低应变检测

低应变反射波法基桩完整性检测技术第三章反射波法检测技术1声学基础1.1反射波的基本原理在桩顶进行竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，在桩身存在明显波阻抗界面（如桩底、断桩或严重离析等部位）或桩身截面积变化（如缩径或扩径）部位，将产生反射波。反射波经接收、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、判断桩身缺陷的程度及位置。1.1波阻抗界面的反射与透射如介质是不连续的，存在界面n介质的波阻抗Z1≠Z2纵波P垂直入射到界面n时，产生垂直向上的反射波R还有垂直的透过波TEVB1.2一维杆件1.3一维杆的声速与无限体声速间的关系一维杆的声速无限体的声速一般桩身混凝土的泊桑比σ＝（0.2～0.25）Vp=(1.05～1.1)VBVB=(0.9～0.95)Vp这是超声波所测声速大于反射波所测声速的原因EVB)21)(1()1(EVP入射的半球面波有一些是斜入射的，根据折射定律，在桩身侧面将产生折射纵波PP和折射横波PS，使一部分能量由桩身折射扩散进入地层。折射入地层的能量与斜入射的折射系数RT有关（注：上式中的α即图中的θ；式中的βt即图中的θ2）tTCOSZCOSZCOSZR1222＝1.4桩土体系内声波传播规律1.5桩底及缺陷的反射波tL摩擦桩桩底反射tL嵌岩桩桩底反射tL缩径类缺陷反射tL扩径类缺陷反射tL扩径多次反射2.1参数设置中应注意的问题A工程信息设置工程名称、检测单位、检测日期桩号、桩长、桩径、波速、桩型、灌桩工艺B参数设置：传感器类型:速度型、加速度型激振器：冲击锤、力锤（带传感器的锤）2.现场检测技术要点采样间隔、采样点数：决定了每次采样的记录时间长度，一般采样长度设置为1024个点，采样间隔5μs～50μs举例说明显示时间：1024×10μs≈10000μs＝10ms假设V＝4km/s,可测桩长L＝4km/s×10ms÷2＝10m一般默认采样长度从1024点，只设桩长和波速，仪器自动计算采样间隔增益：信号的放大倍数（放大镜）对接收到的信号按指定倍数进行放大长桩信号弱，应加大倍数，短桩减小倍数，以在屏幕上显示的波形大小适宜为准，不能超屏，也不能过小。放大的特点是所有信号（含干扰信号）都进行放大了。区别于信号处理时的放大（指数放大、线性放大）按指数规律把桩底信号放大显示出来。触发方式：外触发、内触发（力锤）触发电平：电压大于某个数值（阀值）时，认为是有用信号速度/加速度：显示速度信号或加速度信号一般使用的是加速度传感器，接收到的是加速度信号习惯上看速度信号，相当于把原始信号进行积分，显示的是积分后的速度信号2.2桩头的处理——击振点及接收点应打磨平整凿去桩头浮浆层和不密实混凝土后，选择2～4个点打磨平整（桩中心一个点，周边均匀分布几个点）桩身混凝土强度达到设计强度70%以上才能进行检测2.3瞬态击振问题——击振脉冲宽度要适当A.根据桩长、地层状况和预期检测缺陷位置来选择击振脉冲波，击振频率应能分辨整个桩长的一阶和多阶共振频率（3ΔF以上），桩的轴向振动特性下限频率33Hz，上限频率3ΔF＝1200Hz因此，击振频率区间（30，1500）Hz桩长5m10m20m30m40m60mΔF（Hz）4002001006750333ΔF（Hz）1200600300200150100假设C＝4000m/sΔF=C/2LB.击振脉冲波的频率与击振脉冲宽度有关，窄脉冲频率高，宽脉冲频率低。不同材质的锤垫，能调整脉冲宽度。锤头的材质软，脉冲宽度宽不同材质的锤头激励脉冲宽度和主频相关关系锤头材质脉冲宽度（ms）脉冲长度(m)估算主频（Hz）铁头0.51.01000铝头0.751.5666尼龙头1.12.0455聚四氟乙烯1.32.5385力棒1.53.0300桩长5m10m20m30m40m60mΔF（Hz）4002001006750333ΔF（Hz）1200600300200150100假设C＝4000m/sΔF=C/2Ll锤头的面积大脉冲宽度宽l锤的落距与脉冲宽度关系不大，只有信号能量大小变化；C.