反射波法基本测试原理与波形分析
反射波法基本测试原理与波形分析
一. 反射波法基本测试原理与波形分析1．广义波阻抗及波阻抗界面设桩身某段为一分析单元，其桩身介质密度、弹性波波速、截面面积分别用ρ，C ，A 表示，则令Z =ρCA （7-1）称Z 为广义波阻抗。
当桩身的几何尺寸或材料的物理性质发生变化时，则相应的ρ、C 、A 发生变化，其变化发生处称为波阻抗界面。
界面上下的波阻抗比值为22211121A C A C Z Z n ρρ== （7-2） 称n 为波阻抗比。
2．应力波在波阻抗界面处的反射与透射设一维平面应力波沿桩身传播，当到达一与传播方向垂直的某波阻抗界面（如图7-2所示）时。
根据应力波理论，由连续性条件和牛顿第三定律有 V I +V R =V T （7-3） A 1（σI +σR ）=A 2σT （7-4） 式中，V 、σ分别表示质点振动的速度和产生的应力，下标I 、R 、T 分别表示入射波、反射波和透射波。
由波阵面的动量守恒条件导得σI =－ρ1C 1V I σR =ρ1C 1 V R σT =-ρ2C 2V T代入式（7-4），得ρ1C 1A 1（V I －V R ）=ρ2C 2A 2V T （7-5）联立式（7-3）和（7-5），求得V R =－FV I （7-6a ）V T =nTV I （7-6b ）式中nn F +-=11 称为反射系数 （7-7a ） nT +=12 称为透射系数 （7-7b ） 式（7-6）是反射波法中利用反射波与入射波的速度量的相位关系进行分析的重要关系式。
3．桩身不同性况下应力波速度量的反射、透射与入射的关系（1）桩身完好，桩底支承条件一般。
此时，仅在桩底存在界面，速度波沿桩身的传播情况如图7-3所示。
因为ρ1C 1A 1>ρ2C 2A 2，所以n = Z 1/Z 2>1，代入式（7-7）得F <0，（T 恒>0）由式（7-6）可知，在桩底处，速度量的反射波与入射波同号，体现在V （t ）时程曲线上，则为波峰相同（同向）。
反射波法检测基桩完整性(1
现场检测技术方法
安装传感器
传感器安装点及其附近不得有缺损或裂缝； 当锤击点在桩顶中心时，传感器安装点与桩中心的距离
宜为桩半径的三分之二； 当锤击点不在桩顶中心时，传感器安装点与锤击点的距
离不宜小于桩半径的二分之一； 对于预应力管桩，传感器安装点、锤击点与桩顶面圆心
构成的平面夹角宜为90度。
T1
Toe
-0.02
Vel
0 5 10 15 20 25 m
从检测波形上看，该桩在距桩顶16米左右处同相反射信号较强，桩身完整性 存在比较严重的缺陷，判定该桩为Ⅲ类桩。结合地质报告，该桩所处主要地 层结构为卵石层和亚粘土层，判定缺陷类型为夹泥。后据施工单位反映，该 桥场地地质情况比较差，成孔比较困难，钻孔过程中经常会出现孔壁坍塌的 情况。该桩桩身夹泥缺陷明显，此缺陷的形成有以下几个原因：其一主要是 混凝土灌注过程中出现了局部塌孔的情况，泥土挤入桩身；其二是施工单位 在处理坍孔或加大泥浆稠度时直接加入孔内的粘土在施工中被分散成泥团、 泥块，在灌注混凝土时夹入桩身；其三是缺陷位置处的混凝土灌注速度不正 常，低于正常灌注速度，当混凝土下泄时，不足以将泥浆全部挤出，造成夹 泥的缺陷。
Ⅳ类桩实例分析
cm/s
0.01 0.01 0.00
2: # 156
MA: 2.00 MD: 2.00 LE: 40.00 WS: 4000 LO: 0.77 HI: 0.00 PV: 0 T1: 63
T1
Toe
-0.01
Vel
0 5 10 15 20 25 30 35 40 m
从检测波形上看，该桩在距桩顶24米处同相反射信号非常强，并且可以见 到该缺陷的二次和三次重复反射，见不到桩底反射信号，故判断该桩为断 桩。后经事故调查得知，该起断桩事故与地质情况无关，为人为原因造成。 当时施工单位在对该桩灌注过程中，发现所购商品混凝土坍落度连续七车 不满足施工质量要求，最小的为11cm，最大的为15cm，随即对该商品混凝 土清退出场，等合格的商品混凝土到场后，此时该桩已经中断灌注混凝土 2.5至3个小时，继续灌注时导管内混凝土已经不能顺利下落，施工单位随 即采取敲击导管并利用25吨吊车小幅度上下往复运动导管，强行使混凝土 下落，此时孔内混凝土已经凝结，不可能继续上浮，最终形成二次浇筑面 造成断桩。这是一种典型的断桩形成原因。
反射波法测桩原理及方法
反射波法测桩基本原理
假定桩为一维弹性杆件，其材料由介质密度ρ确定。如果 用C 表示在杆件中传播的应力波（纵波）波速，则C 与杆件 的弹性模量E 和介质密度ρ的关系用以下公式表示：
C=
E
ρ
用A 表示杆件任一截面的面积，则定义波阻抗为：
