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1、反射波法检测基桩完整性技术方法及设备,2006年8月,桩身缺陷会引起基础失稳。必须在结构施工前找出并处理缺陷桩。,桩基础，主要基础型式，地下隐蔽工程，承受建筑物的全部荷载并将其传递给地基，基桩质量的好坏直接关系到建筑物的安全。,反射波法是基桩低应变无损检测中最为有效和普遍采用的方法,反射波检测基桩完整性,基桩分类基桩工程常见质量问题基本原理仪器设备现场检测技术方法及影响因素数据分析处理与报告编写工程实例,桩基分类,挤土桩部分挤土桩非挤土桩,按成桩方法对土层影响分,按桩材分,木桩混凝土桩钢桩组合桩,按功能分,抗轴压桩：摩擦桩、端承桩、端承摩擦桩抗剪桩抗拔桩,按成桩方法分,打入桩就地灌注桩静压桩螺
2、旋桩喷粉桩或搅拌桩,不同类型的桩，可能出现的质量问题不一样,反射波检测基桩完整性,基桩分类基桩工程常见质量问题基本原理仪器设备现场检测技术方法及影响因素数据分析处理与报告编写工程实例,基桩工程的常见质量问题,沉管灌注桩：锤击、振动、压力沉管（质量不稳定，故障率高）极易振断初凝邻桩，软件硬土层交界处尤重桩距小于三倍桩径，使初凝砼拉裂拔管过快，淤泥层易缩颈动水压力作用，冒水桩演变成断桩振动沉管用活瓣桩尖张开不灵活，砼下落不畅，断桩或密实度差预制桩尖被卡住，吊脚桩,基桩工程的常见质量问题,冲、钻孔灌注桩：地下水位较高的场地，冲抓式、冲击式、回转钻式、潜钻式，成孔过程泥浆护壁，采取带隔水栓的导管水下浇
3、灌砼浇灌砼不连续，隔水层凝固，后结砼无法下灌，上拔导管，泥浆进入开成断桩；若冲破隔水层，造成桩身局部低劣砼。桩径过小（600mm），砼上升不畅，易堵管，形成断桩或钢筋笼上浮泥浆比重不当，孔壁易坍塌清孔不干净，孔底沉渣太厚，影响桩端承载力发挥砼和易性不好，易离析导管连接处漏水，形成断桩,基桩工程的常见质量问题,人工挖孔灌注桩：地下水丰富的场地采用时，易发生以下质量问题地下水渗流严重的土层，护壁易崩塌。土层出现流砂或有动水压力时，泥土随水涌出，护壁与土体脱空或引起孔形不规则边挖孔边抽水，护壁易产生裂缝孔较深时，不采用导管浇灌砼，砼自由下落易离析孔底水不易抽干或未抽干时浇灌，桩尖砼被稀释，降低桩端承
4、载力,基桩工程的常见质量问题,混凝土预制桩：柴油锤、蒸汽锤或自由落锤锤垫和桩垫不合适，过软，打入难；过硬，易击碎桩头。打桩的拉应力易引起桩身开裂桩锤不合适，难于打至设计标高桩头钢筋网片设置、配筋不符合要求，或桩顶不平，砼标号低，桩头易碎桩身倾斜或遇障碍物，易导致桩头错位,反射波检测基桩完整性,基桩分类基桩工程常见质量问题基本原理仪器设备现场检测技术方法及影响因素数据分析处理与报告编写工程实例,连续弹性的一维均质杆件（DL）不考虑桩周土体对沿桩身传播应力波的影响桩在变形时横截面保持为平面，沿截面有均布的轴向应力,满足以上假定条件时，桩可视为一维杆件,基本原理,基本假设,半球面波平面波,检测桩身混
5、凝土的完整性推定缺陷类型及其在桩身中的位置,基本原理,声波传播示意图,折射及折射损失：折射损失主要在桩头附近产生；土层越硬，折射损失越大，反射信号越弱。衰减损失：高频成份会不同程度的衰减。桩不是完全弹性的，桩身存在内阻尼 桩是埋入土中，桩侧土的阻力，同样产生弹性波的衰减 反射、透射及反射损失：桩身内出现缺陷的部位及桩底均存在波阻抗界面，均会产生反射及透射,基本原理,波的传播,阻抗Z=EA/C=AC E:弹性模量 C:波速 A:截面积:密度质点力与速度的关系:F=ZV,F=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)FV=(Z1-Z2)/(Z2+Z1)V,反射系数,透射系数,缺陷反射波波幅的大小与缺陷尺寸有关
