绪论及第一章桩的反射波法

1、第一章第一章 绪论绪论地下工程设计计算的难点：地下工程设计计算的难点：变性特性变性特性物理特性物理特性初始应力场初始应力场温度效应温度效应水浸蚀水浸蚀明显的非均质性和非连续性明显的非均质性和非连续性离散性和非线性离散性和非线性纯理论的方法、按照一般的封纯理论的方法、按照一般的封闭解的形式给予描述并获得令闭解的形式给予描述并获得令人满意的解答和结果。人满意的解答和结果。很难很难对基础进行检测和监测对基础进行检测和监测大型结构施工所必须大型结构施工所必须结构计算验证所必须结构计算验证所必须复杂结构事故处理所必须复杂结构事故处理所必须结构创新设计所必须结构创新设计所必须主要讲解内容主要讲解内容基桩动

2、力测试基桩动力测试底应变底应变高应变高应变反射波、机械阻抗、动力参数法反射波、机械阻抗、动力参数法锤击法、锤击法、Simth法、法、Case法法雷达技术雷达技术概述剖面测量方法雷达现场检测技术对象分析和要求测网布置雷达图象处理技术雷达资料解释探地雷达技术应用实例沉桩对周围环境影响监测沉桩对周围环境影响监测概述沉桩前周围环境地调查建筑物位移的监测，水平、垂直位移土体位移监测：水准点、监测点布设要求地下管线监测，最小允许曲率半径的确定孔隙水压力监测：监测资料整理打桩振动监测：对邻近建筑物危害性评价建筑物裂缝发展监测：资料的整理基坑工程监测基坑工程监测概述深基坑维护结构基坑开挖方式深基坑开挖监测维护

3、与支撑结构监测维护结构顶部水平位移监测维护结构倾斜监测维护结构沉降监测维护结构应力监测维护结构完整性和强度监测基坑工程监测基坑工程监测支撑结构受力监测周围环境监测邻近建筑物、管线位移监测周围土体位移监测桩侧土压力监测基坑土体隆起监测基坑变形控制保护等级及监测项目的警戒值确定基坑监测实例分析隧道施工监测隧道施工监测概述主要监测内容主要监测设备土体监测支护结构监测盾构监测隧道掘进过程中周围环境监测软土地区高等级（高速）公路监测软土地区高等级（高速）公路监测概述监测方案设计沉降监测：地面沉降、分层和深层沉降监测水平位移监测：地面水平位移、土体内部位移监测土中应力监测孔隙水压力监测监测资料整理上课纪律

4、和要求上课纪律和要求不迟到考试课堂测验2次占10%大作业2次占30%期末60%课堂上勇于发言鼓励撰写论文报告，好的报告可以提升平时成绩该课知识点交叉性较强，需要课前预习100多年的历史荷兰 TNOIFCO公司的 IT美国GRL公司的PDA、PIT中国长沙旭华仪表厂GJY1淮南矿业学院生产的测桩仪 第一章第一章 桩安全性的检测技术桩安全性的检测技术（1）反射波法）反射波法0)(22tuAdxAdxxAA22221tuvxucEvc材料内的声速材料内的声速反射波法基本原理反射波法基本原理桩在空气中，桩顶产生振动速桩在空气中，桩顶产生振动速度度U0，传播速度为，传播速度为Vc；当传；当传至自由端时，

5、端部产生的振动至自由端时，端部产生的振动速度为：速度为：2 U0，并以拉伸波，并以拉伸波U0向上反射回来，在桩顶产向上反射回来，在桩顶产生一个与生一个与U0同向的振动速度同向的振动速度2 U0桩在空气中，桩顶产生振动速桩在空气中，桩顶产生振动速度度U0，传播速度为，传播速度为Vc；当传；当传至固定端时，端部产生的振动至固定端时，端部产生的振动速度为：速度为：0，仍以压缩波，仍以压缩波U0向向上反射回来，在桩顶产生一个上反射回来，在桩顶产生一个与与U0同向的振动速度同向的振动速度2 U0桩身完整性与质量对脉冲波的影响桩身完整性与质量对脉冲波的影响假设：桩为一维弹性杆，一端受瞬态脉冲冲击作用。假设

