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