(7)地震新技术地震勘探 教学课件

扩径部位A2>A1， 2v2=1v1，此时 Ru>0，由扩径引起的反射波与人射波 相位相反，见图6.1-3所示。扩径部位 可由(6.1.6)式求取， L’仍代表扩径 顶界面距柱顶距离。
一般离析是质量渐变，在离析处，
A1=A2，2 <1 ,因而Ru>0，出现同相 反射波，桩底也为同相反射，与缩径桩 类似。但当有严重离析时，桩底反射波 明显减弱，桩身波速明显降低，桩底反 射到达前出现干扰波组。
• 凡是出现断桩，其波形均出 现不规则且有明显桩间反射，缺 陷严重的断桩在断桩界面可出现 多次反射波，一般无桩底反射， 如图6.1-10所示。
图6.1-10 严重缺陷桩实测波形曲线
实测断桩的波形曲线分析
从实测断桩的波形曲线分析， 入射波 t0 =3.36ms，断桩界面反 射波 t1=8.56ms，波形幅值明显 较高，其相位与入射波相位相同。 它的二次反射也较明显，当 t2=13.75ms时，其相位与入射相 位相同，
vv
(6.1.1)6
上式表示，对于不同的刚度K,具有不同的 固有频率。
利用 (6.1.16)，由固有频率值 可计算出桩土之间的刚度值。进 而由桩振动的固有频率可推算出 桩的允许承载力。 (三)桩两端自由
相当于在孔中无接触情况的预 制桩，或打人地层中无端承力的 自由单桩，
其边界条件为
u x
x0
0
u x
并保持桩顶平整，激振时力锤 垂直激振桩的中心;
对长桩采用低频大能量激振， 为获得低频激振信号，在激振 时需垫上胶垫，使应力波易于 传播并能得到较好的桩底反射。
检测时用黄油或橡皮泥将传感器 紧贴在桩顶上，其位置要与激振 点保持一定距离。 1. 扩径模型桩实测波形曲线
图6.1-6是扩径模型桩实测波形 曲线。该桩桩长8m，桩径0.4m。
• 由f计算的波速较高，波谱形态有较 好的相似性。图6.1-11是一完整桩上 的频谱曲线，该桩位于塘底较深部位， 桩受阻尼力较小，因此二次以上谐波 衰减较慢。若桩所受阻尼力较大，频 谱曲线上的谐波哀减较快，基频突出。
•
• 当桩存在断裂、扩径、缩径等缺 陷时，频谱曲线上各阶谐振频率 之间的频差不相等:第一阶谐振频 率f1之后往往出现与之峰值相近 的由缺陷引起的一阶谐振频率 f1’，或虽然在频谱曲线上无异 常频差，但利用f计算的纵波速 度比实际波速大。
vp2 tL5.72 * 78 1.7 740(m 0/s)0
图6.1-7 大型超长桩实测波形曲线
• 图6.1-7是大型超长桩实测波形曲 线，该桩桩长52m，桩径1.0m， 检测时龄期在一个月以上。从实 测波形分析，入射波t0 =4ms， 桩身无桩间反射，
• 桩底反射时间为t1=28.48ms， 波速值
• 若全部荷载都由摩擦力来支承的桩， 称为纯摩擦桩。
• 断桩:它是指沉人地基中的桩出现断 裂或断开的情况。
• 离析:桩的离析是指混凝土桩外形完 整，但成桩材料不合格或配料不当， 搅拌不均或振捣不密实，或桩的某 些区段含石砂量过高，呈现蜂窝状 结构，或呈松散状态。
缩径和扩径桩:缩径是指灌注桩 成桩后在某处的桩径缩小，截 面积不符合要求;扩径是指灌注 桩在成桩后，桩的某些局部区 段出现明显大于设计桩径的现 象。 二、反射波法测桩原理 (一)反射系数与透射系数
图6.1-8 缩扩径实测波形曲线
图6.1-9 扩缩径实测波形曲线
入射波t0=3.28ms，缩径界面的 反射波t1=6.8ms，其相位与入射 波相位相同，二次反射波 t3=10.3ms，其相位与入射波相 位相同，时间与缩径界面反射波 t1成倍数关系。扩径位置反射波 t2=7.63ms,其相位与入射波相位 相反。
图6.1-6 扩径桩实测波形曲线
扩径模型桩实测波形曲线
从实测波形分析，入射波t0 =1.77m，扩径 位置反射波t1=3.37ms，其相位与人射波相 位相反; 二次反射波t2=4.97ms，其相位与 入射波相位相同，与扩径位置反射波相位相 反，时间为二倍关系。桩底反射波时间 t3=5.77ms，波速：
四、反射波法进行基桩质量检测
(一）时间域 根据接收到的波列图中入射波、反