6、：桩为一维弹性杆，一端受瞬态脉冲冲击作用。应力波速应力波速Vc沿杆传至桩另一端，如遇波阻抗发生变化，沿杆传至桩另一端，如遇波阻抗发生变化，则产生反射波。则产生反射波。AVZc212121NNUUUUtritritriNNNUUUUUU 杆端界面上部为杆端界面上部为Z1，下部为，下部为Z2NUU,tri,表示：界面处的位移、速度和轴向力表示：界面处的位移、速度和轴向力表示：入射、反射和透射波表示：入射、反射和透射波22211121,12,11AVAVZZdddNNRddNNRccittirr12112122,rtZZZRRZZZZ（1）桩完整，即波阻不变，即有：）桩完整，即波阻不变，即有：1,

7、0, 121trRRZZd无反射波，全部应力波均透射过界面传无反射波，全部应力波均透射过界面传至下端至下端（2）桩身有缺陷：离析、断裂、夹泥、沉渣等，使下）桩身有缺陷：离析、断裂、夹泥、沉渣等，使下端阻抗变小，即有：端阻抗变小，即有：0, 121rRZZd反射波与入射波同相反射波与入射波同相（3）桩身有扩颈，使扩颈处阻抗变大，即有：）桩身有扩颈，使扩颈处阻抗变大，即有：0, 121rRZZd反射波与入射波反相反射波与入射波反相（4）桩底落在微风化基岩上（嵌岩桩），如：）桩底落在微风化基岩上（嵌岩桩），如：桩身混凝土桩身混凝土cV,小于基岩小于基岩21ZZ 反射波与入射波反相反射波与入射波反相桩

8、身混凝土桩身混凝土cV,接近于基岩接近于基岩桩底无反射波桩底无反射波桩界面上下两端阻抗相差越大，反射系数越大，反射能量越桩界面上下两端阻抗相差越大，反射系数越大，反射能量越大，反射波越明显，由此可以定性地判断阻抗变化程度。大，反射波越明显，由此可以定性地判断阻抗变化程度。至于界面位置则可根据桩顶入射波与界面反射波的时间差至于界面位置则可根据桩顶入射波与界面反射波的时间差t2tVLc按下式计算：按下式计算：界面离桩顶的距离界面离桩顶的距离纵波在桩身内的传播速度纵波在桩身内的传播速度cVL影响桩顶速度曲线的因素影响桩顶速度曲线的因素反射波法的基本原理：在桩顶进行竖向激振，弹性波沿着桩反射波法的基本

9、原理：在桩顶进行竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗差异的界面或桩身截面身向下传播，当桩身存在明显波阻抗差异的界面或桩身截面积变化部位，将产生反射波。经过接收放大、滤波和数据处积变化部位，将产生反射波。经过接收放大、滤波和数据处理，识别来自桩身不同部位的反射信息，据此计算桩身波速，理，识别来自桩身不同部位的反射信息，据此计算桩身波速，以判断桩身完整性及估计混凝土强度等级，并根据视波速度以判断桩身完整性及估计混凝土强度等级，并根据视波速度和桩底反射波到达时间对桩的实际长度加以核对。和桩底反射波到达时间对桩的实际长度加以核对。桩身阻抗变化对桩顶速度曲线的影响桩身阻抗变化对桩顶速度

10、曲线的影响cVZt2第一个波峰第一个波峰 为敲击桩顶时的入射波，为敲击桩顶时的入射波，t=0第二个波峰第二个波峰 为界面为界面1的反射波，的反射波，t=2l1/Vc，它是波从波阻抗小的它是波从波阻抗小的地方向大的地方传，故与入射波反相地方向大的地方传，故与入射波反相第三个波峰第三个波峰 为界面为界面2的反射波，的反射波，t=2l1/Vc2l2/Vc ，波从阻抗大向阻抗小的方向传播，故同相。波从阻抗大向阻抗小的方向传播，故同相。第四个波峰第四个波峰 为界面为界面3的反射波，由于桩身材料的波阻抗肯定大于的反射波，由于桩身材料的波阻抗肯定大于土，因此波从波阻抗大的地方向小的地方传，故同相，土，因此波

11、从波阻抗大的地方向小的地方传，故同相，t=2L/Vc桩的缺损率的影响桩的缺损率的影响根据反射波出现的时间，可以确定缺陷的位置，但是不能获根据反射波出现的时间，可以确定缺陷的位置，但是不能获得缺损的程度（缺损率）得缺损的程度（缺损率）定义缺损率：定义缺损率：12AA)(11ririUUUU初始入射和反射波峰幅值初始入射和反射波峰幅值缺陷形状对曲线的影响缺陷形状对曲线的影响突变突变缓变缓变突变最明显，缓变波形不明显突变最明显，缓变波形不明显在实际工程中应加以注意在实际工程中应加以注意锤头材质对曲线的影响锤头材质对曲线的影响锤头：钢质和非钢质锤头：钢质和非钢质钢质钢质:能量大、传播深度大、噪声大能量

