反射波法检测的基本原理

1、通能岩土工程有限公司 桩基低应变动测报告 1FDP-204PDF型低应变检测仪的基本原理基桩完整性反射波法测试技术是以一维波动理论为基础的 2, 3 . 假定基桩作为均匀细长的线弹性杆件, 当桩顶受到纵向冲击力作用时, 激起桩纵向应力波沿桩身传播. 根据波动方程的解, 桩的应力波传播规律为:U R = RU 1, (1)U T = TU 1. (2)式(1) 和式(2) 中,U I、U R 和U T 分别表示入射波、反射波和透射波, R 和T 分别表示反射系数和透射系数.当桩身波阻抗有明显变化时, 就会有反射波回到桩顶引起基波振幅和相位发生变化, 由记录分析仪所接收到的波形数据, 就可以判断桩

2、身的完整性, 其检测如图1 所示. 图1低应变反射波法检测桩身完整性示意图2桩身不同缺陷理论与实测波形分析根据反射波法的原理, 当桩身波阻抗(QcA ) 发生变化时, 会产生反射波和透射波, 其中反射波传回桩顶, 被传感器接收. 根据接收到的波形信号, 可以分析桩身的完整性. 现场检测时, 常见的桩身缺陷类型主要有: 扩径、缩径、断裂、离析、夹泥、胶结不良以及桩底浮渣较多等.2. 1完整桩的波形曲线当桩身完整时, 仅存在唯一的反射界面, 即桩底反射面, 其理论曲线如图2 所示. 在条件较好的情况下, 可以得到明显的桩底反射波(如图3 所示) , 该曲线是用高阻尼传感器通过橡皮泥粘结, 用力棒激

3、振在某工地工程桩上测得的. 此时, 可以利用波速c、反射时间t 和桩长L 三者之间的关系(即L = ctö2) 来估算桩长或波速. 进而根据波速与砼强度的关系来评估桩身混凝土的强度 4 . 图2完整桩理论波形曲线图3完整桩实测波形曲线2. 2扩径桩的波形曲线在桩身扩径处有Q1 = Q2, c1= c2,A 1< A 2, 因此其反射系数R < 0, 故扩径处反射波与入射波反相(如图4 所示). 根据平均纵波波速和反射波走时差t, 可以估算扩径的位置L , 即有L = ctö 2. 对于实际工程桩, 由于受扩径处反射波的影响, 桩底反射往往不是很明显(如图5 所示

4、). 图4扩径桩理论波形曲线图5扩径桩实测波形曲线2. 3缩径桩的波形曲线在桩身缩径处有Q1 = Q2, c1= c2,A 1> A 2, 因此其反射系数R < 0, 故缩径处反射波与入射波同相(如图6 所示). 同样根据平均纵波波速c 和反射波走时差t, 可以估算缩径的位置L , 即有L = ctö 2. 实际的工程桩的实测波形曲线如图7 所示. 图6缩径桩理论波形曲线e图7缩径桩实测波形曲线e2. 4断裂桩的波形曲线在桩身断裂处, 其反射系数R = 1, 即在桩身断裂处发生全反射, 这时往往可以见到多次反射波, 桩底反射信号很难见到. 图8 所示为某工地工程桩, 该桩

5、在2. 7 m 处断裂, 在图8 中可以见到多次反射.2. 5离析、胶结不良桩的波形曲线在桩身离析和胶结不良处有Q1 = Q2 , c1= c2, A 1= A 2, 其反射系数R > 0, 故反射波与入射波理论上应该同相, 但由于波速发生改变, 使得波的频率也发生变化, 其高频成分衰减较快, 使得波形变得平坦(如图9 所示).至于是由离析还是胶结不良引起的, 则要结合施工时的情况和地质报告等辅助资料来加以区分. 图8断裂桩实测波形曲线图9离析桩实测波形曲线图10嵌岩桩实测波形曲线2. 6嵌岩桩的波形曲线对嵌岩桩, 如果桩底没有浮渣或浮渣比较少, 桩和基岩接触良好, 则桩底反射信号不明显

