低应变反射波法在混凝土桩身检测中的应用.pdf

8 6 露天采矿技术 2 0 1 1 年第4 期 低应变反射波法在混凝土桩身检测中的应用 靳立宁 ( 内蒙古煤田地质局 l O 9勘探队，内蒙古 呼伦贝尔 0 2 1 0 0 8 ) 摘要： 低频反射波法在基础桩桩身质量检测中是常用的重要方法之一 ，在实际检测工作中， 除了做好 必要的前期准备工作外， 还要对地质情况、 施工工艺及施工原始记录进行充分的了解 ，以确定传感器、 激振方 法等各种参数的选择。 传感器的选择应考虑桩型及桩长， 采样频率应依据时域分析精度和频域分析精度要求 确定 ， 而信号放 大及滤波处理则以采样信号不失真为宜。 关键词： 混凝土桩 ； 反射波法； 传感器； 激振方法； 采样频率 中图分类号： T U 4 7 3 V 6 文献标识码： B 文章编号： 1 6 7 19 8 1 6( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 8 6 0 3 1 引言 利用低频反射波法检测混凝土桩桩身完整性技 术 ， 已越来越多的应用于基础桩 的检测工作中， 并且 成为一种必要的手段 ，被广泛应用 。由于受地质条 件、 施工工艺， 以及一些不确定因素的影响， 所施工 的桩基不可能百分之百的达到合格的要求，难免有 部分桩基会有缺陷， 如灌注桩施工中常会出现缩径、 扩径、 混凝土离析、 夹泥 ， 甚至 出现断桩等现象 。 因此 在实际工作中利用反射波曲线信号准确判断桩身质 量， 及时采取补救措施， 排除工程隐患， 确保工程质 量， 对于基础桩的质量评价显得至关重要。 本文主要 讨论低应变反射波法的基本理论，并结合多年工作 实际，浅谈利用低应变反射波法对混凝土桩桩身完 整性检测的体会。 2 反射波原理 利用低频反射波主要是检测混凝土桩身结构的 完整性， 判断桩身缺陷位置， 施工桩长校对， 混凝土 强度等级估算等。低应变反射波法的理论基础是固 体介质中弹性波传播理论。假定桩身材料是均质各 向同性的， 并遵循虎克定律： 桩的截面保持为平面， 而每个截面上的应力是均匀分布的。由于桩身波阻 抗远远大于桩周围土的波阻抗，可忽略桩周土的约 束。当用重锤在桩头上击振时， 在桩头产生应力波， 收稿日 期： 2 0 1 1 - 0 3 - 0 2 作者简介： i t 立宁( 1 9 6 4 一 ) ， 男， 物探高级工程师， 1 9 8 3 年 毕业于陕西煤矿学校物探专业， 1 9 9 6 年毕业于内蒙古工业大 学工业与民用建筑专业。现在内蒙古 自 治区煤田地质局 1 0 9 勘探队从事物探分支项目 桩基检测和电法勘探工作。 沿桩身垂直向下传播 ，应力波通过桩阻抗 z( z： p C A) 变化界面时( 缩径、 扩径、 混凝土离析、 夹泥) 在 波阻抗分界处将产生反射波，一部分应力波产生反 射 ， 向上传播 ， 另一部分应力波产生透射继续向下传 播至桩底， 在桩底处又产生反射。 根据弹性波在界面 处质点振动速度的连续性及力的平衡条件可以推出 反射系数 及透射系数 R=( p C v 4 一 p 2 C 2 ) ( P l C l +p 2 l d 2 ) T=2 p 2 C 4 2 ( p l C l 4 l p C 2 ) 一 般把p C A的乘积称为广义波阻抗。由上式可 以得出，在其不意存在波阻抗差异的界面处将产生 波的反射现象， 波阻抗差异越大 ， 其反射能量越强。 利用 的正负值可判断出反射波与入射波的相位 关系，利用获得的曲线可判断出桩底与桩身的缺陷 位置与性质及计算公式： =c 与 =2 完整桩与缺陷桩的时域信号曲线见图 l 、图2 ， J l 7 、 一 、-_- 一r ， =2 图 1 完整桩典型时域信号特征 J =2 二 、 、 、 、 、 - I - - - - 、-一， 图 2 缺陷桩典型时域信号特征 露天采矿技术 2 0 1 1 年第4 期 8 7 从曲线中可以判断出缺陷位置。 3 传感器的选择 传感器的选择对于桩身质量的检测至关重要， 合理的传感器， 是获得可靠资料的保证。 不同类型的 传感器对频率信号的接收是不同的， 为精确判定出桩 身缺陷的位置， 可灵活采用不同类型的传感器。 如高 阻尼速度传感器、 加速度传感器、 普通的低频速度传 感器等。