12、大、传播深度大、噪声大非钢质非钢质:如尼龙、塑料；能量小、传播深度浅、噪声小如尼龙、塑料；能量小、传播深度浅、噪声小土质对曲线的影响土质对曲线的影响（1）选择参考桩）选择参考桩（2）场地地质剖面和）场地地质剖面和静力触探试验曲线静力触探试验曲线（3）反演土层参数：）反演土层参数：假设：小应变时土桩之假设：小应变时土桩之间的相对位移很小，忽间的相对位移很小，忽略桩侧土的弹簧力（摩略桩侧土的弹簧力（摩阻力），并将桩侧阻力阻力），并将桩侧阻力简化为线性阻尼，桩底简化为线性阻尼，桩底阻尼为线性弹簧和粘弹阻尼为线性弹簧和粘弹性阻尼。性阻尼。在力锤上安装力传感器，进行曲线在力锤上安装力传感器，进行曲线拟合

13、。拟合。反射波法的检测设备反射波法的检测设备1.传感器传感器宽频的速度或加速度传感器，速度传感器的频带：宽频的速度或加速度传感器，速度传感器的频带：10Hz500Hz，Sensitivity300mv/cm/s；对于加速度：；对于加速度：频带频带1Hz10KHz；Sensitivity100mv/g2.数据采集系统数据采集系统增益增益60db，长期变化量，长期变化量1%，折合输入端的噪声水，折合输入端的噪声水平应低于平应低于3 v，频带宽度因为：，频带宽度因为：1Hz30KHz，AD至少至少为为8位，采样间隔不低于位，采样间隔不低于501000 s，多通道采集相位，多通道采集相位偏差不大于偏差

14、不大于0.1ms3.激振设备激振设备主要提供适当的激振频谱合能量。塑料锤：主要提供适当的激振频谱合能量。塑料锤：2000Hz左左右；尼龙：右；尼龙：1000Hz左右。柄：塑料、尼龙、铁制，尽左右。柄：塑料、尼龙、铁制，尽量减少噪声。规律：柄短噪声小，力脉冲宽度小，力量减少噪声。规律：柄短噪声小，力脉冲宽度小，力谱大，能量小，用于检测浅部缺陷。对于深部缺陷，谱大，能量小，用于检测浅部缺陷。对于深部缺陷，则多数采用长柄。则多数采用长柄。做好准备做好准备 了解场地资料、桩型、桩长、成桩工艺及施工记录。了解场地资料、桩型、桩长、成桩工艺及施工记录。桩头整理桩头整理 凿去浮浆、疏松混凝土部分，直至坚实混

15、凝土面，凿去浮浆、疏松混凝土部分，直至坚实混凝土面，当桩径较大时，至少应该在激振部位和传感器部位当桩径较大时，至少应该在激振部位和传感器部位做平，但不能在混凝土表面摸水泥砂浆找平，以免做平，但不能在混凝土表面摸水泥砂浆找平，以免砂浆与混凝土结合不好而造成误判。砂浆与混凝土结合不好而造成误判。 安置传感器安置传感器 传感器必须牢固垂直安装。使其与装头同步运动，传感器必须牢固垂直安装。使其与装头同步运动，真实反映桩顶振动。方法：预埋螺丝、黄油、橡皮真实反映桩顶振动。方法：预埋螺丝、黄油、橡皮泥、石膏等粘结剂，预埋螺丝容易产生高频干扰，泥、石膏等粘结剂，预埋螺丝容易产生高频干扰，后者容易导致隔振，故

16、要求压紧、密贴，使粘贴部后者容易导致隔振，故要求压紧、密贴，使粘贴部分尽量薄以保证同步；当桩径超过分尽量薄以保证同步；当桩径超过600mm时，宜对时，宜对称地安装两个或两个以上传感器。称地安装两个或两个以上传感器。检测方法检测方法 激振方法激振方法 能否获得正确好的桩顶激振曲线，激振是关键。选择合理的激振方式和设备，注意：并非能量越大越好。对于浅部缺陷，要求激振力频谱成份丰富，故采用硬质锤头和质量小的锤；对于深部缺陷，要求低频成份多，故宜采用重量大的锤或力棒，锤头宜选用软质材料，高频力波方向性好，能探测缺陷的精度高，但衰减快，对长桩和深层缺陷无能为力，而低频力波则相反，衰减慢，精度低，但探测深

