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1、反射波法基本测试原理与波形分析1.广义波阻抗及波阻抗界面设桩身某段为一分析单元，其桩身介质密度、弹性波波速、截面面积分别用，c, A表示，则 令Z= CA(7-1)称Z为广义波阻抗。当桩身的几何尺寸或材料的物理性质发生变化时，则相应的、C、A发生变化，其变化发生处称为波阻抗界面。界面上下的波阻抗比值为Z p C An = =1 1 1Z 2 p 2 C 2 A2称n为波阻抗比。2.应力波在波阻抗界面处的反射与透射设一维平面应力波沿桩身传播，当到达一与传播方向垂 直的某波阻抗界面（如图7-2所示）时。根据应力波理论， 由连续性条件和牛顿第三定律有勺岭叫（7-3）IA1 W+op =A2t（7-4
2、）式中，V、。分别表示质点振动的速度和产生的应力， 下标I、R、T分别表示入射波、反射波和透射波。由波阵面的动量守恒条件导得lZ1=P1C1A1n 令p2c2A2T图7-2应力波的反射与透射(7-2)1C1V|0R= 1C1 咋0T=- 2C2VT代入式(7-4)，得C A (V V ) = C A V(7-5)1 1 1 I R 2 2 2 T联立式(7-3)和(7-5)，求得VR= FV|(7-6a)VT=nTV|(7-6b)式中1 nF = 称为反射系数（7-7a）1 + n2T = 称为透射系数（7-7b）1 + n式（7-6）是反射波法中利用反射波与入射波的速度量的相位关系进行分析的
3、重要关系式。3. 桩身不同性况下应力波速度量的反射、透射与入射的关系（1）桩身完好，桩底支承条件一般。此时，仅在桩底存在界面，速度波沿桩身的传播情况如图 7-3所示。1 1A 1 22A2 ,所以 n1,21， 代入式（7-7 ）得F0）由式（7-6）可知，在桩底处，速度量的反射波与入射波同号，体现在V时程曲线上，则为 波峰相同（同向）。典型的完好桩的实测波形如图7-4。由图7-3、图7-4分析可得激振信号从触发到返回桩顶所需的时间技纵波波速C、桩长L三者 之间的关系为|图7-3桩身完好时的波传播过程图7-4完好桩的测试波形(7-8)式（7-8）即为反射波法中判断桩长或求解波速的关系式。在式（
4、7-8）的应用上，应已知C或L 之中的一个，当二者都未知时，有无穷个解，因此实用中常常利用统计的方法或其他实验的方法来 假定C或根据施工记录来假定L，以达到近似求解的目的。（2）桩身截面积变化。1）Ll处桩截面减小。如图7-5,可知在Ll处有n= Z1/Z2=气久1可得F0。于是有：岭与同号，而VT恒与匕同号。典型的波形如图7-6所示。假定C为已知， 则桩长和桩截面减小的位置可以确定如下：V(t)图7-5截面做小时的波传播过粗图7-6截面减小时的测试波形2）Ll处截面增大。如图7-7，可知在Ll处n= Z1/Z2=气/&0。可得结论：截面积增大处，岭与反号，而恒与同号。典型的波形如图7-8 所
5、示。桩长和桩截面变化的位置可以确定如下：L = - CtL = - Ct（3）桩身断裂。1）桩身在L1处完全断开。如图7-9,Z2相当于空气的波阻抗，有Z2-0,于是得 n= Z1/Z2= A1/A2-8由式（7-7）得F= 1，T=0代入式（7-6a ）和（7-6b），可得即应力波在断开处发生全反射，典型的实测曲线如图7-10所示。L= 2 Ct1UrW，VT=0由于透射波为零，故应力波仅在上部多次反射而到不了桩底。断裂的位置可按下式确定：=1C （t222）桩身在L1处局部断裂（裂纹）。如图7-11，典型V （t）曲线如图7-12。Ll处反射信号与L 处（桩底）反射信号的强弱，随着裂纹的严