Z = ρ CA =
EA C
在应力波作用下，波阻抗综合反映了杆件材料的物理性 质及其几何尺寸的变化。
V I + V R = VT F I + F R = FT
FI Z1
−
FR Z1
=
FT Z2
Z 1 (V I − V R ) = Z 2V T
Байду номын сангаас
联立求解可得：
质点作用力反射系数 质点振动速度反射系数
R R
F
= = = =
FR Z = FI Z V V
R I
2 2
− Z + Z
2 2
1 1 1 1
V
= − = =
RV
VR Z 2 − Z1 = = − VI Z 2 + Z1
桩底支承介质较桩身混凝土软以及桩身缩径、断裂、 离析、夹泥等均会出现波阻抗减小的现象。此时，反 射系数Rv＞0，在速度检测器接收的曲线上，反射波相 位与入射波相位相同。由于RF＜0，则反射波为上行拉 伸波，与入射波（下行压缩波）传播方向一致。 如果桩完全断裂，Z2≈0，发生全反射，质点应力为 0，质点振动速度加倍。应力波在断裂位置以上多次反 射，形成震荡曲线。检测不到断裂位置以下信息。
反射波时域曲线实例
钢筋混凝土灌注桩： 旋挖成孔，灌注C35 商品混凝土。 上图为重锤敲击， 波形呈现低频大振 幅衰减振动，表明 桩头浅部有严重缺 陷； 下图为轻锤敲击， 缺陷位置明显。
地震勘探技术野外工作方法反射波法折射波法
(3) 干扰波少，强度弱，并易于分辨。图5.9 大地衰减和检波器特性曲线
2.检波器的频率特性 高频检波器：高频响应好， 低频响应差。如图5.9所示。
① 大地滤波衰减曲线； ② 检波器频率响应曲线； ③ 检波器＋大地特性。高、低频信号的输出基本均一。
1.单边观测系统 定义：在炮点一方接收的观测系统。适应折射界面较浅的情况。 折射波法规测系统
2.相遇观测系统
定义：两个单边时距曲线组成的 观测系统。时距曲线存在互换关系。 在讨论倾斜界面折射波时距曲线时已 提及过。
3.追逐观测系统 主要作用：界面弯曲，判断波有无 穿透；断层，判断是否绕射。在前面已地震波的激发
1.地震勘探对激发条件的基本要求
激发条件：影响地震记录好坏的第一因素，得到好的有效波的 基础条件。
(1) 有一定能量，保证获得勘探目的层的反射； (2) 有效波能量强，干扰波相对微弱，有较高的信噪比； (3) 频带较宽，尽可能接近δ脉冲（尖脉冲），以利提高分辩率； (4) 同点激发，地震记录重复性好。 2.震源类型
把激发点和排列向一个方向移动，重复以上工作，得一连续长反射 界面。图中，T=Tˊ（互换时间）。
观测系统图示
2. 如图(b)示。 O1激发，O1O2接收，用O1A表示，O1A在测线上投影O1A1对应 反射界面R1R2；
O2激发，O1O2接收，用O2A表示，相应反射界面为R2R3。 两次激发，得连续反射界面段R1R3。 折射法：多用时距平面图表示。
(2)相干干扰
定义：指外界产生的具有一定规律性的干扰。
特点：在地震记录上表现为有规律的振动，具有一定的 频率和视速度。
相干干扰产生：在 大型厂矿附近，机器有 规律地连续振动，江、 河波浪冲击岸坡等。如 图5.13所示。
低应变(反射波法)检测培训_OK
（3）离析（断）桩 工程桩9#，桩长10.25m。该桩现场实测波反射较强，往后同
样出现多次反射、其反射时间间隔相等，无法找出桩底反射位 置。按本工程的完整桩平均波速反算，该桩身在2m—2.2m处全 断。
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现场钻芯取样，桩顶上部0.2m厚度无骨料,0.2—2.0m段芯样 表面有蜂窝、麻面，水泥渗量少，胶结较差，2.0—6.15m段， 砼芯破碎严重，部分砂、石分离无胶结，6.15m至桩底砼芯样 连续，呈柱状表面光滑、断口吻合、胶结较好，桩底与持力 层接触面清晰。该桩钻芯结果与低应变反射波检测结果较为 一致。
4
(二)应力波在波阻抗界面处的反射和透射 设一维平面应力波沿桩身传播到达一与传播反向垂直的 波阻抗界面。
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根据应力波理论，由连续性条件和牛顿第三定律有
vI+vR=vt
(3)
A1(ơ1+ ơr)=A2ơt (4)
式中：v、ơ分别表示应力波的速度和应力，下标I、R、T分 别表示入射波、反射波和透射波。由波阵面动量守恒条件， 由式（4）得
与反射波同相位,并在缺陷处波形非常明显反射,反射时间为 1.41ms,按本工程完整桩的平均波速，计算出该桩实测缺陷在 2.3m处。
