人工挖孔桩完整性低应变反射波法检测实践与局限性研究--《中南大学》2010年硕士论文
人工挖孔桩完整性低应变反射波法检测实践与局限性研究
【摘要】：
作为一种无损间接检测方法,低应变反射波法因其操作简便、分析快捷而成为基桩检测的一种主要方法,其在我国基桩检测领域的运用非常广泛,并且对人工挖孔桩这么一种我国大量采用的桩型也得到了普遍应用,取得了不错的效果。
基于对前人低应变反射波法完整性检测的局限性研究成果的调查,发现这些研究成果主要集中于对应力波传播时的“尺寸效应”研究,但是对于在人工挖孔桩的自身成桩工艺及其周边地层的综合影响下的低应变反射波完整性检测的局限性少有研究。本文结合湖南某电厂基桩工程对这一局限性进行了研究,主要工作及取得的成果包括：
1.阐释了低应变反射波法的检测原理——应力波基本理论,同时分析了应力波在人工挖孔桩中的传播特点,探讨了人工挖孔桩的低应变反射波检测局限性的特点。
2.总结了本次课题中低应变法检测时的测试曲线的采集和分析技术要点,并就曲线表现为某些特殊形态的人工挖孔桩从低应变法的角度进行了桩身完整性分析。
3.设计了低应变检测结果的合理验证方案。这其中包括验证方法的选择、验证工作中应该注意的技术要点及验证过程中所采用的辅助分析手段。
4.通过验证方案的实施,分析了各种影响检测的因素,探讨了低应变反射波法对人工挖孔桩的完整性检测的局限性,并结合施工地质资料和利用对比验证的方法来排除干扰对基桩完整性进行了准确判断,对以后的同条件基桩完整性检测有一定的参考价值。
【关键词】：
【学位授予单位】：中南大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2010【分类号】：TU753.3【目录】：
Abstract5-7
第一章 绪论10-24
1.1 低应变反射波完整性检测的国内外发展历史和现状10-11
1.2 国内外关于低应变反射波完整性检测的局限性的认识11-22
1.2.1 时域信号中存在的不能准确测定一维纵波波速的问题11-13
1.2.2 时域信号中存在的高频干扰13-20
1.2.3 关于平截面假设成立的深度问题20-22
1.3 课题的研究内容和意义22-24
1.3.1 课题的研究内容和主要创新点22
1.3.2 课题的研究意义22-24
第二章 应力波的基本理论及其在人工挖孔桩中的传播特点24-37
2.1 应力波基本理论24-35
2.1.1 杆中的纵向波动方程24-25
2.1.2 纵向波动方程解答25-32
2.1.3 应力波的相互作用32-33
2.1.4 应力波在阻抗变化处的反射和透射33-35
2.2 应力波在人工挖孔桩中的传播特点35-36
2.2.1 桩土相互作用对应力波传播的影响35
2.2.2 桩身混凝土强度的不均匀性对应力波传播波速的影响35-36
2.3 本章小结36-37
第三章 低应变法在宝庆电厂人工挖孔桩检测中的应用37-51
3.1 工程概述37-40
3.1.1 工程概况37
3.1.2 地形地貌37
3.1.3 工程地质条件37-40
3.2 低应变测试数据的采集40-42
3.2.1 处理桩头40
3.2.2 正确安装传感器40-41
3.2.3 正确进行激振操作41-42
3.2.4 合理设定测试参数42
3.3 低应变测试数据的分析42-45
3.3.1 桩身质量分析的基本依据42-44
3.3.2 应力波在桩身中的波速的确定44
3.3.3 桩身缺陷位置的计算确定44-45
3.3.4 低应变反射波法桩身完整性类别判定45
3.4 对现场采集的测试数据的分析45-50
3.4.1 首波与桩端反射波之间出现一个反射波45-46
3.4.2 首波与桩端反射波之间出现多个反射波46-48
3.4.3 无桩端反射48-49
3.4.4 桩端同相反射强烈49-50
3.5 本章小结50-51
第四章 人工挖孔桩低应变检测结果的验证方案设计51-56
4.1 验证方法的选择51
4.2 验证工作中的技术要点51-54
4.2.1 钻机设备的精心安装52
4.2.2 钻头的正确选用52
4.2.3 冲洗液的合理选择52-53
4.2.4 钻机的合理操作53
4.2.5 钻芯法桩身完整性类别判定53-54
4.3 验证过程中的辅助分析手段54
4.4 本章小结54-56
第五章 人工挖孔桩的低应变检测结果验证及其局限性分析56-71
5.1 桩周地层变化对低应变反射波法的干扰56-58
5.1.1 信号楼D9#基桩56-57
5.1.2 主厂房A标段91#和94#基桩57-58
5.2 阻抗变化界面处的二次反射所引起的干扰58-60
5.2.1 2#锅炉16#基桩60
5.2.2 2#锅炉58#基桩60
5.3 桩周地层变化与二次反射的综合影响60-63
5.4 护壁对低应变检测的干扰63
5.5 桩周地层、桩端持力层的性质及桩长对桩端反射的影响63-68
5.5.1 1#锅炉房14#基桩64-65
5.5.2 烟囱场地28#基桩65-66
5.5.3 铁路桥2-1#基桩66-68
5.6 桩土相互作用下的低应变检测失效68-69
5.7 本章小节69-71
第六章 课题研究结论和建议71-73
6.1 课题研究结论71-72
6.2 建议72-73
6.2.1 低应变反射波法的频域分析72
6.2.2 剪切波的研究72-73
参考文献73-77
攻读学位期间主要的科研与实践78
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论低应变应力波反射法在桩基检测中的应用
论低应变应力波反射法在桩基检测中的应用 摘要: 现阶段，桩基础成为土木工程中主要的基础形式之一， 而桩基检测 工作是一个不可缺少的重要环节。 基桩动力检测方法具有费用低、 速度快、 方便、 无损等优点， 越来越受到人们的重视和欢迎，低应变反射波法在基桩动力检测方 法中应用最广， 其健康有序地发展和应用，对我国的工程建设有着非常重要的理 论意义和实用价值。 文章就这一检测技术的相关
问题进行简要的阐述和分析。以 供参考！ 关键字:低应变反射波法桩基检测；动力检测；应用； 1．前言 桩基础作为一种基础形式，已经越来越广泛地应用在包括高层、超高层 建筑或大型桥梁等工程建设中。 它属于隐蔽性工程，起着将结构上部荷载传递到 较深和较好地层中的作用， 是构筑物的重要组成部分，对工程结构质量起着极其 重要的作用。 因此， 当前桩身的质量完整性检测对桩基工程而言具有极为重要的 意义。基桩动力检测方法具有费用低、速度快、方便、无损等优点，越来越受到 人们的重视和欢迎。动测法在国内起步近三十年，但推广应用才十年，在这十余 年中的发展中，我国动测技术己经取得了一系列可喜变化，在近 l0 多的时间内 就有许多种动测仪相继问世， 并在测桩实践中得到广泛应用。但动测技术仍届发 展中的技术，经验和理论有待进一步积累和完善。 2．动力检测方法及其低应变应力波反射法 2．1 动力检测方法 动力检测根据作用在桩顶上的能量大小，分为高、低应变两种类型： 1、高应变法 当作用在桩顶上的能量较大时，根据直接测得的打击力与设计极限值， 可计算相应动测“极限承载力”，这便是高应变法。目前高应变法有动力打桩公式 法、波动方程分析法、case 法、曲线拟合法、锤击灌人法和动静法等。 2、低应变法 作用在桩顶上的能量较小，仅能使桩土间产生微小扰动，这类方法称之 为低应变法。低应变法有机械阻抗法、反射波法、球击法、动力参数法和水电效 应法等。它们都是通过在桩头施加激振、桩头接收，然后分析桩的动态响应特性 来判别桩身质量。它们的区别主要表现在激振方式、检测系统和分析方法上。目 前常用的低应变动测方法有：
(1)水电效应法 水电效应法，其基本原理是桩身质量的好坏可用瞬问激励所得到的桩土 系统的频响函数来识别。 水电效应法不仅可检验单桩，而且可检验有盖梁的单排 桩、有承台的群桩。 (2)机械阻抗法 机械阻抗法有瞬态和稳态两种方法。机械阻抗法是对桩体特性的具体描 述，能够给出反映基桩整体力学特性的参数，如阻抗、桩土系统的固有频率、动 刚度等。 (3)低应变应力波反射法 具有检测速度快、反应直观、适应性强等特点，所以在目前的低应变桩基检 测中得到广泛应用。 2．2 低应变应力波反射法 基本原理是在桩身顶部进行竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，当桩 身存在明显波阻抗差异的界面(如桩底、断桩和严重离析等部位或桩身截面积变 化(如缩径或扩径)部位时，将产生反射波。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， 据此计算桩身波速并判断桩身完整性及估计混凝 土强度等级。 还可根据波速和桩底反射波到达时间对桩的实际长度加以核对。装 置示意图如图 1 所示
图 1 反射波装置示意图 现场检测的主要步骤如下： 1、检测前应对仪器设备进行检查，性能正常方可使用。对需充电的仪器， 除平时注意保养性的充电外， 在进入现场前必须保证充足电源，以供检测时有足 够的电源。 2、每个检测工地均应进行激振方式和接收条件的选择试验，以确定最佳激 振方式和接收条件。激振方式和接收条件的选择，不同的仪器有所不同，但一般 的选择
浅谈低应变技术在桩基检测中的应用 浅谈低应变技术在...低应变法主要有机械阻抗法、应力波反射法、球击 法...应力波纵向传播,同时利用波动和振动理 论对桩身的...对沉前检测,常用方法有尺检、仪表测试、 目测等方法。对沉桩过程中的检测,用...因此,国内外将低应变应力波反射法用于 检测桩身完整性。 高应变动测是指所有...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,...桩基完整性检测 ---低应变反射波法简介 一、 前言 在桩基完整性动力检测诸方法中, 由于低应变动力检测仪器设备 轻便,成本低廉,现场检测速度快,覆盖面大,受到广大...5、低应变反射波法检测嵌岩桩时若入岩或桩底出现同相反射,则桩底沉渣过厚。...身份证号: 4、应力波在桩身中的传播速度取决( a、桩长 a.桩身缺陷的位置 ...1、低应变检测技术在桩基检测中的应用原理及其若干问题分析 低应变检测是当前应用在桩身质量检测过程中最常见的办法种 类,该办法中的反射波法被应用的尤为广泛。...桩基检测中――低应变反射法与钻孔取芯法的应用_建筑/土木_工程科技_专业资料...当用力棒或力锤敲击桩顶时,由此产生的应力波以波速 C沿桩身向下传播,并在...A 2个 B 4个 C 5个 D 8个 7p低应变检测中一般采用速度传感器和加速...A 5% B 10% C 20% D 15% 15p对于应力波反射法,要检测桩身深部缺陷,...上旬刊》2013 年第 02 期 摘要:桩基础在施工过程中,应合理地利用桩基质量检测...低应变检测常用应力波反射法(锤击波 动法)、声波透射法。 2 桩基检测方法与...而低应变检测具有设备简单轻便、检测快 速等优点被广泛应用于桩基检测工程中。 技术原理 反射波法检测是建立在一维波动理论基础上, 在数学上模拟桩的一维应力波传播...
