基桩动测中低应变反射波法的理论与实践

发布时间:2021-11-29 05:08:05

基桩动测中低应变反射波法 基桩动测中低应变反射波法的理论与实践 动测中低应变反射波
韩建绒 (甘肃建筑职业技术学院,甘肃 兰州 730050)
摘要:基于一维波动理论的低应变反射波法基桩动测技术,在保证桩基础 工程的质量安全中得以成功应用,在理论与实践中掌握这一技术是搞好基 桩监控与检测的有效手段.运用一维波动理论从基桩波阻抗的变化,确定 基桩完整性等质量问题,同时对工程实践及检测设备的掌握,以保证基桩 检测的真实可靠. 关键词:桩基础;基桩动测技术;反射波法;工程实践
前言 随着我国经济建设的蓬勃发展,城市高层建筑,地下工程,铁路和公路不断兴建,桩基础以 其诸多的优点被广泛应用.然而,桩基础作为隐蔽工程,其质量检测一直是十分棘手的问题.基桩 动测技术的广泛应用有效地填补了静力试桩的不足,促进了桩基工程发展的需求. 基桩动测技术,根据作用在桩顶冲击能量是否使得桩土间产生塑性变形,分为高,低应变反 射波法是低应变基桩检测中最为普遍的一种.它使用于检测桩身完整性,推定缺陷类型及其在桩身 中的位置,也可以对桩长进行核对,对桩身混凝土的强度等级进行评估.基桩动测技术是一门新兴 的多学科的交叉学科,它不仅涉及建筑工程,地质学,材料科学而且是声学,电子技术,计算机技 术的综合应用.因此,从理论上和实践上掌握这一技术,是搞好基桩监控和检测的有效手段. 2 反射波法的基本原理 反射波法检测基桩完整性技术是以一维波动理论为基础的.当满足入射波长大于桩径即,桩长 大于桩径即:λ>D,L>D时,基桩可视为一维弹性杆件.我们在桩顶施以激振力时,基桩中将被 激发出弹性压缩波,这一纵向弹性应力波具有波的特性,遵循波的传播规律,它以速度C沿桩身向 下传播.根据一维波动理论我们知道,弹性杆中的波阻抗是表征介质材料在动荷载下力学特征的基 本参数, 它是弹性赶件的横截面积, 材料密度和材料弹性模量的函数即: Z=E A/C=ρ A C (1) 式中:Z-波阻抗(NS/m);C-应力波波速(m/s);E-弹性模量(N/m);ρ-材料密度 (㎏/m);A-横截面积(㎡). 应力波沿桩身向下传播,按照波的传播规律,当桩身的介质发生变化即桩身波阻抗发生变化 时,应力波将在介质的分界面上产生反射和透射.不考虑柱周阻尼的影响,入射应力波在变阻抗处 产生的反射波与透射波的幅植大小及方向有如下关系: Vr=-FV (2) Vt=ΨTV (3) 式中Ψ=ρCA/ρAC(介质 1 与介质 2 的波阻抗比);F=(1-Ψ)/(1+Ψ) (反 射系数);T=2/(1+Ψ)(透射系数); Vr,V,Vt 表示介质分界面处质点振动速度,下标 r,,t 分别表示入射,反射和透射.
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由公式(1)(2)分析我们可知,一维弹性桩的波阻抗 Z=ρCA 其值总是正的,所以Ψ 总是 大于零的值,透射系数 T 也总是正值,就是说透射波与反射波的相位总是同相的.反射波与入射波 的相位关系则根据反射系数的正负可以是同相的,也可以是反相的. (1)Ψ>1,则ρCA>ρAC,F<0,这时反射波与入射波同相位.对于 F<0一般有如下几种情况; 1,A=A,而ρC>ρC即杆件截面无变化,相当于应力波从硬材料向软材 料传播,类似与断柱,离析或摩擦桩的桩底反射; 2,ρC=ρC,A>A即杆件材料不变,应力波由大截面向小截面传播,类 似于基桩中的缩颈. (2)Ψ<1,则ρCA<ρAC,F>0.这时反射波与入射波相位相反.对于F >0,同样有两种情况即; 1,A=A,而ρC<ρC即杆件截面无变化,相当于应力波从软材料向硬 材料传播; 2,ρC=ρC,则 A<A即杆件材料不变,应力波由小截面向大截面传播. 类似于基桩工程中桩端嵌岩及扩径时的桩底反射情况. 总之, 在桩顶检测出反射波引起的桩顶质点的振动速度与入射波引起的桩顶质点振动速度的相 位一致时,说明产生反射波的相应位置上存在着截面变小或混凝土质量较差的问题;反之,当反射 波信号与入射波初始信号的相位相反时,则表明在相应的位置上存在着扩径或桩底的嵌岩.波阻抗 变化的相应位置,可由波速,时程,距离的关系求出,即: △ T=2Lx/C (4) 公式(4)中:△T-反射周期;C-桩身应力传播速度;Lx-变阻抗位置距桩顶的深度. 3 反射波法的工程实践 以上所述,在理论上简单分析了反射波法检测基桩质量的变阻抗效应,即通过对基桩变阻抗 界面处产生的反射波的相位,振幅和应力波的时差特征来判断基桩的缺陷性质,程度及位置.在工 程实践中,基桩的情况千差万别,比理论描述的要复杂的多.以此本文就实践中常见的影响基桩动 测得诸因素简要分析如下: (1)基桩施工工艺及地质条件对反射波法检测结果的影响.基桩种类很多,常见的有打入 桩和灌注桩.钢筋混凝土预制桩以其成桩工艺简单,质量易于控制,而成为打入桩中最常用的桩型. 但由于地质勘察不细,桩锤选择不当所引起的质量问题还是存在的.主要表现在桩身上端 1/3 处的 混混凝土开裂.当桩尖土质较硬时,打桩锤对基桩锤击所产生的入射压力波至桩尖后仍以压力波反 射回柱顶.此时,由于桩锤已回跳开桩顶,反射回来的压力波在自由桩顶再次反射形成拉力波.该 拉力波所产生的拉应力一般发生于桩顶的上部,当拉应力超过混凝土抗拉强度时,桩身将发生开裂. 表现在低应变反射波法检测基桩时,桩长上部 1/3 处应作为重点的检查范围.