基桩动力检测反射波法动测技术

基桩动力检测反射波法动测技术反射波法是在桩身顶部进行竖向激振产生弹性波，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身阻抗存在明显差异的界面（如桩底、断桩和严重离析等）或桩身截面积变化（如缩径或扩径）部位，将发生反射波，经接收放大、滤波和数据处理可以识别来自桩身不同部位的反射信息，据计算桩身波速，以判断桩身完整性及估计混凝土强度等级并校核桩的实际长度。一、反射波法动测原理桩完整性的反射波法诊断技术是以一维波动理论为基础的。由一维波动理论可知，桩阻抗是其横截面积，材料密度和弹性模量的函数Z=EA/C=pcA （2.1）式中Z为桩的广义波阻抗（单位为N・s/m），c为桩的声波速度（单位为m/s），E为桩的弹性模量（单位为N/m2），p为桩的质量密度（单位为kg/m3），pc为桩的声特性阻抗或声阻碍抗率（单位为kg/m2s）o将一维波动理论用于线弹性桩（桩的长度远大于直径且入射波波长大大于桩的直径）o在桩顶锤击力作用下，产生一压缩波，此波以波速c沿桩身向下传播。假定桩的材料沿长度不变（即pc不变），则桩的阻抗变化仅

依赖截面积的变化。截面的任何变化都使部分入射波产生反射。反射波和透射波的幅值大小及方向由前述的理论决定。（一）不考虑桩周阻尼的的影响，桩顶入射波在变截面处的反射与透射［％=C1［2A1/（A1+A2）］IoR=01KA2-A1）/（A1+A2）］ （2.2）及vT=v1［2A1/（A1+A2）］:Vr=-V1［（A2-AJ4A1+A2）］ （2.3）式中下标I、R、T分别表示入射、反射和透射。由式（1.2）及式（1.3）可得：（1）对于截面均匀，无缺陷的桩，即a/a2,或z『z2,则有°T°T=°IVT=VI°R=°R=0VR=0(2.4)可见，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。（2）当下行压缩波遇到截面减小时，即%>%，则产生反射波和透射波。由式（2.2）可见，oR与oI异号，这表明反射应力波为上行拉力波。根据应力符号的定义，上行拉力波与下行压缩波的方向一致。因此，当该反射到达顶端时，在杆顶所检测到的应力反射波与初始冲击压缩波的方向一致（如均为负）。由式（2.3）可见，vR与vI符号一致，这表明反射波的速度也与入射相同向。因此，用传感器在桩顶检测出的反射波速度信号和初始入射波速度符号也相同。即SIT曲线（速度曲线）上具有相同的下特征。总之，当在桩顶检测出的反射波速度或应力与入射波信号极性一致，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被初始信号极性相反时，则表明在相应位置在扩颈。（3）由式（2.2）和（2.3）还可看出，变截面处反射波幅值（速度或应力幅值）与截面的变化差值（A1-A2）成正比。截面变化越大，反射波信号越强。当然，这仅在一定的线性范围之内。（4）由式（2.2）、（2.3）可见，透射波的速度或应力在缩颈或扩颈处均不改变方向或符号。且缩颈处透射波的幅值大于入射波。而扩颈处则相反。（5）由式（2.3）可见，缩颈引起的反射波幅值总小于入射波。（6）自锤击压缩波出现时刻算起，变截面处所产生的反射波信号到达顶端迟后的总时差为(2-5)式中，1s为变截面到桩顶端传感器安装点的距离，c为桩的速度。（二）桩尖处的反射波与透射波的符号和幅值对于桩尖处的反射波与透射波的符号和幅值，则应根据前述波在不同介质面处的反射与透射理论决定：*=%［4-ZJ/（”2）］TOC\o"1-5"\h\z月=。