反射波法测桩原理及方法

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。
反射波时域曲线实例
同一根桩处理前后的检测曲 线。 φ600钻孔灌注桩，强 度C30，反循环成孔。 上图为本桩初次检测时的时 域曲线，桩顶下3m左右离析， 桩底反射不明显。施工方凿 除约5m桩身，重新浇灌。下 图为一个月后再次检测的曲 线，可以看出桩顶下5m有明 显的阻抗变化界面，桩底反 射清晰。
反射波时域曲线实例
反射波法测桩的基本原理就是通过接收到的由敲击桩顶而 产生的弹性波（纵波）反射回来的信息，找出桩身波阻抗发生 变化的界面，并分析其变化的原因，从而对桩的结构完整性进 行评价。 敲击桩顶产生的弹性纵波遇到桩身波阻抗变化的界面时会 发生反射与透射，根据应力波传播理论，波阻抗变化界面两侧 质点振动速度、作用力满足下列条件：
素混凝土灌注桩： 长螺旋钻取土成孔， 灌注C30商品混凝 土。 上图为完整桩曲线 下图为断桩曲线
反射波时域曲线实例
素混凝土灌注桩：长螺 旋钻取土成孔，灌注 C30商品混凝土。 上图为6-4号桩第1次测 试曲线，波形呈现低频 大振幅衰减振动，表明 桩头浅部有严重缺陷； 施工方开挖后，发现桩 头下30cm断裂；下图 为去掉断桩头后再次检 测的曲线，桩底反射明 显。
Z Z
− Z + Z
质点作用力透射系数 质点振动速度透射系数
I
F
FT FI V V
T I
2 Z 2 Z 2 + Z 2 Z 1 Z 2 + Z
1
IV
1
公式中下标 I、R、T 分别代表入射波、反射波和透射波； F 代表质点作用力，V 代表质点振动速度；Z1、Z2 分别代表 界面上、下波阻抗。
讨论：
1. 波阻抗减小（Z1＞Z2）
反射波时域曲线实例
左上图：φ 800钻孔灌注桩 ，C25， 桩底同相反射。 右上图： φ1500人工挖孔嵌岩桩， C35，桩底反向反射。 左图： PC-A400(75)-10,5 ， C60 预应力管桩，桩底同相反射。
反射波时域曲线实例
上图： PC-A400(75)-10,5 ， C60预应力管桩，锤击法沉桩。 时域曲线来回振荡，可见桩 底反射信号。分析判断桩顶 下2.6m左右存在裂缝，施工 方开挖检验，实际裂缝位置 在桩顶下2.9m处。 下图：φ1000钻孔灌注桩，强 度C25，反循环成孔。桩顶下 6.5m严重扩径，形成重复反 射，无桩底反射信号。
VR Z 2 − Z1 RV = =− VI Z 2 + Z1
3、波阻抗近似相等（Z1≈Z2） 在这种情形下入射波发生全透射。对某些嵌岩桩，当 桩底基岩与桩身混凝土阻抗接近时，将检测不到桩底反射信号， 此时应采用其它方法对桩进行检测。
分类：缩径类缺陷与扩径类缺陷
桩的波阻抗变化情况无非以上三种，检测中经 常遇到的是前两种情况。为了工程应用方便， 对有缺陷的桩通常将第一种情况称为缩径类缺 陷，第二种情况称为扩径类缺陷。缩径类缺陷 包括缩径、夹泥、离析、断裂、裂缝等；扩径 类缺陷包括扩径、鼓肚等。缩径类缺陷最常见， 也最为复杂，稍不留意就会误判，因此在掌握 基本动测理论基础上积累实践经验非常重要。 下面演示一些工程实例。
RV
2、波阻抗增大（Z1＜Z2）
VR Z 2 − Z1 = = − VI Z 2 + Z1
桩底支承介质较桩身混凝土硬（如某些嵌岩桩）以及桩身 扩径、鼓肚等均会出现波阻抗增大的现象。在这种情形下，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 射波相位相反。由于RF＞0，则反射波为上行压缩波，与入射 波（下行压缩波）传播方向相反。 当桩头疏松或覆盖有较厚泥土时，Z1远远小于Z2，可认为 Z1近似等于0，则质点振动速度为0，质点作用力则加倍。此时 往往接收不到速度信号，或接收到的速度曲线杂乱，无法识别。 因此为了保证能够接收有效反射信号，应对桩头进行清理。