同时打入桩的残存应 力对波形的影响也不容忽视. 人工挖孔桩的质量问题主要发生在具有地下水或有流沙层的地质条件下.地下水渗流严重的土 层或具有流沙层的地质条件,在人工挖孔桩的施工过程中极易发生护壁坍塌,土体失稳现象. 人工挖孔桩的成桩工艺还需要注意混凝土的二次灌注问题.通常在含有酸根离子的腐蚀性地下 水条件下,基桩设计有抗酸混凝土和普通混凝土情况.二次灌注中的时间控制及施工缝清洗不净等 因素常常造成严重的分层界面. 各种地质条件下,机械成孔灌注桩都是很好的选择.一般情况下水下灌注这类基桩缺陷形式 主要表现为:混凝土不能连续浇灌而引起的透水层夹入桩体形成断桩或缩颈;导管提升过快引起的 断桩或混凝土离析;泥浆护壁坍塌造成的夹泥;清孔时间过短,孔底沉渣太厚使桩底混凝土强度降 低,*似于混凝土离析等. 振动沉管灌注在沉管过程中冲击力或振动力以弹性波方式在周围土体中衰减消散,靠*沉管
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周围土体垂直振动为主,较远处为水*振动.这种水*振动力以测向挤压土体,易把刚灌注的领桩 挤断,尤以软硬交界土体处最易发生.另外,在拔管过快时,也极易产生较软土体挤压造成的缩颈 或断桩.反射波法检测此类基桩时,参考地质资料,了解施工组织及跳打情况十分必要. (2)传感器的特性及传感器的安装对反射波发的影响 反射波法对传感器有特殊的要求.传感器与激振点要保持较*的距离,以记录几十米长的桩 身反射信号.同时,强烈的激振信号不畸变.因此传感器要有足够的量程和良好的阻尼特性. 我们所检测的基桩,因其材料特性及激振条件,要求接受到的信号频率在100Hz-1.5Hz 之间.要记录满意的波形信号,只有在良好的激振条件与适应的检波器的结合下才能实现.常用的 速度的谐振频率一般为 F=5Hz-40Hz,带宽 10Hz-2KHz,是符合波形记录条件要求的. 高阻尼的传感器,波形干净好看.锤击时只激发一个波峰,这样对检测较长桩的桩底反射及深 部缺陷是有利的.反射波法采用的传感器一般多为过阻尼.不同的传感器可用于不同的检测目的, 检测人员要有足够的认识.检波器要垂直紧固的安装在桩头表面,与桩体融为一体,测桩前清除桩 顶的浮浆,保证桩顶的*整干净,防止桩顶其他振源的干扰,这是检波器良好工作的前提.检测时 检波器与桩顶密实的耦合,才能真实地记录到桩身的反射波信号;排除其他干扰保证分析结果的可 靠. (3)激振方式确定了激振频率与激振能量反射波法要求的激振频率的主频一般在100- 1500Hz 之间,使其与桩身的形状,材质,物理特性相匹配.不同的应力波,因不同的频率特 性,其在桩身的传播也具有不同的衰减特征.高频成分对细小的界面有灵敏的反映,但衰减较快, 不宜传至桩底;低频分量的波长大,在小界面处易产生绕射,但衰减较慢,传播深度相对较大.所 以根据桩身长度,桩身质量特性选择激振方式是非常重要.对于长大基桩选用低频成分丰富的力棒 锤击可发现桩底的反射及桩的深部缺陷;选用高频成分丰富的铁锤敲击,对桩身浅部的缺陷判断十 分有利.选用适中的激发能量,可使应力波不致因衰减而造成桩底及深部缺陷的反射信号太弱而使 波形难以分析. 4 结语 反射波法完成桩身质量的检测是一个综合技术的检测过程,每一个技术环节都影响着检测波的 质量.理论联系实际,注意资料的分析整理,对每一个检测人员都是十分有益的.

The Theory and Practices of the Low Strain Reflected Wave Method Used to Monitor the Pole-Foundation
Han Jian-rong (Gansu Construction Vocational Collage, Gansu Lanzhou 730050)

Abstract: The low strain reflected wave method based on one direction

wave theory, which had been successfully used to ensure the quality and safety of the pole-foundation engineering, is an effective technic to monitor and mesure the its completeness. To use one direction wave theory, we can ensure the reality of the monitoring data of the pole-foundion. Depend on the variation of the resistance
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of the wave reflected from pole-foundation, we could find the qualitification questions, especially its completeness.
Keywords: Keywords Pole-foundation

Dynamic Technic

Reflected Wave Method

Engineering Practice

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