后复检，重新判断完整性类别；5，上述处理和复测工作以及桩顶标高的变化，应在报告中加以说明。12、测试盲区是怎么回事？测试盲区来源于现场测试的一些客观现象，包含四个方面的内容：其一为传感器频响不够而导致的盲区；其二为振源或入射波波长过大导致的分辨率降低而引起的盲区；其三为桩身阻尼衰减和桩周土的作用引起的测试深度降低；其四为局部应力集中现象或应力波的三维效应导致的浅部测试不准确。传感器尤其是速度计高频响应不够，不能正确测试浅部缺陷的反映，如正常测试时它在 1200Hz 以上会曾在一安装谐振峰，那么至少 1200Hz 所对应的深度(1.5m)以内便是其测试盲区，时域分析时此盲区的深度还应加大一些，而频域分析虽有改善，但毕竟已经不准，下面将要提到这里的盲区并不意味着不能判断缺陷，只是不能准确地判断缺陷，难于识别小缺陷。速度计在低频段、相频特性和幅频特性均较差(40m)，不能很好地达到测试目的，因而深部也是其盲区之一。当缺陷尺寸小于 1/8 的入射波长时，应力波将发生绕射现象，使人们不能捕获缺陷的反射。大家都已知道的低频锤测试浅部缺陷时有难度，同样也是这一现象造成的。我们测试浅部小缺陷，往往要求大家用最轻最小最硬的金属锤乃至小铁钉正是为了提高振源频率和测试分辨率。低能量高频入射波传播时衰减严重，传递的深度有限，很难完成长大桩测试，从而造成测试深度的盲区。横躺在地表的预制桩，能测到它的多次反射，而打入地下以后，恢复时间越长越难测到它的桩底反射；泥浆护壁的钻孔灌注桩较人工挖孔桩容易捕获桩底反射；强度高，龄期长的桩在相同工艺和土耦合情况下桩底反射更清楚等等，都说明了桩周土作用和桩身阻尼衰减对信号的影响，正是这些影响使得我们的测试深度受到了很大的限制，有时极难测到桩底反射。对于长大桩而言，桩头处应力波的三维效应将使得同一缺陷对于不同部位的振源反映不同，不同位置的传感器测试效果也完全不一样，从这种意义上讲，如不进行迭加等方法处理，三维效应区域便是其盲区信号振荡怎么消除？产生信号振荡的原因是多方面的，有振源引起的，有安装引起的，有桩身浅部缺陷引起的，也有 50Hz 干扰引起的低频振荡。熟练者可以利用谱分析来区别不同因素引起的振荡。加速度计测试信号中是否有振荡应在积分成速度后观察，原始加速度信号，一般有振荡存在。消除加速度振荡的办法一方面可通过降低振源频宽（低频锤）解决，另一方面应观察传感器安装的位置是否合理、耦合剂是否恰当，加速度计是否松动，通过上述几个方面的改进，加速度计积分成速度的信号当无振荡。如仍然存在，应当是桩身缺陷引起的。改变测试地点和安装地点配以谱分析可以进一步加强判断。加速度计测试的信号积分成速度后一般可平滑，但不宜数字滤波，最多采用 0-1500Hz 以上的滤波方式。速度计的振荡大多与安装和振源有关，当安装谐振大于 1200Hz 时，可以在频域分析的基础上采取诸如(0-800Hz)的方式滤波解决，但更多的则是使用低频振源在现场直接消去振荡，如果安装谐振低于 1200Hz 则应改进安装方法或更换传感器。与加速度计测试一样，桩身浅部缺陷引起的振荡可在频域中看出。更进一步的消除振荡的办法可体会岩海公司的数据库获得。无论速度计和加速度计，只有当传感器的安装谐振频率 fn 和振源脉冲宽 0 的乘积=0fn 大于一定数值（1.53）, 与被测对象无关的振源才不会发生。13、其他大直径桩测试中的一个小技巧：由于浅部小缺陷局部三维效应和表面波影响，在测试大直径灌注桩时，无论使用速度计还是加速度计均难以避免振荡现象发生，而且不同安装和测试地点间获得的信号往往一致性较差。那么在这种情况下应怎样得到理想的反映桩身实际情况的非振荡信号呢？有专家提供了一套非常合乎情理的简易办法“信号平均” 。固定传感器和激振方式，在桩头不同部位（应有代表性）进行敲击测试，将各次测试信号进行平均(6-12 次)，一般来说，平均结果可以消去浅部干扰、三维效应和表面波效应，为较理想的信号。动刚度的测试设备应如何配备？动刚度测试是以信号低频段为重要分析对象，因此普通速度计和普通加速度计（低频差）不能满足要求，一般以 891、902 等摆式速度计、高灵敏度加速度计、伺服式加速度计为宜，至于速度计，固有频率应在 10Hz 以下，这些传感器的低频特性极好。动刚度测试用振源要求大能量低频率，根据规范，一般要求有几十乃至几百公斤重的激振锤，这些重量级激发装置敲击的都是低频信号，也只有它们才可能使桩土共振。应力波反射法测试时主机参数应如何设置？参数设置如果处理不当，会影响到信号(时域或频率)的分辨率、真实性与代表性。一般来说： 模拟滤波以高通10hz，低通2500hz 为宜； 前放以信号正常接收且不削波为宜，浮点仪无此设置，8 位 A/D 者振源和前放均应加强； 时域分析时采样间隔不宜高于 50s（RS 系列仪一般以 2 倍桩长输入） ，频域分析时则宜为 100-200s； 电荷放大器的带宽原则上建议适当高于主机； 动刚度测试是低频段和频域分析为主，故采样间隔宜为 100-200s。什么样的桩难测？单就桩底反射而言，钻孔灌注桩好测，而且护壁泥浆越厚，沉渣越深越好测，但是好的测桩并不意味着承载能力高；刚打入的单截预制桩好测，20 米以内的沉管灌注桩也不难测。