射波、振幅、频率、相位及波的到达 时，分别判别桩底反射或桩间反射。 对于完整桩来说桩底反射明显，
易于读取双程传播走时，波形规 则、波列清晰，桩身平均波速较 高，在同一工地桩体波形，反射 信号特征往往有较好的相似性。
反射波法对桩进行检测，要 求桩顶面清除灰浆，见到新 鲜坚硬混凝土，
f2
3v p 4L
fn1(2n4 L 1)vp, fn(2n4 L 1)vp 从而有 fn1(2n4 L 1)vp, fn(2n4 L 1)vp 从而有
这便是动测桩时用来估算桩长L或波速Up的 公式。 (二)完整摩擦桩
桩底位于土层中，桩底可视为弹性固定 的，桩周土和桩顶土对桩阻力用一弹簧代 表，桩顶面是自由的，其边界条件为
• vp =(2x52)/(28.484)=4248m/s
• 此桩判定为完整好桩。
3.缩扩径桩和扩缩径桩实测波形曲线
工程检测中，桩身存在缩径的同时也 伴随有扩径现象。或桩身存在扩径的 同时也伴随有缩径现象。实测波形图 6.1-8和图6.1-9是具有代表性的两种 波形曲线。图 6.1-8是桩身存在缩扩径， 而缩径界面的反射波又出现二次反射。
xL
0
(6.1.17)
将上式代人振型函数
uCsi nxDcosx
v
v
必有 si nL0
v
(6.1.1)8
依据 (6.1.17)式，其振动频率方程为
n n L v
n 1 ,2 ,3 ,.....(6 ..1 .1)9
各固有频率相应的各振型函数为
u n (x ) cn o Lx s n 1 ,2 ,3 ......
u x0 0
u x
xL
0
(6.1.11)
将（6.1.11）代入振型函数
uCsinxDcosx 中必有
v
v
cosL 0
vp
(6.1.2)
根据（6.1.12）,频率方程为
n(2 n 2 L 1 )vp n 1 ,2 ,3 ...,(6 .1 .1)3
于是
1
v p
2L
或f1vp 4L2源自3v p2L而时间与断桩界面反射波t1成倍 数关系。该桩桩长为52m，桩径 1.0m。经检测该桩无桩底反射， 但存在断桩界面的二次反射波， 说明此桩缺陷比较严重。如果采 用工程桩检测的平均波速 v=4248m/s计算，缺陷位置应 在22.lm左右。
• (二)频率域
• 在频谱图上，识别相邻谱峰 间隔 (f)、频谱频率值以及能 量，可判断是否存在缺陷。对 于完整桩，波谱基波明显，相 邻峰值频差 (f)相近。
第六章 特 殊 技 术
第一节 反射波测桩技术
反射波法测桩技术属基桩无损 动力检测方法之一。检测的对象是 桩基础和复合地基中制作的各类桩 (基桩)，检测的目的是对基桩作出 质量评价，为建筑施工和土建施工 工程提供决策依据。
• 桩通过软弱土层支承在较坚硬的土层 上，桩上的荷载主要由桩身侧面与桩 周土之间的摩擦力承受，同时也考虑 桩端阻力的作用，称摩擦桩。
• 桩底反射时间t4 =19.92ms，桩 长30m，桩径为1.5m，经计算 波速v=3613m/s。图6.1-9是桩 身存在扩缩径，而入射波 t0=1.6ms，扩径位置的反射波 t1=3.55ms,其相位与入射波相位 相反。
缩径位置的反射波t2=4.0ms， 其相位与入射波相位相同。 桩底反射时间t3=11.25ms， 桩长为19m，桩径为1.2m，经 计算波速为v=3958m/s
假定桩身材料是均质各向同性的， 桩截面积保持平面，截面上应力的 分布是均匀的，由于桩波阻抗远大 于桩周土的波阻抗，可忽略桩周土 的约束。当在柱头上激震时，桩头 产生应力波，应力波沿桩身向下传 播，在波阻抗分界处产生反射与透 射。
设A1、1、v1及A2、2、v2分别代 表桩身及基桩性质突变面处的截面积，
• 图6.1-12是缺陷桩上的频谱曲 线。该桩长14m，正常频差f =100Hz，缺陷频差
f’=150Hz，因此由下式确 L 定1 的 缺ff' L 陷位1 1置5 0*为1 0 04 9.3(m )
(四)桩两端为固定时 相当于嵌岩桩之间被重的承台所联
接。此时边界条件为
u x0 0 u xL 0
(6.1.20)