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低应变反射波法基桩质量检测理论与应用
硕士学位论文低应变反射波法基桩质量检测理论与应用作者：丁恒轩指导教师：董雪花副教授 谢竞印高级工程师南京理工大学 ２０１２年１月
删Ｙ 川２ 舢０ 川６ Ⅲ２ Ⅲ４ Ⅲ０ 舢２ＭａｓｔｅｒＤｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ
Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｌｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｔｅｓｔｉｎｇ ｂａｓｅｄｏｎｌｏｗ ｓｔｒａｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄｗａｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄＳｕｐｅｒｖｉｓｅｄ ｂｙ ＡｓｓｏｃｉａｔｅＰｒ吐Ｄｏｎｇ Ｘｕｅｈ ｕａａｎｄ Ｓｅｎｉｏｒ Ｅｎｇｉ．Ｘｉｅ ＪｉｎｇｙｉｎＮａｎｊ ｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＪａｎｕｒｙ，２０１２
声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，．尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生躲掣砌≯年猬砌日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：Ⅵ办年三月饥扫
硕士论文低应变反射波法基桩质量检测理论与应用摘要随着桩基础的大量采用，各种桩基检测技术应运而生，其中低应变反射波法作为一 种最常用的桩基动测技术被越来越多地应用于基桩完整性检测工作之中。相比于其它检 测方法，低应变反射波法具有操作简便、经济实用、快速准确、效果显著等优点，在工 程界获得了普遍认可。目前，低应变反射波法在技术上已经日趋成熟，但是仍然存在许 多亟待解决的问题，且该方法本身有诸多局限性。为使反射波法无论从理论分析，还是 实践应用都更加完善，我们尚有许多研究和改进的工作要做。 本文对低应变反射波法进行了较为系统的总结和概括，并结合实际工程进行了较详 细的说明。文章首先结合常用检测手段，介绍了桩基检测技术的发展状况，以及常见桩 型容易出现的桩身质量问题；之后综合论述了低应变反射波法的理论基础和检测原理， 详细阐述了其应用范围、检测系统和相关检测技术等；结合作者实际参与的某实际基桩 检测工程，总结了完整的检测程序中各环节工作内容，包括检测前的准备工作、检测时 的信号采集和相关注意事项、数据的处理与结果判读等，指出了理论与实际应用之间存 在的问题，并提出了相应的解决办法；针对检测工作中应注意的事项给出了合理化建议。关键词：低应变反射波法，一维波动理论，检测技术，基桩完整性Ａｂｓｔｒａｃｔ硕士论文ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈａｒｉｓｅａｔｔｈｅ．ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｔｈｅ ｈｉｓｔｏｒｉｃ ｍｏｍｅｕｔ．Ａｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｍｅｔｈｏｄ，ｌｏｗ ｓｔｒａｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄｗａｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｎｔｅｇｒｉｔｙ ｔｅｓｔｉｎｇ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｏｔｈｅｒｓ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｍｏｒｅ ｓｉｍｐｌｅ，ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ，ｐｒａｃｔｉｃａｌ，ｒａｐｉｄ，ａｃｃｕｒａｔｅａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，ｗｈｉｃｈ ｗｏｎｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ａｃｃｅｐｔｅｄ．Ａｔ ｐｒｅｓｅｕｔ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｍｏｒｅ ｍａｔｕｒｅ ｉｎ Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｒｅ ｍｅｔｈｏｄａｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ｓｔｉｌｌ ｍａｎｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｔｏ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ，ａｎｄｍａｎｙｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ．Ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅｂｅｍｏｒｅ ｐｅｒｆｅｃｔ，ｆｒｏｍ ｔｈｅｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｏ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｗｅ ｎｅｅｄ ｍｕｃｈ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｍｏｕｔ． Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ ｌＯＷ ｓｔｒａｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｗａｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｍｕｃｈ ｇｉｖｅｓ ｍｏｒｅ ｄｅｔａｉｌｅｄｓｙｓｔｅｍａｔａｃｉａｌｌｙ，ａｎｄｏｎｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎｓ ｂａｓｅｄｏｎａｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｆｉｒｓｔ，ｂａｓｅｄｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄ ｗａｙｓ，ｉｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｓｉｔｕａｄｉｏｎ ｏｆ ｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ ｓｏｍｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｅａｓｉｌｙ ｅｍｃｅｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｅｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｓｅｃｏｎｄ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍａｎｄ ａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｅｘｐｏｕｎｄｓ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｃｏｐｅ，ｏｎｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｔｃ．Ｔｈｅｎ ｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｗｉｔｈａｃｔｕａｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｌｅ ｔｅｓｔ ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｗｒｉｔｅｒ ａｃｔｕａｌｌｙ ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅｄ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ ｅｖｅｒｙ ｌｉｎｋｓ ｗｏｒｋｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆａｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｗｏｒｋ，ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｏｆ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｎｏｔｅｓ，ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｔｈｅ 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１．