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现场钻芯取样，上部0—2.30m段砼芯样连续完整,呈柱状及 短柱状,表面光滑,断口吻合,骨料分布较为均匀。中部2.40— 5.80m段砼芯样较为松散，胶结较差或无胶结现象，取中部较 为完整呈柱状体芯样，进行砼试块试压，其最大砼抗压强度 为14.1Mpa。钻芯结果与反射波检测法基本吻合。
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2、桩身缺陷位置确定
X=1/2000⊿txC
X=1/2·c/⊿f′
采用本方法确定桩身缺陷的位置是有误差。
原因一：
低应变检测过程中的应注意一些问题
低应变检测过程中应注意的问题前言由于桩基工程是地下隐蔽工程,桩基施工过程中难免会出现诸如断桩、夹层、离析等这样或那样的缺陷,成桩质量直接影响到桩的承载力能否满足设计要求。
目前,在我国桩基质量检测方法有多种,其中反射波法由于其基本原理简单、快速无损、资料判读直观、准确度较高在桩基检测中占据主流地位。
但是如果操作者不能认真对待检测过程中的每一步骤,都可能造成误判、漏判,以至造成工程隐患。
1、基本原理反射波法又叫应力波法,是以手锤或力棒等激震装置撞击桩顶,产生一纵向应力波信号沿桩身传播,由传感器(速度型或加速度型)拾取桩身缺陷及不同界面的反射信号,再通过一系列分析处理来判定桩身质量。
由于该方法受外界环境、人员素质等多种因素影响,采集到的信号往往是包含多种频率成分的动态信号,所以应针对桩基检测的各个步骤采取相应的措施和手段,来获取桩身响应的真实信号。
低应变反射波法桩基检测可分为两个阶段:现场采集数据阶段和室内数据分析处理阶段。
2、现场数据采集2.1 桩头处理桩基测试依据的信号是由偶合在桩顶的传感器接收到的响应信号,所以桩头处理是取得结果的关键。
在测试前,应认真清理桩头浮浆及破碎部分,直到露出新鲜混凝土界面,且要求桩头有一定的强度,至少应在成桩后8~15天方可检测。
2.2 感器的选择及安装桩土体系的自振频率是由体系的质量和刚度决定的。
在质量一定的情况下,刚度越大,则体系的自振频率越高;刚度越小则体系的自振频率越低。
在刚度一定的情况下,质量越大,则体系的自振频率越低;质量越小则体系的自振频率越高。
目前,在反射波法测试中,应用速度计和加速度计都取得了良好的测试效果。
加速度计的频带宽,高频特性较好;速度计的频带窄,但低频特性较好。
在现场测试时,应视具体工程、具体场合选用不同的传感器,以期及时取得良好的曲线。
通常在短桩、小直径桩检测时采用加速度计,发现浅部缺陷,减少浅部“盲区”;在大直径、长桩的检测中采用速度计,取得深部缺陷及良好的桩底反射信号。
低应变反射波法检测注意事项及常见波形浅析
低应变反射波法检测注意事项及常见波形浅析本文在阐述了反射波法的基本原理后，结合检测过程中应注意的事项，对一些工程检测中常见的波形进行了分析和探究。
最后，介绍了因桩身或其他外部因素影响导致实测波形复杂时常用的辅助验证手段。
标签：反射波法，注意事项，波形分析一、引言在我国基础建设飞速发展的今天，桩基础作为一种安全、有效、可靠的基础形式在公路、铁路、市政、房建等领域均得到了广泛的应用。
由于桩基础是地下成桩工艺，所以施工过程中难免出现离析、夹泥、缩颈、断裂等不良缺陷，这些缺陷不同程度地影响了基桩的质量而影响到上部结构物的安全，因此基桩质量的检测越来越重要。
作为基桩完整性检测的常规手段，低应变反射波法在我国有多年的实践应用并已纳入国家的规范，由于此种方法具有野外数据采集快速、方便，测试资料分析简单、精确，费用低廉等优点，因此其被众多的检测单位所采纳与使用。
当然，这种方法在实际应用中存在许多问题应引起注意和重视，否则将对基桩完整性检测的结果产生较大的影响。
二、低应变反射波法的基本原理低应变反射波法是以一维弹性杆平面应力波波动理论为基础的。
將桩身假定为一维弹性杆件（桩长>>直径），在桩顶锤击力作用下，产生一应力波沿桩身向下传播，当遇到界面缺陷或桩身波阻抗Z变化界面时，将产生反射和透射波，反射的相位和幅值大小由波阻抗Z变化决定。
安装在桩顶上的传感器，将接收到来自桩身各个波阻抗Z变化界面处反射上来的信息，根据记录到的信息，通过时域分析、频域分析和阻抗分析等，从而判断桩身混凝土的完整性、缺陷的程度及其在桩身中的位置。
并可根据桩底反射信号，计算整桩平均波速。
桩身波阻抗Z由桩的横截面积A、桩身材料密度ρ、纵波速度C等决定，如式（1）。
Z=ρCA（1）假设在基桩中某处存在一个波阻抗变化界面，界面上部波阻抗Z1=ρ1C1A1，上部波阻抗Z2=ρ2C2A2。