击振的锤及力棒铁头力棒（尼龙头）尼龙头铝头聚四氟乙烯头激振方法总结击振脉冲波的主频选择推荐值：●长桩、硬地层的中长桩击振频率要求低，用材质软的锤头，重锤重敲L＝40m左右，f＝500～1000Hz，用力棒敲击L＝15～25m，f＝500～1000Hz，用力棒或软锤头敲击●短桩或浅部缺陷击振频率要高，用材质硬、质量轻的锤头，轻锤轻敲L＝10m左右，f＝1000～2000Hz，用质量较轻的铁锤轻敲2.4接收传感器速度型传感器——磁电式速度传感器工作原理：电磁传感器固定在实测体上，当被测体产生振动时，金属外壳和永久磁铁相对静止，线圈在弹簧片支撑下，将随被测体的质点振动而振动，线圈切割磁力线，产生感应电动势输出处理。临界阻尼——传感器设计在0.6～0.7倍临界阻尼，只振动1～2个周期，有利于信号的接收和识别幅频特性——谐振峰小于30Hz，上限频率频率1500－2000Hz频率低于谐振峰后，灵敏度下降灵敏度——200mV/(cm·s-1)缺点——高频上不去，低频下不来，影响了使用。加速度型传感器——压电式频带范围——1Hz～5000Hz安装谐振频率——几十Hz横向灵敏度——小于5%，直达波不会很大电荷灵敏度——对加速度的响应程度灵敏度高，频带宽，被广泛推广使用传感器的安装和耦合是能否能取得优质信号的关键问题，是检测工作另一个重要环节。应注意的问题有：A.安装的部位混凝土应完整、无松动，表面平整；B.传感器安装应与桩顶面垂直；C.用耦合剂粘结要粘牢，不可在击振时使其产生附加振动；D.耦合剂可以是黄油、凡士林、牙膏、橡皮泥；E.使用加速度感器时用橡皮泥一类的耦合剂还可以起到机械滤波，将击振的高频干扰成分滤除。F.防止碰撞破坏接收传感器的安装与耦合2.5存储多道波形每个安装点敲击三次，三次波形叠加后的平均波形存储下来作为一道。所以要求三次敲击的波形基本一致，否则平均下来的波形就没有意义。每个安装点要求存储2道以上波形，如果有三个安装点，就要存储6道波形，这6道波形要求趋势基本一致，可能看到桩底信号。目的是在波形分析的时候波形相互对比，确定缺陷的位置和性质。如果发现桩头浅部有缺陷时（波形表现为宽幅低频大摆动信号），除了正常敲击信号外，还要增加高频敲击信号。方法为：1选用质量较轻的铁锤或铝质锤头轻轻敲击，得到的高频信号在分析时可以准确确定缺陷的深度。2设定较短的桩长（比如设定的桩长为2m左右），波速设为经验值，再用质量较轻的铁锤或铝质锤头轻轻敲击，得到的高频信号。2.6浅部缺陷的位置确定3反射波的信号处理目的：去除杂波、改善信号质量、使信号直观、一般人员能看懂。3.1低通滤波——去处高频杂波或干扰波长桩（30～40m）：f＝500～1000Hz短桩（10～20m）：f＝1000～2000Hz浅部缺陷：f＝1000～2000Hz原始信号低通滤波3000Hz低通滤波2000Hz低通滤波500Hz低通滤波1000Hz3.2积分处理加速度型传感器信号积分的结果是质点速度（振动）信号，积分的目的是改善信号质量，去除弱的振动，减小余振，使直达波和桩底反射信号、缺陷反射信号更加直观振动速度信号微分的结果是还原为加速度信号振动速度信号再积分可成为位移信号。第一组信号原始波形加速度信号速度信号积分后的位移信号积分后的速度信号第二组信号原始加速度信号低通+积分速度信号第二组信号积分后的速度信号线性放大，波幅按固定的放大倍数放大指数放大，波幅是按指数规律衰减，按指数放大的目的是突出深部缺陷及桩底信号放大延迟，桩头和浅部信号较强，不需要放大处理，放大的起点位置在桩头向下一定深度开始3.3信号放大频谱分析——用于了解干扰波的频率范围，根据声速估算桩长、缺陷位置或者根据设计桩长计算波速频域曲线：频差、多阶振型3.4频谱分析去除直流成分——将信号中的直流干扰成份去除多点平滑——使波形光滑波幅的归一化处理——将