代人振型函数中，必有
si nnL0
v
频率方程为
(6.1.2)1
nnL v
(6.1.2)2
当知道上述情况下的振动频率 方程，由频域分析可以确定桩身 纵波速度vp(已知桩 )，判别桩身 存在质量缺陷以及缺陷的部位 (已知桩长和波速)。
从而反射波与入射波同相位。第三个 波形为桩底反射波。与入射波同相位。 为摩擦桩底反射。 缩径部位的反射波到 达时 t<t
图6.1-2 摩擦缩径桩理论波形示意图
此时可利用桩底反射波历时t来求取桩的
纵波速度vp此时可利用桩底反射波历时t来求 取桩的纵波速度:
2L vp t
利用vp 和t’可求取缺陷部位: L’=1/2vpt’ 式中L’为桩顶至缩径上界面的距离。
u x
x0
0
[ u xE Ku A ]xL0
(6.1.1)5
式中K代表桩底土的单位刚度或等效弹
簧系数，E为桩身杨氏弹性模量，A为
基桩截面积。上述边界条件表示，x=0
为自由端，，x=L处与弹簧联接，代入
下列振型函数中
uCsi nxDcosx
v
v
解得频率方程为
E Asi nLKcosL
vv
v
或写为
KEA tgL
图6.1-5 摩擦离析桩理论波形示意图
如图 6.1-5所示，即t1=t2=t3。设完整 桩波速为vp，应用与(6.1.6)相同的公式 可计算出断开部位。 三、桩身振动的频率特性
假定桩为杆状弹性体，只考虑杆的 纵向振动，认为杆是各向同性均匀体， 服从虎克定律，满足一维波动方程
x 2 u 2v 1 p 2 t2 u 2
的界面处或桩截面变化地方将会产生 波的反射现象。当桩身截面积不变 (A1=A2)，有波阻抗界面。若2v2 <1v1，为摩擦桩或离析段的上界面， 这时Ru>0，
• 即反射波与人射波相位相同。 如2v2>1v1为端承桩或 离析段下界面，这时Ru<0， 即反射波与人射波相位相反。
如果仅是桩身截面积发生变化，这时 2v2=1v1,当A2>A1时为扩径桩，则Ru<0, 反射波与人射波相位相反。当A2<A1时， 为缩径桩，则Ru>0，反射波与人射波相 位相同。
弹性体密度及波速，并设突变面上的人
射波为ua，反射波为ub，透射波为uc， 则位移波的反射系数为
R uu u a bA A 1 11 1 v v 1 1 A A 2 22 2 v v2 2
(6 .1 .1 )
上式中Av的乘积称为广义波阻抗。
(二)桩身缺陷判别的主要依据 由式 (6.1.1)看出，有波阻抗差异
0xL, t 0 (6 .1 .7 )
Vp 纵波在杆中传播速度,L为桩长. 采用分离变量法求解方程(6.1.7),可令 u(x,t)=X(x)(Acost+Bsint) (6.1.8) 为圆频率,A,B为常数。将（6.1.8）代入 (6.1.7）得
2xX2 vp22 X0
(6.1.9)
式（6.1.9）的解为
利用反射波的历时、波形和相位，即可 判断桩身缺陷部位和性质。
• 1.完整桩
• 能清晰记录到桩底第一次反射 波和第二次反射波，t=t。平均 波速为
vp
2L t
(6.1.5)
图6.1-1 完整摩擦桩理论波形示意图
第一个波形为入射波,第二个为缩径部 位的反射波,由于在缩径处A2<A1, 2v2 =1v1,
X (x)C co x sD si nx (6.1.1)0
vp
vp
其中C和D由桩的边界条件来确定。式
(6.1.10)表示单桩振动的振型函数。我们关
心的是下列几种情况下桩身振动的频率特
性
• (一)完整端承桩
• 当桩底端固定于基岩上时，桩 底端可视为刚性固定的，而桩顶 面是自由的，此时振动边界条件 为
图6.1-4 摩擦离析桩理论波形示意图
判断桩身离析部位，可由式 （6.1.6)求取。此处vp指同工 区完整桩的波速，t’是离析 上界面的反射波到达时，它仍 然是t<t
• 5．断桩
• 指桩间断面彻底断开，不包括只 裂未断和局部夹泥情况。此时桩内 形成断桩界面，由于断桩形成的桩 土界面，桩间反射能量很强，一般 接收不到正常的桩底反射波。断桩 部位形成的反射波的到达时小于桩 底反射波到达时，多次反射之间的 时差是相等的