当Z1=Z2时，表示桩截面均匀，无缺陷；当Z1>Z2时，表示在相应位置存在缩颈或砼质量缺陷，反射波速度信号与入射波速度信号相位一致；当Z1<Z2时，表示在相应位置存在扩径，反射波速度信号与入射波速度信号相位相反。
反射波法基本测试原理与波形分析
反射波法基本测试原理与波形分析反射波法是地球物理勘探中常用的一种方法，主要用于确定地下的结构和性质。
反射波法的基本原理是利用地震波在地下介质中传播时的反射和折射现象。
它通过在地面上布设一系列地震源（如炮点）和地震接收器（如地震传感器），并记录地震波在地下介质中传播的反射和折射波。
在地震源激发的地震波传播过程中，波在地下介质中遇到不同密度和速度的层界面时会发生反射和折射。
当地震波从一种介质传播到另一种介质时，部分能量会被反射回地面，形成反射波；同时，一部分能量会继续传播到下一个介质中，形成折射波。
地震接收器可以记录到这些反射波和折射波的到达时间和幅度。
在波形分析中，根据记录到的地震波数据，可以通过计算地震波的到达时间和幅度差来推断地下介质的性质和结构。
其中到达时间差反映了不同层界面的深度，而振幅差则与地下介质的物性有关。
根据这些数据，可以绘制出地下层界面的剖面图，并进一步解释地下地质构造和储层性质。
波形分析还可以通过计算地震波的速度来推断地下介质的密度和岩性。
地震波在传播过程中，速度会受到地下介质物性的影响，不同的岩石类型和密度会导致地震波的速度发生变化。
通过分析地震波的速度，可以推断地下地质中的不同岩性类型和密度分布情况。
这对于石油勘探和地质工程等方面具有重要意义。
然而，反射波法也存在一些技术难题和局限性。
首先，由于地震波在地下介质中的传播受到多种因素的影响，如介质异质性、波场衰减等，波形的解释和分析较为复杂。
其次，反射波法在复杂地质环境下的应用可能受到限制，如在存在大量散射介质的区域或井下存在水层等情况下，地震波的传播和反射过程会发生多次散射，导致波形分析结果的精度下降。
总之，反射波法是一种重要的地球物理勘探方法，通过记录地震波的反射和折射波的到达时间和幅度，可以推断地下介质的性质和结构。
在波形分析中，通过解释地震波的速度和振幅变化，可以推断地下介质的密度和岩性。
然而，反射波法也面临一些技术难题和局限性，需要结合其他地球物理方法和地质资料进行综合分析。
低应变反射波法
传感器：用于接 收和传递地震波 信号
数据采集器：对传 感器接收的信号进 行采集、处理和记 录
计算机：对采集 的数据进行分析 和处理
软件：用于控制 测量过程、数据 分析和解释
准备工作：选择合适的传 感器、校准设备、确定测 量方案等
安装传感器：将传感器安 装在试件表面或内部
采集数据：通过设备采集 反射波信号，并记录数据
添加标题
弹性波的产生：物体受到外力作用时发生形变，形变部分又会对周围物体产生力的作用，从 而使弹性波传播开来。
添加标题
弹性波的种类：纵波和横波。纵波是推进波，地面上常见的声波、光波和地震中的P波等都是 纵波；横波是剪切波，地震中的S波、表面张力波等都是横波。
添加标题
弹性波的传播速度：与介质的弹性常数有关，弹性常数越大，传播速度越快。
测量原理：通过在桩 顶施加激振力，产生 低频弹性波，并记录 桩顶的振动响应信号
弹性波传播：弹性波 在桩身中传播，当遇 到桩身截面变化或桩 底时，会产生反射波
反射波识别：通过分 析反射波信号的特征 ，可以确定桩身截面 变化或桩底的位置
测量精度：低应变反 射波法具有较高的测 量精度，能够准确判 断桩身完整性
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定义：低应变反射波法是一种通过在桩顶施加激振力，测量桩顶反射波信号，从而确定桩身完整性、缺陷位 置和程度等信息的无损检测方法。
添加 标题
原理：低应变反射波法基于一维波动理论，将桩视为弹性杆件，通过在桩顶施加瞬态激振力，产生沿桩身传播的弹性波，当 波遇到桩身缺陷或桩底界面时，会产生反射波，通过测量反射波信号的时域波形或频域特性，可以确定桩身完整性、缺陷位 置和程度等信息。
低应变检测桩身完整性和声波透射法检测桩基
实验报告课程：桩基检测与评定题目：低应变检测桩身完整性与桩基超声波透射法院系：土木工程系专业：年级：姓名：指导教师：西南交通大学峨眉校区2012 年7 月 1 日基 桩 反 射 波 法 试 验检 测 报 告一．基本原理基桩低应变动力检测反射波法的基本原理是将桩身假定为一维弹性杆件（桩长>>直径），在桩顶锤击力作用下，产生一压缩波，沿桩身向下传播。
当桩身存在明显波阻抗Z 变化的截面将产生反射和透射波，反射的相位和幅值大小由波阻抗Z 变化决定。
桩身波阻抗Z 由桩的横截面积A 、桩身材料密度ρ等决定即Z=A C ⋅⋅ρ。