6、,基本原理,基本公式,Z1,F,v,F1,v1,F,v,Z2,A20(Z1-Z2)/(Z2+Z1)V0V&V in the same direction,F=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)FV=(Z1-Z2)/(Z2+Z1)V,A1 A2,基本原理,缩径（颈）,基本原理,缩径（颈）(阻抗减小),局部阻抗缩小,全界面阻抗缩小,Z1,F,v,F1,v1,F,v,Z2,F=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)FV=(Z1-Z2)/(Z2+Z1)V,1 2,A2=A1,20(Z1-Z2)/(Z2+Z1)V0V&V in the same direction,基本原理,不密实区（空洞，孔隙）,Z1,F,v,F
7、1,v1,F,v,Z2,F=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)FV=(Z1-Z2)/(Z2+Z1)V,A1 A2,A2A1,2=1,C2=C1So that,Z2Z1Z1-Z20(Z1-Z2)/(Z2+Z1)V0V&V in the opposite direction,基本原理,扩径（颈）,基本原理,扩径（颈）(阻抗增大),局部阻抗增大,全界面阻抗增大,基本原理,桩端模型(两种极限状态),V1,V2,V1=V2/2,自由端,F=0,固定端,V=0,对于缩颈类缺陷（缩径、空洞、离析、裂缝等），反射波与入射波同相对于扩颈类缺陷，反射波与入射波反相当桩长和桩径一定时，桩身强度愈大、桩侧土强度愈小，桩底
8、反射信号愈强；反之，桩身强度愈低、桩侧土强度愈大，桩底反射信号愈弱。,基本原理,小结,基本原理,典型缩径曲线,基本原理,典型扩径曲线,基本原理,典型扩底曲线,反射波检测基桩完整性,基桩分类基桩工程常见质量问题基本原理仪器设备现场检测技术方法及影响因素数据分析处理与报告编写工程实例,主机系统敲击设备接收传感器分析处理软件,仪器设备,主要组成,A/D位数：8位前置放大：10倍采样间隔：=512频响：10Hz至2000Hz波形采集、显示、存储、处理、打印,仪器设备,主机系统 主要包括控制系统、电源系统、模拟滤波、放大系统、信号采集、控制与分析软件等。,激振效果的好坏，主要受碰撞材料的重量、硬度、弹模
9、、接触面积及碰撞方向和速度等影响；材质越软、碰撞速度越低，锤体越重，信号的脉冲宽度就越大，覆盖的高频成份也就越少。,仪器设备,激振装置,碰撞方向和碰撞形式主要影响波形形态，反射波测桩以自由落体和垂直敲击为宜，有利于抑制质点的横向振动。对不同长度、不同类型的基桩，需采用不同材料、不同能量的激振设备。一般大长桩用大力棒（能量大、频率低），短细桩或测试浅部缺陷时用手锤（能量小，频率高），介于中间的桩则可用小力棒（能量及频率介于大力棒及手锤之间），当然敲击设备的选择也与地质情况有关，用户可以根据经验选择,仪器设备,激振装置,锤头材料：过硬，高频波提高缺陷分辨率，探测浅部缺陷有利，易衰减，不易获取桩底反
10、射；过软，低频波有利于桩底反射，但降低桩身上部缺陷的分辨能力。冲击能量：锤重及落锤速度决定能量大小。能量应适中，过小，应力波很快衰减，看不到下部缺陷和桩底反射。在检测大直径长桩时应选择较重的力锤并加大锤击速度，大幅度提高敲击力，但锤过重将掩盖微小缺陷。锤重的选择应使得有明显的桩底反射为原则。,仪器设备,振源对检测信号的影响,接触面积：对于直径灌注桩，除选择重锤加大能量冲击外，还要加大锤的直径，使接触面积增大。脉冲宽度：脉冲宽度大，有利于长桩及深部缺陷检测，但波长增大，绕射，小缺陷识别能力差；脉冲宽度小，波长小，不能满足一维弹性杆的要求，出现速度及波形的畸变。应根据桩的特点，激发合适脉冲宽度的入