6、重程度而不同。(4) 桩身局部缩径、夹泥、离析。三种情况及相应的应力波传递过程示意于图7-13中，图7-14 是实测波形。对此三种情况可分析如下：图7一13批身局部缩径、大泥、落析时的波传播过般1) 缩径：n= ZJZ=气/A21，F0。所以：咋与匕同号，*与匕同号。 n2= Z2/Z1= A2/A10。所以：岭与反号，与同号。2) 夹泥和离析：Z p C n = 1 = 1 Z2 P 2C所以上述三种情况的岭与匕及VT与的关 系相似，实测中的波形特征也极为类似。桩长和 缺陷位置等特征可根据图7-14确定如下：桩长：L = Ct 2 3缺陷位置：L1 = Ct1缺陷范围：AL = 2C(t2
7、-11)21实际上，由于L2处的反射信号在返回桩顶时又经过L1处的反射与透射，故能量较Ll处的一次反 射弱，一般较难分辩。当缺陷严重时，桩底的反射信号也较弱。另外，以上三种缺陷的的进一步鉴别可根据： 根据地质报告和施工记录以及桩型区分； 根据波形的光滑与毛糙情况区分；根据波速区分。图7-17嵌岩桩的波传播过程图7-18嵌岩桩的测试波形(6)桩底嵌岩或坚硬持力层，如图7-17。1) Z1Z2, n1，VR与匕反号，实测波形如图7-18。2) Z1 Z2, n 1，F 0，VR接近为零，此时桩底基本不产生反射信号，反映在波形图上，则看 不见桩底反射信号。3 .弹性波在传播过程中的衰减弹性波在混凝土
8、介质内传播的过程中，其峰值不断衰减，引起弹性波峰值衰减的原因很多，主z，(1) 几何扩散。波阵面在混凝土中不论以什么形式(球面波、柱面波或平面波)传播，均将随 距离增加而逐渐扩大，单位面积上的能量则愈来愈小。若不考虑波在介质中的能量损耗，由波动理 论可知：在距振源较近时，球面波的位移和速度与1/R2成正比变化，而应变、径向应力则与1/R3成 正比；柱面波d的位移和速度与1/R成正比，而应变、径向应力则与1/R2成正比。在距振源较远时， 球面波波阵面处的径向应力、质点速度与1/R成正比，而柱面波的相应量随13而衰减。(2) 吸收衰减。由于固体材料的粘滞性及颗粒之间的摩擦以及弥散效应等，使振动的能
9、量转化 为其它能量，导致弹性波能量衰减。(3) 桩身完整性的影响。由于桩身含有程度不等和大小不一的缺陷：裂隙、孔洞、夹层等，造 成物性上的不连续性、不均匀性，导致波动能量更大的衰减。4. 混凝土的强度及其弹性波速混凝土是由水泥、砂、碎石组成的混合材料。当原材料、配合比、制作工艺、养护条件、龄期 和混凝土的含水率不同时，其强度和弹性波速均不一样。影响波速的主要因素有：（1）原材料的影响。水泥浆硬化体的弹性波速较低，一般在4km/s以下；常用的砂和碎石的弹 性波速较高，通常都在5km/s以上。混凝土是水泥浆胶结砂和碎石而成，因此它的强度和弹性波速 实际上是砂、碎石和水泥硬化体的波速综合值。一般混凝土中的波速多在30004500m/s的范围内。（2）碎石的矿物成分、粒径和用量的影响。不同矿物形成的碎石的弹性波速是不同的。在混凝 土中，石子的粒径越大、用量越多，在相同强度的前提下混凝土的弹性波速越高。（3）养护方式的影响。根据室内试验的结果，混凝土的强度和弹性波波速之间有较好的相关性。下述公式可供参考。c = 4.18e 0.49C（7-9）C式中c为混凝土的标准抗压强度（MPa），C为混凝土的纵波波速（km/s）。上式的统计样本 容量n=30，相关系数=。