17、度大；国外认为：可探测的缺陷长度为1/4脉冲长度，脉冲长度为脉冲时间与波速Vc之积，因此与激振频率有关。激振点应选在桩顶的中心，但对于水泥土桩，激振点应选在1/4桩径处。为力减少随机干扰，可以采用信号增强技术进行多次重复激振，以提高信噪比；为了提高反射波的分辨率，应尽量使用小的能量激振，并选用截至频率较高的传感器和滤波器；由于面波干扰，桩身浅部的反射比较紊乱，为了有效识别浅部缺陷，必要时可增加横向激振，以辅助判别；为了保证测试曲线可靠，宜进行试验前进行测试，以选择最佳接收条件（仪器参数），为了分析判断的需要，应使时域采集的信号有一个完整的波形，即需要提高采样频率；在波形中能看到桩底的反射信号；

18、每根桩至少应重复35次，每次获得的曲线有最大重复度，如发现有较大的差别，应及时分析原因后，再进行测试。测试结果的数据处理测试结果的数据处理1.确定桩身混凝土纵波波速确定桩身混凝土纵波波速rtLC2C：桩身纵波波速；：桩身纵波波速；L：桩长；：桩长；tr：桩底反射：桩底反射波到达时间波到达时间2.评价桩身质量评价桩身质量特点：波形规则、特点：波形规则、清晰，桩底反射波清晰，桩底反射波明显，反射时间容明显，反射时间容易读取，平均纵波易读取，平均纵波波速较高，同一场波速较高，同一场地相识性好。地相识性好。离析和缩颈桩的曲线离析和缩颈桩的曲线断裂桩的曲线断裂桩的曲线特点：纵波波速特点：纵波波速较低，反

19、射波幅较低，反射波幅减少，频率低减少，频率低特点：断裂界面特点：断裂界面处反射波到达时处反射波到达时间小于桩底反射间小于桩底反射波到达时间，波波到达时间，波幅较大，出现多幅较大，出现多次反射，桩底反次反射，桩底反射波难以观测。射波难以观测。桩身缺陷位置的计算桩身缺陷位置的计算计算公式：计算公式：021CtLrL：桩身缺陷位置；：桩身缺陷位置；tr：缺陷部位反射波：缺陷部位反射波至时间；至时间；C0：场地范围内桩身纵波波速：场地范围内桩身纵波波速平均值平均值桩身缺陷范围定义：缺陷沿轴向的经历长度。桩身缺陷范围定义：缺陷沿轴向的经历长度。缺陷范围计算公式：缺陷范围计算公式：21tCll：桩身缺陷范

20、围；：桩身缺陷范围； t：缺陷上下反射面：缺陷上下反射面波至时间差（波至时间差（s）；）；C：桩身缺陷段纵波：桩身缺陷段纵波波速（波速（m/s），可查表获得。），可查表获得。桩身缺陷段纵波波速表桩身缺陷段纵波波速表推定桩身混凝土强度推定桩身混凝土强度反射波法中影响桩身混凝土强度的因素：施工方方法、检测仪反射波法中影响桩身混凝土强度的因素：施工方方法、检测仪器、桩周土等。器、桩周土等。工程实际应用（工程实际应用（1）水泥土桩的检测水泥土桩的检测水泥土桩的动力参数：正常养护波速：水泥土桩的动力参数：正常养护波速：10002000m/s，相当，相当强度：强度：C10C15水泥土桩的动检测：检测设备正

21、确设置；养护期大于水泥土桩的动检测：检测设备正确设置；养护期大于28天；收天；收集正确的成桩工艺和施工记录（由于有的水泥土桩使用了变掺集正确的成桩工艺和施工记录（由于有的水泥土桩使用了变掺入量、变截面的施工工艺，在桩身下段采用低水泥渗入量、小入量、变截面的施工工艺，在桩身下段采用低水泥渗入量、小桩径的水泥土搅拌桩，这种施工工艺对应的桩身反射波形不能桩径的水泥土搅拌桩，这种施工工艺对应的桩身反射波形不能作为桩身缺陷的反射波形）；锤击点在作为桩身缺陷的反射波形）；锤击点在1/4桩径处；利用状体早桩径处；利用状体早期的动力触探资料。期的动力触探资料。水泥土桩的动力检测分为四类：水泥土桩的动力检测分为