6、, 但经过指数放大等技术处理, 有时可以见到一反相反射信号. 如果桩底浮渣较多, 有时可以看到一同相反射波出现, 由于浮渣对波的吸收较强, 有时也很难见到反射信号(如图10 所示).3数据分析方法动态测试与静态测试最大的区别在于动态测试包含了对多种频率成分的动态信号记录问题. 在分析桩身完整性时, 通常只利用了时域波形, 通过对时域曲线的分析来判断桩身的完整性, 而没有利用所测曲线的频谱特性, 这实际上是浪费了一半的资源. 事实上, 频谱分析是研究动态测试系统频响问题的主要手段. 研究波形曲线的频谱特性, 可以更好地指导现场测试和对桩身完整性作出辅助性分析. 如图11 所示为某工地的一根工程桩

7、, 从时域曲线可以看出, 在1. 7 m s 处有一微小的反射波, 可能此处存在缺陷, 但由其频谱曲线可以看到, 各共振峰间距基本相等, 该桩应为完整桩. 图12 所示为同一工地的另一根缩径桩, 由其频谱曲线可以看到, 各共振峰间距不相等. 同时, 在选择传感器的安装方法时, 利用频谱分析各自的安装谐振频率, 然后选择谐振频率最高的安装方法是很有必要的, 因为它将充分延拓系统的测试范围. 大家都知道, 尼龙锤测试效果比铁锤好, 长大桩时用力棒检测效果最好, 时域里虽然可以比较激振效果的好坏, 但对于好坏的解释与理解却常常是在频谱分析的基础上使用频率概念进行的. 图11完整桩频谱曲线图12缩径桩

8、频谱曲线很多情况下, 由于各种干扰成分的存在, 时域里如不进行滤波处理则难以进行分析, 这时滤波成为一种重要的手段, 但有时候, 滤波容易导致波形畸变以至影响分析判断; 相反, 在频域里, 各种频率成分一目了然, 只要对所用测试系统进行认真分析, 极易排除干扰成分. 当时域信号一致性较差或干扰太严重时, 利用频域分析比较各信号的共同点(共振峰) , 分析这些共振峰所对应的缺陷, 然后再反过来在时域里进行验证, 这是相当好的一个办法, 有时候时域里难于发现桩底反射, 频域里反而可以找到, 时域里难于检测的浅部缺陷, 频域里也较易发现. 当然, 频域分析只能成为时域分析的一个必不可少的补充, 因为

9、频域分析本身尚有许多不足之处, 如缺陷性质难于确定, 缺陷位置计算偏差较大以及对于同一缺陷引起的相邻共振峰难于识别等. 这些影响了频域分析的效果, 也是频域分析没有广泛应用起来的主要原因. 不过, 频域分析是时域分析的一种有效补充, 这一点是不容置疑的 5 .4检测中的注意事项4. 1激振问题在基桩检测时, 激起高质量的脉冲波是提高检测质量的关键, 理论分析和多年的实践经验表明, 激振技术是反射波法完整性检测的重要环节. 在检测时, 通常使用瞬态激振, 最简单的方法是用手锤或力棒激振, 其机理建立在碰撞理论上. 当桩身较长或桩身砼连续性差时, 用铁质或木质手锤激发很难识别桩底反射信号, 其原因

10、是铁质或木质手锤激发的信号频率较高, 在桩身中传播时衰减较快, 此时可以采用不同质不同材质组成的力棒激振较易获得桩底反射信号. 在检测时应注意, 提高激振脉冲波的频率, 可以提高分辨率, 但容易衰减的高频波对长桩不易获得桩底反射, 因此只能用频率较低的脉冲波来获取桩底反射, 再用高频波来检测桩身上部的缺陷.由实测的波形记录来看 4 , 激振脉冲波的频率大约在300 1 500 Hz 左右. 不同的桩长和桩型, 其激振的频率不一样, 一般60 m 左右的摩擦桩或30 m 左右的摩擦端承桩, 脉冲波的主频在300 500 Hz 左右; 10 20m 的短桩, 脉冲波的主频在500 1 000 Hz

11、 左右; 小于10 m 的短桩, 脉冲波主频可高至1 000 1 500 Hz. 激振时另外一个要注意的问题是激振的能量要适中, 并不是能量越大越好. 对于硬地层, 由于桩身内脉冲波能量扩散较多, 其所需的激振能量应稍微大一些. 此外, 激振时要干脆、利索, 不要拖泥带水, 最好是由有经验的人专门激振, 以使每次的激振波形基本一致, 有利于对比分析.4. 2传感器与粘结剂的选择传感器是基桩检测的“眼睛”, 它的频响特性、阻尼大小、灵敏度和动态范围等对实测波形的影响非常大. 反射波法对传感器有特殊的要求, 由于传感器处于激振点附近, 很强的激振信号要不畸变的接收下来, 同时又要把传播几十米长距离