３．６各检测方法的选用…………………………………………………………６ １．４本文研究内容及组织……………………………………………………………．８ １．４．１本文研究内容………………………………………………………………８ １．４．２论文的组织…………………………………………………………………．８２低应变反射波法理论基础………………………………………………………………９２．１一维线性波动方程的建立及其解的形式………………………………………．９ ２．１．１基本假设……………………………………………………………………９ ２．１．２一维线性波动方程的建立…………………………………………………９ ２．１．３一维线性波动方程解的形式……………………………………………。１１ ２．２弹性波的反射与透射……………………………………………………………１１ ２．２．１上行波与下行波…………………………………………………………．．１ｌ ２．２．２弹性波在桩身中的反射和透射…………………………………………．．１２ ２．３常见桩基质量问题及缺陷类型…………………………………………………１４ ２．３．１常见桩基质量问题………………………………………………………。１４ ２．３．２常见桩基缺陷…………＿…………………………………………………１６ ２．４本章小结…………………………………………………………………………．２２３低应变反射波法检测原理…………………………………………………………．２３３．１检测基本原理……………………………………………………………………２３ ３．２检测数量…………………………………………………………………………２４ＩＩＩ目录硕士论文３．２．１检测相关规定……………………………………………………………．２４ ３．２．２检测数量及选择…………………………………………………………．２５ ３．３检测系统及相关技术……………………＿……………………………………．２５ ３．３．１振动测量基本概念………………………………………………………。２５ ３．３．２模数转换…………………………………………………………………．３ １ ３．３．３动测分析系统………………………………………………………………３２ ３．４本章小结…………………………………………………………………………．３３４基桩检测实践研究……………………………………………………．．．……………。３４４．１检测相关工作……………………………………………………………………３４ ４．１．１测试前的准备工作………………………………………………………．３４ ４．１．２信号的采集、处理及解释………………………………………………．．３８ ４．２现场检测实践……………………………………………………………………４５ ４．２．１工程概况…………………………………………………………………．４６ ４．２．２基桩反射波法检测………………………………………………………．４６ ４．２．３数据处理与结果分析……………………………………………………．．５１ ４．３关于反射波法的几个问题………………………………………………………５４ ４．３．１反射波法的其它影响因素………………………………………………．５４ ４．３．２反射波法的局限性………………………………………………………．５５ ４．４本章小结…………………………………………………………………………５６５结论与建议……………………………………………………………………………．．．。５７５．１结论………………………………………………………………………………………………………。５７ ５．２建议………………………………………………………………………………………………………．５７致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．５９参考文献……………………………………………………………………………………．６０ＩＶ测理论与应用１绪论１．１前言随着文明程度的不断提高，人类社会取得巨大的进步，科学技术得到长足的发展。 在建筑工程领域，各项专业技术手段层出不穷。自１９世纪八十年代，美国芝加哥５４．９ 米高的“芝加哥家庭保险大厦＂建成以来，世界各地的摩天大楼数量及高度一次次挑战 着人们的承受力。截至目前，世界上最高的摩天大楼是高８２８米、１６８层的迪拜哈利法 塔。 拥有如此高度的建筑是要有坚实的基础作支撑的，而普通的浅基础根本无法满足要求，这就需要更加牢固的基础方式――深基础。当地基的浅层土质不良，如果采用浅基础则无法满足上层结构的地基强度、变形及 稳定性等方面的要求，而且又不适宜采取地基处理措施时，往往就需要以地基深层的坚 实土层或者岩层作为基础持力层，即采用深基础。桩基础是最常见的深基础形式，其应 用范围十分广泛，是高层建筑、大型厂房、桥梁、港口码头、海上钻井平台、大坝等工 程建、构筑物所采用的主要也是最重要的基础形式之一。有资料显示，目前仅我国每年 用桩量就有数百万根。常见的桩基础形式有预制桩、沉管灌注桩、人工挖孔桩、螺旋钻 孔灌注桩、粉喷桩等，选用时要根据建筑物本身的要求、工程地质和水文地质条件、场 地的环境、材料供应和施工技术条件、经济以及工期要求等因素综合考虑。 桩基础属于隐蔽性工程，是建、构筑物重要的组成部分，其作用在于将上部结构荷 载传递到桩周及下部较好地层中，其质量优劣直接影响到整个结构的安全与稳定。因此 桩基对工程质量起着不容忽视且不可替代的作用。然而在实际中由于现场地质条件复 杂、施工工艺以及施工中对施工质量控制不当等，常常会出现各种各样的工程缺陷。尤 其是对于混凝土灌注桩，稍有不慎就容易造成诸如扩径、缩径、夹泥、离析、空洞、断 桩等影响桩基安全使用的各种质量问题。缺陷的存在必然不同程度地影响到桩基承载 力，严重者甚至使单桩丧失承载力。如果能事先较为准确地判断出桩身缺陷类型及严重 程度、缺陷位置等，就可以及时采取补救措施，排除事故隐患。因此，对单桩承载力检 测以及桩身的完整性检测对桩基工程来说就具有极为重要的意义，是任何情况下都决不 可忽视的至关重要的隐蔽工程验收手段【１１。 桩基设计工作中应根据下表中所表示的建筑类型确定设计等级，其中要考虑的因素 有项目规模、建筑功能和特征、适应差异变形的能力、地基和工程体型复杂程度，以及 由于桩基问题可能引发的破坏程度等【２】。１绪论硕士论文对于桩基工程的检测，主要旨在对其桩身结构质量以及单桩承载力做出评价。静载 荷试验是应用十分广泛的单桩承载力检测方法，具有手段直接、结果准确可靠、清晰可 见，且对原地基土产生扰动很小等特点，可以综合反映单桩的使用状态。但同时静载荷 试验还具有耗时耗力、普查率有限等局限性。高应变动测法也是一种单桩承载力检测方 法，但其属于有损检测范畴。对于数量巨大的工程桩，我们可以采用其它更加简便快捷、 行之有效、准确可靠的方法，在尽量降低对工程影响的前提下，一方面加大抽查范围， 另一方面可以综合反映桩身完整性和单桩承载力。 桩基检测工作应首先从桩身结构完整性出发，因为对于大面积工程桩来说，只要满 足相应桩身结构完整性指标，则可不再需要进行单桩承载力检测。桩身结构完整性检测 的方法很多，例如高应变动测法、低应变动测法、埋管超声波透射法、钻芯取样法等， 各种方法都有其优缺点，因此实际操作中应当择优选用。 在各种检测方法中，以低应变反射波法应用最为广泛。该方法易于操作、使用方便、 成本低廉，理论基础相对完善，诊断技术比较先进，而且检测结果比较准确有效。１．２桩基动测技术的发展现状及应用严格地说，桩基动测技术已经有一百多年的历史了，但是真正相对成熟有效的近现 代动测技术则是在上世纪六七十年代随着计算机技术的发展而诞生并获得较快的发展 的。我们甚至可以认为它是岩土工程、土工动力学方面发展最快的分支之一。近年来动 测技术得到越来越多的重视，这进一步加快了其发展的步伐，在国内外都得到了迅速的 推广与应用【１１。 １．２．１桩基动测技术在国外的发展与应用 关于桩基动测技术可以追溯到１００多年前，当时就有人提出将桩假定为刚性模型， 根据牛顿碰撞定律导出打桩公式，这样就可以通过锤击能量、贯入度以及一些其它相关２于解决工程实际。１９３８年，Ｅ．Ｎ．Ｆｏｘ在作了许多简化之后，对打桩的过程进行了大致的 分析，得出了一个波动方程，用其可以分析打桩过程。１９５０年Ｅ．Ａ．Ｓｍｉｔｈ对锤．桩．土体 系进行数学建模，形成了以一系列质量块和弹簧以及阻尼器构成的离散化的计算模型， 并用电子计算机对其进行差分计算，得到了相应的数值解；１９６０年他发表了著名论文《打 桩分析波动方程》，分析了打桩的贯入性状，同时给出了土和系统单元参数的建议值， 为桩基动测技术奠定了理论基础，标志着波动方程分析方法开始进入实用阶段【３－１２】。 从１９６４年至１９７５年，由美国Ｇ．Ｇ．Ｇｏｂｌｅ领导的研究小组进行了大量桩基应力波检测技术和理论分析的系统研究，并取得丰富的研究成果――１９７０年研究小组发表论文《关于桩承载力的动测研究》，１９７５年发表了研究报告《根据动测确定桩的承载力》， 为基桩承载力的准确计算创造了条件。他们在许多假定的前提下，推导出了波动方程的 一个准封闭解，这就是著名的Ｃａｓｅ法；之后在１９７２年他们又针对Ｃａｓｅ法的局限性进 行了进一步的研究并提出了一个桩波动方程分析程序，即ＣＡＰＷＡＰ法，经过一系列改 进之后得到了ＣＡＰＷＡＰ程序。