低应变桩基检测

摘要 .................................................................................................................................................. 3 Abstract .......................................................................................................................................... 4 第一章 绪论 .................................................................................................................................... 5

引言........................................................................................................................................... 5 桩基分类 ................................................................................................................................... 6 桩基工程的常见质量问题 ....................................................................................................... 8 基桩动测法的发展 ................................................................................................................. 11 第二章 应力波与桩的完整性 ....................................................................................................... 13

基本概念 ................................................................................................................................. 13 桩身完整性 ............................................................................................................................. 14

桩身完整性的定义 ......................................................................................................... 14 桩身完整性指标 ............................................................................................................. 15 桩身缺陷指标 ................................................................................................................. 15

第三章 低应变反射波法的基本原理 ........................................................................................... 17

一维波动理论 ....................................................................................................................... 17

杆的纵向波动方程 ....................................................................................................... 17 杆的纵向波动方程解答 ....................................................................................................... 19

别离变量法求解波动方程 ........................................................................................... 19 采用行波理论求解波动方程 ....................................................................................... 21 3.3 应力波的相互作用在不同阻抗界面上的反射和投射 ................................................. 23

3.3.1 应力波的相互作用 ............................................................................................. 23 3.3.2 应力波在杆不同阻抗界面处的反射透射 ......................................................... 24

第四章 测试系统........................................................................................................................... 26

激振设备 ................................................................................................................................. 26

瞬态激振设备 ................................................................................................................. 26 稳态激振设备 ................................................................................................................. 27 传感器..................................................................................................................................... 29

压电式加速度传感器 ..................................................................................................... 29 速度传感器 ..................................................................................................................... 33 放大器 ............................................................................................................................. 36 信号采集分析仪 ............................................................................................................. 36

第五章 测试方法及数据处理 ..................................................................................................... 37

5.1 测试方法 ......................................................................................................................... 37

测试参数的选择 ............................................................................................................. 37 测试仪器和激振设备的选择 ......................................................................................... 39 桩头处理 ......................................................................................................................... 40 传感器安装和激振操作 ................................................................................................. 41 现场测试要点 ................................................................................................................. 42 测试结果的计算分析 ............................................................................................................. 43

信号后分析 ..................................................................................................................... 43 时域分析 ......................................................................................................................... 45 频域分析 ......................................................................................................................... 48

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各类缺陷〔或桩底〕的波形特征 ......................................................................................... 49 工程应用 ................................................................................................................................. 50 工程及检测概述 ..................................................................................................................... 51 第六章 反射波法的使用总结 ................................................................................................... 56

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摘要

桩基动力检测是指在桩顶施加一个动态力〔动荷载〕，动态力可以是瞬态冲击力或稳态激振力。桩-土系统在动态力的作用下产生动态响应，采用不同功能的传感器在桩顶量测动态响应信号(如位移、速度、加速度信号)，通过对信号的时域分析、频域分析或传递函数分析，判断桩身结构完整性，推断单桩承载力。 随着我国国民经济与工程建设的快速发展，基桩检测作为隐蔽工程验收的重要环节，对保证整个工程建设的安全稳定起着十分重要的作用。在各种检测方法中，反射波法目前应用最广泛、使用最便捷，理论与实践发展也比较成熟，有比较先进的仪器设备及应用分析软件。但是总体而言，基桩检测技术在我国的应用发展时间不长，许多测试方法不仅理论上不够完善，实际应用中也存在一些问题。 在基桩完整性检测中，利用低应变法可确定桩身缺陷位置、判断缺陷的类型和缺陷的严重程度。本文主要做了一下工作：

介绍低应变的基本原理、适用范围及优缺点，一维波动理论基本方程和解答，低应变桩基检测的现场注意事项，传感器的类型，时域和频域曲线的分析等。

关键字：低应变；反射波法；一维波动理论；基桩完整性。

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Abstract

Pile foundation dynamic testing refers to the pile top places a dynamic force (load), the dynamic force can be transient impact or steady vibration force. Pile - soil system in dynamic force produced under the action of dynamic response, the different function of sensors at the top of the pile dynamic response signal measured (such as displacement, velocity and acceleration signals) , by analyzing the signal of time domain, frequency domain analysis or transfer function analysis, determine the structural integrity of pile, the bearing capacity of single pile.

Along with our country national economy and the rapid development of engineering construction, foundation pile detection as an important part of the concealed engineering acceptance, to ensure the safety of the engineering construction stability plays a very important role. Among various kinds of detection methods, reflection wave method is the most widely used, use the most convenient, theory and practice of development is more mature, more advanced instrument equipment and application analysis software. But, overall, pile testing technology application development time is not long in our country, many test method is not only imperfect in theory, there are some problems in actual application.

In foundation pile integrity testing, use to determine the defect position of pile low strain gauge, judging defect types and severity of. This paper mainly do the job:

This article introduces the basic principle of low strain, applicable range and advantages and disadvantages, and one dimension wave theory basic equations and solutions, low strain pile foundation inspection of the matters needing attention, the types of sensors ，analysis of time domain and frequency domain curves, etc

Key words: Low strain; The reflected wave method; A one-dimensional wave theory; Foundation pile integrity.

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第一章 绪论

桩基础是一种古老的基础形式。早在新石器时代，人类就开始使用木桩搭建 住所。我国汉朝时期己经将木桩应用于桥梁建筑中，到宋代桩基础技术已比较成 熟。从20世纪初钢筋混凝土预制构件问世以来，钢筋混凝土预制桩和钢筋混凝土灌注桩就得到了广泛的应用。20世纪50年代初，随着大型钻孔机械的发展，我国的铁路和公路桥梁就开始大量采用了混凝土钻孔灌注桩和挖孔灌注桩。至今，桩基础已是建筑物最广泛采用的基础形式之一。

桩基工程是隐蔽工程，特别是在地质条件复杂、地下水变化较大的现场钢筋 混凝土灌注桩，出现的问题最多，造成的后果也最为严重。现场钢筋混凝土灌注 桩经常出现的缺陷主要有:扩颈、缩颈、离析、断桩，此外还有混凝土强度不足、 断裂、孔底沉渣，也有可能存在因施工人员素质低下，偷工减料而产生夹泥夹石等现象。如果在基桩质量检测过程中没有检测出来，对今后建筑物的使用会产生很大的安全隐患，甚至会造成重大安全事故。因此，选择合适的方法对桩基质量进行检测，是一项重要的工作。