产之/ （ 4 +Z2 ）］' （2-6）Vr=F（Z2-Z1）/（Z1+Z2）］V，俨/ （ 3 ） ］（2-7）值得注意的是，式（1-7）与式（1-2）中Ot的不同。由式（2-7）可进行以下诊断：（1）一般，由于桩的阻抗大于土的阻抗，即ZJZ2，（或（pc）1>（pc）2），由式（2-7）得，在桩尖处的反射波和入射波的应力异号，即反射波为上行拉力波；而反射波的速度信号和入射波速度信号符号相同，若在桩的顶端观测，则反射波的速度，应力都与锤击下行波符号一致。这各缩颈处的反射波符号相同。（2）由式（2-7）可见，桩尖处的反射波的应力or和速度vR的幅值均弱于入射波。而随着土质变“软”，或土阻抗变小，％与vR反射波的幅波变大，特别是当桩土阻抗相差很远，而桩可看成自由端时，由式(2-7)则有oR7-oR,vR=vI,则反射波幅值近似与入射幅值相等。此时，桩尖处的应力为零，而速度加倍。当然，实际上由于桩内阻力的存在，反射波速度要稍小一些。(3)相反地，随着桩尖处土阻抗的增加，反射波的幅值变小，特别是当桩尖为固定时，则有％、%vR、-vi,可见，这种情况下，桩尖处反射波的速度为零，而应力加倍，这时在桩顶处将测不到桩尖处的反射速度。因此，在使用反射波进行桩的完整性进行诊断时，桩尖附近土的阻抗对桩尖处反射波速度和应力的幅值会产生明显的影响。(三)模型桩图2.1给出了塑料模型桩的三组SIT速度曲线，它们分别是直桩、局部缩颈桩和局部扩颈桩。曲线由PDS-II型基桩诊断系统测得。由于材料特性均匀，且无土阻抗，因此，这些曲线是非常容易用以上理论加以解释的。(1)图2.1(a)是直桩的SIT曲线。在t=0时刻，锤击桩头产生压缩波(初次锤击)。这可有加速度计测得并在曲线0.0m处出现一个。该波不间断的桩长向下传播直到桩尖，桩尖反射一个方向相反的拉力波。由加速度计测到并在SIT曲线5.0m处出现下。锤击速度以cr/s来记录和显示。刻度之间的距离为桩长，显示在曲线的右端，以时间为函数，记录测量信号，因波以恒速运行，故它可转换成距离，开始锤击和桩尖响应之间的时间差为2L/c，其中L为桩长，c为波速。（2）图2.1（b）为带缩颈的模型桩的SIT曲线，起始的压缩锤击波记录的0.0m深处，再次出现曲线下，是桩阻抗减小的特征响应（拉力波反射），发生在应力波从原截面积通过截面积缩减位置处。随后立刻上升到零线上某一水平，即压缩波反射（由于波通过颈缩后回到原截面阻抗相对增加而引起）导致曲线上升。最后可在5.0m处测得桩尖的响应。（3）图2.1（c）为有局部增大的模型桩的SIT的曲线，初始锤击记录在0.0m处，曲线下，在3m深处产生上，随着下降到零线以下。压缩波反射（产生桩截面积的增加）引起曲线上，而拉力波反射（产生于波的运行穿过局部增加以后又变为阻抗的相对减小）引起曲线下。桩型III【III】III5.0m5.0m5.0m实际工程桩的波动信号受到桩周土阻抗和桩底土阻抗的影响，仅当这些土阻抗的特性确定之后，才有可能实现桩体缺陷程度的定量分析。为了识别土阻抗参数。发展了信号拟合技术，该技术首先由荷兰TNO-IBBC公司应用。最近我国也已研制出多种信号拟合方法和程序。(一)拟合模型的建立(1)应力波传播模型反射波法完整性拟合试验是建立在桩身一维应力波传播理论的基础上的。在数学上模拟桩的一维应力波传播，计算反射、透射或波的叠加。