1.基本原理和假设
将桩视为一维弹性杆件，当桩顶受到一瞬态激劢（脉冲力）时，由桩头激发产生的弹性波沿桩身往下传播。当遇到桩身阻抗Z(z= AC)变化界面时，要产生反射和透射。弹性波在桩身内传播遇到桩身阻抗界面时是垂直入射和反射的。假定桩界面上段的阻抗为Z１，下段的阻抗为Z２，且不考虑桩周土阻力的影响。根据桩在界面上位移和速度的连续条件，力与应力和位移的关系，可推导出在桩身阻抗变化处的反射系数Rf关系式：
式中：Rf－反射系数；Z１、Z２－分别为桩身材料上、下界面的广义波阻抗；
、A、C－分别为桩身材料的质量密度、桩身截面积及应力波速。
根据反射系数Rf的正、负来确定桩身阻抗的变化情况：当RF＞0时，反射波与入射波同相位，表示桩身界面阻抗由大变小，如缩径、离析、断桩及桩底反射等；反之，Rf＜0时，反射波与入射波反相位，表示桩身界面阻抗由小变大，如扩径、端承桩桩底反射情况。
桩截面完整性系数可用基桩上、下界面的阻抗Z１、Z２之比来表示： 以桩身结完整性系数的办法来评价桩的缺陷程度，对桩身结构完整性进行分类评价。
在一些地方被认为是一种可用的方法。
其具体做法将桩身反射波与入射波振幅之比值、计算完整性系数，来确定桩的类别。但笔者认为仍是一种定性而不能定量的方法，因为，这种入射、反射波的幅值影响因素较多，如传感器的阻尼系数，缺陷在桩身不同深度、缺陷断面的变化率等等，都对缺陷反射的幅值有限大影响。桩身缺陷性质和位置这是评价桩身完整性的重要依据，知道桩身缺陷的性质及严重程度，就可以分析桩身的结构强度能否承受桩上部荷载的要求。缺陷的位置以摩擦桩的载力不够，浅部影响大，深部的影响不大，但浅部容易作接桩形曲线的分析，可以判断桩身缺陷的性质并估计严重程度，同时可以推断缺陷的位置。所以，反射波法能较好的评价桩身的完整性。桩身缺陷离桩顶的位置可按下式计算：C
式中：
t －桩顶与桩身缺陷反射波达到的时间差；
Ｃ－取该工地五根以上正常桩的平均波速。
③如何判定应力波反射波形的优劣?应力波反射法所采集的较好波形应该是:〈1〉多次锤击的波形重复性好z(2)波形真实反映桩的实际情况,完好桩桩底反射明确;(3)波形光滑,不应含毛刺或振荡波形;(4)波形最终回归基线。
④什么是测桩盲区?当桩顶受到锤击或敲击时,其锤击能量在桩土系统中沿深度传递过程为波动,下行的压力波遇到桩身阻抗有变化和桩侧阻力都要产生上行的应力反射波。桩顶受点振源锤击扰动后,最后形成的波动区,靠近桩顶部分形成半球面波,传播不满足平面假定。同时下行的压力波和上行的阻力波、桩身阻抗变化反射波比较,占有绝对优势,下行压力波往往掩盖了上行波,使得反映桩身缺陷或扩颈的上行波不易识别。桩顶部呈现这种现象的区段称为盲区。盲区范围一般离桩顶l-l.5D(D桩径〉范围内。
⑤有哪些原因不易检测到桩身缺陷和如何解决?除了存在测检盲区外,不易检测到桩身缺陷的原因还有:I、由波长公式:A=cT=一式中k一应力波波长;C一波速;它、f-激振脉冲力宽和激振力频率。激振力频率f小,波长k长,当波长大于桩身缺陷深度时,不产生波动现象,将测不到桩身缺陷的反射波。因此测浅层缺陷时应提高入射波频率f,使波长入减小。例如用小锤甚至修钟表的小挪头敲击。E、桩身和桩侧土阻尼影响,桩身和桩侧土阻尼对应力波有衰减作用,阻尼大,衰减快,不易看到缺陷或桩底反射;混凝土强度高、龄期长的比强度低、龄期短的桩易看到桩底反射;同样土层,灌注桩比预制代人桩侧阻力和桩底土刚度小,易看到桩底反射。所以对长桩或侧阻大的桩,应加大锤击能量和降低激振力频率。E对于特长桩,如桩长大于60m的桩,低应变法已难于检测,可改用高应变法检测。