假设在基桩中某处存在一个波阻抗变化界面，界面上部波阻抗1Z =111A C ρ，上部波阻抗2Z =222A C ρ①当1Z =2Z 时，表示桩截面均匀，无缺陷。
②当1Z >2Z 时，表示在相应位置存在缩径或砼质量较差等缺陷，反射波速度信号与入射波速度信号相位一致。
③当1Z <2Z 时，表示在相应位置存在扩径，反射波与入射波速度信号相位相反。
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=△t ²C/2二．现场检测大致流程是用力锤对桩顶作瞬态激振，以产生脉冲应力波，由设置在桩顶的加速度传感器接收入射波和反射波信号，该信号经电荷放大后，经桩基分析系统处理，根据反射波的时差，相位和幅值即可判断桩身的缺陷位置、类型及程度。
传感器的安装对现场信号的采集影响较大，理论上传感器越轻、越贴近桩面、与桩面之间接触刚度越大，传递特性越好，测试信号也越接近桩面的质点振动。
对实心桩的测试，传感器安装位置宜为距桩心2/3～3/4半径处；对空心桩的测试，锤击点与传感器安装位置宜在同一水平面上，且与桩中心连线形成90°夹角，传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。
传感器的安装必须通过藕合剂垂直与桩面粘接，此次实验使用的是经口加工的口香糖。
反射波法进行基桩检测的波形分析
缩径桩 ， 力锤敲击入射 波为下行压 力波 ， 点 向下 运动 ， 度 质 速
为负 ； 为以压应变为正， ｅ 拉应变为负； 十” “ 为上行波； ” “ 为下行波。
Ｆ ＝ ＡＥ￣ ＝ 一 ＡＥ ： ＡＥ ＿
・ ＝
为正 ， 波传播 到缩径处时 ， 一部分 透射继续 向下传 播 ， 另一 部分发
完整桩 的波动 原理 是 ： 力锤 敲击 时入 射波 为下行 压力 波 ， 质
其 中， “为质点位移 ； 为时 间； ｔ Ｘ为 幅值 ； 为 弹性 波波速 。 Ｃ
点 向下运 动 ， 度为 正。波传 播到桩 底时 向上反射 ， 为上行拉 速 变
力波 ， 点还是 向下运 动 ， 度为 正。如 图 １所示 ， 号桩 的波 形 质 速 １ 入射 波与 桩底 反 射波 同相 位 ， 速为 ３８ ０ｍ／， 波 ０ ｓ为摩 擦桩 完 整 桩 。波形在 １ ４Ｉ 处有 很小的与入射波 同相位 的反射 ， 际是 由 ． Ｉ Ｔ 实
处缩径 。
同理可 推 ，
Ｆ十＝一Ｚ 十 Ｖ
其 中， Ｚ为波阻抗 ， Ｚ：Ａ０ 。 ＝ 力波与上行压 力波质 点 向上运 动 ， 速度为负 。
可 通过计算在 ４４ ． ｍ 下行压力波 与上行 拉力 波质 点 向下运 动 ， 速度 为正 ； 行 拉 有 与入射 波同相位 的波形 ， 以判定为缩径桩 ， 下
＝ ０ ７０ ｍ
ｖ：ｖ ＋ｖ十１
ｄ ＋ｄ千 ：ｄ
ｅ ＋ｅ １ ＝ｅ 千
Ｆ：Ｆ ＋ Ｆｔ ｊ
图２
缩 径 桩 波 形
其 中， ｖ为 以质点 向下为正 ， 向上为负 ； Ｆ为以压力为正 ， 力 拉
由上式 可知波形只是平移 ， 中， （ —ｘ／ ） 其 ｆｔ ｃ 为下行 波 ； ｔ 开 挖 至 ３ １Ｉ 除去 护壁 层 。 ｇ（ ＋ ． Ｉ Ｔ ｘ ｃ 为上行波 。位移 、 ／） 速度 、 力 、 应 应变均 为上行波和下行 波影 响 ２． ２ 缩 径 桩 ２．
浅析地质勘探中的浅层地震反射波法
浅析地质勘探中的浅层地震反射波法1、浅层地质反射波法的基本原理地震反射波法是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种常用浅地层勘探方法。
这种方法可以利用多种波作为有效波来进行探测，也可以根据探测目的要求仅采用一种特定的波作为有效波。
在这种方法中，每一测点的波形记录都采用相同的偏移距激发和接收。
在该偏移距处接收到的有效波具有较好的性噪比和分辨率，能够反映出地质体沿垂直方向和水平方向的变化。
浅层地震反射波法是地震勘探方法中的一种。
在地表向下激发地震波，当地震波向下传播遇到弹性不同的分界面时，就会发生反射，地震勘探仪器记录这些反射地震波。
由于反射波在介质中传播时，其传播路径、振动强度和波形将随通过介质的结构和弹性性质的不同而变化，根据接收到的反射波旅行时间和速度资料，就能推断解释地层结构和地质构造的形态，而根据反射波的振幅、频率、速度等参数，则可以推断地层或岩石的性质，从而达到地震勘探的目的。
2、参数选择的基本原则2.1数据采集浅层地震勘探根据不同的地质环境和勘探要求，使用时采用的方法不同，应用的效果取决于野外工作参数（采样率、道间距、偏移距）的选择，震源能量等。
这些参数由野外试验工作来选定。