目前成桩质量检测的主要方法有钻芯法、低应变法、声波透射法，另外高应 变法也能够辅助性的检测桩身的完整性。其中桩基低应变动力检测是以应力波在桩身中的传播特征作为理论基础的一种方法，主要用于判断桩身结构的完整性，由于其快速、轻便、易操作等特点越来越受到广阔工程人员的欢送，已广泛应用于工程实践中。但是，由于低应变测试是基于一维线弹性理论，结合了部分工程实际数据，遇到复杂的地质条件，往往要凭借工程实际经验，可能会出现误判。实际测试过程中，如果桩身参数，地质条件也发生变化，采用锤击时脉冲波的频率又不确定，对测试结果的判别将会产生极大的影响。不仅地质条件和地下水位变化较大，而且施工过程中经常遇到溶洞、断层以及海水潮汐等不利条件，都会对桩身质量有很大的不利影响。另外，低应变法只能定性确实定基桩的损坏类型，无法定量的研究缺陷的损坏程度。如何确定出影响应力波传播的敏感因子，使缺陷量化，是国内外相关研究人员关注的热点问题之一。

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桩的种类五花八门，如果考虑用复合地基的各种柔性桩〔如粉喷桩、碎石桩、CFG桩等〕和近年来发展起来的异型桩〔如树根桩、支盘桩、后压浆桩等〕，据沈保汉统计，竟有三百多种，如不考虑尺寸影响，根据不同目的，我们可以按不同的分类法对刚性桩以如下方式进行分类。

不同成桩方法对周围土层的扰动程度不同，这种不同将直接影响基桩承载能力发挥和计算参数的选用。一般可分为挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩三类：

〔1〕挤土桩，也称排土桩。桩周土被压密或挤开，土的工程性质出现很大的变化，主要有打入和压入式预制木桩、混凝土桩、打入式封口底钢管桩和混凝土管桩、以及就地沉管灌注桩等。

〔2〕部分挤土桩，也称微排土桩。桩周土体仅受轻微扰动，土的原状结构和工程性质变化不明显，主要有打入式小界面I型和H型钢桩、钢板桩、开口式钢管桩〔管内土挖除〕、螺旋桩等。

〔3〕非挤土桩，也称非挤土桩。将与桩体体积相同的土挖出，因而桩周土体扰动较少，但应力松弛现象，主要有各种形式的挖空或钻孔桩等。

根据桩的材料，可分为木桩〔包括竹桩〕混泥土桩〔含钢筋混凝土桩和预应力钢筋混凝土桩〕、钢桩和组合桩。

〔1〕木桩。天然原木或粗大的竹子做桩材料，也有加工成型的。 〔2〕混凝土桩。混凝土桩是目前世界各地最广泛使用的桩，又可分为预制混凝土桩和就地灌注混凝土桩两大类，前者可在工厂或场地附近集中预制。一般为边长250～600mm的方桩，单节长10～20m。当要求长桩时，可将单节桩连接成所需长度；为减少钢筋混凝土桩的钢筋用量和桩身裂缝，后来又发展了预应力钢筋混凝土桩，我国现用的预应力钢筋混凝土桩多为圆型管桩，外径一般为400～550mm等、壁厚100mm、标准节长8～10m、法兰盘接头。就地灌注混凝土桩可根据受力需要，放置不同深度的钢筋笼，其直径可根据设计需要确定。

〔3〕钢桩。早期为铸铁板桩现在则主要为型钢和钢管桩。钢管桩由各种直径和壁厚的无缝钢管制成，型钢包括各种形式的板桩，主要用作临时支挡结构或

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永久性的码头工程，H型和I型钢桩也常用作支承桩。

〔4〕组合桩。用两种材料组成的单根桩即为组合桩。较早采用的水下桩基就是组合桩，泥面以下用木桩，水中部分用混凝土桩，组合桩目前已很少使用。

桩主要承受轴向垂直荷载、横向水平荷载或两种兼而有之。因此，桩按功能可分为抗轴压桩、抗横压桩和抗拔桩。

〔1〕抗轴压桩。一般工业民用建筑的桩基，在正常条件下〔不考虑地震〕，主要承受从上部结构传来的垂直荷载。此类桩进一步据荷载传递机理又可分为：

a.摩擦桩。外部荷载主要通过桩身侧外表与土层的摩阻力传递给周围的土层，桩尖部分承受荷载很小，一般不超过10%，这类桩基的沉降较大。

b.端承桩。通过软弱土层后桩尖嵌入基岩的桩，外部荷载通过桩身直接传递给基岩，桩的承载力主要由桩的端部提供。这种桩一般不考虑桩侧摩阻力的作用，但如果长径比很大，由于桩本身的压缩特性，桩侧摩阻力也可能发挥部分作用。

摩擦桩。在外荷作用下，桩的端阻和侧摩阻同时发挥作用，端阻力和侧阻所分担荷载的比例，与桩径、桩长、软土层的厚度，以及持力层的刚度有关。如假设进一步划分，这类桩又可分为端承摩擦桩〔摩阻成分居多〕和摩擦端承桩〔端阻成分居多〕。

〔2〕抗横压桩，也称抗剪桩。港口码头用的板桩、基坑的支护桩等即为抗剪桩，主要承受水平推动荷载，桩身承受弯矩力，其整体稳定则靠桩侧土的被动土压力、或水平支撑和拉锚平衡。

〔3〕抗拔桩。主要抵抗作用在桩上的抗拔荷载，拉拔荷载依靠桩侧土摩阻力承受。

4.按成桩方法分类

新的成桩方法和工艺，随科学技术和施工机械的发展，不断涌现，有的尚未正式命名，这里仅介绍常用方法形成的基桩。

〔1〕打入桩。将预制桩用击打或振动法打入地层至设计标高，打入的机械有自由落锤、蒸汽锤、柴油锤、压缩空气锤和振动锤等，其预制桩包括木桩、混凝土桩和钢桩。

〔2〕就地灌入桩。按成孔的工艺又可分为两大类：

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a.沉管灌注桩。将钢管〔钢壳〕打入土层到设计标高，然后灌注混凝土。灌注时可逐渐将钢管拔出，或将钢管留在土层中，这类桩又可分振动沉管和锤击沉管两种。

b.钻孔灌注桩。使用机械成孔，一般没有护壁或泥浆护壁，不扰动周围土层。钻孔的机械有冲击钻、旋转钻〔尚可分为正循环、反循环等〕、长螺旋和短螺旋等等，适合于不同的土层。

c.人工挖孔灌注桩。人工取土成孔，类似如古代的打井方式，一般采用砖护壁或不护壁，多用于短粗桩，但也有用于20多米的情形，在黄土地区用洛阳铲取土成孔的桩型也可归入此类。

d.夯扩桩、复打桩、支盘桩等。我提高灌注桩的承载力，可用管内捶击法或扩孔器将桩的端部扩大，也可将桩身局部扩大，借以改变受力情况，形成扩底的为夯扩桩，桩中出现树枝“托盘”的为支盘桩，桩底根系较多的为树根桩等等。