⑥用应力波反射法检测大直径桩应注意哪些问题?桩动测技术是建立在一维应力波理论基础上,并作了平截面假定,应力波反射法也不例外;但是小锤敲击,桩顶面近似点振源,桩顶附近,桩各截面每一质点的运动速度并不一致,尤其是大直径桩。这种三维效应更为严重。因此,不同振源部位和传感器安装在不同位置将产生不同测试结果。
1968年学者R.D.Wwwds的研究成果表明,敲击应力波在半元限体介质中传播时,瑞利波能量占67%;剪切波占26%;压缩波占7%。同时,压缩波衰减最快,剪切波次之,瑞利波最慢。
当小锤在桩顶面中心点敲击时,各种波将传播至桩周边缘并产生反射。压缩波传至桩周,只有部分能量反射回桩顶中心,质点运动速度为水平向的且能量很小,对顶面质点纵向运动影响小。剪切波将从桩周产生全反射,能量占的比例较大,将使测试信号产生一定的高频成分。瑞利波也有很大一部分能量从周边反射,同时衰减慢,也将使测试信号产生高频成分。
因而大直径桩的高频干扰是剪切波和瑞利波地桩中心和周边来回反射而形成的二种高频波的精合。这种高频干扰波会掩盖桩身反射波,尤其较微弱的桩底反射。根据理论计算,在距桩中心2/3倍半径处,这种高频干扰最小。
所以,应力波反射法检测大直径桩时,在桩中心点敲击,量测响应传感器安装在2/3半径处是最理想的。
另外,对大直径桩,当敲击力脉冲过窄,也易产生高频干扰信号。图8一14为直径1.0m,长度10m的桩,敲击力脉冲宽度为0.5ms和LOrns的二种理论计算反射波波形比较。显然,窄脉冲力高频干扰大得多。所以检测大直径桩,应该用尼龙头或加大锤垫厚度增大敲击力脉冲宽度,减小高频干扰信号影响。 图8－14不同敲击力脉冲宽度的高频干扰
⑦用低应变法检测桩身结构完整性时如何把握激振技术?低应变法检测桩身结构完整性,首先应进行桩顶处理,凿去浮浆层至新鲜混凝土,平整桩顶,安装激振器或敲击点的桩中心部位和安装量测响应传感器位置要磨削平整光滑,避免激振时传感器产生寄生共振。稳态激振的激振器安装,若是半刚性悬挂式的,一定要注意粘贴在桩顶面中心的钢板保持水平;若采用柔性悬挂式,所用的吊挂橡皮绳要有足够的弹性和强度,如用自行车内胎等。瞬态激振和应力波反射法即使同一根桩,同一型号测桩仪,但不同人检测都可能得到形态完全两样的波形。
其中把握激振技术是重要环节,要特别注意的有以下三点:
I、敲击力要集中、铅直,使振动模式单一。采用力棒或自由落锤,激振能量的可控性和信号重复性都比用锤敲击效果好。E、激振能量要适当,激振能量以能看到桩底反射的前提下尽量小,使桩周参加振动的土体尽量少,以减少对波形干扰。桩身阻抗比桩周土阻抗大得多,激振能量除在桩身中传播外,部分被桩周土吸收扩散,好土吸收能量多,差土吸收能量少,所以土愈好,桩愈长,要用大锤敲击,土愈差,桩愈短,用小锤敲击即可.E、敲击脉冲力宽度要适中,为了满足一维杆波动理论,脉冲力宽度应满足下式：ｒ≧5Ｄ/C式中ｒ一脉冲力宽度;D一桩直径C一应力波传播波速。
要得到较明显的桩底反射,不同桩长可采用不同的脉冲力宽度。一般土层情况,桩长10m以下，r＝0.7～1.0ms；桩长10～20ms，r＝1.0～2.0ms；桩长20～30ms，r＝2～3.0ms；桩长大于30m；r＝3～4ms。假如应力波反射法得到的波形要做频谱分析,脉冲力宽应掌握在使谱图上出现2～3阶谐振频率,这样才能得到两个频差。
③应力波反射法产生振荡波形的原因是什么?有哪些消除方法?