由第一篇的理论可知，考虑了桩周土阻抗影响的“桩一土”波动方程为pA也+c%+ku=AE* (2-8)d12dt Sx2若还考虑桩内阻尼影响，则阻尼常数c=c+c式中cm——桩内阻尼常数；cI——桩周土阻尼常数；k——桩周土剪切弹性常数；A——桩的截面积；P——桩的质量密度。该波动方程就是信号拟合桩一土波动模型。（2）土的模型由“桩一土”波动方程可见，桩周土的模型可用桩周土阻尼力一包和桩周土iat剪切弹性力-ku表示。由于手锤敲击所产生的桩位移极小（《0.1m）,故桩侧土阻力还可以近似地仅用桩周土阻尼力表示。而桩底阻抗则可用一个线性弹簧kd和一个线性阻尼cd来表示，如图2.2所示，在信号拟合中，土阻力的初始运算参数可由地基勘探资料给出，并在拟合中加以调整，以符合土的分层密度和刚度的变化要求，初始参数可由下式计算(2-9)式中，q——第i层土对桩侧表面的阻尼系数（N・s.m3）;cd——桩底土对桩底端面的阻尼系数（N•s/m3）;P「pd——分别为第i土层和桩尖处土层的密度（kg/m3）;czi、c——分别为第i土层的剪切波波速和桩底土的纵波波速（m/s）；D 桩身直径（m）；G、u——桩尖处土层的剪切模量（N/m2）和泊松比。

以上参数由工程场地的地质报告提供，同样土层对于灌注桩产生的阻尼系数一般大于预制桩。另外，对于施工时间不长，桩周尚未重新固结的土层，可不计入土的附加质量。B1cPCHrcHrlH曳亘立弹簧特性B1cPCHrcHrlH曳亘立弹簧特性2.2完整试验的桩一土模型(3)桩的模型和桩中不连续性的模拟在反射波法的拟合分析中，连续弹性体桩沿轴向分成许多离散单元，如图2.2所示，每个单元的阻抗由该段的材料密度、弹性模量和截面积表示，按波动方程理论在每个单元边界上计算各段的应力波传播。在计算模型中，所有和阻抗变化有关的不连续性(缩颈、扩颈、异物渗入、不匀质等)都被模拟成桩截面的变化。在反射波方法中，要了解桩阻抗变化的具体原因，尚需补充一些现场资料。(4)冲击激励的模拟在反射法中手锤敲击的冲击力模拟有如下三种可用途径(参见图2.3)：I、应用装有力传感器的手锤来测定冲击力，并以这一实测冲击力作为桩模型在桩头处的力边界条件。在这项测量中，要求力传感器的灵敏度标定精度优于3〜5%。应采用冲击标定方法或重力释放法对力传感器进行灵敏度标定。信号采集采用超前触发技术，以保证力脉冲信号具有准确的相位和不失真的前沿。另外，要求在力脉冲宽度内具有足够的有效采样点数（例如50~100点），以保证拟合精度，测量系统的频范应严格符合前述标定的要求。II、采用实测的最初一部分（锤击）速度信号，将此速度乘以桩头上敲击点到加速度计安装点之间的机械阻抗，即得冲击力，这一方法，只在该实测信号中不存在因土的接触或桩的不连续性而产生的反射信号时，才可采用。III、用某一函数（如半正弦函数或三角函数）来近似描述冲击力。一般取式（2-10）的形式n_t于（t）=y 1Asin 0WtWTk..0 t<0,t>T（2-10）式中T为脉冲宽度。（二）完整性诊断的拟合试验桩内不连续性的存在，使得完整性试验信号拟合技术比确定桩承载力的信号拟合技术更为复杂。数字信号处理技术和计算机的引用，才使得该定量分析技术得以实现。理想的拟

