经典低应变反射波法的基本原理

一、低应变反射波法的基本原理低应变反射波法是以一维弹性杆平面应力波波动理论为基础的。

将桩身假定为一维弹性杆件（桩长>>直径），在桩顶锤击力作用下，产生一压缩波，沿桩身向下传播，当桩身存在明显的波阻抗Z变化界面时，将产生反射和透射波，反射的相位和幅值大小由波阻抗Z变化决定。

桩身波阻抗Z由桩的横截面积A、桩身材料密度ρ等决定:Z=ρCA假设在基桩中某处存在一个波阻抗变化界面，界面上部波阻抗Z1=ρ1C1A1，上部波阻抗Z2=ρ2C2A2。

①当Z1=Z2时，表示桩截面均匀，无缺陷。

②当Z1>Z2时，表示在相应位置存在截面缩小或砼质量较差等缺陷，反射波速度信号与入射波速度信号相位一致。

③当Z1<Z2时，表示在相应位置存在扩径，反射波与入射波速度信号相位相反。

当桩身存在缺陷时，根据缺陷反射波时刻与桩顶锤击触发时刻的差值△t和桩身传播速度C来推算缺陷位置Lx: Lx=△t²C/2二、低应变反射波法的几个建议1、桩头直接在素混凝土（浮浆）上进行测试，结果无论怎么改变传感器以及传感器的安装，无论怎么改变振源，测试信号都不理想，往往在测试信号的浅层部位存在较严重的反向脉冲。

一般情况下，桩头的处理以露出新鲜含骨料的混凝土面为止，而且要尽量平整、干净（桩头不要破碎、不要有杂物、不要有水）；这可以通过随身携带凿子以凿平安装点和锤击点或委托施工方在测试前帮忙进行桩头处理，这样有利于传感器的安装和力棒的锤击。

2、传感器传感器的安装对现场信号的采集影响较大，理论上传感器越轻、越贴近桩面、与桩面之间接触刚度越大，传递特性越好，测试信号也越接近桩面的质点振动。

所有动测均要求如此。

对实心桩的测试，传感器安装位置宜为距桩心2/3～3/4半径处；对空心桩的测试，锤击点与传感器安装位置宜在同一水平面上，且与桩中心连线形成90°夹角，传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。

传感器的安装技巧以及耦合剂的选择对加速度计和高阻尼速度计很重要。

安装之前，应找到1-2块平整面(不太平整时可用斧头、凿子等工具修理或用调好的石膏填充)；安装面有灰时，应吹尽、揉尽或洗尽以确保安装时粘接紧密。

桩头不平时，以石膏安装最好。

稠度低的黄油、油性橡皮泥、粘性低的口香糖和泡泡糖、颗粒粗的粘土均不能使用。

有一种罐装橡皮泥弹性太好，用它安装传感器往往有寄生振荡存在，不少人吃过这方面的亏，下列几种耦合剂值得选用：①牙膏：干净方便、快速实用；②黑色黄油（或粘性好的黄油）或凡士林：粘性好的黄油经济实用，但太脏，夏天效果亦不甚理想；凡士林经济实用，较干净；③粘性好、弹性差的橡皮泥，以捏成团用力扔到墙上不掉下为选择标准；④石膏：较适合于不平整的桩头；口香糖：用口加工后使用。

可以多置粘接剂于安装面，然后单方向用力旋转传感器，使其紧贴安装面。

加速度计的质量较轻，安装后应防止倾倒，石膏粘接时还应待其凝固。

传感器是否装好，可用弹指方式判断，如果弹敲侧面(劲不可太大)纹丝不动，说明已经装好。

打眼安装速度计时，不要将孔中的灰吹掉，应恰到好处地将锥形杆尽量全部楔入，并利用砼灰耦合用力单方向旋转，直至牢固时为止。

有的测试人员为了测试简便，经常不用耦合剂或少用耦合剂，致使耦合剂的作用减少或消失，导致测试信号振荡很明显，不利于对基桩的分析判断，这样是不可取的。

传感器经安装后，一般存在谐振，精确测量幅值时，其测试范围往往取至安装谐振频率的1/3乃至1/5以下。

以加速度计为例，如其安装谐振频率为14kh，则频率上限只能达到3-4kh。

由于桩基动测对幅值的定量要求不高，可以放宽限度，但也绝不能使谐振频率接近甚至位于要求的频率范围内。

然而，地震检波器的使用者却不同程度地犯了这个错误，以28hz和38hz的速度检波器为例，研究表明，当锥形杆被手按于混凝土表面，且用铁锤激发时，谐振频率在830hz左右；通过钻孔方式将锥形杆紧紧地全部插入孔中或取下锥形杆用石膏粘固在混凝土表面时，如用铁锤敲击，谐振频率多在1200hz以上，此时如用尼龙锤或铁锤垫橡皮等低频锤敲击则可完全排除安装谐振频率的影响。