○1震源。
在激发时，对震源一般有两个要求：一是激发力要竖直向下；二是激发装置或药包与大地耦合要好。
○2检波器。
接收设备（主要是检波器）除接触条件外，它的埋置尽量达到最佳的耦合，如果由于条件限制不能埋置在原设计点位时，沿测线方向位移1∕10道间距内或垂直于测线方向的1∕5道间距内。
○3分辨率。
为保证记录有效信号不畸变，每个最短周期内至少要采集4个样值，而且还要考虑记录长度问题，因为不能选择过高的采样率，以免点数太多，出现仪器存储容量不够或增加不必要的勘探成本。
○4滤波器。
工程数字地震仪一般均设有低通、高通、带通、全通等模拟滤波器。
为提高地震记录的信噪比，改善记录频谱中高、低频能量的不平衡状况，可根据实际干扰波调查的结果，选择合适的滤波器，以压制干扰。
低应变反射波形曲线分析
一、原理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，弹性波沿着桩身向下传播。
在桩身明显存在波阻抗界面（如桩底、断桩或严重离析等部位）或桩身截面积变化（如缩颈或扩颈）部位，将产生反身波。
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。
据此计算桩身波速、判断桩身完整性和混凝土强度等级。
当桩嵌于土体中，将受到桩周土的阻尼作用，桩的动力特性满足一维波动方程。
其波动方程为：■=■·■式中c是弹性波纵波传播速度，它是由材料常数ρ和E所决定的常值：c2=■二、各种完整桩的波形灌注桩桩型一般分为两种：摩擦桩、嵌岩端承桩。
图1 （a）完整桩波形；（b）摩擦桩波形；（c）嵌岩端1．当桩为摩擦桩时，桩身阻抗大于桩底持力层土层的阻抗，此时桩底反射波速度符号和入射波符合一致，桩底处反射波应力的速度的幅值低于入射波，随着桩底土质变软（如桩底沉渣）桩底土的波阻抗变得更小，此时除桩底反射波速度符号和入射波符合一致外，反射波幅值也变大。
当把桩底土波阻抗小到可以忽略时，则可有：下行的压力波变上行拉力波，入射波全反射，质点速度加倍（由此说明桩底反射波的幅值变得更大，人们可以利用它定性确定端承桩的沉渣厚薄）。
2．当端承桩和嵌岩端承桩的桩底岩土波阻抗逐渐增大时，反射波的幅值变小，若桩底岩土波阻抗大于桩身波阻抗时，此时桩底反射波符合与入射波反向（由此人们利用这一特征可以定性判断桩尖打入坚硬持力层的程度及深度）。
三、缺陷桩的波形曲线（一）施工中造成的断桩波形图2 （a）深部断桩波形；（b）中部断桩波形；（c）浅部断桩波形1．深部断裂：近似于摩擦桩的沉渣桩桩底反射，有高幅值的桩间反射，反射波相位与初始入射波相同，往往可见到2次或3次，但按平均波速算桩长却远比设计桩长要短，或按设计桩长算波速远大于一般桩的波速，如按常规公式2L/△t计算后得到的Vp达到4300m/s以上，这时就应该考虑到可能是桩基未打到设计的深度，或者是桩在深部有断桩现象2．桩中部断裂：表现在反射波曲线的多次等周期衰减，反射曲线、反射子波的第一子波相位由于是高阻抗材料传向低阻抗的水、空气或充泥材料，故其相位与桩的初始入射波同相位，而后续波由于从低阻抗的软材料进入高阻抗的硬材料，故其相位表现为与初始入射波相反。
低应变反射波法在预制试验桩中检测应用
是可行的。
关键 词 ： 应 变 法 ； 基 检 测 ； 身 完 整性 低 桩 桩
ｌ 基 本 原理 低 应 变 反 射 波 法 是假 设 桩 为 等 截 面 的 细 长 杆 ，四 周 无侧 阻 力 作 用 ，
顶端受激振 力或其它振动形式 的冲击后 ， 冲击能量都以应力波的形式沿 桩身传递 ， 传递过程是以一维波动方程为数学模 型。且 杆件截 面变形仍 然保持平 面， 杆件变形与受力成正 比。 由振动理论基础得 知， 桩体纵 向振动的微分方程为
１
Ｈ
—
ｆ
舟ｌ 试验桩 同端 实测信 号及桩 形分析 图
图 试桩 端测萼 桩 分罔 ２ 验 异 实 者 及 形 析
０ ｕ ７
—
ｃ —
—
ｆ１
ｔ
０ ｚ
且Ｃ ＝
由 ！ 桩身在 ｚ方向上的位移 ； ！ Ｃ为应 力波沿桩身 的传播速 度 ， ； 材 料 弹性 模 量 ； 介 质 密 度 。 Ｅ为 Ｐ为 其桩身波阻抗 ， 纵波波速及缺陷位置的计算表达式分别为
科 技 论 坛
民 营科 技 研萌 丽
低应变反射波法在预制试验桩 中检测应用
罗 开 放
（ 东省 冶金 建 筑 设 计研 究 院 ， 东 广 州 ５ ０ ０ 广 广 １０ ０）
摘
要： 用低应 变反射 波法对其预制 的试验桩进行 了检 测， 参照预 制桩的检测结果对相 同工 艺施工的 实际工程桩进行 了检测 ， 结果表 明， 方法