11、射波，有时在同一根桩上，按照不同的检测目的，需要产生不同的脉冲宽度。,仪器设备,振源对检测信号的影响,仪器设备,接收传感器,足够的量程范围、动态范围、灵敏度；良好的阻尼特性。速度传感器：磁电式；将振动速度转换为电量；常用下限频率10、14、28、38Hz，阻尼，灵敏度大约300mv/cm/s.加速度传感器：压电式；体积小、重量轻、量程大、工作频带宽；常用灵敏度100mv/g，频响几Hz至几kHz.ICP加速度传感器（内装阻抗变换电路的压电加速度计）,若现场处理或后续分析得当，对于中深部缺陷（2-40m），两种传感器可以得到相似甚至一致的信号；由于速度传感器的高频不足，浅部缺陷（2m）辨别困难；
12、并非所有浅部缺陷都难以识别，如果采用合理振源、合理安装方法和处理方法，它还是可以识别大部分浅部缺陷，只是较加速度传感器差而已。由于低频不足，使用速度传感器检测桩长大于40m时，时域波形的桩底反射特征往往模糊不清，频域曲线难见整桩的一阶谐振。高阻尼速度传感器采用牺牲灵敏度，增大阻尼办法拓宽其频响范围，比低阻尼速度传感器更适宜于测桩,仪器设备,加速度、速度传感器比较,仪器设备,ZBL-P810主要特点,一根桩最多可存储12道信号（每根桩测四个方位，每个方位敲击三锤）；可以对信号进行叠加平均，去除“噪声”信号，最多可叠加20锤信号，可对叠加信号随意回放，剔除质量较差的信号；仪器操作简单，一切从实际工
13、程检测的需要出发，易学易用，几分钟即可学会使用；文件按工程桩分级管理，直观、方便，用户可以方便地查看、添加、删除工程或桩的测试数据；双通道同时采集，每根桩测试多个方位时，可以提高工作效率；,仪器设备,ZBL-P810主要特点,自适应浮点放大，波形永不失真；可配接多种速度计和加速度计；内置可充电锂电池，供电时间长（5小时以上），随时充电无“记忆”；真正的USB接口，支持移动存储；使用U盘对仪器内部软件升级，方便、可靠，高清晰、真彩色液晶显示，阳光下清晰可见；体积小、重量轻（约2kg），携带方便；,反射波检测基桩完整性,基桩分类基桩工程常见质量问题基本原理仪器设备现场检测技术方法及影响因素数据分析
14、处理与报告编写工程实例,现场检测技术方法,工程名称、地点，建设、勘察、设计、监理、施工单位名称桩基础施工平面图桩的成孔工艺成桩机具及工艺工程桩设计资料和施工记录岩土工程地质勘察报告,收集资料,现场检测技术方法,安装传感器,传感器的耦合点及锤的敲击点都必须干净、平整、坚硬、无积水，所以在测试前应对桩头进行必要的处理清除桩头表面的浮浆及其他杂物、在桩头打磨出两小块平整表面分别用以安放传感器、手锤敲击。妨碍正常测试的外露主筋应割掉。安装完毕后的传感器必须与桩顶面保持垂直，且紧贴桩顶面，在信号采集过程中不得产生滑移或松动。,现场检测技术方法,安装传感器,传感器安装点及其附近不得有缺损或裂缝；当锤击点在
15、桩顶中心时，传感器安装点与桩中心的距离宜为桩半径的三分之二；当锤击点不在桩顶中心时，传感器安装点与锤击点的距离不宜小于桩半径的二分之一；对于预应力管桩，传感器安装点、锤击点与桩顶面圆心构成的平面夹角宜为90度。对于大直径桩，宜在不同位置选取24个测点尽量避开钢筋、混凝土质量有问题的位置,现场检测技术方法,耦合剂的选择,原则：使传感器与桩紧密结合在一起，传感器能 准确记录桩顶质点的振动,作用：类似一个滤波器，可滤除一部分桩顶质点 振动的高频成分,选择：耦合时耦合剂要尽量薄，粘性要大，粘结 性最好不要受水等的影响,一般可用黄油、凡士林、橡皮泥等作耦合剂,现场检测技术方法,敲击设备的选择,激振脉冲波
16、的频带要适中：对于不同长度、不同类型的桩基，其频率范围不同激振的能量要适中，必须沿轴向激振。激振的振动模式要单一：如果在桩基完整性检测时，在桩头只激激励出纵波，则质点的振动会简单得多。对不同长度、不同类型的桩基，需采用不同材料、不同能量的激振设备。,1）充分了解仪器及场地和桩型特点，进行细致的测前准备：A)选择合适的锤，一般中小桩备好专用手锤和小尺寸力棒，长大桩则应带好足够重量的力棒。B)根据桩型、桩头状况，选择合理的传感器。C）根据天气状况，桩头准备情况和所选用传感器，选择合适的耦合剂和安装方式,现场检测技术方法,现场检测要点,2）认真测试头几根桩，注意波形是否合理，桩底和浅部缺陷的反映是否