〔3〕静压桩。利用无噪音的机械将预制桩压至设计标高。

〔4〕螺旋桩。在木桩或混凝土桩的端部安一螺旋钻头，借旋转机械将桩拧入土层至设计标高，这种桩现已较少使用。

〔5〕粉喷桩和搅拌桩。严格的讲此桩已属复合地基，这种桩将水泥、土混合在一起搅拌施工，细分又有干喷、湿喷等等。

基桩工程是隐蔽工程，出现的问题最多，后果也最为严重，近年来，房屋质量纠纷不断，很多都与基础质量有关。针对不同桩型，扼要介绍他们常见的质量问题。

沉管灌注桩分为锤击沉管、振动沉管和压力沉管三种工艺。桩径一般有φ325mm、φ377mm、φ480mm、φ550mm等，桩长一般不大于25m。这种桩型质量不够稳定，故障率高，主要的质量问题有：

(1)锤击或振动沉管过程的振动力以弹性波传播方式在周围土体中衰减消散，沉管周围的主体以垂直振动为主，而一定距离后的土层，水平振动大于垂直振动，再加上侧向挤土作用，极易振断初凝邻桩，软硬土层交界处尤重。

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〔2〕假设桩距小于三倍桩径，沉管过程可能会使地表主体隆起，从而在邻桩桩身产生一竖向拉力，使得初凝混凝土拉裂。

〔3〕拔管速度过快，管内混凝土浇灌高度较低，不足以产生一定的排挤压力，淤泥层易产生缩颈。

〔4〕地层存在有承压水的砂层，砂层上又覆盖有透水性差的粘土层时，孔中浇灌混凝土后，由于动水压力作用，沿桩身至桩顶出现冒水现象，凡冒水桩一般都会演变成断桩。

〔5〕振动沉管采用活瓣桩尖时，活瓣张开不灵活、混凝土下落不流畅，引起断桩或混凝土密实度差的现象时有发生；当桩尖持力层为透水性良好的砂层时，假设沉管后混凝土浇灌不及时，易从活瓣的合缝处渗水，稀释桩尖部分的混凝土，使得桩端阻力丧失。

〔6〕预制桩尖混凝土质量不满足要求，沉管时被击碎塞入桩管内。拔管至一定高度后，桩尖下落且被孔壁卡住，形成桩身的下部无混凝土，产生俗称的“吊脚桩”。

〔7〕钢筋笼埋置高度控制不准，找不到钢筋笼。 2.冲、钻孔灌注桩

在地下水位较高的场地进行灌注桩施工，成孔方法有冲抓式，冲击式、回转钻式和潜钻式等，成孔过程采用就地造浆或制备泥浆护壁，以防止孔壁坍塌。混凝土浇灌采取带隔水栓的导管水下浇灌混凝土工艺。浇灌过程操作不当容易出现以下质量问题：

〔1〕由于停电或其它原因，浇灌混凝土没有连续进行，间断一定时间后，隔水层凝固形成硬壳，后续混凝土无法下灌，只好上拔导管，一旦泥浆进入管内必然形成断桩；而如用增大管内混凝土压力等方法，冲破隔水层，形成新的隔水层，破碎的老隔水层混凝土必将凝固在桩身中造成桩身局部低劣混凝土。

〔2〕水下浇灌混凝土的桩径不宜小于600mm，桩径过小，由于导管和钢筋笼占据一定空间，加上孔壁摩阻作用，混凝土上升不畅，容易堵管，形成断桩或钢筋笼上浮。

〔3〕泥浆护壁成孔，不同土层泥浆应按相应比重配制，否则孔壁容易坍塌。 〔4〕正循环法清孔时，应根据孔的深浅，控制洗孔时间或孔口泥浆比重，

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清空时间过短、孔底沉渣太厚，将影响桩端承载力发挥。

〔5〕混凝土和易性不好时，易产生离析现象 〔6〕导管连接处漏水时将形成断桩。

在地下水丰富的场地，采用人工挖孔灌注桩，容易发生以下质量问题； 〔1〕地下水渗流严重的土层，易使护壁坍塌，土体失稳塌方。

〔2〕土层出现流砂现象或有动水压力时，护壁底部土层会突然失去强度，泥土随水急速涌动，产生井涌，使护壁与土体脱空，或引起孔形不规则。

〔3〕挖孔时如果边挖边抽水，地下水下降时，护壁易受到下沉土层产生的负摩擦作用，使护壁受到拉力，产生环向裂缝，护壁所受的周围土压力不均匀时，又将产生弯矩和剪力作用，易引起垂直裂缝，而装制作完毕，护壁和桩身混凝土成为一体，它是桩身的一部分，护壁裂缝破损或错位必将影响桩身质量和侧阻力的发挥。

〔4〕孔较深时，浇灌混凝土假设没采用导管，混凝土从高处自由下落易产生离析。

〔5〕孔底水不易抽干或未抽干情况下浇灌混凝土，桩尖混凝土将被稀释，降低桩端承载力。

混凝土预制桩大多用柴油锤、蒸汽锤或自由落锤打入土中，打桩过程容易发生以下质量问题：

〔1〕打桩时应选用合适的锤垫和桩垫，垫层过软会降低锤击能量的传递，打入困难；垫层过硬，将增大锤击应力，容易击碎桩头，一般最大锤击压应力不容许超过混凝土抗压强度的65%。

〔2〕打桩的拉应力易引起桩身开裂，打桩拉应力的产生及大小与桩尖土的特征、桩侧土阻力分布、入土深度、锤偏心程度和垫层特性有关。假设桩较长，桩尖土质较差，锤击入射的压力波从桩尖反射为拉力波，最大拉应力大多发生在打桩初期桩身中部的一定范围，约0.3～0.7倍桩长位置；当桩尖土质较坚硬，入射波在桩尖的反射仍为压力波，压力波传至桩顶，此时桩锤已回跳离开桩顶，应力波因而将从自由桩顶端将反射波形成拉力波，这是最大拉应力一般发生在桩

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的上部。当拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土将开裂。

〔3〕桩锤选用不合适，将难于打至预定设计标高或不满足贯入度要求。 〔4〕桩头钢筋网片设置、配筋不符合要求或桩顶保护过厚，桩顶不平，桩身混凝土标号低于设计要求等，打桩时都易击碎桩头。