顶， 甚至 尚未传 到桩底能量 已完全 衰减 ， 或者桩底是 比较坚硬的土层或 岩层 ， 因其波阻抗 和桩身的波阻抗相接近 ， 从应力波理论可 知应力波不发 式 中ｚ为桩身波阻抗 ； Ａ为桩身横截面面积 ； Ｌ为桩长 ；为桩底反射 ｔ 生反射 ， 而测不到桩底反射信号 ， 因此 ， 类似情况应属于正常桩。 波双程旅行时间； Ｌ为桩身缺陷位置， 为缺陷处反射波双程旅行时间。 ￡ 根据实测 波形得 到的试 验桩 桩身纵 波波速见表 １其纵 波波速平均 ， 值得注意的是 ， 波速 由实测值 决定 ， 通常实测 的波速是桩的平均 波 速， 陷位置的波速一般大于平均波速 ， 缺 因此 ， 确定缺 陷位置 时要适 当考 虑这一 因素的影响设桩在某截面处其阻抗发生变化 ， 变化前后 的阻抗 分 别 为 ｚ 和 ｚ 由文 献 『１ 。 ， ２可得
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一. 反射波法基本测试原理与波形分析1.广义波阻抗及波阻抗界面设桩身某段为一分析单元,其桩身介质密度、弹性波波速、截面面积分别用ρ,C ,A 表示,则令Z =ρCA (7-1)称Z 为广义波阻抗。
当桩身的几何尺寸或材料的物理性质发生变化时,则相应的ρ、C 、A 发生变化,其变化发生处称为波阻抗界面。
界面上下的波阻抗比值为22211121A C A C Z Z n ρρ== (7-2) 称n 为波阻抗比。
2.应力波在波阻抗界面处的反射与透射 设一维平面应力波沿桩身传播,当到达一与传播方向垂直的某波阻抗界面(如图7-2所示)时。
根据应力波理论,由连续性条件与牛顿第三定律有 V I +V R =V T (7-3) A 1(σI +σR )=A 2σT (7-4) 式中,V 、σ分别表示质点振动的速度与产生的应力,下标I 、R 、T 分别表示入射波、反射波与透射波。
由波阵面的动量守恒条件导得σI =－ρ1C 1V I σR =ρ1C 1 V R σT =-ρ2C 2V T代入式(7-4),得ρ1C 1A 1(V I －V R )=ρ2C 2A 2V T (7-5)联立式(7-3)与(7-5),求得V R =－FV I (7-6a)V T =nTV I (7-6b)式中nn F +-=11 称为反射系数 (7-7a) nT +=12 称为透射系数 (7-7b) 式(7-6)就是反射波法中利用反射波与入射波的速度量的相位关系进行分析的重要关系式。
3.桩身不同性况下应力波速度量的反射、透射与入射的关系(1)桩身完好,桩底支承条件一般。
此时,仅在桩底存在界面,速度波沿桩身的传播情况如图7-3所示。
因为ρ1C 1A 1>ρ2C 2A 2,所以n = Z 1/Z 2>1,代入式(7-7)得F <0,(T 恒>0)由式(7-6)可知,在桩底处,速度量的反射波与入射波同号,体现在V (t )时程曲线上,则为波峰相同(同向)。
典型的完好桩的实测波形如图7-4。
由图7-3、图7-4分析可得激振信号从触发到返回桩顶所需的时间t 1、纵波波速C 、桩长L 三者之间的关系为12t L C =(7-8) Z 1=ρ1C 1A 1 Z 2=ρ2C 2A 2图7-2 应力波的反射与透射0 t 1 t V I V R Z 1 2x V T 图7-3 桩身完好时的波传播过程V (t )0 tt 1=2L/C图7-4 完好桩的测试波形式(7-8)即为反射波法中判断桩长或求解波速的关系式。
在式(7-8)的应用上,应已知C 或L 之中的一个,当二者都未知时,有无穷个解,因此实用中常常利用统计的方法或其她实验的方法来假定C 或根据施工记录来假定L ,以达到近似求解的目的。
(2)桩身截面积变化。
1)L l 处桩截面减小。
如图7-5,可知在L l 处有n = Z 1/Z 2= A 1/A 2>1可得F <0。
于就是有:V R 与V I 同号,而V T 恒与V I 同号。
典型的波形如图7-6所示。
假定C 为已知,则桩长与桩截面减小的位置可以确定如下:V (t )t 10 tt 2图7-6 截面减小时的测试波形1122121Ct L Ct L == 2)L l 处截面增大。
如图7-7,可知在L l 处n = Z 1/Z 2= A 1/A 2<1于就是有:F >0。
可得结论:截面积增大处,V R 与V I 反号,而V T 恒与V I 同号。
典型的波形如图7-8所示。
桩长与桩截面变化的位置可以确定如下:1122121Ct L Ct L ==V (t )t 1t 2图7-8 截面变大时的测试波形(3)桩身断裂。
1)桩身在L 1处完全断开。