波形中最大峰值调到满度，其他波峰按比例增加波形的编辑——对上述处理后的波形进行“平移、旋转、局部缩放”3.5其它处理技术声时波幅频率相位时域曲线：直达波桩底反射波缩径类缺陷反射波扩径类缺陷反射波扩径多次反射波频域曲线：频差、多阶振型3.6反射法的资料解释同相位反射波反相位反射波222111222111ACACACACRV时程曲线图与扩径多次反射信号缺陷的判定：缩径类缺陷：同相位波形，存在多解性，例如：离析、空洞、二次浇灌面、夹泥、缩径地层由硬变软扩径类缺陷：反相位波形必须收集与掌握基桩施工过程的全部技术资料、档案，包括工程场地的工程地质勘察报告、水文地质概况灌注桩的成孔方式、成孔工艺灌注桩的作业环境、灌注工艺、施工记录、异常情况正确对桩身完整性、缺陷性质做出推断解释的方法l由地层的岩性是否粘土层，可以判断排除是否缩径；l由地层是否是砂层来判断是否扩径，或可能是渐扩径；l由成孔方式可推断缺陷是否是夹泥；l由地下水文地质条件及混凝土灌注方法、工艺来判断是否可能离析；l浇灌过程是否连续，判断缺陷是否是二次浇灌面或断桩；l同一场地，如许多桩都在同一深度存在“缺陷”反射波时；需了解地层是否由软突然变硬，或由硬突然变软；l没掌握施工时水下灌注未用导管对桩底离析出现的误判；缺陷桩的分类类别分类原则时域信号特征Ⅰ类桩桩身完整2L/c时刻前无缺陷反射波，有桩底反射波Ⅱ类桩桩身有轻微缺陷，不会影响结构承载力的正常发挥2L/c时刻前出现轻微缺陷反射波，有桩底反射波Ⅲ类桩桩身有明显缺陷，对桩身结构承载力有影响有明显缺陷反射波，其他特征介于Ⅱ类和Ⅳ类之间Ⅳ类桩桩身存在严重缺陷2L/c时刻前出现严重缺陷反射波或周期性反射波，无桩底反射波；或因桩身浅部严重缺陷使波形呈现低频大振幅衰减振动，无桩底反射波3.7工程实例完整桩加速度信号完整桩速度信号实例1实例2——预制方型桩，长10m，尺寸350×350mm实例3实例4时域分析与频分析深度不一致的情况应引起注意，要多个波形综合分析同一根桩的另一组测试信号实例5——浅部缺陷3.8反射波法存在的不足▼缺陷垂直方向大小无法确定缺陷的上下界面混叠，很难分辨缺陷垂直方向的尺寸；▼缺陷的水平方向尺寸无法定量确定；▼嵌岩桩有可能推断出孔底有无沉渣，但无法确定其厚度；▼逐渐扩径后突然缩径的缺陷很容易误判为缩径；▼只能了解桩身的平均声速，不能用声速判定桩身混凝土匀质性；▼仅从反射波的时域波形不能推断出缺陷的性质4低应变反射波法检测设备康科瑞公司基桩动测仪KON-PIT(N)智博联公司基桩动测ZBL-U8系列岩海公司基桩动测仪RS16系列中科智创公司基桩动测仪RSM-PRT(W)美国PDI公司基桩动测仪PIT系列第四章缺陷成因及处理措施1.缺陷的信号特征及成因分析1.1桩头质量问题位置：一般在桩头向下5m以内区域，出现的问题有夹泥、夹砂或严重离析、分层等缺陷类型：分层离析、夹泥、低强混凝土，缩径、开裂等信号特征：表现为“低头”现象成因：剔凿桩头不到位导管拔出方式和拔出时间不正确其它原因（塌孔、地表强泾流等）温度影响（冬季施工时桩头问题）1.2桩中缺陷位置：桩头向下5m以上，夹泥、夹砂或严重离析等缺陷类型：与桩头缺陷有点类似，但缺陷类型更多信号特征：表现为“冒尖”现象成因：与施工工艺有关，如导管埋深不够造成泥浆或沉残留等。也有可能导管埋的太深，混凝土上部水泥浆层与泥砂混合，不能全部翻出来。坍孔或异物掉入也是形成缺陷的主要原因之一。1.3桩底缺陷位置：桩底附近，最厚的达到5.0m左右，缺陷类型：沉渣过厚和严重离析信号特征：表现为声速低，幅度低的拖尾巴现象成因：水下灌注桩由于施工工艺的限制，很容易在桩底形成沉渣。在钢筋笼放入桩内，浇筑混凝土之前，必然进行二次清孔。清孔时间要根据沉渣多少进行决定，有的二个小时，有的可能要二天才行。每次清孔后要准确测量桩底沉渣层厚度和实际孔深，符合有关规定后才能进行浇筑。1.4全桩缺陷位置：桩身全部，或多位置，多剖面严重异常缺陷类型：断桩、低强混凝土、严重离析等信号特征：桩身匀质