低应变检测原理及波形初步判识

低应变检测原理及波形初步判识
一、低应变动测原理
1、低应变反射波法源于应力波理论，基本原理是在桩顶进行竖向激振，使桩中产生应力波，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗界面（如桩底、断裂或离析、夹泥等部位）或桩身截面积变化（如缩颈或扩径）部位，将产生反射波，利用特定的仪器设备经接收、放大、滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息。

通过对反射信息进行分析计算，来判断桩身完整性，判定桩身缺陷的程度及其位置。

2、桩判定标准
在《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2003（以下简称《规范》）中，桩身完整性定义为：反映桩身截面尺寸相对变化、桩身材料密实性和连续性的综合定性指标；桩身缺陷定义为：使桩身完整性恶化，在一定程度上引起桩身结构强度和耐久性降低的桩身断裂、裂缝、缩颈、夹泥（杂物）、空洞、蜂窝、松散等现象的统称。

注意，桩身完整性不是严格的定量指标，对不同的桩身完整性检测方法，具体的判定特征各异，但为了便于采用，应有一个统—的分类标准。

所以，桩身完整性类别是按缺陷对桩身结构承载力的影响程度，统一划分为四类的：Ⅰ类——桩身完整。

Ⅱ类——桩身有轻微缺陷．不会影响桩身结构承载力的发挥。

Ⅲ类——桩身有明显缺陷，对桩身结构承载力有影响。

一般应采用其他方法验证其可用性，或根据具体情况进行设计复核或补强处理。

Ⅳ类——桩身存在严重缺陷，—般应进行补强处理。

二、低应变动力测桩法的分类
低应变动力测桩以所采用的激振方式及所观测的振动响应的不同分为两类，即瞬态法和稳态法。

（一）、瞬态法
所谓瞬态法就是采用激振方式并观测橇的瞬态振动响应的方法，是对桩顶面施以轴向瞬时冲击力或施以一冲量来激发桩的振动的方式，就是桩在瞬时冲击力或冲量的作用下，桩的振动随时间的变化过程，振动时间的持续时间一般不会超过1S。

根据冲量的大小和可控制程度可分为：
1、人工锤击法。

这种激振方式是最简单、方便的，但这种人工锤击方式的冲量是随机的和不能较准确控制的，并且也不是完全轴向的，因而在观测振动响应时，重复性有进较差。

2、自由落锤冲击法。

这种激振方式是用一个已知重量短柱或球形锤，自桩顶面一定高度处自由下落冲击桩顶面来激发桩的振动，这种冲击力不但能保证沿桩轴方向，而且冲量大小和冲击点位都是可控的，因此是一种比较好的的瞬态激振方式。

3、水电效应冲击法。

这种激振方式是在桩顶面设置盛有水的刚性容器，水中放置两个极性相反、有一定距离的电极，在接通电源的瞬间，两电极间发生脉冲放电形成一个脉冲力作用，通过水传递到桩顶面。

比较适应于截面较大的桩。

（二）稳态法
就是用用稳态激振方式并观测桩的稳态振动响应的方法，是对桩顶面施以一个幅值恒定的轴向诣振力来激发桩的振动的方式，实现这种激振方式一般采用电磁激振器，桩在诣振力的作作下做强迫振动，当诣振力的频率与桩的阻尼自振频率相等时，便会引起桩的共振作用，这种动测方法正是利用了共振特性，所以又可将这种动测方法称为“共振法”。

这里我们主要简单说一下瞬态法。

1、瞬态法数学模型
假定桩是一维弹性杆, 在桩顶利用手锤(或力棒) 施加一脉冲力
F ( T) 后, 激发一应力波沿桩身传播, 遇到波阻抗变化处产生反射
波, 根据波动理论和弹性波在桩身内沿轴向传播的基本规律, 振动速度可以表达为:
式中: VR 为反射波的速度量; V1 为入射波的速度量; ρ为桩自身质量密度; C 为波速; A为桩的横截面积; N 为桩身完整性系数
(1) 当N > 1 , ρ1 C1A1 >ρ2 C2A2 , 此时, 反射波VR 与入射波V1 同相位。

例如: 桩身存在离析(即ρ↓、C ↓)、缩径(即A ↓)、夹泥缺陷(即ρ↓)或嵌岩桩底沉渣过厚( A 变化) , 以及摩擦桩桩底反射都会出现反射波VR 与入射波V1 同相位的情况。

(2) 当N < 1 , ρ1 C1A1 <ρ2 C2A2 , 此时, 反射波VR 与入射波V1 反相位。

例如: 扩径、端承桩桩底反射波形都属于此类型。

若假定 C 已知, 从实测的反射波曲线可以计算出桩长或缺陷位置L
C 为波速; TR 为反射时间。

2、低应变检测示意图
3、低应变理论波形曲线
1）完整桩波形曲线
2）扩径桩波形曲线
在桩身扩径处有ρ1 = ρ2, 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 ′= ct′ö 2.
3）缩径桩波形曲线
在桩身缩径处有ρ1 = ρ2, 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 ′= ct′ö 2
4）断桩波形曲线
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。

4、实际工程中低应变波形曲线
实际施工中桩身材料不是非常均匀一致的，因此实际波形曲线没有理论曲
线归整，也就是平直段不完全是一条直线。

1）、完整桩实测波形曲线
2）、扩径桩实测波形曲线
3）、缩径桩实测量波形曲线
4）、离析桩实测曲线
在桩身离析和胶结不良处有ρ1 = ρ2 , 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。

5）、断桩实测波形曲线
6）、嵌岩桩实测波形曲线
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, 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)
5、检测中注意事项
1）激振问题
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 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。

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, 此时最好用石膏粉。

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）、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。