12、后反射回来的波加以接收转换成电信号, 因此传感器的量程范围和动态范围要足够宽, 且要有较高的灵敏度. 在强烈的激振下, 其余振要短, 这就要求它有良好的阻尼特性. 在通常情况下, 我们可以使用不同特性的传感器多测几组曲线, 通过对比分析进一步提高分析精度.在传感器性能较好的情况下, 必须选择好粘结剂, 使传感器与基桩得到较好的耦合. 目前常用的粘结剂有石膏粉、橡皮泥、蛇皮膏、黄油等, 此外, 有些检测人员还使用咀嚼后的口香糖作为粘结剂. 在这些粘结剂中, 石膏粉粘结的耦合频率较高, 而后几种的耦合频率较低. 应该注意的是, 当桩头较湿时, 采用橡皮泥和蛇皮膏作为粘结剂其粘结的效果不是很好, 此

13、时最好用石膏粉.4. 3桩头的处理灌注桩的桩头往往有一层浮浆, 特别是人工挖孔灌注桩, 由于桩头一般低于地面, 成桩后经沉淀作用, 会使桩身上部出现一层较厚的浮浆, 这使得在用小锤激振时能量不够集中, 发散较快, 激振的脉冲波频较低, 影响检测效果, 因此在检测时必须将浮浆打掉, 同时保持桩头平整.此外, 预制桩在贯入过程中桩头可能产生破损, 灌注桩在破除浮浆时也可使桩头产生破碎, 这将使弹性波能量快速衰减, 严重时使激发的脉冲波不规则, 严重影响检测效果, 甚至造成误判现象. 因此, 我们在检测时要注意桩头情况.4. 4辅助资料的收集在进行桩基检测时应该注意辅助资料的收集, 结合辅助资料来分

14、析桩身的缺陷类型. 这些辅助资料包括岩土工程地质勘察报告、灌注桩的成孔工艺、成桩机具和工艺以及桩基施工记录等. 根据这些辅助资料, 可以分析可能出现哪些缺陷, 甚至缺陷出现的部位. 例如, 对于人工挖孔灌注桩, 不可能出现缩径, 而桩底浮渣可能是这类桩的主要缺陷; 对于振动沉管灌注桩, 必须注意桩身上部的缺陷, 这类桩极易出现缩径或断桩现象. 在软地层与硬地层分界面处, 可能会形成反射波等. 如果传感器靠近钢筋安装, 则钢筋会对检测波形产生影响. 这些都是在进行桩基检测时必须注意的问题.Uma reflexão dos princípios básicos de

15、detecção Pile Integrity Testing é um método de onda de reflexão para uma teoria da onda unidimensional 2, 3. Suponha que, mesmo as estacas finas como varetas elásticas, quando . Topo da pilha pela força do impacto longitudinal quando agitado ao longo da pilha do ei

16、xo longitudinal de propagação da onda de estresse De acordo com a equação de onda, a propagação das ondas de tensão nas pilhas como segue: R U RU = 1, (1) U T = 1 TU (2). Tipo (1) e (2), a IU, UR, e UT, respectivamente, a onda incidente, refletida onda ea onda tran

17、smitida, R e T, respectivamente, reflexão e coeficientes de transmissão. Quando a pilha quando as alterações marcadas na impedância, haverá topo da pilha causada pela onda refletida de volta para mudanças fundamentais na amplitude e fase, o analisador grava os dado

18、s de forma de onda recebida, podemos determinar a integridade da pilha, e sua detecção Figura 1. Figura 1 Detecção de integridade de baixa tensão pilha refletida diagrama onda Dois defeitos diferentes de teoria e análise da onda medida pilha De acordo com o princíp

19、io do método de reflexão de ondas, quando a impedância da pilha (ACQ) as alterações, será Da onda de reflexão e transmissão de ondas, refletida da onda que retorna ao topo do monte, é o receptor de sensor. Root De acordo com os sinais de onda recebida, pa