22、四类：A：桩身完整，能很好地发挥荷载传递功能；：桩身完整，能很好地发挥荷载传递功能；B：桩身略有缺陷，不影响荷载的传递功能；：桩身略有缺陷，不影响荷载的传递功能；C：桩身有一定缺陷，对荷载传递有一定影响；：桩身有一定缺陷，对荷载传递有一定影响；D：桩身有较大缺陷，基本不能发挥荷载：桩身有较大缺陷，基本不能发挥荷载的传递的传递（1）桩身结构完整，波形规则，桩底反射清晰）桩身结构完整，波形规则，桩底反射清晰（2）桩头松动，波形起始部分异常，其它规则，桩底反）桩头松动，波形起始部分异常，其它规则，桩底反射清晰射清晰（3）桩身各段强度不同，或有夹层，波形不规则，但桩）桩身各段强度不同，或有夹层，波形不

23、规则，但桩底反射清晰可读。底反射清晰可读。（4）桩身强度极不均匀，波形极不规则，桩底反射难辩。）桩身强度极不均匀，波形极不规则，桩底反射难辩。（5）断桩，出现一个较大的低频。）断桩，出现一个较大的低频。工程验桩（工程验桩（2）背景：背景：1995年全国桩基动测会议与应用技术交年全国桩基动测会议与应用技术交流会上的流会上的5根桩的实际测试结果及其分析根桩的实际测试结果及其分析场地地基资料场地地基资料第第1层杂填土，厚度层杂填土，厚度1米米第第2层，素填土，厚度层，素填土，厚度1.6米米第第3层，褐黄色粉质粘土，中密、可塑，厚度层，褐黄色粉质粘土，中密、可塑，厚度0.6米米第第4层，粘质粉土，中密

24、、可塑，厚度层，粘质粉土，中密、可塑，厚度1.5米米第第5层，粉砂，中密、饱和，厚度层，粉砂，中密、饱和，厚度1.5米米第第6层，粉质粘土，中密、可塑，厚度层，粉质粘土，中密、可塑，厚度7.6米米第第7层，粘质粉土夹层，中密、可塑，厚度层，粘质粉土夹层，中密、可塑，厚度0.3米米2号桩：号桩：d=0.8m,L=16m,混凝土灌注时在距桩顶混凝土灌注时在距桩顶6m左右有缩颈，左右有缩颈，12m左右有断裂，左右有断裂，15m处为离析；纵波速度处为离析；纵波速度3800m/s，深层处波，深层处波形采用指数放大，桩底反射波放大倍数为形采用指数放大，桩底反射波放大倍数为20，在近，在近6m处可以看到处可

25、以看到有一相同波峰，但因放大倍数较小故不明显。有一相同波峰，但因放大倍数较小故不明显。6号桩：号桩：d=0.6m,L=12m,是一根质量完好的混凝土灌注桩。纵波速是一根质量完好的混凝土灌注桩。纵波速度度3800m/s，深层处波形采用指数放大，桩底反射波放大倍数为，深层处波形采用指数放大，桩底反射波放大倍数为50。7号桩：号桩：d=0.8m,L=16m,混凝土灌注时在距桩顶混凝土灌注时在距桩顶12m左右有缩颈，左右有缩颈，12m左右有断裂，纵波速度左右有断裂，纵波速度3800m/s，深层处波形采用指数放大，深层处波形采用指数放大，桩底反射波放大倍数为桩底反射波放大倍数为100。10号桩：号桩：d

26、=0.8m,L=16m,是一根质量完好的混凝土灌注桩。纵波是一根质量完好的混凝土灌注桩。纵波速度速度3800m/s，深层处波形采用指数放大，桩底反射波放大倍数，深层处波形采用指数放大，桩底反射波放大倍数为为50。11号桩：号桩：d=0.6m,钻孔深度钻孔深度16m,混凝土灌注至混凝土灌注至14.5m左右，造成左右，造成悬桩有缩颈，纵波速度悬桩有缩颈，纵波速度3800m/s，深层处波形采用指数放大，桩，深层处波形采用指数放大，桩底反射波放大倍数为底反射波放大倍数为50。PIT-V型桩基测试仪型桩基测试仪各种目前先进的测桩仪器各种目前先进的测桩仪器KON-PIT(N)桩基完整性测试分析仪桩基完整性测试分析仪PAK型型高应变高应变桩基无桩基无损测试损测试仪仪PIT-VFV型桩基完整型桩基完整性测试仪性测试仪RS-1616K基桩动测仪基桩动测仪RS-1616K(Plus)基桩动测仪基桩动测仪RS-1616K(S) 基桩基桩动测动测仪仪RS-POCKET基桩动测仪基桩动测仪PITV主机技术指标主机技术指标 - 物理参数尺寸：75175235 (mm) 重量：2.2 kg - 背光，半反射式VGA显示屏，适合在各种光照条件下使用 - 工作温度范围：040， - 存储温度