合分析可实现桩基截面变化位置、等效变化程度的定量判读（缩颈、扩颈、断裂、异物渗入及桩底变化等，均等效为截面变化）。反射波法完整性试验信号拟合技术的原理如图2.4所示。其内容如下：（1）参考桩平均值的确定一一统计试验首先，需要在现场试验一定数量的桩，其中多数桩的反应是相似的。有这些桩的试验信号求得“参考桩”平均反应，称为“参考桩平均值”。（2）土模型参数的确定一一参考村信号拟合参考桩的平均反应是以实际“桩一土模型”为依据的。其中，桩侧阻力和桩底阻力对完整性拟合起着决定性的作用。为了得到土阻力，可先给出均匀等直径参数桩模型，并根据已有的地勘资料对桩侧阻力分布而作第一次估计。然后，通过多次迭代以确定桩侧阻力分布，并调整桩底阻力直到获得良好的信号拟合为止。完整性试验信号拟合另整性试验信号拟合可靠桩的完整性试验信号参考桩平均值信号拟合土模型数据可靠桩的完整性试验信号参考桩平均值信号拟合土模型数据参考桩的信号拟合以参数桩的实测冲击力信号为“桩一土模拟模型”的输入，通过计算机运算得到参考桩的桩头计算速度，将该计算速度与这一冲击作用下的参考桩实测桩头速度相比较，根据比较结果，不断修改土的模型参数，直到两速度一致，即取得合乎要求的拟合结果为止。通过在参考桩上所进行的信号拟合，取得了土的模型参数——桩侧阻力与桩端阻力，该参数在被检测桩的信号拟合分析中作为已知的土阻力模型。（3）可疑桩的非完整性诊断一一被诊断桩的信号拟合对被诊断桩头进行锤击激励，同时测得冲击力信号和速度信号，并在速度信号中确定第一次反射经历的时间或不连续所在位置。然后以冲击力信号作为被测桩的“桩一土模拟模型”的桩头输入，通过计算机运算，得出桩头的计算速度，并将它与桩头的实测速度相比较，不断调整“桩一土模型”中不连续处横截面积，经过多次迭代运算，直到计算速度的SIT曲线与实测速度的SIT曲线一致，即达到信号拟合为止。此时被测桩的模型中不连续位置和截面变化即代表了可疑桩的情况。完整性试验 回声法程序L参考桩1~「冲声力1匚硝力P1一模薪1桩侧阻力桩端阻力完整性试验 回声法程序缺陷桩1—।端,力-1L用声力PT"一桩，型一］「土#型"1-「计算%运算］I 三、反射波法诊断系统反射波法用于基础结构完整性诊断的典型系统如图2.6所示。该系统一般由测量、采集和计算机三大部分构成，配置反射波法完整性诊断软件和信号处理软件。另外，反射波法中采用聚四氟乙烯锤头进行敲击激励。当需用力传感器作脉冲力定量时，可在锤头安装力传感器及垫帽。系统框图如图2.6。参照荷兰TNO公司FPDS型基桩诊断系统和国产PDAS型基桩动态诊断系统的有关参数，给出反射波法诊断系统的综合指标如下。打印机图2.6反射波法诊断系统（一）测量部分测量部分包括：加速度传感器、电荷放大器、滤波器、程控指数增益放大器。其主要技术要求如下:（1）加速度计反射波法采用小型中频加速度计，其主要技术指标为：I、电荷灵敏度3pC/ms-2; 速度型＞300mv/SII、电压灵敏度2.6mV/ms-2; 加速度型＞100mV/gIII、谐振频率〉23kHz;“、安装谐振频率〉3.5kHz（手持）和〉20kHz（胶固定）。（2）电荷放大器反射波法采用了冲击型电荷放大器（如B&k2634,国产YE581）,其主要技术要求：I、测量模式加速度I、灵敏度调节可调III、灵敏度增益1〜10mV/pC,20dBW、总频率范围1〜200kHz（二）采集部分反射波法桩基完整性试验的采信部分主要是由采样/保持器（S/H）、模数转换器（A/D）、程控放大器和触发器等组成，其主要性能要求是：（1）采样/保持器（S/H）I、精度0.01〜0.02%II、采样频率100kHz（单通道）（2）模数转换器（A/D）1、位数〉12位II、动态70〜120dB111、幅值精度优于0.02%（0.2dB）（3）触发器I、触发模式信号触发（软或硬）I、触发延迟超前、滞后（4）程控放大器I、线性I、指数型ex1（增益为时间的指数函数）（三）计算部分反射波法的诊断程序可在一般PC或兼容机上运行。所配打印机可在信号回放处理时使用。