20、ra analisar a integridade da pilha. Detecção de cena, muitas vezes Veja os tipos de defeito de pilha são: expansão, estiramento, fratura, a segregação, a lama do grampo, o cimento não é Liang ea escumalha pilha mais e assim por diante. 2,1 curva de onda Cheio

21、de pilha Quando a pilha completa, existe apenas um refletor único que reflector fundo da pilha, o Curvas teóricas mostrado na Figura 2. No caso de melhores condições, a pilha pode ser significativamente O fim da onda refletida (Figura 3), a curva é o sensor o cimento de borr

22、acha de amortecimento de alta ligada, haste de vibração forçada em uma pilha no site da medida. Neste ponto, podemos utilizar a velocidade c, e as t tempo de reflexão comprimento pilha a relação entre L (ie L = ctö2) para estimar a duração da pilha ou vel

23、ocidade. e, em seguida, de acordo com a relação entre a velocidade ea resistência do concreto para avaliar a força de um monte de concreto 4. Figura 2 uma teoria completa de curvas de onda de pilha   Figura 3, a pilha curva medida onda intacta 2,2 expansão curva de onda

24、 pilha Expansão na pilha em um Q 1 = Q 2, c1 = c2, A 1 <A 2, então o coeficiente de reflexão R <0, portanto, o incidente de expansão e de ondas refletidas na RP (Figura 4). Com base na velocidade da onda e comprimento médio de viagem da onda refletida t diferença

25、de tempo ' pode estimar a posição de expandir L ', que é L' = ct'ö 2. Para a pilha de reais, devido à crescente influência da onda refletida no final pilha de reflexão muitas vezes não é óbvio (Figura 5). Figura 4 Teoria da curva de e

26、xpansão da onda pilha   Figura 5 post diâmetro ampliado curvas medidas onda 2,3 curva de onda estiramento da pilha Estiramento na pilha em um Q 1 = Q 2, c1 = c2, A 1> A 2, para a reflexão, o coeficiente R <0, então o diâmetro reduzido nas ondas incidentes e reflet

27、idas em fase (Figura 6). A mesma base da velocidade c longitudinal onda média e refletido da onda de viagens t diferença de tempo , pode-se estimar a localização do estiramento L ', que é L' = ct'ö 2. pilha curva real medido de forma de onda mostrada na Figu

28、ra 7. Figura 6 carícias teoria de curvas de onda de pilha e Figura 7 carícias medida curva de forma de onda e pilha 2,4 curva de onda de quebra de estaca No intervalo pilha dentro, o coeficiente de reflexão R = 1, que a reflexão total ocorre nos intervalos de pilha, então po

29、de ver muitas vezes múltiplas ondas refletidas, a pilha de reflexão O sinal é difícil de ver. Figura 8 mostra o site de uma pilha, a pilha 2. 7 m em falta, pode ser visto na Figura 8 reflexões múltiplas. 2,5 Segregação, mal cimentado curva de onda pilha Segreg

30、ação e mal cimentada na pilha em um Q 1 = Q 2, c1 = c2, A 1 = A 2, o coeficiente de reflexão R> 0, então a onda refletida ea teoria da onda incidente deve ser o mesmo Fase, mas por causa das mudanças de velocidade, fazer alterações na freqüência das on

31、das, a alta freqüência de decaimento componentes rapidamente, tornando a forma de onda se torna plana (Fig. 9). Como é causado pela segregação ou mal cimentado, eles têm a situação com a construção e relatórios geológicos e outros dados aux

32、iliares que devem ser distinguidos. Figura 8 Curva pilha Fratura medido de forma de onda   Figura 9, a forma de onda medidos pilha segregação curva   Figura 10 estacas na curva de forma de onda medida 2,6 estacas na curva da onda Na pilha, se não houver monte de outras esc&#

33、243;rias ou escória menos, pilhas e Bedrock bom contato, em seguida, monte o sinal refletido não é óbvia, mas após a alta do índice Técnicas de processamento e grande, e às vezes pode ver o reflexo de um sinal de inversão. Se pilha O fim da escumalha mais

34、, às vezes você pode ver a fase com a onda refletida aparece, a flutuação Resíduo na absorção de uma forte onda, e às vezes é difícil ver o sinal refletido (figura 10). 3 Análise de Dados Dinâmico e teste estático a maior diferenç