应力波反射法测桩产生的振荡波形有传感器本身特性、电源50Hz干扰、敲击振源、传感器安装和桩身浅部缺陷等原因引起的。
a.有的传感器频响较窄,例如38Hz地震检波器由于安装条件不同,在830Hz一1700Hz左右有一谐振峰。因而易使测桩波形产生指数衰减振荡。可换用高阻尼、短余振传感器加以解决。
b.电源50Hz干扰有可能从电源输入端或信号输入端感应进去。前者可将电源插头反向安装或电源插头输入端引一根地线得到解决;后者可以将测桩仪接地或不使信号线与潮湿地面接触或改用直流电源得到解决。
c.传感器安装离敲击点太近也容易产生振荡波形,传感器安装最理想位置在距桩中心2/3〈半径〉处,安装传感器的粘接剂弹性太好或太厚或安装不牢靠都易产生寄生振荡,可以改变粘接条件得以解决。
d.加速度传感器高频响应特性好,在不加滤波情况下敲击脉冲力宽度又较窄时,波形都可能有振荡信号存在。当把加速度积分成速度信号,再加上滤波,可以得到不振荡的较好波形。但这样做有可能将小缺陷漏判。
e.假如排除以上原因后,波形还有振荡,就有可能是桩身浅部缺陷的多次反射。⑵、用力锤做震源传感器接收反射波。对于混凝土桩基这样较长的被测体，若用一个换能器作为发射另一个换能器做接收，根本无法推定较深缺陷的类型及其在桩身中的位置，我们通常采用反射波法。其原理是弹性固体内应力波的传播理论，当桩的长、径比很大时，可将其视为一维介质，从桩顶以手锤激发一弹性波，此波动将沿桩的轴线向下传播，当其波动到达桩底的波阻抗界面时即向上反射。如果桩身存在破损(如断裂、离析、夹泥、缩径、蜂窝及不均匀等缺陷)，亦会形成波阻差异，从而在这些破损界面上产生反射。反射波被安装在桩顶的传感器接收并记录在接收仪器上，通过对反射波的初至、振幅及相位分析，可得出桩身的声波平均传播速度(强度)，缺陷程度及深度位置。现场检测过程：平整、清理被测桩桩头，被测桩应凿去浮浆，切除外露的主钢筋。
以黄油偶合固定传感器于桩顶；初进现场，首先检查仪器工作状况；对首根桩进行多次反复观测，以确定最佳激振方式和接收条件。锤击点保持于桩头中心部位,传感器应稳固的安装在桩头上。对于桩径较大的桩可安置两个或多个传感器。当随机干扰信号较大时，可采用信号增强方式，进行多次重复激振与接收。为提高检测的分辨率，应使用小能量激振，并选用高质量截止频率的传感器和放大器。判断桩身浅部缺陷，可同时采用横向激振和水平速度型传感器接收，进行辅助判定。每一根被检测的单桩应进行二次及以上重复检测。出现异常波形应在现场及时研究，排除影响测试的不良因素后再重复测试。重复测试的波形与原波形应具有相似性。检测数据的处理与判定：应依据波列图中的入射波和反射波的波形、相位、振幅、频率及波的到达时间等特征，推定单桩的完整性。
桩身混凝土的波速vp、、桩身缺陷的深度L可分别按下列公式计算：vp＝2L/tr L=vpmtr 其中L－桩身全长；tr－桩低反射波的到达时间；tr-桩身缺陷部位反射波的到达时间；vpm－同一工地内多根已测合格桩桩身纵波速度的平均值。反射波波形规则，波列清晰，桩底反射波明显，易于读取反射波到达时间，及桩身混凝土平均速度较高的桩为完整性好的桩。反射波到达时间小于桩底反射波到达时间；且振幅较大，往往出现多次反射，难以观测到桩底反射波的桩，系桩身断裂。桩身混凝土严重离隙时，其波速较低，反射波幅减少，频率降低。
缩径与扩径的部位可按反射历时进行估算，类型可按相位特征进行判别。当有多处缺陷时，将记录到多个相互干涉的反射波组，形成复杂波列。此时应仔细分析，并应结合工程地质资料、施工原始记录进行综合判断。桩体浅部断裂是定性评价，可通过横向激振比较同类桩横向振动特征之间的差异进行辅助判断。
在上述时域分析的基础上，尚可采用频谱分析技术，利用振幅谱进行辅助判断。桩身混凝土的强度等级可依据波速来估计。波速与混凝土抗压强度的换算系数，应通过对混凝土试件的波速测定和抗压强度对比试验确定。
c、低应变法测桩技术
①敲击力力谱成份对检测桩身缺陷有什么影响?