在Ｇｏｂｌｅ主持下美国桩动力公司生产了ＰＤＡ打桩分析仪， 后又用ＰＩＴ代替ＰＤＡ来测定桩的完整性，Ｒａｕｓｃｈｅ等采用ＰＩＴＷＡＰ拟合方法分析桩的 完整性，评价桩身缺陷类型及程度。 与此同时，法国、荷兰、加拿大、瑞典等也研制出新的桩基动测设备以及相应的分 析程序。上世纪八十年代以来，国际会议“应力波理论在桩基工程中的应用”的召开， 对桩基应力波检测理论研究成果的交流和发展及工程应用起到了积极的推动作用１３－１２１。 近些年，动测技术有了新的发展，在测试技术和设备等方面都有了很大的改进和突 破。随着动测技术的迅速发展，许多国家陆续将动测技术列入地基基础设计和施工规范 中，进一步促进了动测技术的发展和市场的规范化。 １．２．２桩基动测技术在国内的发展与应用 １９７２年，湖南大学周光龙等对桩的动测技术开始展开研究，之后经过多年的探索研 究以及工程实际试验形成了动力参数测桩法。１９７６年开始，四川省建筑科学研究院与中 国建筑科学研究院共同开发研制了锤击贯入试桩法。１９７８年唐念慈等在渤海１２号平台 试桩工程中结合波动理论进行了打桩分析，并编制了ＢＦ８１计算机程序，取得了各种动 静对比资料。后来甘肃建筑科学研究所与上海铁道学院成功研制出我国首台高应变打桩 分析仪。１９８６年中科院武汉岩土力学研究所开发出了主要应用于低应变试验的ＲＳＭ系ｌ绪论硕士论文列桩基动测分析仪。中国建筑科学研究院在１ ９８８年后开始对ＰＤＡ打桩分析仪进行研究 开发，编制出ＦＥＩＰＷＡＰＣ（基桩特征线波动分析程序），并自行研制了ＤＪ．３型测桩仪； １９９２年又陆续推出的ＦＥＦ系列基桩动测分析系统，可参与高、低应变动力检测，达到 国际领先水平。截至目前，我国已经有很多单位具有能力研制拥有自主知识产权的基桩 动测分析系统，且凭借较强的研发能力、先进的技术水平，在国内基桩检测市场占有很 大的份额【１３】。 为加强管理、规范市场行为，国家建设部曾多次组织全国性的基桩动测考核，同时相关技术标准也相继颁发――１９９５年出台《基桩低应变动力检测规程》（ＪＧＪ／Ｔ９３．９５），１９９７年出台《基桩高应变动力试桩检测规程》（ＪＧＪｌ０６．９７），２００３年出台《建筑基桩 检测技术规范》（ＪＧＪｌ０６．２００３），包含了常规基桩检测方法。以上这些举措极大地促 进了检测人员的技术水平的提高和国内市场的规范性【１１。１．３常规基桩检测方法及选择１．３．１静载荷试验 对于基桩承载能力的检测，一般沿用静载荷试验。静载荷试验是指按桩的使用功能、 在桩顶逐级施加轴向上拔力或轴向压力，或者在桩基承台底面标高一致处施加水平力， 同时观测桩身上标记的检测点随时间产生的上拔位移、沉降或水平位移，最后根据荷载 与位移的关系（即Ｑ．Ｓ曲线）判定单桩竖向抗拔承载力、竖向抗压承载力或水平承载力 的试验方法。地锚法、锚桩法、堆载平台法、锚桩和堆载联合法及孔底预埋顶压法等是 目前桩的静载荷试验所主要采用的方法。 目前检测桩基（包含天然地基以及复合地基等）承载力的方法众多，静载荷试验是 应用最广泛的一种，且被公认为试验结果最准确、可靠，甚至各国都已将该方法列入其 桩基工程规范或规定之中。静载荷试验利用各种手段对桩基进行人工加荷，以模拟地基 或基础实际的工作情况，测试其受载后承载性能、变形特征等。相比其它方法，静载荷 试验具有显著优点，其受力条件接近实际，操作简单，试验结果直观、可靠而易于为人 们理解和接受。 但是要测出完整的Ｑ―Ｓ曲线，需要花费很长的时间，并且耗资巨大；试验规模如此 巨大，而且为了使试验结果尽量准确，必须进行破坏性试验，属于有损检测范畴，所以 这种方法测桩率很低，仅在１％．３％左右，难以说明整体桩基工程的承载力质量。因此静 载荷试验不是最经济有效的桩基检测方法。由此可见，研究和应用可弥补静载荷试验的 不足甚至取代之的其它检测手段是十分有必要且具有重要意义的【１４Ｊ。 １３．２钻芯取样法 钻芯取样法是利用专用钻机和人造金刚石空心薄壁钻头，从桩身混凝土中钻取芯４低应变反射波法基桩质量检测理论与应用样，以检测实际桩长、混凝土强度、沉渣厚度、桩身完整性等，进而鉴别或判定持力层 岩土性状。钻芯取样时对桩身结构会造成局部损伤，所以这种方法属于一种半破损的现 场检测手段。一般只有当对桩的质量存有疑问时才采取该方法对其进行校验，所以在目 前的工程实践中，钻芯取样法往往作为桩身质量的最终检测手段出现。 钻芯取样法直观、定量、经济，施工周期短，对桩身破坏较小，试验取得的资料全 面、可靠，如发现问题便于采取补救措施，在一定条件下，检验结果可作为桩身完整性 判定依据。 同时钻芯取样法的缺点也是很明显的。其检测成本比较高，从而限制了钻芯部位和 数量，难以大量使用。实际操作时，对操作人员的的技术水平要求很高，对钻孔垂直度、 采芯率等要求都很严格。此外在钻芯过程中若遇到桩身混凝土局部强度过低或者混凝土 胶结情况较差时，容易破坏砂浆和粗骨料之间的粘结力，从而影响到检测结果的准确性。 另外，钻芯取样法检测的只是局部质量，实际操作中钻芯又不可能太多，因此往往容易 以偏概全，造成误判。所以当检测断面面积很大的灌注桩时，应当适当增加钻芯数量， 降低误差【１５】。 １．３．３高应变动力测桩法高应变动力测桩法是指用重锤冲击桩顶，同时实测桩顶部的速度一力时程曲线，通过波动理论来判断单桩极限承载力和桩身完整性的方法。一般来说，工程界当前所普遍 采用的高应变动测法主要包括实测曲线拟合法（ＣＡＰＷＡＰ法）和阻尼系数法（ＣＡＳＥ法）。 高应变动测法最初源自打桩分析法，需使用打桩分析仪ＰＤＡ来监测和分析打桩过程与 结果，所以也称作ＰＤＡ法。 相对于静载荷试验和钻芯取样法，基桩动测方法是一种间接的检测手段，技术含量 更高，同时设备轻便、检测效率高、耗资少、功能多样。高应变动测法常常作为静载荷 试验的辅助手段以加大抽检范围，对工程桩承载力和桩身完整性质量进行检测和评价。 高应变动测法主要适用于摩擦型桩和摩擦端承型桩，而且测桩周期较长，设备笨重 昂贵，对现场场地情况也有很多要求，这就限制了其使用范围【１４】。 １．３．４低应变动力测桩法 低应变动力测桩法是应用十分广泛的测桩方法，目前国内外比较流行的有十余种之 多，其中最常用的有机械阻抗法、反射波法、动力参数法、水电效应法等，其中尤以反 射波法理论最为成熟、应用范围及前景最为广阔。低应变反射波法又称锤击法，以一维 弹性杆应力波波动理论为理论基础，检测时在桩顶部位进行竖向激振，给桩一定的能量， 产生一纵向弹性波，该弹性波沿桩身向下传播，当传至桩身明显波阻抗有差异的界面， 如扩缩径、严重离析、断桩、桩底等部位，将相应地产生反射波；通过安装在桩顶的传 感器拾取反射信号，经放大、滤波、数据处理，根据处理结果计算弹性波在桩身各部位５ｌ绪论硕士论文的传播速度，据此可以分析桩身完整性，判断缺陷类型、位置及严重程度，估计混凝土 强度等级，核对桩长等。 相对于高应变动测法而言，低应变反射波法简单易行、操作方便、快速灵活、效率 高、耗费少，所需锤击能量很小，对基桩几乎不产生任何影响，因此很适用于大面积的 普测。近些年来，凭借其明显优势，低应变反射波法得到大力的推广使用。 由于桩土间复杂的应力应变关系，反射波法也有其应用局限性，例如不能应用于检 测水泥土桩等非刚性材料桩、混凝土竹节桩等异形刚性材料桩。此外，低应变反射波法 存在检测盲区（一般为桩项面以下２ｍ范围）；不能定量分析缺陷大小而只能依靠经验 判断；无法正确检测较小的缺陷、长径比超过一定限度的桩；容易漏判深部缺陷；当遇 到渐变类缺陷时传感器很难接收到清晰可辨的反射信号，从而无法得到想要的结果。 １．３．５超声波透射法 超声波透射法适用于检测桩身结构完整性，判定桩身缺陷类型、程度及位置，其基 本原理是：在桩内预埋若干检测管作为检测通道，检测时通道内注满水作为耦合剂，将 发射探头与接收探头置于不同的检测管中并可等高度上下移动；脉冲信号发生器发出一 系列周期性电脉冲并将之加在发射换能器的压电体上，转换成超声波后该脉冲穿过桩身 混凝土，接收换能器接收脉冲后将之转换成电信号，从仪器中可以测出传播时间、能量 衰减、波形、频谱的参数；根据声波在不同介质中传播时各物理量的差异，可以判断出 桩身内部各种缺陷性质、程度、位置等。 超声波透射法是一种无损检测技术，技术相对简单，设备轻便，检测对象范围广泛， 检测深度优于反射波法，确定缺陷位置准确，检测灵敏度高、速度快、耗资少，便于现 场使用，尤其对于检测大直径深长桩效果明显、准确。超声波法是国内外发展较快、应 用广泛、使用频率最高的无损检测技术，已经广泛用于多种桩基质量检测工程中。 超声波透射法，对检测管道的垂直度要求很高，容易造成数据失真；预埋管道使施 工单位可以提前准备，使抽查失去了意义。 １．３．６各检测方法的选用 目前，确定单桩极限承载力最可靠的方法是静载荷试验，发展较为成熟的桩身结构 完整性检测方法有钻芯取样法、高应变动力检测法、低应变动力检测法、超声波透射法 等。 由表１．２可见，各种方法都有其可行性及适用范围；实际应用中应当根据现场条件 择优选用，有时需各方法配合使用，以期得到最准确的结果【１６１。另外，由于不同的工程 从设计方法、施工工艺，到工程作用等都千差万别，由此产生的质量问题也各有不同， 这从另一方面说明明了选取合适的检测方法的重要性。６硕士论文低应变反射波法基桩质量检测理论与应用表１．２各检测方法对比 检测类型 检测方法 检测目的 ．．．…… 检测局限性 检测效率 检测费用 有损检测 静载荷试验 单桩承载力 钻芯取样法 高应变动测法 无损检测 低应变反射波法 超声波透射法桩身孳构完整单桩妻登力和譬身 性 结构完整性反映桩身结构完整性 不能检测桩身 一’不能区分破易斜钻，局部不能解决桩身强度 坏模式 低 高 及沉降问题 一般 较高 高 低．．