35、a é que o teste dinâmico inclui várias componentes de freqüência dos problemas de gravação dinâmica do sinal. Na análise da integridade da pilha, geralmente usando apenas ondas no domínio do tempo por meio de análise no domínio do tempo da

36、curva para determinar a pilha a integridade do corpo, sem usar a curva do espectro medido, que é realmente um desperdício de metade dos recursos. Na verdade, a análise espectral é o estudo do problema do sistema de ensaio dinâmico, o principal meio de resposta de freqü&

37、#234;ncia. estudar o espectro da curva de forma de onda, você pode melhores testes no local para orientação e apoio à integridade da pilha. Figura 11 mostra uma pilha de um site, a partir da curva no domínio do tempo pode ser visto no 1. 7 ms em uma pequena reflexão pod

38、e ser falho aqui, mas a sua curva espectral pode ser visto, quase igual distância entre o pico de ressonância, a pilha deve ser uma pilha completa. Figura 12 mostra a raiz do mesmo site de uma outra pilha de diâmetro reduzido, a sua curva espectral ver que o espaçamento pico de r

39、essonância não é igual. Ao mesmo tempo, a escolha do método de instalação do sensor, o uso da análise espectral a instalação de sua freqüência de ressonância e, em seguida selecione o método de maior freqüência de ressonâ

40、;ncia de instalação é necessária, pois dará sistema de extensão total Medição da Teste intervalo. Nós todos sabemos melhor do que o martelo do martelo de nylon teste é bom, quando a força de teste de haste de pilhas crescem melhor, embora o temp

41、o de efeito de vibração de domínio podem ser comparados Bom ou ruim, mas a interpretação e compreensão do bem e do mal é muitas vezes baseada na análise do conceito de espectro de freqüência de uso. Spectral curva da Figura 11 pilha completa   F

42、igura 12 estiramento curva do espectro de pilha Em muitos casos, devido à presença de componentes de interferência, se não para o domínio do tempo de filtragem é de difícil análise, em seguida, tornar-se um importante meio de filtragem, mas, às vezes, o f

43、iltro facilmente levar a uma onda de distorção, bem como análise de impacto para determinar, em contrapartida , no domínio da freqüência, todos os componentes de freqüência de relance, enquanto o sistema de ensaio utilizado uma análise cuidadosa é mu

44、ito fácil de corrigir os componentes de interferência. sinal no domínio do tempo é a falta de cumprimento ou de interferência muito grave, o uso da análise no domínio da freqüência e comparação dos sinais em comum (pico de ressonância), a a

45、nálise desses picos de ressonância correspondente ao defeito e ligue no domínio do tempo para verificar se esta é uma maneira muito boa, e às vezes difícil de encontrar o tempo pilha reflexão domínio, mas pode ser encontrada no domínio da freqüê

46、ncia , no domínio do tempo é difícil de detectar defeitos superficiais, no domínio da freqüência é também mais fácil de encontrar. Claro que, no domínio da freqüência de análise de análise no domínio do tempo pode ser um comp

47、lemento essencial para a sua própria análise no domínio da freqüência, porque ainda há muitas falhas, difícil determinar a natureza de tais defeitos, localização do defeito e para o cálculo de grande desvio causado pelos mesmos vícios difíc

48、eis de identificar outros picos de ressonância adjacentes. Estes efeitos da análise no domínio da freqüência O efeito não é amplamente utilizado na análise de domínio de frequência a principal razão para isso. Entretanto, a análise no dom&#

49、237;nio da freqüência de análise no domínio do tempo é um complemento eficaz, e este é sem dúvida 5. Nota 4: Detecção 4,1 problemas de vibração Detecção na pilha, e agitou o pulso da chave de alta qualidade para a qualidade é melh

50、orar a análise, detecção e anos de experiência prática tem mostrado que a tecnologia de vibração é a detecção do método onda refletida uma parte importante de integridade. No teste, o comumente usado instantânea excitação do estad

51、o, a maneira mais simples é a mão ou bumerangue martelo de excitação, o mecanismo baseado na teoria da colisão. Quando a pilha de estacas de concreto ou de continuidade mais pobres, o uso de ferro ou de madeira é difícil identificar a mão-martelo de excita