如图7-9,Z 2相当于空气的波阻抗,有Z 2→0,于就是得n = Z 1/Z 2= A 1/A 2→∞由式(7-7)得F =－1,T =0代入式(7-6a)与(7-6b),可得V R =V I ,V T =0即应力波在断开处发生全反射,由于透射波为零,故应力波仅在上部多次反射而到不了桩底。
典型的实测曲线如图7-10所示。
断裂的位置可按下式确定:.......)(21......)(212111211=-==-==-i i t t C t t C Ct L 0 t 1 t Z 1 V I V R Z 2 1 Z 1 图7-9 桩身断裂时的波传播过程 V (t )t 1∆ t ∆ t ∆ t图7-10 断桩的测试波形2)桩身在L 1处局部断裂(裂纹)。
如图7-11,典型V (t)曲线如图7-12。
L l 处反射信号与L 处(桩底)反射信号的强弱,随着裂纹的严重程度而不同。
V(t)t10 tt2图7-12 桩身局部断裂时的测试波形(4)桩身局部缩径、夹泥、离析。
三种情况及相应的应力波传递过程示意于图7-13中,图7-14就是实测波形。
对此三种情况可分析如下:1)缩径:n1= Z1/Z2= A1/A2>1,F<0。
所以:V R与V I同号,V T与V I同号。
n2= Z2/Z1= A2/A1<1,F>0。
所以:V R与V I反号,V T与V I同号。
2)夹泥与离析:1,1112222211211<=>==CCnCCZZnρρρρ所以上述三种情况的V R与V I及V T与V I的关系相似,实测中的波形特征也极为类似。
桩长与缺陷位置等特征可根据图7-14确定如下:桩长:321CtL=缺陷位置:1121CtL=缺陷范围:)(2112ttCL-=∆实际上,由于L2处的反射信号在返回桩顶时又经过L1处的反射与透射,故能量较L l处的一次反射弱,一般较难分辩。
当缺陷严重时,桩底的反射信号也较弱。
另外,以上三种缺陷的的进一步鉴别可根据:①根据地质报告与施工记录以及桩型区分;②根据波形的光滑与毛糙情况区分;V(t)t10 tt2t3图7-14 局部缩径、夹泥、离析时的波形③根据波速区分。
(5)桩底扩大头,如图7-15所示。
典型的测试曲线如图7-16。
t图7-15 有扩大头时的波传播过程图7-16 有扩大头时的测试波形图7-17 嵌岩桩的波传播过程图7-18 嵌岩桩的测试波形(6)桩底嵌岩或坚硬持力层,如图7-17。
1)Z1<Z2,n<1,V R与V I反号,实测波形如图7-18。
2)Z1≈Z2,n≈1,F≈0,V R接近为零,此时桩底基本不产生反射信号,反映在波形图上,则瞧不见桩底反射信号。
3.弹性波在传播过程中的衰减弹性波在混凝土介质内传播的过程中,其峰值不断衰减,引起弹性波峰值衰减的原因很多,主要就是:(1)几何扩散。
波阵面在混凝土中不论以什么形式(球面波、柱面波或平面波)传播,均将随距离增加而逐渐扩大,单位面积上的能量则愈来愈小。
若不考虑波在介质中的能量损耗,由波动理论可知:在距振源较近时,球面波的位移与速度与1/R2成正比变化,而应变、径向应力则与1/R3成正比;柱面波d 的位移与速度与1/R成正比,而应变、径向应力则与1/R2成正比。
在距振源较远时,球面波波阵面处的径向应力、质点速度与1/R成正比,而柱面波的相应量随r/1而衰减。
(2)吸收衰减。
由于固体材料的粘滞性及颗粒之间的摩擦以及弥散效应等,使振动的能量转化为其它能量,导致弹性波能量衰减。
(3)桩身完整性的影响。
由于桩身含有程度不等与大小不一的缺陷:裂隙、孔洞、夹层等,造成物性上的不连续性、不均匀性,导致波动能量更大的衰减。
4.混凝土的强度及其弹性波速混凝土就是由水泥、砂、碎石组成的混合材料。
当原材料、配合比、制作工艺、养护条件、龄期与混凝土的含水率不同时,其强度与弹性波速均不一样。
影响波速的主要因素有:(1)原材料的影响。
水泥浆硬化体的弹性波速较低,一般在4km/s以下;常用的砂与碎石的弹性波速较高,通常都在5km/s 以上。
混凝土就是水泥浆胶结砂与碎石而成,因此它的强度与弹性波速实际上就是砂、碎石与水泥硬化体的波速综合值。
一般混凝土中的波速多在3000~4500m/s 的范围内。
(2)碎石的矿物成分、粒径与用量的影响。
不同矿物形成的碎石的弹性波速就是不同的。
在混凝土中,石子的粒径越大、用量越多,在相同强度的前提下混凝土的弹性波速越高。
(3)养护方式的影响。
根据室内试验的结果,混凝土的强度与弹性波波速之间有较好的相关性。
下述公式可供参考。
C c e 49.018.4=σ (7-9)式中σc 为混凝土的标准抗压强度(MPa),C 为混凝土的纵波波速(km/s)。
上式的统计样本容量n =30,相关系数γ=0、9869。