多解性 较低 较高外形畸变 较高 较低一般来说，选择检测方式时可以参照以下原则： （１）各类桩、墩、桩墙结构的完整性检测，宜采用高应变动测法或低应变动测法，较大 直径桩则宜采用超声波透射法或者钻芯取样法； （２）由散体材料桩或者其它粘结强度较低的桩与土组合成的复合地基，如石灰桩，若要 确定其承载力，宜采用静载荷试验，也可采用静力触探分别对桩和土进行检测，从 而确定复合地基的总体承载力； （３）由高粘结强度的桩和土组成的复合地基，如水泥土桩、ＣＦＧ桩、混凝土标号比较小 的桩等，若要确定其承载力，宜采用静载荷试验检测；单桩承载力的检测可以参照 其它刚性桩： （４）在复合地基中，检测桩和土分担荷载比例一般采用静载荷试验，通过刚弦或者压力 盒测定，也可以用其它特制的应力传感器测定； （５）由于施工中震动的影响，一般可采用质点速度监测系统或者加速度监测系统予以测 试，也可以用地震仪监测； （６）使用阶段的桩的应力应变测试，可以使用钢筋应力计、混凝土应力计或其它特制的 传感器等； （７）当桩长大于３０ｍ时，用其它手段可能难以准确判断桩身完整性，可以采用钻芯取样 法，这样同时还可以非常准确地检测出桩身混凝土的强度；此外还可以采用超声波 透射法【１７１。 此外，对于常见的桩，我们有如下的几条建议： （１）对于钻孔灌注桩，采用高应变动测方法比较有效，若条件允许可进一步采用钻芯取 ’样法或者静载荷试验进行校验；对于较大直径钻孔灌注桩可以采用钻芯取样法与低 应变反射波法或者超声波透射法配合检测； （２）检测沉管灌注桩的桩身完整性时采用低应变反射波法效果明显，还可配合静载荷试 验检测单桩承载力；若是基桩抗冲击力较强，可采用高应变动测法同时检测其承载 力和完整性情况；７ｌ绪论硕士论文（３）对于打入式预制桩的检测，采用静载荷试验和高应变动测法较为合适，不宜采用超 声波透射法及低应变动测法。１．４本文研究内容及组织１．４．１本文研究内容 本文主要研究基于低应变反射波法的基桩质量检测的理论技术及实践应用问题，试 图从多个方面对其进行研究探讨、概括总结，以期进一步促进和完善该检测方法在基桩 检测过程中的合理应用与健康发展。 本文从各种常规检测方法的对比下手，引入低应变反射波法的基本概念、适用范围、 检测内容等；在保证有代表性的前提下，本着以少数说明多数的目的，探讨检测过程中 的随机性和抽检的概率性；通过应用实践，从多方面进行研究讨论总结，以期更加准确 地说明问题，并为检测人员作出合理化建议。 １．４．２论文的组织 第一章为绪论，介绍了基桩质量检测技术基本理论和相关理论分析，提出研究问题 及目标； 第二章为低应变反射波法理论基础，包括一维波动方程的建立及解的形式、弹性波低应变反射波法基桩质量检测理论与应用２低应变反射波法理论基础２．１一维线性波动方程的建立及其解的形式２．１．１基本假设 应用反射波法进行桩基检测工作的对象主要是基桩，为此我们需要做以下适当假定：（１）桩身受激励是在弹性限度内的。检测时对桩身所施加的激励很小，对其影响也极小， 桩身各质点应变很微小，因此可以假定在振动时桩体材料服从胡克定律，即各质点位移、 应力和应变的关系为线性。另外，因为桩长远大于其直径，我们可以将桩假定为一维弹 性杆件。 （２）桩身是连续均匀且各向同性的。此假设是建立在假设一的基础上的，即微小应变情 况下，桩身各质点性质差异可以忽略不计。这样一方面可以简化研究过程，另一方面可 以保证我们随机选取的研究单元不随空间位置的变化而有所不同，因而具有代表性和说 服力。 （３）平截面假定。对于一维弹性杆件，可以假定振动波在纵向传播过程中，各横向截面 保持平面，其上应力分布均匀且只有纵向应力。 （４）忽略横向应变。因为纵向振动波波长远大于桩体横截面尺寸，故不考虑横向位移对 纵向运动的影响【１８】。 ２．１．２一维线性波动方程的建立 对于一维弹性杆件，当在其顶部施加瞬间激励后，产生的弹性波会沿杆件纵向传播， 传播过程服从一维波动方程。 假设某一维等截面弹性杆件，弹性模量为Ｅ，横截面面积为４，杆身密度为Ｐ，设 沿杆件轴心方向为Ｘ轴，如图所示为其在某时刻ｆ的分段受力示意图。ｆＸ 【０上■Ｔ●Ｆ÷叔Ｆ＋ｄＦ １，－●＿图２．１一维杆件受力示意图９２低应变反射波法理论基础硕士论文随机取某微元出，对其进行分析， 由各参数定义可得以下关系ｄ“Ｓ＝――Ｏｘ（２．１．２．１）Ｆ＝Ａｃｔ（２．１．２．２）由以上二式可得 田以上一瓦日Ｊ得鲨：４Ｅ堡瓦２肚。Ｏ万＇ＸＣ％一（２．１．２．３）由胡克定律，得仃＝Ｅ８（２．１．２．４）由牛顿第二定律，得ｄＦ＝ｍａ（２．１．２．５）而．汀：堕奴缸ｍ＝ｐＡｄｘ（２．１．２．６）（２．１．２．７）低应变反射波法基桩质量检测理论与应用行波理论，可采用傅里叶法和达朗贝尔法 求得其通解形式为 “＝ｆ（ｘ－Ｃｔ）＋ｇ（ｘ＋Ｃｔ）（２．１．３．１） 其中ｆ（ｘ，ｆ）、ｇ（ｘ，ｆ）为具有二阶偏导的任意函数，分别表示沿Ｘ轴向下正向传播的下 行波和向上传播的上行波，其传播速度都是Ｃ。关于上行波和下行波的定义见下节。 上式也称作Ｄ’Ａｌｅｍｂｅｒｔ解，函数ｆ（ｘ，ｔ）、ｇ（ｘ，ｆ）的特定形式由具体的边界条件和初 始条件决定【１９】。２．２弹性波的反射与透射２．２．１上行波与下行波 如前所述，对于式（２．１．３．１）中的两个函数ｆ（ｘ，ｆ）、ｇ（ｘ，ｒ），我们无法确定地定义出它 们的具体形式，这里仅考虑其在特殊情况下的意义。 如果令ｘ―Ｃｔ＝ａｔ，ｘ＋Ｃｔ＝哆则ｆ＝岛，ｇ＝６２进而有Ｕ２ｑ其中ｑ，６ｆ，ｑ（ｉ＝１，２）都是常数。 此时单独考虑函数ｆ（ｘ，，），因其始终为常数，可知它所描述的波的振动形态随着位 置Ｘ及时间ｆ的变化保持不变，而ｘ―Ｃｔ＝ａｔ即Ｘ＝ａｔ＋Ｃｔ随着时间ｆ的推移，ｘ逐渐增大，意即波沿着Ｘ轴正向向下传播。因此函数ｆ（ｘ，ｆ）也 可称作下行波。 ?同理可称函数ｇ（ｘ，ｔ）为上行波。。采用低应变反射波法进行基桩检测时，是对桩顶位置进行性瞬间竖向激振产生应力 波，之后所有的研究工作都是围绕此应力波及其在桩身不同位置所引发的一系列反射波 所展开，因此符合如前关于常数的假定情况。 对于一维弹性杆件，若在桩顶进行竖向瞬态激振，不妨以激振瞬间作为ｔ＝０时刻，２低应变反射波法理论基础硕士论文则此时沿桩身只有下行波。也就是说当弹性波开始传播时，上行波ｇ（ｘ，ｆ）＝０，此时只 有下行波ｆ（ｘ，，），桩基检测过程中关于这一点也是显而易见的。 由于杆件往往长度有限，且杆身不会是绝对连续均匀的，当弹性波传至其结构或材 料性质发生变化，或传至杆件另一端时，就会产生反射波，此反射波即属于上行波ｇＯ，，） 的范畴，且此时其波列图应该与ｆ（ｘ，ｆ）一致，而其幅值与极性则由发生反射处的截面决 定【２０Ｊ。 ２．２．２弹性波在桩身中的反射和透射 低应变反射波法动力测桩以一维波动理论为理论基础，将桩假定为连续均匀的一维 弹性杆件，进而研究在桩顶受到动力激振情况下，桩的纵向波动情况以及桩土体系的动 态响应。 我们先来给出一维弹性杆件波阻抗的定义：Ｚ＝ｐＣＡ其中Ｐ为杆件材料的密度、Ｃ为弹性波的传播速度、彳为杆件任意横截面面积。显然波 阻抗仅与材料性质有关。 实际进行桩基检测时，待一切准备就绪后，对桩顶进行激振产生一系列应力波（亦 即入射波），当波传播至波阻抗发生变化的界面时，部分应力波发生反射，另一部分则 透射过界面向下继续传播直至桩底，继而反射向上传播。所有反射信号传至桩顶后由事 先安装的接收系统接收并由信号处理系统处理，得到其速度时程曲线。 桩基检测工作中常常把入射波和反射波分别称作下行波和上行波，这就是上、下行 波在桩基检测中的意义。 我们可从波阻抗变化截面各种平衡关系得到入射波、反射波以及透射波之间的关 系。 为方便推导，我们分别用Ｉ（ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｗａｖｅ）、Ｒ（ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｗａｖｅ）、Ｔ（ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｗａｖｅ） 来表示入射波、反射波和透射波。 如图所示为入射波在杆身传播过程中经过波阻抗变化界面时的情形。――、ｒ―．限ＺＩｒｌ１２Ｚ２＾图２．２波阻抗变化界面波传播示意图理论与应用点振动速（２．２．２．１）（２．２．２．２）Ｆ＝＝ＺＶ（２．２．２．３）一般的，可以推广得（考虑方向性） Ｃ＝ｚｌ巧 最＝一Ｚ１％ （２．２．２．４） （２．２．２．５） （２．２．２．６）辱＝ｚ２巧根据牛顿第三定律和界面连续等条件，我们可以得到如下平衡方程坼２吃（２．２．２．７）（２．２．２．８） （２．２．２．９）互＝ＥＫ＝Ｋ即 吩＋‰＝蜥（２．２．２．１０） （２．２．２．１ １）巧＋最＝弓 Ｋ＋％＝％（２．２．２．１２）巧一％＝鲁巧结合式（２．２．２．１２），可整理得到Ｖ，，（２．２．２．１３）％＝Ｚ１２＋ＺＺ２１（２．２．２．１４） （２．２．２．１５）今吆２爱圪九：―Ｚｌ－―Ｚ２Ｚｌ＋Ｚ２ 巧＝（１＋Ａ）巧 ％＝Ａ巧（２．２．２．１６）则（２．２．２．１４）和（２．２．２．１５）化为 （２．２．２．１７） （２．２．２．１８）１３２低应变反射波法理论基础硕士论文将式（２．２．２．１７）和（２．２．２．１８）代入（２．２．２．５）和（２．２．２．６）中，结合（２．２．２．４）及（２．２．２．１６），整理可以 得到 弓＝（１一Ａ）Ｅ 最＝－Ａ巧 （２．２．２．１９） （２．２．２．２０）我们将式（２．２．２．１６）所引入的系数九称作反射系数（相应地可将１＋Ａ称作透射系数）， 显然有一ｌ＜Ａ≤ｌ，当且仅当Ｚ＾：０时等号成立。反射系数允是有其实际应用意义的，下 节将对其在桩基检测过程中的应用详细阐述【２１１。