17、正常；3）传感器、振源、安装方式、参数设置等在头几根桩上调试结束后，即可迅速在余下桩中展开，过程中应记下疑难桩（或在疑难桩上多花时间详测）、注意各桩的桩底反射情况和浅部缺陷情况，同时还应注意信号的一致性，每条桩上应确保三条以上一致性较好的信号；4）详测疑难桩，换用传感器和激振锤及激振点，仔细推敲该桩可能存在的问题,现场检测技术方法,现场检测要点,反射波检测基桩完整性,基桩分类基桩工程常见质量问题基本原理仪器设备现场检测技术方法及影响因素数据分析处理与报告编写工程实例,数据分析处理,信号后处理 数字积分：如果测试波形为加速度信号波形，且需要观察其速度波形时，可通过积分变换将加速度波形变为速度波形
18、。,积分前,积分后,数据分析处理,信号后处理 数字滤波：低通、高通、带通,在实测速度波形中，经常出现表面波、剪切波在桩顶面来回反射、耦合形成的高频干扰波，能量大且衰减慢，掩盖缺陷及桩底反射，影响完整性的判别。加速度传感器的上限频率过宽，激振时引发的多种高频干扰也一并被接收。常采用数字滤波滤去与桩身质量无关的干扰频率，增大有效波，以便真实反映桩身完整性。,桩基检测中，在确定数字滤波上、下限频率之前，最好将原始信号进行全频段的频谱分析，然后结合整个测试系统的频响要求，有目的地选择滤波参数。,数据分析处理,滤波前,500Hz低通滤波后,信号后处理 数字滤波：低通、高通、带通,数据分析处理,信号后处理
19、 数据平滑：数据平滑也是一种滤波，处理的效果和低通滤波相近，也是消除高频信号的干扰，尤其适用于消除仪器电噪声和环境噪声的干扰。平滑点数可设，但设置不能太多，一般要求平滑点数少一些，多次平滑，以达到满意为止。,平滑前,30点平滑,数据分析处理,信号后处理 信号放大：指数、线性、满幅,桩长很长或缺陷界面很深时，桩底或缺陷界面的反射波很弱，图形上很难辨认，此时采用局部信号放大的方法，将图形尾部的波形放大，以突出反射波,放大前,10倍指数放大,数据分析处理,信号后处理 去直流,直流分量,去直流后,数据分析处理,信号后处理 波形旋转：,旋转前,旋转后,数据分析处理,时间域分析,在测试波形上辨认反射波，由
20、反射波的形态、相位和到达时间，确定反射界面的性质、程度和位置,桩长及缺陷位置计算,波速一般采用同一工地内多根已测完整桩桩身纵波速度的平均值。,数据分析处理,频率域分析,将测试信号进行频谱分析，在频谱图上根据共振频率的形态与大小，确定界面的性质、程度和位置。,1）现场测试时，频域分析可用于指导选择及安装传感器，产生合适的振源；2）频域分析可以找出干扰频率，通过数字滤波消除这些干扰；3）时域分析有时难以找到桩底反射信号和某些缺陷的反应信息，但在频域分析时，利用各信号间谐振峰频差出现的规律，则可能计算桩长及相应的缺陷位置。因此，当时域信号一致性较差或干扰严重时，不妨进行频域分析，以增加分析工作的可靠
21、性。,频域分析存在的问题：难以确定缺陷性质，即便是区分扩颈和缩颈；缺陷位置计算偏差较大；不容易识别多个共振峰，特别当缺陷较多或干扰较大时。,在实际检测中，应以时域为主，频域分析为辅，相互印证与补充，尽量做到时、频域分析结果相吻合。,检测结果评价建筑基桩检测技术规范(JGJ 106-2003),I类桩身结构完整II类桩身有轻微缺陷，不会影响桩身结构承载力的正常发挥III类桩身有明显缺陷，对桩身结构承载力有影响，应采用其它方法进一步抽检确定其可用性IV类桩身存在严重缺陷，应进行工程处理,检测结果评价建筑基桩检测技术规范(JGJ 106-2003),与其它桩比较 重新PIT试验(清理桩头，露出坚硬混