〔5〕桩身倾斜或遇有障碍物，易导致桩头错位。

1.4基桩动测法的发展

动力打桩公式在打入式预制桩施工中的应用已有近百年的历史，可以说，动力试桩技术的发展始于动力打桩公式。拒不完全统计，这些公式包括修正公式有百余个，它们大都是依据牛顿刚体碰撞理论，能量和动量守恒原理，针对不同锤型、桩型并结合各国、各地经验捡了起来的。

虽然对弹性波在固体介质中的传播现象研究始于19实际中叶的Poisson和Stokes等人，几乎和建立在刚体力学基础上的动力打桩公式同步，但直到1931年才有人意识到打桩问题是一波传播问题。咸鱼当时电子技术发展水平，波动方程的定解问题—也就是边界条件无法通过测试来确定，从而使应力波理论在桩基工程中的实际应用要比应力波理论的出现晚了约一个世纪。

1960年，Smith提出了桩锤-桩-土系统的集中质量法差分求解模型。从而提供了一套较为完整的桩-锤-土系统打桩波动问题的处理方法，建立了目前高应变动力检测数值计算方法的雏形，为应力波理论在桩基工程中的应用奠定了基础。

1960年后，世界上部分国家开展了系列动力测试桩承载力的研究工作，并于20世纪80年代形成了实用的高应变现场测试和室内波动方程分析方法。

采用低应变法检测桩身完整性研究工作也在同期开展，其中机械阻抗法在20世纪70年代初已取得了进展；而低应变反射波法早期研究虽然也在英、法等国开展，却有报导说其不成功，不过进入80年代后，这一方法发展速度很快，在国际上基本占据了低应变动力检测桩身完整性的主导地位。

我国的桩动力检测理论研究与实践始于20世纪70年代，其中包括两部分内容：其一是研究开发具有我国特色的方法，如湖南大学的动力参数法、四川省建筑科学研究院和中国建筑科学研究院共同研究的锤击贯入试桩法、西安公路研究所的水电效应法、成都市城市建设研究所的机械阻抗法、冶金部建筑研究总院的

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共振法等；其二是对国外刚开始流行的高应变动测技术进行尝试，如南京工学院等单位在渤海12号平台进行的钢管桩动力测试、甘肃省建筑科学研究所与上海铁道学院合作研制我国第一台打桩分析仪。这些早期的探索与实践加速了动测技术的推广普及，为我国在短期内到达桩动测技术的国际先进水平创造了有利条件。

20世纪80年代，以波动方程为基础的高应变法进入了快速发展期，是当时国际上所有基桩承载力动测方法研究中最热门的一种。国内上海、福建、北京、天津、广东等地近10家单位相继从瑞典、美国引进了打桩分析仪PDA，其中少数单位还同时引进了波形拟合分析软件CAPWAP。此后几年间，几乎在国内所有用桩量大的地区，均开展了高应变法的适用性、可靠性研究，动测设备的软硬件研制也取得了长足进展。交通部第三航务工程局科研所研制出SDF-1型打桩分析仪，成都市城市建设研究所的ZK系列基桩振动检测仪，中国建筑科学研究院地基所推出了FEIPWAPC波形拟合分析软件、FEI-A桩基动测分析系统和DJ-3型试桩分析仪，中国科学院武汉岩石力学研究所推出了RSM系列以及武汉岩海公司的RS系列基桩动测仪等。

20世纪80年代中至90年代初，和高应变法在我国发展情形类似，各种低应变法在基本理论、机理、仪器研发、现场测试和信号处理技术、工程桩或模型桩验证研究、实践经验积累等方面，去的了许多有价值的成果。

20世纪90年代中期，建工行业标准《基桩低应变动力检测规程》〔JGJ/T93-95〕和《基桩高应变动力检测规程》〔JGJ106-97〕的相继颁布，标志着我国基桩动测技术发展进入了相对成熟期。以后广东、上海、天津、湖北等地也开始陆续编制地方标准，如《深圳地区基桩质量监测技术规程》〔SJG09-99〕、广东省标准《基桩反射波法检测规程》〔DBJ15-27-2000〕、天津市标准《建筑基桩监测技术规程》〔DBJ29-38-2002〕等。

虽然，国际上动测法的主流目前仍是一维杆波动理论为基础的高、低应变两种方法，与我国状况相似，但这两种方法的成熟性是相对的。所谓动测法理论体系较为完备只有将桩视为一单单独由杆件时才能成立，而考虑桩与土相互作用机理后，其复杂性不言而喻。

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第二章 应力波与桩的完整性

应力波法检测桩身完整性的基本原理是:通过在桩顶施加激振信号产生应力 波，该应力波沿桩身传播过程中，遇到不连续界面(如蜂窝、夹泥、断裂、孔洞 等缺陷)和桩底面时，将产生反射波，检测分析反射波的传播时间、幅值和波形 特征，就能判断桩的完整性。

根据介质中质点的振动方向与波的传播方向的差异可将波分为假设干种，如纵

波、横波、外表波、扭转波等。其中，纵波和横波是基本的机械波，根据运动学的叠加原理，任何复杂的波动都可以看成是这两者的叠加。

纵波:介质质点的振动方向与波的传播方向平行的波称，又称为P波。纵波 的传播是依靠介质时疏时密的局部容积发生变化引起压强的变化而传播的，与介 质的体积弹性相关。由于任何弹性介质都有体积弹性，纵波能在任何介质中传播。 横波:介质质点的振动方向与波的传播方向垂直的波称，又称为S波。横波 的传播是依靠使介质产生剪切变形(局部形状变化)引起的剪应力变化而传播的， 与介质的剪切弹性相关。由于液体、气体形状变化时，不能产生抗拒形变的剪应 力，所以液体和气体不能传播横波，只有固体才能传播横波。

应力波:在可变形固体介质中，当某个地方突然受到机械扰动，这种扰动产

生的应力和应变的变化就会以波的形式传播出去。固体中的声波、超声波等都是 常见的应力波。通常将扰动区域与未扰动区域的界面称为波振面，波阵面的传播 速度称为波速。

为研究应力波在桩中的传播，提出以下前提条件: 振源:点振源，手锤锤击桩端面;

传播介质:在桩的长度L远大于桩径D是，把桩看成是一维直杆。 广义波阻抗:Z=ρCA，其中，ρ表示桩的材料密度，C表示弹性波速，

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A表示桩的横截面积。当杆身的几何尺寸或材料的物理性质发生变化时，相应的ρ, C, A会发生变化，其变化的发生处成为波阻抗界面，其比值可表示为广义 波阻抗比。

传播:应力波以锤击电为中心半球向外传播，当应力波传播至桩身一定距离 S后(一般S大于1 ～2倍桩径D)，波振面才近似为平面。此时手锤锤击桩端认 为是应力波在一维杆件中竖直方向传播。一维杆应力波波动方程表示如下:

2

∂2u∂u2

−c=0 (2−1) ∂t2∂x2 式中，u为x方向的位移，单位是m; c=√E⁄ρ>0为传播速度，单位是m/s ; E为桩的弹性模量，单位是MPa; ρ表示桩的材料密度，单位是g/m3 ;x为坐 标，单位是m; t为时间，单位是s。

低应变反射波法主要研究应力波的纵波形式。纵波在无限长直杆内传播时，将沿某一方向前进到无限远处。假设杆长有限，当波和杆端相遇时，根据边界条件，

纵波将在端部边界产生反射或透射。应力波反射法测桩中典型的端部边界是固定 端边界和自由端边界，通过对波动方程的求解，可以分析边界的波场问题。

桩身完整性

低应变法适用于检测混凝土桩的桩身完整性，判断桩身缺陷的程度及位置。它属于快速普查桩的施工质量的一种半直接法。

在《标准》中，桩身完整性定义为：反映桩身截面尺寸相对变化、桩身材料密实性和连续性的综合定性指标；桩身缺陷定义为；使桩身完整性恶化，在一定程度上引起桩身结构强度和耐久性降低的桩身断裂、裂缝、夹泥〔杂物〕、空洞、蜂窝、松散等现象的统称。注意，桩身完整性不是严格的定量指标，对不同的桩身完整性检测方法，具体的判定特征各异，但为了便于采用，应有一个统一分类标准。所以桩身完整性类别是按缺陷对桩身结构承载力的影响程度，统一划分为四类的。

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Ⅰ类——桩身完整性。

Ⅱ类——桩身有轻微缺陷，不会影响桩身结构承载力的发挥。

Ⅲ类——桩身有明显缺陷，对桩身结构承载力有影响。一般应采用其他方法验证其可用性，或根据具体情况进行设计复核或补强处理。

Ⅳ类——桩身存在严重缺陷，一般应进行补强处理。

作为完整性指标之一的桩身截面尺寸，由于在《标准》中定义为“相对变化”，所以先要确定一个相对衡量尺度。但检测时，桩径是否减小可能会参照以下条件之一：

（1） 按设计桩径；

〔2〕根据设计桩径，并针对不同成装工艺的桩型按施工质量验收标准考虑桩径的允许负偏差；

〔3〕考虑充盈系数后的平均施工桩径。

显然，灌注桩是否缩颈需要有一个参考基准。过去，在动测法检测并采用开挖验证时，说明动测结论与开挖验证结果是否符合通常是按第一种条件。但严格的讲，应按施工验收标准，即第二个条件才是合理的，但因为动测法不能对缩颈严格定量，于是才定义为“相对变化”。

桩身缺陷有三个指标，即位置类型〔性质〕和程度。缺陷程度对桩身完整性分类是第一位重要的。动测法检测时，不管缺陷的类型如何，其综合表现均为桩的阻抗变小，即完整性动力检测中分析的仅是阻抗变化，阻抗的变小可能是任何一种或多种缺陷类型及其程度大小的综合表现。所以桩身不同类型的缺陷，低应变测试信号中主要反映出桩身阻抗减小的信息，缺陷性质往往较难区分。例如，混凝土灌注桩出现的缩颈与局部松散、夹泥、空洞等，只凭测试信号就很难区分。因此，对曲线类型进行判断，应结合地质、施工情况综合分析，或采取钻芯、声波透射等其他方法。需要指出，尽管利用实测曲线拟合法分析能给出定量的结果，但由于桩的尺寸效应，以及桩侧土阻尼、土阻力和桩身阻尼的耦合影响，曲线拟

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合法还不能到达准确定量的程度。

所以，低应变动测法根据阻抗的变小既不能判断缺陷的具体类型，也不能对桩身缺陷程度作定量判定；

对于灌注桩扩径而表现出的阻抗变大，应在分析判定时予以说明，因扩径对桩的承载力有力，不应作为缺陷考虑。

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第三章 低应变反射波法的基本原理

低应变反射波法是以一维弹性杆平面应力波波动理论为基础的，是以一维弹性杆平面应力波波动理论为基础的。将桩身假定为一维弹性杆件〔桩长>>直径〕,在桩顶锤击力作用下，产生一压缩波，沿桩身向下传播，当桩身存在明显的波阻抗Z变化界面时〔如断桩、离析、桩低等〕或桩身截面积发生变化〔如缩颈或扩颈〕，将产生产生反射波和透射波，反射的相位和幅值大小由波阻抗Z决定。

反射波法是以应力波在固体介质中的传播为理论基础一种方法。假定桩为一维连续杆件，不考虑桩周土体及装本身的阻尼对应力波的影响。为了推导直杆的纵向振动方程，需作以下基本假设：

〔1〕杆件为直杆，杆件的各个界面相等；

〔2〕杆件材料均匀且各向同性；

〔3〕杆件变形中的横截面保持为平面，且彼此平行； 〔4〕杆件横截面上沿轴向只有均布的轴向应力；

〔5〕忽略杆件的横向惯性效应，不计入应变率对应力的影响。

考虑一材质均匀、截面恒定的弹性杆，长度为L，截面积为A，弹性模量为E，质量密度为ρ。取杆轴为x轴。假设杆变形时平截面假设成立，受轴向力F作用，将沿杆轴向产生位移u，质点运动速度V=

∂u∂t

和应变ε=

∂u∂x

，这些动力学

和运动学量只是x和时间t的函数。由于杆具有无穷多的振型，则每一振型各自对应的运动量分布形式都不相同。

由图3-1，杆x处的单元dx，如果u为x处的位移，则在x+dx处的位移为

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u+

∂u∂x

dx，显然单元dx在新位置上的长度变化量为

∂u∂x

dx，而即为该单元的∂x

∂u

应变。根据虎克定律，应力与应变之比等于弹性模量E，可写出：

图3-1 杆单元的位移

∂uσF== (3−1) ∂xEAE

式中σ为杆x截面处的应力。

将〔3-1〕式两边对x微分，得:

∂2u∂F

AE2= (3−2) ∂x∂x利用牛顿定律，考虑该单元的不平衡力〔惯性力〕列出平衡方程： ∂2u

a=2 (3−3)

