低应变反射波法及其在工程中应用实例

论文导读：
摘 要：随着我国国民经济的飞速发展，工程建设项目日益增多，桩基础的应用已相当普遍，因此基桩质量的检测也越发的重要。低应变反射波法已成为桩身完整性检测中应用最为广泛的方法。本文简要介绍了低应变反射波法的原理及在工程实践中的应用。
关键词：低应变；反射波；基桩检测
Abstract: With the rapid development of China's national economy, construction projects increasing number of foundation pile is already very common, so the detection of the pile quality has become more important. The low strain reflection we method has become the most widely used method of pile integrity testing. This article briefly describes the principle of low strain reflected we method and its application in engineering practice.
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ow strain; reflected we; pile foundation inspection
2095-2104（2012）
一、低应变反射波法的基本原理 低应变反射波法是以一维动理论为基础的。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： （1-1）式中，Z—桩身波阻抗，E—桩身弹性模量，ρ—桩身材料密度，A—桩身横截面积将桩身假定为一维弹性杆件（桩的长度远大于直径且入射波长λ大于桩的直径），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ρc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。 1、桩顶入射波在变截面处的反射与透射（1-2）（1-3） （1-4）（1-5）式中， —入射波应力，—反射波应力，—透射波应力，—入射波速度,—反射波速度，—透射波速度 由式（1-2）、式（1-3）、式（1-4）及式（1-5）可得：（1）对于截面均匀，无缺陷的桩，即A1=A2，或Z1=Z2，则有 =，=0；=，=0 可见，均匀桩不产生反射波，入射波以不变的波速和幅值向下传播。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为零。（2）当下行压缩波遇到截面减小时，即A1>A2，则产生反射波和透射波。此时与 异号，表明反射波为上行波。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，当该反射波到达顶端时，在桩顶所检测到的应力反射波与初始冲击压缩波的方向一致。而此时，与符号一致，表明反射波的速度方向也与入射波速度方向相同。因此，用传感器在桩顶检测出的反射波速度信号与初始入射波信号相同。（3）当下行压缩波遇到截面增大时，即A2>A1，此时反射波信号与入射波信号极性相反。 当桩身存在缺陷时，根据缺陷反射波时刻与桩顶锤击触发时刻的差值△t和桩身传播速度C来推算缺陷位置Lx:Lx=△t·C/2 （1-6）
2、桩尖处波的反射与透射 对于桩尖处的反射波和透射波的符号和幅值，应根据在不同介质界面处的反射与透射理论决定：(1-7)
(1-8)
(1-9)
(1-10)
由式（1-7）、式（1-8）、式（1-9）、式（1-10）可知：（1）一般情况下，由于桩的阻抗大于土的阻抗，即>，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的速度信号符号相同，若在桩的顶端观测，则反射波与锤击下行波符号一致。这与截面缩小处的反射波符号相同。（2）桩尖处的反射波的应力和速度的幅值均弱于入射波。而随着土质变“软”或阻抗变小，反射波的应力和速度的幅值变大，特别是当桩土阻抗相差很远，而桩可看成自由端时，此时≈－，＝，则反射波幅值近似等于入射波幅值。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，反射波速度要小一些。（3）相反，当桩尖处土的阻抗增大时，反射波的幅值变小，特别是当桩尖处阻抗远大于桩身阻抗时，此时≈，≈－，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检测时，桩尖附近土的阻抗对桩尖处的反射波会产生明显的影响。所以，在规范中客观地列入了“因桩端部分桩身阻抗与持力层阻抗相匹配导致实测信号”这一真实情况。检测时通过桩身顶部进行竖向激振产生弹性波，弹性波沿桩身向下传播。当桩身阻抗存在桩身截面积变化部位或界面明显差异（如桩身混凝土严重不密实、桩身不连续、有砼到持力层等），将出现反射波，经传感器接收、仪器放大、滤波和数据处理就可以识别来自桩身不同的反射信息。

二、现场检测的几个重要环节

1、桩头处理

（1）测试前应了解桩身混凝土的龄期，受检桩混凝土强度至少达到设计强度的70%，且不小于15MPa。
（2）桩头部位的缺陷对波的传递影响很大，所以桩头应予以处理，尽可能的把浅部的各种缺陷去掉。预制桩要将锤击疏松部分截除，灌注桩要将浮浆或不密实段截除，最好采用砂轮将被测桩桩顶直接磨平，使激振点、信号接受点都直接在桩身砼母体上。

2、仪器设备状态

（1）检测用计量器具必须在计量检定周期的有效期内。
（2）传感器选用宽频带的加速度型传感器，以获得较理想的响应信号。加速度型传感器灵敏度应不小于100mV/g，频宽在1—3000Hz。
（3）采用16位A/D转换和宽频低噪音的信号放大浮点技术，有较宽的动态信号变化范围，有信号平均增强和时变放大技术，可获得高信噪比的数据采集结果。
（4）配备有实用的监控、编辑、和分析软件，系统采用人机对话式工作，分析简明直观，操作容易，可在时间域和频域上作多种分析处理，提高分析结果的可靠性。