22、凝土)如果近桩头，则开挖 需要桩身取芯 需要PDA试验 需要静载试验 补桩(或修复桩)认可桩(?)-是群桩?危险?其它?每一种选择都有其相应的费用支出,发现了“问题”怎么办?,检测报告编写建筑基桩检测技术规范(JGJ 106-2003),结论准确、用词规范；包含以下内容：委托方名称，工程名称、地点，建设、勘察、设计、监理和施工单位，基础、结构型式，层数，设计要求，检测目的，检测依据，检测数量，检测日期；地质条件描述；受检桩桩号、桩位和相关施工记录；检测方法，检测仪器设备，检测过程叙述；受检桩的检测数据，实测信号曲线、汇总结果；与检测内容相应的检测结论还包括下列内容：桩身波速取值；桩身完整性描述
23、、缺陷位置及桩身完整性类别；时域信号时段所对应的桩身长度标尺、指数或线性放大的范围及倍数；或幅频信号曲线分析的频率范围、桩底或桩身缺陷对应的相邻谐振峰间的频差,反射波检测基桩完整性,基桩分类基桩工程常见质量问题基本原理仪器设备现场检测技术方法及影响因素数据分析处理与报告编写工程实例,工程实例,完整桩,秦皇岛某住宅楼工程，钻孔灌注桩，设计桩长12m，设计桩径为600 mm，加速度传感器，采用手锤敲击,北京某工程，钻孔灌注桩，设计桩长20m，设计桩径为1000 mm，加速度传感器，采用力棒敲击,工程实例,缩颈桩,CFG桩实测速度波形。该桩设计桩长16m，桩径400，桩身强度C20。桩周土层为强度较
24、低新近沉积的粘性土，虽然长径比达到40，但桩底反射波形依然比较明显。在桩身4.5m处有不强的反射波出现，此反射波应为缩径的反映。,航勘院模型桩，8#桩，设计桩长16m，设计桩径600mm，10m左右缩径,工程实例,扩颈桩,河北沧州某工程，钻孔灌注桩，设计桩长45m，设计桩径1000mm，约5.2m处扩径反应,某人工挖孔扩底桩，桩长8.44m，桩径800mm，桩底直径2.2m，距桩顶6.8m开始扩颈,工程实例,断裂（夹层）,北京某地CFG桩实测速度波形。该桩设计桩长16m，桩径400，桩身强度C20。实测波形中有3次明显的等间隔反射信号，且没有桩底反射信号，说明这3次反射信号均为断桩界面反映，若
25、弹性波速按3500m/s计算，断桩界面为4.2m。,挖孔灌注桩，桩长11.1m，桩径1.2m，4.0、8.0m处出现同相反射，桩底反射可见，4.0m处为严重缺陷。钻芯发现4.2m处有施工间歇缝,工程实例,浅部缺陷桩,河北沧州某工程，CFG桩，设计桩长10m，设计桩径300mm，浅部断裂,河北沧州某工程，钻孔灌注桩，设计桩长45m，设计桩径1000mm，约2.2m处缩径,工程实例,嵌岩桩,桩底反射不清晰人工挖孔桩，桩长15.35m，桩径1.5m，持力层为较坚硬的中风化火山熔岩。,钻孔灌注桩，桩长21m多，桩径2m，桩身嵌岩10m左右，桩底反射较清晰，而同一场地中其它桩桩底反射不明显，故判定桩底沉
26、渣偏厚,工程实例,嵌岩桩,基岩面反射信号人工挖孔桩，桩长9.8m，嵌岩2m，基岩为微风化粉砂质泥岩，桩底信号无法获得波速偏高，应将桩长减去嵌岩深度后计算波速,先反相后同相反射若桩嵌入的岩层相对较软，入岩深度较小，有可能出现同相的桩底反射,反射波法的使用总结,局限性,无法对缺陷准确定性。目前根据波阻抗的变化，仅能将缺陷区分成缩颈类、扩颈类，进一步确定缺陷性质需要检测经验及其它补充资料。对缺陷程度的定量分析尚不理想。由于波速不准，据此计算的缺陷位置误差在10左右。缺陷在桩轴向的高度及径向的分布以及缺陷质量下降的程度均难以准确计算。对阻抗渐变类的缺陷难以判断，甚至可能得出相反的结论。如桩身渐缩后突然恢复到原截面，则可能得出桩身存在扩颈的结论。桩身存在多个缺陷时，深部缺陷易漏判，如第一缺陷在浅部，尚可以开挖并凿去上部缺陷再进行检测，否则只能通过其它方法进一步检测。长径比超过一定限度的桩、浅部缺陷或太小的缺陷，反射波法都无法正确检测。,谢谢！,欢迎批评指正,