52、1;ão pilha sinal refletido, a razão é de ferro ou de madeira martelos sinal de excitação de alta freqüência, a propagação da pilha diminui rapidamente neste momento pode ser composto de diferentes materiais com qualidade diferente da haste de força m

53、ais fácil de obter excitação pilha sinal refletido. No teste deve prestar atenção e melhorar a freqüência de pulso de excitação, pode melhorar a resolução, mas fácil de atenuação das ondas de alta freqüência não s&#

54、227;o facilmente disponíveis no longa reflexão pilha pilha, portanto, apenas usar um pulso de baixa freqüência para obter reflexão pilha, e então as ondas de alta freqüência para detectar a falta de topo da pilha Depressão. Vista para o registro da forma

55、de onda medida 4, a freqüência de vibração do pulso é de cerca de 300 1 500 Hz ou menos. Pilha tamanho e tipo diferentes da pilha, a excitação Não é a mesma freqüência, geralmente cerca de 60 m ou 30 m monte de atrito em torno de pilhas, a freq&

56、#252;ência da onda de pulso em cerca de 300 500 Hz; 10 20 metros de estacas, a freqüência da onda de pulso de 500 1000 Hz ou menos, menos de 10 m de estacas, a freqüência da onda de pulso pode ser tão alta quanto 1 000 1 500 Hz emocionante nota quando o outro problema &

57、#233; que a energia de excitação deve ser moderado, e não a energia que o melhor para. formação dura, a propagação da energia da onda de pulso na pilha de mais, a energia de excitação necessária deve ser ligeiramente maior. Além disso, quando to

58、talmente emocionante, ágil, e não de forma descuidada, de preferência por pessoas experientes dedicados excitação, Então, basicamente o mesmo cada vez que a onda de excitação é propício à análise comparativa. 4,2 sensor ea escolha do ligant

59、e sensor de detecção é um monte de "olhos", e sua resposta de freqüência, amortecimento tamanho, sensibilidade e gama dinâmica da forma de onda medida é muito grande. Reflexão método tem exigências especiais sobre o sensor, o sensor est

60、5; perto do ponto de excitação, sinal de excitação é tanto uma forte distorção do receptor para baixo, enquanto dezenas de metros de comprimento colocado espalhar depois de receber a onda refletida e convertida em sinais elétricos, para o âmbito e alcance

61、 da gama dinâmica do sensor deve ser grande o suficiente, e tem de alta sensibilidade. da excitação forte, a vibração ainda é menor, o que requer que ele tenha boas propriedades de amortecimento. Sob circunstâncias normais, podemos usar vários sensores com car

62、acterísticas diferentes de medição vários conjuntos de curvas, comparando-se a continuar a melhorar precisão da análise. No caso do desempenho do sensor é melhor, você deve escolher uma pasta boa, assim que o sensor e obter um monte de acoplamento bem. Actualm

63、ente, são comumente usados em gesso, cola, plasticina, o creme de pele de cobra, manteiga, etc Além disso, alguns inspectores também usar goma de mascar como uma pasta depois. Na pasta, o pó de gesso, o acoplamento da ligação de alta freqüência, em seguida, o

64、acoplamento de baixa freqüência diversos. Note-se que, quando a cabeça da estaca relativamente húmido, o uso do cimento de borracha e gesso como um efeito de pele de cobra ligante da ligação não é muito bom neste momento é melhor usar gesso em pó. 4.

65、3 Tratamento da cabeça da estaca Pilhas tendem a ter uma camada de polpa de cabeça flutuante pilha, especialmente a pilha artificial perfurados, cabeça da estaca geralmente é menor do que o solo, por precipitação, após a pilha, a pilha vai aparecer uma espessa cama

66、da de flutuar na parte superior da polpa, o que faz Quando animado pela energia no martelo não é suficiente concentrar, mais rápido, divergência de baixa freqüência da onda de pulso de excitação, os resultados dos testes de impacto e, portanto, deve ser teste

67、de celulose flutuante destruídos, mantendo a formação cabeça da estaca. Além disso, estacas, pré-moldados danos penetração que podem ocorrer durante a cabeça da estaca, estaca em quando pode se livrar de celulose flutuante ter quebrado a cabeça da pilha, que rapidam