四、反射波法的现场检测方法现场采用反射波法对基桩的完整性进行检测，分以上几个步骤:（一）现场查看及资料收集检测人员在进行测试联系的过程中首先要了解该工程的概貌，内容包括建筑物的类型、桩基础的种类、设计指标、地质情况、施工队的素质和工作作风以及甲方现场管理人员、监理人员的情况等。检测工作开始以前，应借阅基础设计图纸及有关设计资料、有效的地质勘察报告、桩基础的施工记录、甲方现场管理人员、监理人员的现场工作日志等。（二）桩位的选择及桩头的平整测试工作的负责人应会同设计者、甲方人员及监理人员，参考现施工记录和工作日志，选择被检测桩的桩位。为了确保检测信号能有效、清楚地反映桩基的完整性，测试前应考察桩身混凝土的龄期，使之具备足够的强度，混凝土龄期应大于10天，地下水位较高时还应延长；桩头应予以处理，要求将桩头的浮浆予以清除，还应注意不能将桩身劈裂，留下隐性裂缝，桩头的破碎部分应彻底清除，桩头面应成完整的水平面。如此就可避免检测过程中产生虚假的信号，以防止影响正确的评判结果。（三）传感器的安装为了确保测试成果的客观性，传感器的安装应考虑两个方面的影响。（1）传感器的安装位置及方向由于弹性反射波法是建立在一维纵向振动波动理论的基础上，传感器的轴线与桩身的纵轴线是否平行是至关重要的，否则，入射波与反射波之间将产生夹角（相位差），二维效应将难以克服。由实践可知，传感器的安放点应距桩心沿半径方向约2/3R（半径）处，这样将得到最小的反冲信号的出现，有利于浅部缺陷的评判，且对于较大直径的桩测占应不小于2个，每个测点至少有三个锤击点。另外检测点与锤击点应足够的距离以消除二维效应。(2)传感器与桩顶面的偶合传感器与桩顶之间的偶合是非常重要的，安装方式不慎，粘结状态不好，就会降低传感器的安装谐振效率，严重的情况下还将制约加速度的有效使用频范，使测试失败。传感器的安装方法通常有以下几种：I、胶粘接此方法需要在传感器底部配一块刚性垫块，该垫块通过螺栓与传感器底部紧密联成一体，使用时，在桩顶测点面上用球氧树脂或502胶将垫块与测点面胶接。有胶联接，对胶接质量要求较高，且易造成降低传感器有效频范的情况，工程上不太适用。II、石膏粘接现场在测点上用将石膏粉调匀，然后将传感器连同垫块一起粘接在测点上。该方法要求在石膏凝固前将传感器位置放正，对测点而无特殊要求，操作方便，干凝时间短，成本低，一般情况下不会降低传感器的使用频范，不失为工程检测中的一种理想的粘接手段。III、薄腊或润滑脂在冬季或春秋季节，采用石腊或润滑脂作为传感器与测点面的偶合剂比较好，此方法对桩顶测点面的要求比较高，但操作快捷，只是应注意在桩顶的混凝土材料松散的情况下效果不佳。W、橡皮泥粘接学生做手工课用的橡皮泥在夏季和春秋两季也是一种尚好的偶合剂，使用得法，检测效果较佳。（四）力锤的选择在结构动态分析诊断中，力锤的重量、形状以及锤头的材料质地等对测试结果都将产生重大的影响。桩基检测中，力锤主要用来产生桩头力信号的首脉冲。力锤的重量一般为1〜1.2kg，力锤手柄不宜太长，以避免强烈的手震感，更重要的是确保力锤下落到桩顶时，锤头与桩顶面垂直。力锤头部的材料不同，会对首脉冲的宽度产生影响。实践表明，钢锤产生的脉冲信号尖而高，可获得较精确的桩顶入射波的起始点，对判定桩身浅部缺陷也较有利，其缺陷是较易激励出许多含有高频成分的表面波，四氟乙烯塑料锤激励出的信号较适中，但传递的能量较小，深（长）桩的桩底反射较弱；尼龙锤的激励信号较四氟乙烯塑料锤要尖一些，也易产生少许高频成分，应视现场桩的长度、混凝土强度以及缺陷深度而选择不同的锤型。笔者在实践中还偿试了力棒，材质为45#