070303-声波检测技术中的反射法

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1、声波检测技术中的反射法吴庆曾（中国地质调查局技术方法研究所）1.引言声波检测技术最初仅能使用透射法，以后单孔“一发双收”声波测试技术的开发应用，从方法上扩展到了折射波法。声波检测的反射波法（又称应力波反射法、低应变反射波法）是从一维干的基桩检测开始的。桩式基础使用最多的荷兰，早在二十世纪六十年代中期，开发了反射波法检测基桩的完整性，我国是在上个世纪八十年代中后期，在国家基本建设大规模发展的背景下，首先由地矿系统的科研单位开发研究并推广了反射波法基桩完整检测技术，继而由地质矿产部和建设部联合颁发了“基桩低应变

2、动力检测规程”（JGJ/T93－95）。这个行业规程为2003年建设部颁发的“建筑基桩检测技术规范”（JGJ106－2003）中的低应变动力检测的编写打下了基础。二十世纪八十年代左右，国际上和我国先后开展了声波反射波法检测混凝土板厚度的研究，在上世纪九十年代中期国外商品化的混凝土板厚检测仪器拥入我国之后，我国的反射法混凝土板厚检测仪器也相应推出，例如康科瑞工程检测技术公司的混凝土板厚检测系统。2.反射波法的基本原理——波阻抗界面的反射规律见图1，如桩身介质是不连续的存在界面n，n界面以上的波阻抗为Z1，以下

3、的波阻抗为Z2，其中ZCZC111222当Z1≠Z2，纵波P垂直入射到界面n时，在产生垂直向上的反射波R的同时，还有垂直的透过波T。图1垂入射的反射及透过CC1122反射波R的大小取决于振速反射系数RVCC1122AA12此外，一维杆的桩截面积变化时也产生反射，其反射系数RAAA12CACA111222综合上述两式，广义的振速反射系数R……………………(1)VCACA111222（1）中的CAZ；CAZ可称为广义波阻抗。1111222211透过波的大小取决于

4、透过系数RT2Z2R………………………………（2）TZZ12可见：Z1＝Z2，无反射；Z1>Z2反射系数为正；Z1越大于Z2反射系数越大，透过系数越小。3.反射波法检测基桩完整性3.1桩可视为一维杆件的边界条件当满足下列条件时，基桩可视为一维杆件，即2D1…………………………………………（3）DL5（3）式中λ为入射到桩身中的声波（弹性波）波长（已知λ＝C/f＝VB/f）；D为桩径；L为桩长。3.2桩身内的纵波声速由波动方程可推导出一维杆沿其轴线传播的声速为VBEV…………………………

5、………（4）B（4）中E为弹性模量；ρ为介质的密度。可见，一维杆的声速比无限体的声速E(1)V要小，一般桩身混凝土的泊桑比σ＝（0.2～0.25）时P(1)(12)Vp=(1.05—1.1)VB。3.3桩土体系内声波的传播规律如图2，当锤H瞬态激励桩头，产生半球面波垂直向桩身下传播，经一定距离后，已近似为平面波入射至桩底，在桩与地层的分界面（可称其为波阻抗界面）产生反射，反射波传播到桩头，被接收传感器R接收。入射的半球面波还有一些是斜入射的，于是根据折射定律（Snell定律）在桩身侧面将产

6、生折射纵波PP和折射横波PS，使一部分能量由桩身折射扩散进入地层，折射入地层的能量与斜入射的折射系数RT有关图2.桩身内的纵波传播2〔注（5）式中的α即图2中的θ；式中的β即图中的θ2〕2ZCOS2R＝…………………………（5）TZCOSZCOS21t（5）说明：地层的波阻抗Z2越大（地层越硬），由桩身折射入地层的声能越多；同时也说明，软地层中桩身内的声能折射扩散出去的声能要少，绝大多数的声能在桩身内传播，更容易获得桩底反射波。3.4.桩身内缺陷的反射波图3桩身内声波的反射图3.说明桩身内存在缺陷时

7、缺陷的反射。入射P波的波形在时程曲线上为D，入射波在缺陷上界面的反射波为Pf,由于其反射系数为正，Ps的相位与D同相。缺陷下界面的反射波为Pfs，其反射系数为负，Pfs的相位与D相同。（注：实际工程桩检测时，只有当缺陷尺寸较大时，上下界面的反射波Ps与Pfs才能分开——原因待述）。3.5.工程桩的缺陷类型3由于施工中的工艺因素，地层的地质因素，施工的人为因素，桩身可能出现下列缺陷：离析（原地灌注桩）空洞（原地灌注桩）夹泥（原地灌注桩）微裂（预制打入式桩、原地灌注桩）断、裂（预制打入式桩、原地灌注桩

8、）二次浇灌面（原地灌注桩）缩径（原地灌注桩）扩径（原地灌注桩）3.6.反射波法的现场检测技术要点3.6.1.桩头的处理——击振点及接收点应打摩平整。3.6.2.瞬态击振问题——击振脉冲宽度要适当瞬态击振技术是基桩反射波法完整性检测技术的关键，其核心问题是：应根据桩长、地层状态和预期检测缺陷位置来选择击振脉冲波的频率，原则是：●长桩击振频率要低；●硬地层的中长桩频率要低；●短桩击振频率要高；●检测浅部缺陷频率