显而易见，正确安装方式应以后者为宜。

理论推导表明，传感器的安装谐振频率与传感器的安装刚度和传感器底座质量有关。

一般可以减化理解为：安装刚度越高，基座质量越小，安装谐振频率就越高，而安装刚度与安装的松紧程度、传递杆（锥形杆）长短有关。

正因如此，一般要求取消锥形杆（或全部埋入被测连续介质中），也要求传感器基座越轻越好。

对于位移型惯性传感器而言（如速度计），安装谐振频率有f1，f2两个，f1比传感器的自然谐振频率还低，在40Hz以内，一般对测试没有影响；f2即是所讲安装谐振，处理较好时应在1200Hz以上。

加速度型惯性传感器也有两个安装谐振频率，但均位于高频段，引起我们关注的是第一谐振频率，处理较好时在大几千赫兹至几万赫兹变化，但是，如用弹性较好的橡皮泥安装将只有1-2kHz。

在对基桩进行低应变反射波法测试时选用速度或加速度传感器。

其中速度计在低频段的幅频特性和相频特性较差，在信号采集过程中，因击振激发其安装谐振频率，而产生寄生振荡，容易采集到具有振荡的波形曲线，对浅层缺陷反应不是很明显。

同速度计相比，加速度计无论是在频响特性还是输出特性方面均具有巨大优势，并且它还具有高灵敏度的优点，因此用高灵敏度加速度计测试所采集到的波形曲线，没有振荡，缺陷反应明显。

所以建议在对基桩进行低应变反射波法测试时选用高灵敏度加速度计检测。

理论上讲位移计型惯性传感器包括速度计（所谓高阻尼速度计和地震检波器）的高频部分是完全满足应力波反射法测试要求的，但由于生产工艺等方面的原因，其高频部分往往受到很大的限制，有的仅几百赫兹，最高一般亦在2kHz左右会掉下来。

在现场测桩时，传感器的安装刚度又会导致安装谐振的出现，进一步使传感器的可测范围变窄，那么怎样判断传感器的优劣呢？利用牙膏、石膏、黄油、橡皮泥等粘接剂将不含锥形杆的速度计紧紧地粘贴在被正确清理干净，满足测试要求的桩头上或用冲击电锤打孔，将有锥形杆的速度计牢牢地插入孔中，确保安装方法正确后，利用小铁锤直接敲击砼表面，仪器的模拟滤波档置2.5kHz以上。

对被测信号进行谱分析，如果此桩两米内没有毛病，其幅值谱最高峰（一般为传感器的安装谐振峰）频率大于1200Hz，此传感器即可满足测试要求。

频率越高在以后的测试过程中浅部测试效果将越好；分析幅值谱的低频部分(固有频率以下)还可判断出低频特性的好坏。

换用低频锤，如力棒、尼龙锤(桩头再垫层橡皮更好)或铁锤＋汽车外胎垫测试，如无振荡或振荡很小，这类传感器将更好。

如果传感器的谐振峰仅几百赫兹，用低频锤时又不能消振，那么这种传感器是满足不了测试要求的。

需要指出的是，这种测试方法与桩头强度、砼龄期、浅部缺陷以及安装紧凑程度很有关系，以预制桩桩头测试效果最好，而如果在素混凝土上测试，效果将最差，最不能说明问题。

速度计是自生电动势型的，虽然价格低廉，但也应注意保护，一般的保护方法是将其输出端短路或两个传感器对接。

开路贮放将减少传感器寿命，是不合适的。

测桩界较流行的速度计：灵敏度大约为280mV/cm/s，固有频率：10~28Hz，阻尼系数ξ=0.6~1.0。

如果判断速度计测试效果的好坏？从传感器频响，特别是安装后的频响特性来考虑，速度计用于测桩是应当慎重的，因此从某种意义上讲，提高速度计的安装刚度，降低安装质量从而整体提高安装谐振频率，延拓其测试带宽是速度计测桩的关键，或者说安装谐振频率的大小是用于判断速度计测试效果好坏的主要指标。