２．３常见桩基质量问题及缺陷类型２．３．１常见桩基质量问题 ２．３．１．１常见问题成因 一般情况下，桩基出现质量问题，主要是因为在勘察、设计、施工时等阶段中存在 问题，或者是因为在桩基工程完工后外部环境、使用条件等发生变化对桩基造成损坏。 （１）勘察阶段的问题：各种现场及人为因素的影响，使得勘察报告中提供的诸如地质剖 面图、钻孔柱状图以及土的各项物理力学指标和建议设计参数不准确； （２）设计阶段的问题：设计人员个人习惯、设计能力等造成桩基础选型不当、设计参数 选取不当； （３）施工阶段的问题：材料选取不当或施工管理不当，施工方法、施工工序安排不合理， 施工过程控制不严格，质量检验不到位，各种施工人员、施工机械和施工时所处季节、 天气等自然因素，造成桩基础出现质量问题； （４）环境因素的影响：临近地区基坑开挖、地面大面积堆载、上层结构荷载、重型机械 行进、相邻桩挤土效应等，也会影响到桩基础的质量。 ２．３．１．２预制桩常见质量问题 （１）桩身本身的质量问题。在预制桩生产过程中，由于对材料、胎膜、生产工艺及手段、 养护等控制不严，导致出现成品桩桩身强度不够、截面尺寸偏差过大等质量问题；施工 前在装卸、运输、堆放等环节出现问题而造成桩身出现裂缝等缺陷，施工时若未及时发 现就会将其作为完整桩进行施工。 （２）施工过程中，由于桩锤规格、锤垫或者桩垫选取不当，或者遇到沉桩困难时连续过 多的重锤打击力、锤击压应力分布不均匀而使桩头破碎开裂，锤击停歇时间过长，复杂 的地质现象等，都会造成桩基质量问题。 （３）无论采用打入或是压入法施工，若桩头钢筋网片或者混凝土保护层不符合要求、桩 项不平、桩身混凝土强度不足等，都容易出现桩身上部开裂甚至碎桩现象。 （４）打桩过程中的拉应力易引起桩身开裂。拉应力的产生与大小受到桩端土特性、桩周１４硕士论文低应变反射波法基桩质量检测理论与应用土阻力分布、打入深度、打击点偏心度、垫层性质等地影响。当拉应力大小超过桩身抗 拉强度时桩身将开裂，一般最大拉应力多产生于桩身中上部位。 （５）桩身垂直度偏差过大。设计桩间距不合理，施工中垂直度控制不到位，打桩次序安 排不当，邻近基桩施工产生挤土效应，地面荷载影响及周边基坑开挖，复杂地质条件等， 都直接或者间接地影响桩身的垂直度，进而影响桩基工程施工质量。 （６）接桩时产生断桩等问题。设计桩长过长时，实际施工时需要分节打入或压入，两节 桩之间必须可靠连接。然而接桩部位相对于其它截面总归是薄弱部位，最容易出现问题。 由于接桩材料、方法等各种因素的影响，接桩质量很难得到保证，这样在施工时经过连 续的锤击作用容易出现开裂、错位甚至断桩。 （７）基桩承载力不足问题。在深厚软土地区进行预制桩打入或者压入，连续的锤击振动 及挤土效应，容易影响到邻近已施工完毕的其它桩，或使已开裂部位情况进一步恶化， 或使其桩体上浮、桩端离开持力层形成“上浮吊脚桩＂，影响其承载能力。 ２．３．１．３钻孔灌注桩常见质量问题 钻孔灌注桩属于排土桩，施工工序包括钻孔、泥浆护壁、水下成孔、清孔、下钢筋 笼并固定、再清孔、水下混凝土灌注等，施工过程中有任意一道工序出现问题，都会导 致桩身质量问题的产生。 常见的钻孔灌注桩质量问题及成因如下： （１）桩孔垂直度不满足要求。这主要是因为在钻进过程中，对垂直度的把握不准确或遇 到孤石等坚硬障碍物，使得钻头偏斜，进而导致斜钻。 （２）塌孔或缩孔问题，导致桩出现断桩、桩底沉渣严重、桩径突变等质量缺陷。事故原 因主要有泥浆质量较差、护筒内没有压力足够大的水头等因素使得护壁不良，施工操作 时钻杆、钢筋笼等碰撞孔壁，或者土质条件不良等。 （３）桩径较小，导管密封性不好导致漏水，或者钢筋笼设计不合理，再加上施工时导管 等施工器具占据一定空间，以及孔壁的摩阻力作用，使得混凝土灌注时与泥水混合形成 混桩或上升不畅造成堵管形成断桩。 （４）在混凝土灌注过程中，由于堵管、停电或操作不当等将导管拔出使得灌注过程中断， 二次灌注时先期混凝土已结硬，两次浇筑的混凝土接触面便形成断桩界面。 （５）混凝土级配或和易性差、钢筋笼设计过密等容易造成桩身缩径、离析或者断桩。 （６）清孔不到位，或者钢筋笼碰撞等因素容易造成孔底沉渣严重，影响桩基质量。 ２．３．１．４沉管灌注桩常见质量问题 沉管灌注桩，又称沉管成孔混凝土灌注桩，是先将钢管打入土中，然后在钢管中放 置钢筋笼、灌注混凝土，随后逐步拔出钢管，边浇筑、边拔管、边振实的一种施工方法。 沉管灌注桩为挤土型桩，具有设备简单、施工速度快等特点，包括压力沉管、锤击 沉管、振动沉管等工艺。但是由于沉管灌注桩截面尺寸、施工工艺的特点及明显的挤土２低应变反射波法理论基础效应，极易产生桩身质量问题。常见问题有： （１）施工中由于锤击或振动产生的连续冲击力和振动力以波动方式向四周传播、衰减， 加之挤土作用，易使邻近的已达初凝状态的桩断裂，其中尤以软硬土层交界处最为严重。 （２）当桩距过小、施工次序不当或土层含水量较高时，施工中可能会使地表隆起，对邻 近已施工桩身产生竖向拉力，使其产生缩径甚至断桩。 （３）施工过程未按照规范操作，拔管速度过快或管内混凝土量过少，使得混凝土排挤力 小于地层侧压力，从而造成桩身缩径或夹泥。 （４）安放钢筋笼后灌注混凝土时，由于沉管的振动冲击力和钢筋笼摩擦作用，容易使桩 身混凝土发生离析。如果混凝土配合比设置不当或者骨料级配不合理，还可能产生局部 空洞。 （５）当地层中有透水性较差的粘土层、其下部又有承压水的砂层时，由于存在动水压力， 会在桩身至桩顶发生冒水现象，成桩后极易发生离析甚至断桩。 （６）若振动沉管时采用活瓣桩尖，易发生活瓣张开不灵活现象，使得混凝土下落情况差， 从而造成混凝土密实度较差甚至断桩。若桩端持力层为透水性较好的砂层，且沉管之后 混凝土灌注不及时，活瓣合缝处易渗水，稀释附近混凝土，降低桩身强度。 （７）当采用预制桩尖时，如果其混凝土强度较低、质量不符合要求，沉管时易被击碎塞 入管内：拔管过程中碎桩尖下落卡在孔内，从而造成桩身下部无混凝土，形成“吊脚桩＂。 （８）施工完成后，基坑开挖过程中易造成浅部断桩现象［２２－２４１。 ２．３．２常见桩基缺陷 ２．３．２．１常见桩基缺陷类型 造成桩基出现各种影响其桩身质量和基桩承载能力的缺陷的因素有很多，如施工工艺不当、成桩方式不合理、地质条件复杂等。一般来说，描述桩身缺陷有三个指标一缺陷位置、缺陷性质和缺陷严重程度。桩身阻抗变化是缺陷的综合体现，可能是任一种 或多种缺陷同时累加的结果，所以仅根据阻抗的变化是无法确定缺陷性质的，应根据地 质资料、桩型、施工工艺、施工记录、现场条件等综合判断，必要时可结合钻芯取样法、 声波透射法等其它方法共同判断【２５】。 在桩基检测工作中，常见的缺陷类型有：扩径、缩径、裂缝、离析、蜂窝、空洞、 夹泥、断桩等。 （１）完整桩：桩身形状规则，无变径、离析、裂缝、夹泥等缺陷的桩。 （２）扩径桩：成桩后桩身部分区段截面明显大于设计值的灌注桩。在实际工作中，由于 扩径现象对桩基承载力的有利作用，一般是不把其作为缺陷处理的，本文将扩径与其它 缺陷相提并论、比较分析，只是为探讨反射波法的应用。 （３）缩径桩：成桩后桩身部分区段截面明显小于设计值的灌注桩。１６硕士论文低应变反射波法基桩质量检测理论与应用（４）离析桩：外形完整、部分区段呈现蜂窝状结构或松散状态的桩。离析部分直接影响 到桩的强度与承载力情况。造成桩身离析的原因很多，如所用材料不合格或配比不合理， 成桩时搅拌不均匀、振捣不密实使得部分区段砂石含量过高等。 （５）断桩：桩身部分截面断裂或者断开的桩。 根据检测结果可以将桩分为几类，如表表２．１桩身完整性分类 桩身完整性分类 Ｉ类桩 ＩＩ类桩 Ⅲ类桩 Ⅳ类桩 注：ＩＶ类桩应进行工程处理 桩身完整 桩身有轻微缺陷，不会影响桩身结构承载力的正常发挥 桩身有明显缺陷，对桩身结构承载力有影响 桩身存在严重缺陷 分类原则一般认为，Ｉ类桩为优质桩，ＩＩ类桩为合格桩，Ⅲ类桩为经过设计计算分析并采取 处理措施之后可以使用的桩，Ⅳ类桩为不合格桩【２６１。 上节我们用式（２．２．２．１６）给出了反射系数Ａ的定义，事实上它是有实际意义的，由式 （２．２．２．１４）．（２．２．２．１５）我们可以得出以下重要结论： （１）透射波传播过程中方向和符号均始终与初始入射波保持同相。 （２）当乙＞Ｚ，时，允＞０，表示桩身存在离析、夹泥、缩径、裂缝或者弹性波传至桩底等 波阻抗减小部位，缺陷部位的反射波与初始入射波同相。 （３）当Ｚ１＝Ｚ２时，允＝０，表示桩身无缺陷、或者材料阻抗持续不变，入射波波形除随时 间移动位置，其它性质不变，可认为应力波未受任何影响沿桩正向传播，没有反射波信号。（４）当Ｚｌ＜Ｚ，时，Ａ＜０，表示桩身存在扩径或者弹性波传至嵌岩桩桩底等波阻抗相对增 大部位，反射波与初始入射波反相。 总之，弹性波传播至波阻抗差异的界面处或者桩径发生变化区段都会发生反射现 象。结合其它条件，根据波阻抗差异情况可以判断桩身缺陷。如下表所示，我们总结了一些反射波与入射波的关系规律唧。表２．２桩身阻抗变化与反射波相位变化１７２低应变反射波法理论基础硕士论文桩身波速变化低，桩反射减弱 桩身离析同相岛＞Ｐ２，ｃｌ＞Ｃ２，４＝４望竺（１）完整桩鱼三２２：刍三刍：鱼三垒望塑：二竺兰竺兰墨型兰壁墨翌２．３．２．２桩基缺陷典型曲线特征完整桩的振动反应曲线规则而圆滑，入射波和反射波信号较明显，无子波反射，波 列纯净。摩擦型桩反射波信号与入射波初始相位相同，但如果锤击能量不够，当桩长过 长时可能无桩端反射信号。端承型桩反射波与入射波信号反相。图２．３典型完整桩波形（２）扩径桩 一般扩径桩反射波曲线不太规则，桩端反射和桩间反射明显。存在多次反射时第一 次反射波和入射波反相，第二次同相。反射波的表现随着扩径形态的不同而各有差异。图２．