∂t∂F∂2y

dx=ρAdx2 (3−4) ∂x∂t合并〔3-2〕和〔3-4〕两式，得：

∂2uE∂2u

=()2 (3−5) ∂t2ρ∂x定义c=√为位移、速度、应变或应力波在杆中的纵向传播速度，得到如ρE

下一维波动方程：

2∂2u∂u2

−c=0 (3−6) ∂t2∂x2以下有两点需要说明：

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〔1〕对于实际桩而言，平衡方程〔3-4〕左边的平衡力中既包含了惯性力的影响，也可计入了单元的土阻力影响，只是考虑微单元dx的平衡时没有显含土阻力罢了。另外，当采用数值求解实际桩的波动问题时，一般假设土阻力的产生有赖于其相邻桩段的运动位移和质点运动速度，也就是说，土阻力的产生是被动的，只有先计算出桩段的运动量值，才有可能算出与桩段相邻的土阻力值，通过静力平衡，扣除该单元的土阻力后，再将该桩段力值传递给下一个桩段。

〔2〕一维杆的纵波传播速度与三维介质中的纵波〔压缩波〕传播速度不同，其表达式为cp=√.c〔式中υ为介质材料的泊松比〕，相当于声波

(1−2υ)（1+υ）透射法中定义的声速，当υ=0.20时，cp=1.0；υ=0.30时，cp=1.160c。

1−υ

采用别离变量法求解波动方程〔3-6〕，令其解具有如下形式：

u〔x，t〕=U〔x〕•G〔t〕 (3-7)

代入波动方程得：

1d2U11d2G

= (3−8)

Udx2c2Gdt2由于式〔3-8〕左右两边分别与t和x无关，所以只能等于一个常数，令其等于-〔〕2并代入〔3-8〕，得以下两个常微分方程：

cω

d2Uω2

2+（）U=0 (3−9)

dxcd2G

2+ω2G=0 (3−10)

dt它们的通解分别为:

ωω

() Ux=Asinx+Bcosx (3−11)

cc G(t)=Csinωt+Dcosωt (3−12)

上两式中，ω=2πf为角频率；A、B、C和D为任意常数，分别由边界条件和初始条件确定。 （1） 杆的两端自由：

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此时，应力在杆两端必须为零。因为应力等于E

∂u∂x

，则杆两端必须满足应变为零的边界条件：

∂uω|=A(Csinωt+Dcosωt)=0 (3−13) ∂xx=0cωωLωL=(Acos−Bsin)(Csinωt+Dcosωt)=0 (3−14) ccc∂u

|∂xx=L

因为方程〔3-13〕和〔3-14〕必须对任何时刻t都成立，故由〔3-13〕得A=0，同时为保证振动的存在，B只能为有限值，则由式〔3-14〕得：

ωLωLsin=0或=π,2π,3π⋯nπ (3−15)

cc式〔3-15〕即为杆的振动频率方程。相应的固有振动频率为：

cc

ωn=nπ或fn=n(n=1,2,3⋯) (3−16)

L2L利用初始条件，u（x，t）|t=0=0，得到方程〔3-6〕在两端自由和零初始条件下的位移特解为：

un=u0cos

nπnπ

x∙sint(n=1,2,3⋯) (3−17) LL上式说明：两端自由杆的纵向振动为具有n个节点、幅度为u0的余弦波形式, cos

图3-2 两端自由杆的前三阶振型曲线

nπL

x是与各介固有频率对应的振型函数，其前三阶振型曲线见图3-2。

（2） 杆的一端自由、一端固定： 此时的边界条件为：

∂u

|=0和u|x=L=0 ∂xx=0

导出频率方程为：

cos

(2n−1)πωωπ3π

(n=1,2,3⋯) (3−18) L=0或L=,,⋯,

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相应的固有振动频率和一端自由、一端固定条件下的位移特解分别为： ωn=

(2n−1)c(2n−1)πc

(n=1,2,3,⋯) (3−19) 或fn=

2L22L(2n−1)π(2n−1)π

un=u0cosx∙sint(n=1,2,3,⋯) (3−20)

2L2L上式说明：一端自由、一端固定杆的纵向振动也是n个节点的余弦波形式，

其前三阶振型曲线见图3-3。

图3-3 一端自由、一端固定杆的前三阶振型曲线

当沿杆x方向的弹性模量E，截面积A，波速c和质量密度ρ不变时，采用行波理论求解波动方程〔3-6〕，不难验证下式为波动方程的达朗贝尔通解：

u〔x，t〕=W〔x+ct〕=Wd〔x-ct〕+Wu〔x+ct〕 〔3-21〕

式中Wd和Wu为任意函数。

可见，波形函数Wd以波速c沿x轴正向传播；同样可验证波形函数Wu以波速c沿x轴负向传播。我们把Wd和Wu分别为上行波和下行波。Wd和Wu形状不变、且各自地以波速c分别沿x轴正向和负向传播的特性是解释应力波传播规律的最直观方法，见图3-4。

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图3-4 下〔右〕行波和上〔左〕行波的传播

作变换ξ= x+ct，分别求W〔x+ct〕对x和t的偏导数，即

∂W(x∓ct)∂W（ξ）∂ξε===W‘(x∓ct) (3−22)

∂x∂ξ∂x∂W(x∓ct)∂W（ξ）∂ξ

V===∓W‘(x∓ct) (3−23)

∂x∂ξ∂t为了将一维杆波动理论方便地用于桩的动力检测，考虑在实际桩的动力检测时，施加于桩顶的荷载为压力，故按习惯定义位移u，质点运动速度V和加速度a以向下为正〔即x轴正向〕，桩身轴力F，应力σ和应变ε以受压为正。则由式〔3-22〕和〔3-23〕并改变符号有:

V=∓c∙ε (3−24) 这一简洁形式的方程是我们今后讨论应力波问题的最基本公式，它说明弹性杆中的应力波引起的质点运动速度与应变成正比。

利用〔3-24〕式，根据ε=

σE

=

F

EA

可导出以下两个重要公式：

σ=+ρc•V （3−25） F=±ρcA∙V=

EA

∙V=±Z∙V (3−26) c

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上式中，ρc和ρcA称为弹性杆的波阻抗，当杆为等截面时，阻抗Z=中m为杆的质量〕。另外，后面将用到以下恒等式:

F+Z∙VF−Z∙V

F≡+ (3−27)

22mcL

〔式式中等号右边第一项称为下行力波Fd〔也简称为下行波〕，第二项称为上行力波Fu〔也简称为上行波〕。如果类似的将质点运动速度进行分解，即：

V=Vd+Vu (3−28)

1F+Z∙V

∙Z2式中 { (3−29) 1F+Z∙V

Vu=−∙

Z2Fd=Z•Vd

显然有： {Fu=−Z•Vu (3−30)

F=Z•Vd−Z•Vu

Vd=

3.3 应力波的相互作用在不同阻抗界面上的反射和投射

3.3.1 应力波的相互作用

考虑一根长为L的等阻抗杆，在杆x=0和x=L的两端同时作用两个矩形压力脉冲

{

F(0，t)=F(τ)F(L，t)=FL(τ)