使用铁锤敲击，如果速度计的谐振频率低于1200Hz，便不合要求，高于1500Hz非常理想。

除使用的速度传感器有问题外，谐振频率低的原因均与桩头处理及安装技巧有关。

进一步用低频锤测试（过低频率不好），如无振荡，那么本次测试的效果无论是有振荡的信号（主频大于1200Hz），还是没振荡的信号都满足要求，前者经数字滤波处理会得到与后者完全相同的效果。

在判断谐振效果的同时，还应判断信号中有无50Hz干扰，对信号进行谱分析，观察50Hz左右是否有共振峰存在，如有应予以排除，否则测试效果较差，不利于分析。

什么时候需要用加速度计复测？笔者建议大家长期用加速度计测桩，本条目专就喜欢用速度计的人士而言。

测试40米以下部位缺陷或桩底反射时需要用加速度计，因为速度计在低频段幅频特性和相频特性均较差。

分析速度计测试信号的幅值谱，当感觉到800Hz以上的频率成份不好解释或不正常时，一般往往意味着存在浅部缺陷，需要用加速度计复测验证。

如若要进行低应变曲线拟合分析，速度计测试信号将无法使用，必须使用加速度计测试。

速度计测试信号中的振荡不好解释或无法消除时必须用加速度计复测。

加速度计无论是在频响特性还是输出特性方面均有巨大优势，更适合于低应变测桩，但什么样的加速度计更适合于使用呢？从国际上流行的趋势看，大家都倾向于选择内装式加速度计，因为这种传感器无电荷放大器约束，频响更宽，由于已变成电压量和低阻输出，对联线要求低，更适合于野外工程需要，也更便于人们对联线进行加固处理。

岩海公司已将国产的这类传感器作为主选传感器之一推荐使用。

这类传感器有时会出现阻塞或基线漂移，正常情况下，灵敏度不可太高，测试时亦以低频锤为宜。

内装式加速度计要求主机提供直流电源，主机滤波档不宜低于2.5k。

除灵敏度极低或高频严重不够以外，电荷输出型加速度一般都满足测试要求，以1200pc/g的高灵敏度加速度计为例，它的低频特性相当好，对振源的要求也相对弱很多，用于测桩时不失为一种好的传感器，但是这种传感器当振源强烈时，容易得到削波信号（不能被积分），用于测试浅部缺陷时，高频部分也可能略显不够（尽管如此，也比速度计强）。

电荷输出型加速度计为高阻输出型，必须使用电荷放大器、低噪声电缆线和专门接头，这些都是它的不利因素，接头部分极易脱开，电荷放大器的应用和外壳即是信号地的方式也不利于干扰的防治。

现场测试时电荷放大器和主机的低通滤波器不能低于2.5k，高通以0.1Hz以下为宜。

对于内装式加速度计而言，如用于普通中短桩测试以100mV/g为宜，而若用于25m以上的长大桩深部和桩底则宜用500mV/g的。

如何判断加速度计的好坏？加速度计的好坏，主要指其频响特性、漂移特性、量程、灵敏度、分辨率以及稳定性等方面。

稳定性主要观察加速度计及其联线是否抗拉、抗折、抗冲击、耐用，这里要注意，一般加速度计，尤其内装式加速度计抗冲击有限，抗不住几米高跌落至水泥地面的撞击；加速度计的频响特性一般均能满足测桩要求，但较高灵敏度（≥1500pc/g）、低频特性较好的加速度计，其高频截止频率未必能满足测桩上限要求；由于仪器量程（±5V）限制了传感器的测量范围，传感器的量程和灵敏度可以作为同一指标考虑，一般要求传感器量程须达50g（对应灵敏度100mV/g）方可满足正常测量，显然高灵敏度的传感器是难以满足此项要求的，但是在长桩桩底的分辩方面，高灵敏度加速度计却具有更大的优势, 对于这类桩，同时备有普通灵敏度的加速度计和高灵敏度加速度计（≥500mV/g或1500pc/g）不失为一种好的办法，其中后者专用于测长桩桩底和深部缺陷。