４典型扩径桩波形（３）缩径桩 一般缩径桩波形清晰、完整、直观、不规则，第一次反射时反射波与入射波同相，’第二次反射时反相，有明显的桩底反射和桩间同相位子波反射。１８用图２．５典型缩径桩波形（４）离析桩 离析桩波形曲线不规则，有桩底反射和桩间同相位子波反射，但是比缩径桩弱。另 外其波形与缩径桩有相似之处，即第一次反射时反射波与入射波同相，第二次反射时反 相。由于离析差异区段混凝土密实度差，离析程度不均匀，入射波在缺陷部位会发生复 杂的反射、折射、散射、透射等，所以其波形很乱，有时甚至没有明显的桩底反射和桩 间同相位子波反射。图２．６典型离析桩波形（５）上缩下扩桩 波形复杂，有较明显的同相位和反相位子波反射以及桩底反射。图２．７典型上缩下扩桩波形（６）上扩下缩桩１９２低应变反射波法理论基础硕士论文波形复杂，有明显的反相位子波反射，桩底反射可能不明显，同相位子波反射不明显。图２．８典型上扩下缩桩波形硕士论文低应变反射波法基桩质量检测理论与应用波形复杂，有明显的反相位反射和桩底反射，离析反射信号被抑制。图２．１ １典型上扩下离桩波形线（１０）上离下扩桩 波形复杂，有明显的同相位和反相位子波反射。图２．１２典型上离下扩桩波形（１１）上离下断桩 波形复杂，同相位子波反射明显，其中断桩界面所致反射强烈。图２．１３典型上离下断桩波形（１２）上断下离桩．波形比较规则，断桩界面所致同相位子波反射强烈，存在多次反射，离析和桩底反 射信号被抑制。２１２低应变反射波法理论基础硕士论文图２．１４典型上断下离桩波形（１３）断桩 波形规则，呈尖峰状，波列整齐，有多次反射，无桩底反射【２８１。图２．１５典型断桩波形２．４本章小结本章介绍了低应变反射波法的理论基础――维波动理论。在满足基本假设的前提下，可以将基桩看做一维线弹性杆，测试过程中对桩顶进行 竖向激振后，应力波沿桩身的传播就可以看做弹性纵波在一维杆件中的传播。为研究弹 性波传播规律，首先要建立一维弹性波动方程，然后根据其解的形式将弹性波分成上行 波和下行波，这就是入射波和反射波的理论意义。 预制桩和灌注桩是应用范围极其广泛的两类桩型，因此对于它们的研究就显得意义 重大。本章分别对上述两种桩型常见的质量问题和各种常见缺陷类型进行了详细阐述， 并根据桩身完整性情况将其归类，以便检测中使用。 弹性波在传播过程中遇到波阻抗发生变化的界面会发生反射与透射，其程度可用反 射系数来表示，同时波阻抗、反射系数、桩身完整性以及检测曲线之间有一定的对应关 系，根据这种对应关系我们可以大大提高检测效率。本章最后通过典型波形说明了多种 缺陷桩的波形规律，对实际检测有一定的指导意义。量检测理论与应用３低应变反射波法检测原理３．１检测基本原理低应变反射波法又称锤击法，是以一维弹性杆应力波波动理论为理论基础的无损检 测方法，适用于检测桩身完整性，判断桩身缺陷类型、位置及严重程度等，核对桩长， 以及估计桩身混凝土强度等。反射波法基本原理可如下图表示：在桩顶部位进行竖向激 振，给桩一定的能量，产生一纵向弹性波，该波沿桩身向下传播，当传至桩身明显波阻 抗有差异的界面，如扩缩径、严重离析、断桩、桩底等部位，将相应地产生反射波；反 射信号可通过桩顶的传感器拾取，并经放大、滤波、数据处理，我们可进而根据处理结 果计算弹性波在桩身各部位的传播速度，据此可以达到检测的目的。图３．１低应变反射波法检测原理对于某完整桩，假设自产生入射波至接收到反射波用时为ｆ，若已知桩长为Ｌ，则可 得到弹性波传播速度为巧＝＿２Ｌ对于有缺陷的桩，若自产生弹性波至接收到反射信号用时为，７，则缺陷位置为三，：型２其中瓦为同一工程中多根合格桩的平均波速。３低应变反射波法检测原理硕士论文３．２检测数量３．２．１检测相关规定 基桩检测工作应遵循相关规范，按照规定程序、工艺进行，检测数量、受检桩选择 等也应遵照有关规定执行，此外还应遵守国家有关安全生产的规定。 关于桩基工程质量控制有以下一般规定： （１）桩基工程应对桩位、桩长、桩身直径以及单桩承载能力进行检验； （２）按时间顺序可以把桩基工程的检测分为施工前检验、施工检验、施工后检验等三个 阶段【２９】。 此外，还有一些其它基本规定： （１）施工完成后，工程桩应进行单桩承载力和桩身完整性抽样检测； （２）各种检测方法均有各自的适用范围和技术要求，选用时应根据检测对象、检测要求、 检测目的，’并应结合下表综合选择【３０１。表３．１检测方法及检测目的 检测方法 检测目的 确定单桩竖向抗压极限承载力； 判定竖向抗压承载力是否满足设计要求； 单桩竖向抗压静载试验 通过桩身内力及变形测试，测定桩侧、桩端土阻力； 验证高应变法的单桩竖向抗压承载力检测结果 确定单桩竖向抗拔极限承载力； 单桩竖向抗拔静载试验 判定竖向抗拔承载力是否满足设计要求５ 通过桩身内力及变形测试，判定桩的抗拔摩阻力（３）桩身完整性的检测宜采用两种及以上方法进行，以保证检测结果的准确性； （４）施工之后，对于工程桩宜先进行完整性检测，后进行承载力检测；硕士论文低应变反射波法基桩质量检测理论与应用（５）若出现数据异常的情况，应及时查找原因，重新检测； （６）当采用超声波透射法或低应变法检测基桩质量时，桩身混凝土强度应至少达到设计 强度的７０％，且不小于１５ＭＰａ；对于泥浆护壁灌注桩宜适当延长休止时间。 ３．２．２检测数量及选择 采用低应变方法进行桩基质量检测时，可选用一种方法，如有必要也可以选择其它 检测方法进行校核；此外，根据规程，检测数量应符合如下规定： （１）对于一柱一桩基的建筑物或者构筑物，应全数检测； （２）非一柱一桩时，应按施工班组进行抽测，数量根据工程重要性、抗震设防等级、地 质条件、施工工艺以及检测目的等，由相关部门协商确定； （３）对混凝土灌注桩进行桩身完整性抽测时，检测数量不得少于总桩数的２０％，且不得 少于１０根；对其进行承载力抽测时，检测数量不得少于总桩数的１０％，且不得少于５ 根； （４）对混凝土预制桩进行质量检测时，抽测数不得少于总桩数的１０％，且不得少于５根； （５）当抽测不合格率大于３０％时，应加倍重新检测：若重新检测后，不合格率仍然大于 ３０％，应对该批桩进行全数检测。 此外，受检桩的选择应符合以下规定： （１）施工质量有疑问的桩； （２）设计方认为重要的桩； （３）局部地质条件发生异常的桩； （４）施工工艺不同的桩； （５）承载力验收检测时应当适量检查之前完整性检测中判定的ＩＩＩ类桩； （６）除上述规定外，同类桩宜均匀随机分布。３．３检测系统及相关技术作为一种动力测桩方法，低应变反射波法包含较高的技术含量，要求检测人员在掌 握基本理论知识的基础上，还要了解其实现过程，并具备相当的现场实际检测经验，以 便于在工程检测过程中能及时发现问题，并通过分析、解决问题，顺利完成检测工作。 ３．３．１振动测量基本概念 基桩动测过程实质上是一种振动测量过程，而通常涉及到振动测量，因此就必须全 面分析整个振动试验系统。 所谓振动试验系统，通常包含以下组成部分：ａ．被测系统：即试验对象，亦即最终研究对象；ｂ．激振系统：即对被测对象产生激振信号的设备或系统；２５３低应变反射波法检测原理硕士论文ｃ．测量系统：即接收并将激励信号转换、放大、显示或记录的系统；ｄ．分析系统：以计算机为核心，分析并处理测量结果，求得所需要的各种参数、图表。 在一个完整的振动试验系统中，激振、测量、分析系统三者的共性很明显，被测系 统则千差万别，而振动测量技术的工作内容正是要去除共性、凸显被测对象，为准确地 分析研究被测对象创造条件【３¨。 低应变反射波法的激振系统相对简单，它对检测结果的影响主要从实践中获得；其 测量和分析系统则相对复杂，包含传感器、模数转换器、采样保持器、抗混滤波器等等 许多器件和相关动态测试技术。本节主要就这两个系统的构成与工作原理进行介绍。为 更好地理解动测系统中各环节及相关动态测试技术，我们先介绍几个振动测量的基本概 念【３２１。 （１）拾振器 拾振属于测量系统范畴，通过拾振器得以表达。在振动测量中习惯将传感器称作拾 振器，它是整个测量系统中的重要装置。拾振器把振动量以正比关系转换为电信号，有 时也转换为机械或光学量。我们习惯上根据被转换振动量将拾振器分为速度传感器、加 速度传感器、位移传感器。 另外，拾振器包括绝对拾振和相对拾振两种。 绝对拾振一般采用惯性式拾振器，它不需要相对的固定点，而是将拾振器直接固定 在被测点，使其随之振动。常用的加速度传感器和速度传感器都采用绝对拾振，为惯性 式传感器。 从原理角度说，振动量的测量应相对于惯性坐标系，但是在实际工作中，很多拾振 器必须有一端被固定在被测系统之外的某一参考点，这样所测结果是相对于该参考点 的。这种拾振方式称作相对拾振，所有光学式测振仪都是相对拾振。 （２）灵敏度 一般来说，仪器和传感器类型不同，其灵敏度表示方式也不同。 机械式测振仪的灵敏度表示为输出与输入机械量之比。这种测振仪通过顶杆接触到 振动体，从而将其运动量转变过来，并经杠杆系统放大、显示并记录，若输出与输入同 一机械量，我们将它们之比称作放大系数。 动圈式电磁传感器如速度传感器，利用发电原理将振动量转化成电量，其灵敏度为 输出电压量与输入机械量之比，即母＝‰／圪’（３．３．１．１）其中％、圪分别是电压信号“＝乩ｓｉｎｃｏｔ和被测点振动速度ｌＹ－－－－圪ｓｉｎｃｏｔｌ拘幅值。值得一提的是，在振动测量中，大多数传感器都采用的是这种机械量．电量的转换方式，所以 它们的灵敏度表达式大都跟式（３．３．１．１）相类似。 对于理想的传感器，其输出波形应该与输入波形完全成正比，此时用式（３．３．１．１）来低应变反射波法基桩质量检测理论与应用表达灵敏度非常合适。此时又若与传感器连接的放大显示仪表和线路也具有理想的转换 性能，则整个检测系统的灵敏度可以表示为（３）分辨率ｓ＝燃＝班Ｊ１．ｉ＂ｔ ‘、＝一＝■■、。