桩身材料有一定阻尼以及桩周土存在侧摩阻力,应力波沿桩身传播过程将产生衰减,衰减快慢除和桩、土阻尼有关外,还和应力波频率成份密切相关,频率高衰减快,频率低衰减慢。振动振幅随距离的增加,一般是按指数衰减规律而变化的,即A=Ame-ax〈5一24)式中A一一振帽;x一一与振源距离;a一一衰减系数。衰减系数a和频率的关系为:a=n1f+n2f2+nsf4〈5一25〉式中n1、ｎ２、n3一-均由材料特性所决定的系数。
所以,当检测桩身深层缺陷时,脉冲力持续时间要长些,这样力谱的低频成份丰富,频率低,传播深度深,这样才能看到缺陷位置的反射波。
例如:可用尼龙等锤头敲击。当要检测桩身浅层缺陷时,脉冲力持续时间要短,力谱高频成份丰富,这样波长小,判断缺陷位置精度高。例如对于高桩顶数+厘米位置的缺陷,可用修钟表的小头等小质量锤敲击,产生高频激振力,可以较好地激发出浅层缺陷信号。具体操作 固定传感器于桩顶;初进现场,首先检查仪器工作状况;又才首根桩进行多次反复观测,以确定最佳激振方式和接收条件。锤击点保持于桩头中心部位,传感器应稳固的安装在桩头上。对于桩径大于350mm的桩可安置两个或多个传感器。当随机干扰信号较大时,可采用信号增强方式,进行多次重复激振与接收。
为提高检测的分辨率,应使用小能量激振,并选用高质量截止频率的传感器和放大器。判断桩身浅部缺陷,可同时采用横向激振和水平速度型传感器接收,进行辅助判定。每一根被检测的单桩应进行二次及以上重复检测。出现异常波形应在现场及时研究,排除影响测试的不良因素后再重复测试。重复测试的波形与原波形应具有相似性。
检测数据的处理与判定:应依据波列图中的人射波和反射波的波形、相位、振帽、频率及泼的到达时间等特征,推定单桩的完整性。桩身混凝土的波速vp、桩身缺陷的深度LF可分别按下列公式计算:Vp=2L/tr LF=VpmtrF其中L一桩身全长;tr一桩低反射波的到达时间;tr,一桩身缺陷部位反射波的到达时间;Vpm一同一工地内多根已测合格桩桩身纵波速度的平均值。
反射波波形规则,波列清晰,桩底反射波明显,易于读取反射波到达时间,及桩身混凝土平均速度较高的桩为完整性好的桩。反射波到达时间小于桩底反射波到达时间;且振幅较大,往往出现多次反射,难以观测到桩底反射波的桩,系桩身断裂。桩身混凝土严重离隙时,其波速较低,反射波幅减少,频率降低。缩径与扩径的部位可按反射历时进行估算,类型可按相位特征进行判别。
当有多处缺陷时,将记录到多个相互干涉的反射波组,形成复杂波列。此时应仔细分析,并应结合工程地质资料、施工原始记录进行综合判断。桩体浅部断裂是定性评价,可通过横向激振比较同类桩横向振动特征之间的差异进行辅助判断。
在上述时域分析的基础上,尚可采用频谱分析技术,利用振幅谱进行辅助判断。桩身混凝土的强度等级可依据波速来估计。波速与混凝土抗压强度的换算系数,应通过对混凝土试件的波速测定和抗压强度对比试验确定。