(0≤t≤τ) (3−31)

F(0,t)=F(L,t)=0 (t>τ) (3−32) 在t1<时，两相对行进的压力波尚未相遇。下面分析t≥

2cL

L2c

时的情况，根

据式〔3-29〕，x=L⁄2处的力值F和速度值V可由下面两式求解：

F−F(0,0)=−Z•[V−V(0,0)]

{ (3−33) F−F(L,0)=Z•[V−V(L,0)]注意到V(0,0)=F(0,0)⁄Z=F0(τ)⁄Z,V(0,L)=−FL(τ)⁄Z,解出：

{ (3−34) V=（F0−FL）⁄Z

当F0(τ)=FL（τ）时，两相对传播并迎头相遇的压力波在杆区间

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F=F0+FL

[L⁄2−c•τ⁄2,L⁄2+c•τ⁄2]范围内叠加，使力加倍、速度为零。因此可见，当考虑波的相互作用时，所得结果与牛顿第三定律的结果完全不同。

如果其他条件不变，设F0(τ)=−FL（τ）可得到：

F=0{ (3−35) V=2F0⁄Z

即两相行进相遇的同幅异号波在上述杆段内叠加结果使速度加倍、力为零。

3.3.2 应力波在杆不同阻抗界面处的反射透射

中尚未涉及杆阻抗变化对波传播性状的影响，阻抗变化与杆的截面尺寸、质量密度、波速、弹性模量等因素或某一因素变化有关。假设图3-6所示的杆由两种不同阻抗材料〔或截面面积〕组成，当应力从波阻抗Z1的介质入射至阻抗Z2的介质时，在两种不同阻抗的界面上将产生反射波和透射波，用脚标I、R和T分别代表入射、反射和透射。假设入射压力波FI是已知的，显然有VI=FI⁄ZI。 界面处的力F和速度V满足 F−FI=−Z1∙(V−VI) (3−36) F=Z2∙V (3−37) 求解上述二式，得：

2Z22Z1Z2

FI=V (3−38)

Z1+Z2Z1+Z2I

22Z1

V=FI=V (3−39)

Z1+Z2Z1+Z2IF=

按习惯将界面处的力波和速度波分解为入射、反射和透射三种波。因界面上力F和速度V应分别满足牛顿第三定律

FI+FR=FT=F (3−40)

和连续条件

VI+VR=VT=V (3−41)

记完整性系数β=Z2⁄Z1，反射系数ξR=（β−1）⁄（1+β），透射系数ξT=2β⁄(1+β)，可得以下公式：

FR =ξR∙FI (3−42) VR=−ξR∙VI (3−43) FT=ξT∙FI (3−44)

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VT=(1⁄β)∙ξT∙VI (3−45) 1+ξR=ξT (3-46)

下面对〔3-42〕～〔3-46〕式进行讨论：

（1） 由于ξT≥0，所以透射波总是与入射波同号。

〔2〕β=1，即Z2⁄Z1=1，反射系数ξR=0，透射系数ξT=1，FT=FI ，入射力波波形除随时间改变位置外，其他不变，相当于应力波不受任何阻碍地沿杆正向传播。

〔3〕β>1，即波从小阻抗介质传入大阻抗介质。因ξ≥0，故反射力波与入射力波同号，假设入射波为下行压力波，则反射的仍是上行压力波，与后继到来的入射压力波叠加起增强作用；因反射波与入射波运行方向相反，则反射力波引起的质点运动速度VR与入射波的VI异号，显然与后继到来的入射下行压力波引起的正向运动速度叠加有抵消作用；又因ξT≥1，则透射力波的幅度总是大于或等于入射力波。特别的，当β→∞即Z2→∞时，相当于刚性固端反射，此时有ξR=1和ξT=2，在该界面处入射波和反射波叠加使力幅度增加一倍，而入射波和反射波分别引起的质点运动速度在界面的叠加结果使速度为零。将固定端作为一面镜子，反射波是入射波的正像。

〔4〕β<1，即波从大阻抗介质传入小阻抗介质。因ξR≤0，故反射力波与入射力波异号，假设入射波为下行压力波，则反射的是上行拉力波，与后继到来的入射压力波叠加起卸载作用；因反射波与入射波运行方向也相反，则反射力波引起的质点运动速度VR与入射波的VI同号，显然与后继到来的入射下行压力波引起的正向运动速度叠加有增强作用；又因ξR≤1，则透射力波的幅度总是小于或等于入射力波。特别的，当β→0即Z2=0时，相当于自由端反射，此时有ξR=−1和ξT=0，在该界面处入射波和反射波叠加使力幅度变为零，而入射波和反射波分别引起的质点运动速度在界面的叠加结果使速度加倍。这时，自由端也相当于一面镜子，只是反射波是入射波的倒像。

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第四章 测试系统

低应变反射波法检测基桩完整性的过程为:(1)通过手锤或其它激振设备对桩顶施加脉冲波;(2)在基桩中传播的应力脉冲被传感器接收;(3)采集到的加速度、速度或力信号经电荷放大器转化为电荷输出信号;(4)电荷信号被桩基动测仪内的储存器保存下来;(5)技术人员对输出波形数据进行分析和处理，判断基桩的完整性。其中，基桩动测仪是采集、处理实测应力波形的主要设备。基桩动测仪的内部通常配有波形储存器、电荷放大器、模/数转换器(A-D装置)、信号采集分析仪等装置，还配有相对应的处理软件，触控式屏幕，方便工作人员的操作和现场对数据的处理，另外还具有信号过滤和放大功能，使信号传输更准确。 低应变反射波法检测桩基完整性的测试系统包括：激振设备、传感器、放大器、信号采集分析仪。如图4.1所示。

应力波反射波法测试系统

瞬态激振设备

工程桩检测中最常用的瞬态激振设备是手锤和力棒，锤体质量一般为几百克至几十千克不等；偶有用质量约几十甚至近百千克的穿心锤、铁球作为激振源；过去在建筑工程基桩检测中，还有利用水中大电流放电对桩顶施加压力脉冲的做

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法。

由于激振锤〔棒〕的质量与桩相比很小，按两弹性杆碰撞理论，在对桩锤击时更接近刚壁碰撞条件，施加于桩顶的力脉冲持续时间主要受锤重、锤头材料软硬程度或锤垫材料软硬程度及其厚度的影响，锤越重，锤头或锤垫材料越软，力脉冲作用时间越长，反之越短。锤头材料依软硬不同依次为：钢、铝、尼龙、硬塑料、聚四氟乙烯、硬橡胶等；锤垫一般用1～2mm厚薄层加筋或不加筋橡胶带，试验时根据脉冲宽度增减，比较灵活。所以，调整脉冲宽度大可不必刻意地通过更换软硬不同的锤头来实现。