最初输入量，（３．３＾２） Ｖ……７●’’Ｉ，－分辨率是指能够引起输出量发生可以分辨的变化所需要的最小输入量。每台拾振器 都可以有其自身的分辨率，而整个检测系统也有总体分辨率。如果一台仪器输出量可由 电表读出，则其分辨率就是电表最小的可读出增量。 实际上仪器的分辨率往往受到其自身或者系统的噪声电平所限制，即只有信号电平 高于噪声电平一定量时，才能保证信号不被噪声淹没，因此分辨率与信噪比有关。有的 公司规定，可测的最低信号电平与噪声电平之比的分贝值为２０ｌｇ熹＝５如』Ｖ（３．３．１．３）其中文Ⅳ分别为被测信号电平和噪声电平，使上式成立的信号大小称作最低可测振级 （此时被测信号的电压约为噪声电压的１．７７倍）。 （４）线性度、线性范围和动态范围 线性度也称为幅值线性度，当某仪器的灵敏度在某范围内波动而不超越时，此范围 即为该仪器的线性度。实际上，线性度就是灵敏度在正常情况下的误差范围（如图３．３）。 一般情况下，任何仪器都只能在一定的幅值范围内保持线性，即保证其灵敏度在已 定的线性度内，这一范围就是线性范围。线性范围的最低端和最高端，即最低和最高可 测幅度，分别由仪器的分辨率或非线性特性、电性能或结构决定。 对于一个测量系统来说，其动态范围就是其线性范围。我们以基桩动测仪为例，在 满足线性度的情况下，要能准确捕捉±５和最小为０．５ｍＶ的电信号，则其相应的动态范 围就是２０１９塑：８０ｄＢ（３．３．１．４＇）Ｘ一上】ｈ珞图３．２测量系统的线性范围２７３低应变反射波法检测原理硕士论文（５）频率范围 一般仪器的频率范围是指当其灵敏度变化不超过某一规定的百分比时的使用频率范 围。例如下图所示，一台仪器在使用时若是要求输出正弦波相比输入正弦波的移动不超 过某一范围，则其使用频率范围也应符合此要求。对于某一具体仪器来说，传感器自身 机械或者电气性能，配合仪表或者附加线路的性能都可能决定其频率范围。０－０１０．１１１０１００１Ｋ１０Ｋ１００Ｋｆ㈤图３．３加速度计的频率范围（６）工作范围 对于一台仪器来说，其工作范围可以完全地由其线性度范围和频率范围确定。 下图表示某拾振器的工作范围（即诺模图），其中白色的空心区域表示的就是它的 工作范围。图中的坐标轴为对数形式，Ｘ轴表示频率，Ｙ轴表示速度，水平线为等速度 线，竖直线为等频率线，正４５０为等位移线，负４５ ｏ为等加速度线。该图表明，当用此 传感器测量振动时，被测振动量的频率应在１０．８００Ｈｚ间，振幅在１０－４＝ｌｍｍ间，加速度 幅值则只能在１０。２．１０２９间。二一／又、／／≈ ’／＼ 顷 上骊 整＼／＼频＼事／飞 ＼／ 阻揍／／一＼么萏／ ＼．二＞＜ 文 二＞＜ 二＞＜ 文Ｘ（Ｈｚ）图３．４工作范围诺模图低应变反射波法基桩质量检测理论与应用（７）系统响应、频响函数 所谓响应是指振动系统在外界扰动下发生的振动位移，亦称为强迫振动。实际工程 中有很多关于振动的问题都与系统的响应有关。响应取决于外界激励和系统自身两方 面，因此振动理论的核心问题就是建立激励、响应以及系统特性的关系。 定义系统频率响应函数（简称频响函数）响应和激励的复振幅之比，则它将是激励 源频率的复函数，即Ｈ（ｃｏ）＝ｘ／ｒ或Ｘ＝日（∞）Ｆ其中日、Ｘ、，分别表示频响函数、系统响应和激励。 由∞＝２７ｒｆ，上式还可写作（３．３．１．５）Ｘ（门＝日（门?Ｆ（力对于某单自由度系统，其控制方程可表示为 ｎｆｆ＋ｃ．ｉ：＋ｋｘ＝厂（，） 其中，ｘ（ｆ）、ｆ（ｔ）分别表示系统响应和激励，则其相应的频响函数就是（３．３．１．６）（３．３．１．７）Ｈ（ｃｏ）＝――‘ｒ：ｌＨ（ｃｏ）ｌ１．＾ｅ叫侈（３．３．１．８）ｋ―ｍｏｏ二＋ｉｃｃｏ其中频响应函数的模和幅角Ｈ（ｃｏ）１． 。’。。：＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝―――－＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ｍ４（ｏａ２一Ｃ０２）２＋４叮２Ｃ０２ ｋ４（１－ｚ２）２＋４Ａ２＜２（３．３．１．９）９＝ａｒｃｔａｎ毒≥＝ａｒｃｍ啬我们分别称之为幅频特性和相频特性，上两个等式中有群＝ｋ／ｍ，２ｔｒ＝ｃ／ｍ，＜＝ｔｒ／ｍ，Ａ＝叫ｃｏ，＝／．／五（３．３．１．１ １）频响函数是反映振动系统相关特性的重要函数，其模反映响应与激励的幅值大小之 比，幅角则表示系统响应滞后于激励的相位角。 对（３．３．１．６）式求逆变换得 ｘ（ｔ）＝Ｓ～Ｘ＝３―１（日?Ｆ）＝（Ｓ－１日）幸（３－１Ｆ）＝办（ｆ）幸／（，） 其中蚪”表示卷积，且，ｍ（３．３．１．１２）办（，）奎厂Ｏ）．＝Ｉ ｆ（ｓ）ｈ（ｔ－ｓ）上式中办Ｏ）的实际意义为单位脉冲激励条件下的系统的响应函数， 也称作系统的冲 击响应函数。 （８）激励、响应、系统特性之间的关系 式（３．３．１．１２）给出了系统输入、输出之间的关系，Ｊｌｚ（，）反映系统的动力特性，另由频２９３低应变反射波法检测原理硕士论文响函数定义，我们可以得出如下图所示的关系： 激励 系统 响应ｆ（Ｏ ｈ（ｔ） Ｈ＠ Ｆ回ｘ（Ｏ：ｈ（Ｏ瑚ｘ（Ｏ＝ｌ：ｔ（Ｏ＊Ｆ（Ｏ图３．５激励、响应、系统特性关系因为日（厂）和办Ｏ）为一对傅里叶变换对，且分别从频域、时域角度反映系统动力特性， 因此我们可以对如图３．５所示的激励、响应、系统特性的关系补充，如下图：时域ｘ（ｔ）－ｈ（ｔ）＋聊土ｔ频域 Ｘ（ｆ）＝Ｈ（Ｄ掌Ｆ（Ｏ土ｔＪｒ丁图３．６激励、响应、系统特性关系补充（９）动测系统各环节关系 基桩的动测过程包括以下几个部分：激励锤、待测基桩、传感器、连接线路、分析 系统等，按照检测过程可分为以下几个阶段： ａ．激振锤发出激励厂（ｆ），桩项输出响应而（ｆ），系统特性则相应为桩身冲击响应函数盘（，），且有ｘａ（ｔ）＝厂Ｏ）?ｈａ（ｔ） （３．３．１．１４）ｂ．因为传感器测试的是桩项信息，前一阶段响应五（ｆ）便作为此阶段激励，传感器对其输出响应吃（ｒ），系统特性则相应为传感器的响应函数吃（ｆ），且有ｘ２（ｔ）＝而（ｒ）?ｈ２（ｔ） （３．３．１．１５）ｃ．与阶段ｂ类似，线路对传感器作出响应坞（ｆ），系统特性为其响应函数呜（ｒ），且有 ｘ３（ｔ）＝而Ｏ）幸魄＠）ｄ．（３．３．１．１６）同理，分析系统响应即为结果ｘＯ），响应函数为死（ｆ），而且有ｘ（ｔ）＝黾Ｏ）宰心Ｏ）由上面（３．３．１．１４）．（３．３．１．１７）式，可以得到（３．３．１．１７）ｘ（ｔ）＝厂（，）幸噍Ｏ）幸ｈ２（ｔ）｝吃Ｏ）宰吃（，）低应变反射波法基桩质量检测理论与应用对其作傅里叶逆变换，得到彳（门＝Ｆ（／）?Ｉ－Ｉ，（门?吼（力?马（厂）?也（门（３．３．１．１９）上式（３．３．１．１９）为系统动力特性的频域表示形式，其中Ｆ（力、ｑ（门、马（力、Ｈ３（ｆ）和日。（厂）分别为振源激励、桩身频响函数、线路频响函数、分析系统频响函数。 ３．３．２模数转换 实际检测过程，首先是在激励作用下被测对象产生响应，检测系统采集到响应信号， 再通过一系列电子元件、线路，应用动态测试及计算机技术对信号进行处理输出，从而 实现对基桩的动力检测。 数据采集过程中，将模拟量转换为数字量这一量比过程的电子技术称为模／数（Ａ／Ｄ１ 转换。模／数转换过程所需要的电路或元器件称作模／数转换器，其中一般意义上所指的 模／数转换器在使用过程中其输入模拟量都是直流的电压信号，这样输入信号在保持阶段 就一直呈直流电压状态。 逐次逼近式模／数转换器在数据采集中应用最为广泛，其基本原理在于把已知分档量 化电压与未知直流电压（幅值连续）由粗到细逐次比较、逼近，直至二者差别小于分档 误差而达到平衡状态，此时，前者所对应的数码就等于被测电压的数字量。这种转换器 包括以下三部分： ａ．数／模（Ｄ／Ａ）转换器，用于将二进制数码转换成分档电压； ｂ．电压比较器，用于比较分档电压和输入电压的相异处； ｃ．逐次逼近逻辑控制电路，或称逐次逼近逻辑寄存器，用于自动执行各项逻辑操作，包括三部分――去／留码逻辑电路，环形计数器，数据寄存器。如图３．３．１．６所示，逐次逼近式模／数转换器工作过程如下： ａ．环形计数器在时钟ｆｏ的驱动之下，对数据寄存器的最高有效位加码，建立１００…０码，同时Ｄ／Ａ转换器把该码转换成相应的模拟分档电压％：圪，／２，并将其反馈至电压比较 器的比较端，之后针对比较结果去／留码逻辑电路相应作出判断和操作――若形＜儿，则去码，若形≥儿．则留码； ｂ．环形计数器在第二个时钟脉冲的驱动之下左移一位，使得数据寄存器次高有效位加 码，建立ｘ１００…０码，再电压比较器对其进行比较，比较结果由逻辑电路判断操作，决定 去码或者留码； ｃ．依此类推，重复上述步骤，直至ＬＳＢ（最低有效位）完成。?经以上各步骤转换完成之后，分档量化电压与输入电压间的误差已小于１ＬＳＢ所对 应的模拟电压，即已小于模／数转换器的分辨率【３３１。３低应变反射波法检测原理硕士论文逐次逼近逻辑寄存器图３．７逐次逼近式模／数转换器结构图３．３．３动测分析系统 现代电子技术的迅速发展以及专业化程度的不断加深，使得基桩动测设备不断完 善，功能更加全面，配置更加高级、轻便、全面，人性化、集成化程度增强，这极大地 促进了基桩动测技术的发展。 基桩动测分析系统包括处理前端、计算机、分析软件三个部分。 （１）处理前端部分由多通道数据采集和信号预处理两大系统组成，一般为实现同时测试 振动体动态特性，还包括多功能信号源系统。 数据采集系统实现形式通常有两种：一种是由ＭＵＸ（多路转换器）和一个ＡＤＣ（模 ／数转换器）进行多通道数据采集，另一种则是每个通道都有其独立的ＡＤＣ（显然，第 二种形式能充分利用ＡＤＣ的采样速率，因此有更高的工作频率范围）。另外我们根据 抗混滤波的实现形式，还可将数据采集系统分为带数字抗混滤波器、带模拟抗混滤波器 两种。数据