利用它们在低频部、 中频部、 高频部不同的 灵敏度来准确反映桩深部、 中部和浅部的缺陷， 以避 免出现漏掉缺陷或多解缺陷的现象， 提高判断的准确 性。目前， 桩基检测中常采用压电式加速度传感器， 它具有灵敏度高、 频率范围宽、 线性动态范围大等优 点； 同时它重量轻、 体积小， 易于携带， 被广泛采用。 4 激振锤的选择及传感器的安装 激振锤的选择及传感器的安装是获得可靠检测 信号的前题。激振锤的材质及大小是影响激振脉冲 频率和的重要因素。实际工作中常采用手锤、尼龙 锤、 铝锤 、 橡胶锤和力棒人工激振 。提高激振脉 冲的 频率， 可提高采样分辨率。但在实际应用中， 易衰减 的高频波对长桩不易获得桩底反射 ，故我们常采用 的方法是： 用低频脉冲获取桩底反射， 再用高频脉冲 检测桩身上部缺陷。实践 中可通过改变锤的重量及 锤头材料( 如铁锤、 铜锤、 铝锤、 尼龙锤、 橡胶锤、 力棒 等) 来改变冲击入射波的脉冲宽度及频率成分。 实践 证明， 锤头刚度较小时( 如尼龙锤、 铝锤等) 碰撞时间 较长， 其产生的入射波脉冲较宽、 频率低， 波速低、 衰 减慢， 具有较强的穿透力 ， 可以消除不合理振荡， 适 合于检测长桩或较深部缺陷。 锤头刚度较大时( 如铁 锤、 铜锤等) 碰撞时间较短， 产生的入射波脉冲较窄、 频率高， 衰减快， 穿透力较差 ， 适合于检测桩较浅部 的缺陷 。 传感器的安装位置、传感器的耦合粘结方式会 直接影响采样的准确性。 理论上讲传感器越轻， 越贴 感器安 X 激振锤击点 图 3 传感器的安装位置及激振位置 紧桩面， 与桩面之间接触刚度越大， 信号传递特性越 好 ， 采集到的信号也越接近桩面的质点振动。 图 3 为 不同桩体的传感器的安装位置及激振位置。 ( 1 ) 实心桩传感器安装点应在距桩心约 2 R 3 处， 其所受干扰相对较小。 ( 2 ) 空心桩传感器安装点与激振点平面夹角应 等于或略大于 9 0 。 时其效果为最佳。 传感器的耦合粘结方式：利用不同的粘结方式 对波的不合理振荡能够起到一定的滤波作用，可获 得较理想的桩身实测曲线。 目前常采用黄油粘结、 石 膏粘结、 橡皮泥粘结等几种方式。 其中橡皮泥粘结方 式较其他方式在实际应用中更方便快捷， 易被采用。 5 测试参数选择 桩基检测工作主要是选择测试参数 ( 时域信号 采样频率的设定) 、 信号放大及滤波处理。 5 1 测试参数 测试参数主要是时域信号采样频率的设定 ， 因 为采样频率直接影响采集信号的时域分析精度和频 域分析精度。在实际工作中应正确选用采样频率来 保证不同工程桩的测试要求。 为提高时域分析精度， 可适当提高采样频率。由于提高采样频率会降低频 域分析精度，因此在做频域分析时可考虑适当降低 采样频率。例如： 某桩长 2 0 m， 混凝土强度 C 3 0 ， 预 估波速 C为 4 0 0 0 m s ， 基频厂 为 1 0 0 I-I z 时， 则波在 桩中传播的一个完整周期约为 1 0 m s ，因此在设置 采样周期时应满足( 采样点X 采样周期) 不能小于 1 O m s ， 否则桩底反射信号不能在时域波形中出现。若 进行频域分析，根据采样定理采样频率不应低于最 高频率的 2 倍，一般最高分析频率取试桩特征频率 的4 倍左右， 则最高分析频率约为 4 X 1 0 0 H z ， 最低 采样频率为 2 4 1 0 0 H z ， 采样频率可选 1 0 0 0 H z 。 因此在实际工作中应正确选用采样频率来保证 不同工程桩的测试要求，一般高采样频率可测试到 长桩的浅部缺陷，而低采样频率可识别长桩桩底的 反射或较深部缺陷。 5 2 采样信号放 大 对于采样信号的放大也应进行合理的选择。在 现场进行实际选取时， 不宜选择过大倍数 ， 以免造成 采集信号的失真， 以满足信号触发正常要求为宜。 通 过实践发现对于速度型传感器， 使用电压放大器效 果较好， 它能满足速度型传感器增益高、 噪声低、 频 带宽的要求。对加速度传感器使用电荷放大器效果 8 8 露天采矿技术 2 0 1 1 # - g 4 期 较好 ， 能达到放大增益大于 6 0 d b ， 折合到输入端的 噪声低于 3 d b ， 频带宽不窄于 1 0 5 0 0 0 H z ， 滤波频 率可调的条件。 5 3滤波 处理 在实际桩基检测中，影响采集信号质量的因素 较多， 常使信号发生畸变 ， 尤其是高频干扰， 所以需 对信号进行滤波处理， 以防止高频干扰信号被错误地 当作有用信号放大、 利用。平滑滤波方法可自由选择 平滑点数， 原则是以采样信号不失真为宜， 保证时域 分析及频域分析精度 ， 此方法简单、 有效 ， 常被采用。 在实际检测工作中， 检测人员必须做好前期工 作， 并依据地质资料、 成桩资料、 施工记录进行初试 以确定传感器 、 激振方法 的各种参数的选用。 在分析 过程中应该对曲线信号的解释以时域分析和频率域 分析相结合的方式来进行 ，使得检测结果能够与实 际情况相符。 5 4 检测的最佳时间 预制桩一般在打桩间歇时间 1 O天后检测 ， 灌注 桩一般在灌注一周后砼强度能够将激振信号传至桩 底为宜 。 5 5 反射波法技术的适应条件 此技术适用于砼预制桩 、 灌注桩的检测。 6 结语 利用反射波法测试基桩的完整性虽然是一种简 便、 经济、 实用的无损伤的测试方法， 但由于各种干 扰信号的存在， 所检测到的反射波信号会有多解性， 因此我们试图要尽可能地放大有用信号，抑制干扰 信号， 达到检测成果的真实性。 经过多年桩基检测的 实际工作 ，我们对工作中出现的问题做 了不断的总 结 ， 工作方法做了不断的改进 ， 认为利用以上方法 ， 在传感器的选择及安装、 激振锤的选择是合理的， 选 择方法得当； 对测试信号频率的设定， 对采样信号进 行合理的放大 ， 选择合适的滤波器等 ， 这样做基本上 能够达到以上 目的。利用以上方法所检测的桩身质 量真实可靠，所提交的各类桩基检测报告都获得了 一 次性审查通过。 参考文献： 1 国家建筑工程质量监督检验 中心 基桩动测技术 S 1 9 9 6 2 动测技术资料汇编 c 武汉岩海公司 3 桩基工程手册 M 中国建筑工业出版社 ( 上接第 8 5页) 息网络， 做好防灾减灾预案 ， 最大限度地避免突发性 地质灾害发生。 ( 4 ) 加强矿山生态环境恢复治理工作 ， 不断提高 生态环境恢复治理率。 加大矿山土地复垦力度， 实现 矿山开发中土地复垦耕地与建设用地的基本平衡。 在矿 山土地复垦中， 大力开展以“ 造地复 田” 为主的 综合治理， 恢复和增加耕地。 ( 5 ) 加强矿 山“ 三废” 治理监督管理。 严格控制废 气排放 ， 重点治理矿山有毒有害废水污染物 ， 加强废 水中资源的综合利用；固体废弃物排放总量较现状 不再扩大， 综合利用率明显提高。 3 4 实施清洁生产预防和降低污染 清洁生产是指不断采取改进设计、使用清洁的 能源和原料、采用先进的工艺技术与设备、改善管 理、 综合利用等措施， 从源头削减污染， 提高资源利 用效率， 减少或者避免生产、 服务和产品使用过程中 污染物的产生和排放，以减轻或者消除对人类健康 和环境的危害 。 3 5 闭坑和关闭矿山治理 严格执行闭坑矿山报告审批制度。闭坑矿山企 业要做好闭坑后矿山生态环境恢复治理工作，达到 资源、 环境和土地复垦要求， 验收合格后， 办理闭坑 手续。 严格执行土地复垦履约保证金制度 ， 鼓励矿山 企业增加矿山生态环境保护和治理的投人 ，坚持谁 治理谁受益的原则 ，保持矿山企业和生态环境的可 持续发展。 4 结语 矿山生态环境的保护与恢复治理是关系到国民 经济发展的大事 ， 也是一项艰 巨而长期的任务。 倡导 绿色开采 ，防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其 他资源的不良影响；把保护和治理的责任与开采的 利益捆在一起 ，利用双赢的理念去合理开发利用矿 产资源 ， 实现生态大系统的可持续发展。 参考文献： 1 孙君 我国矿山环境恢复治理存在的主要问题及对策 J 中国地质矿产经济 ， 2 0 0 3 ， ( 1 0 ) ： 3 0 4 7 2 原振雷 ， 肖荣阁 矿产资源开发区生态环境问题及其 防 治 J 矿产保护与利用， 2 0 0 5 3 卞正富 国内外煤矿区土地复垦研究综述 J 中国科技 论文在线 ， 2 0 0 0 ， 1 4 ( 1 ) 4 矫旭东 ， 滕彦国， 孙君 我国矿山环境保护与管理对策 评述 J 国土资源科技管理。 2 0 0 7