为获得锤击力信号，可在手锤或力棒的锤头上安装压电式力传感器；或在自由下落式锤体上安装加速度传感器，利用F=ma原理测量锤击力。为降低手锤敲击时的水平力分量，锤把不宜过长。

稳态激振设备主要由电磁式激振器、信号发生器、功率放大器和悬挂装置等组成。要求激振器出力在5～1500Hz频率范围内恒定，常用的电磁激振器出力为100N或200N，有条件时可选用出力400～600N的激振器。与瞬态激振相比：稳态激振的突出优点是测试精度高，因每条谱线上的力值是不变的；而在瞬态激振力的离散谱上，每条谱线上的力值一般随频率增加而减小。恒力幅稳态激振的缺点是频率范围较窄，设备笨重，现场测试效率低。

大量现场试验和理论分析说明，只有通过敲击产生合适的振源，才有可能得到正确的波形曲线。常规振源为一瞬态脉冲信号，力幅度A、脉冲宽度τ〔时域〕主瓣宽度δ〔频域〕是衡量它的三项主要指标。理想单位脉冲力的频率从0至∞频域内部含能量。脉冲宽度越小，频域越宽、能量越分散；脉冲宽度越大，频域越窄、能量越集中。

使用三十种反射波法动测中常用的锤敲击预制桩桩顶，由安装在锤头上的力传感器测量冲击力，安装在桩顶上的传感器测量接收信号，实验结果如表1。

一般来说，材质越软、碰撞速度越低〔提升高度越低〕、锤越重、接触面积越大，信号的脉冲宽度就越大、低频就越丰富、主瓣宽度δ越窄。工程实践中，依“小钢锤→小铁锤→轻质脆性尼龙锤→轻质木锤→大铁锤→柔性塑料锤→橡皮

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锤”，信号脉冲宽度τ→5ms〕。

三十种锤头的参数 表1

编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 锤形 小钢管 小钢杆 小钢杆 小板斧 小钢锤 铁锤 装修锤 木锤 橡胶锤 橡胶锤 橡胶锤 橡胶锤 YE力锤 YE力锤 YE力锤 SV力锤 SV力锤 SV力锤 SV力锤 RS手锤 RS手锤 RS手锤 RS力棒 RS力棒 RS力棒 RS力棒 RS力棒 RS力棒 RS力棒 RS力棒 材质 钢 钢 钢 铁 钢 钢 塑料 杂木 生胶 生胶 生胶 熟胶 钢头 铝头 尼龙 钢头 铝头 尼龙 橡胶 尼龙 聚丙烯 聚乙烯 尼龙 尼龙 铁 聚乙烯 聚乙烯 铁 尼龙 铁 质量m (kg) 脉宽τ 〔ms〕 主瓣宽δ 力值F〔kN〕 〔kHz〕 0．27 对振源各因素对桩基检测信号的影响逐一说明如下：

① 锤头材料 材料过硬，将激发出高频脉冲波，高频波可提高缺陷处得分变率，对探测桩身浅部缺陷有利，但高频波易衰减，不易获取长桩的桩底反射；材料过软，激发出的初始脉冲太宽，低频波有利于检测桩低反射，但会降低桩身

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上部缺陷的分辨率。

② 冲击能量 锤重及落锤速度的大小决定了能量的大小。敲击时能量应适中，能量小，则应力波会很快衰减，从而看不见桩下部缺陷和桩底的反射。因此，检测大直径长桩时应选择较重的力锤并加大锤击速度，大幅度提高敲击力度，但锤过重又将造成微小缺陷被掩盖。锤重的选择应使得有明显的桩低反射为原则。

③ 接触面积 对于大直径灌注桩，除应选择重锤加大能量冲击外，相应地要加大锤的直径使得锤与桩头的接触面积增大。假设使用小锤检测大直径灌注桩，需要多点激振、多点接收，以便了解桩身横向的不均匀性，而使用大锤，选择合适的接收点，可获得桩的整体相应，有利于判断桩身局部缺陷。

④ 脉冲宽度 脉冲宽度大，有利于长桩及深部缺陷检测，但相应的波长增大，由于波具有绕射能力，假设入射波波长比桩身中缺陷的特征尺寸大的多时，波大部分可以绕射过去，反射波强度降低，识别桩中小缺陷的能力就差，也就是分辨率低。假设脉冲宽度减小、波长减小，不能满足将桩视作一维弹性杆的要求，会出现速度及波形的畸变。因此应依据桩的特点，激发合适脉冲宽度的入射波，有时在同一根桩上，按照不同的测试目的，需要产生不同的脉冲宽度。

振动测试中常用的传感器有加速度传感器、速度传感器、位移传感器、力传感器。速度传感器的动态范围一般小于60dB；而加速度传感器可到达140～160d B的动态范围。加速度传感器可满足反射波法测桩对频率范围的要求，速度传感器则应该选择宽频带的高阻尼速度传感器。由于反射波法诊断的依据是速度曲线，使速度传感器还需对测得的加速度信号积分一次得到速度信号。

1.工作原理

某些晶体材料〔如天然石英晶体和人工极化陶瓷〕在承受一定方向的外力而变形时，其晶面或极化面上会产生电荷，这种现象称为正压电效应。利用这种原理制成的传感器称为压电式传感器，可以将待测的振动量或冲击量变成可测量的电量。

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压电加速度传感器是利用正压电效应制成的机电换能器。当它承受机械振动时，输出端能产生与所承受的加速度成比例的电压或电荷量。与其它振动传感器相比，具有许多优点，诸如灵敏度高、频率范围宽、线性动态范围大，以及质量轻、体积小等，因而成为振动加速度测量的主要传感器型式。

常用的压电加速度传感器有中心压缩型、环形剪切型、三角剪切型三种结构形式。

图4.2为压缩型加速度传感器的力学模型。设k为简化弹簧刚度，它是预压弹簧刚度k1与压电片等效刚度k0之和，质量m为质量块和压电陶瓷片质量之和，c为系统的等效阻尼。

图4.2 压电加速度传感器的力学模型

设加速度传感器的基座随被测物的绝对运动为u，质量块相对于基座的相对运动为x，则质量块的绝对运动为〔u+x〕。由牛顿第二定律得到质量块的运动方程：

d2(u+x)dy

M+c+kx=0 （4−1）

dt2dt移项得：

d2xdxd2u

m2+c+kx=−m2 (4−2) dtdtdt设被测物体作简谐振动，即u=u0cosωt。又质量块相对于基座的强迫振动为x=Xcos（ωt−θ），带入方程得：

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u0 X=

222ω √[1−()]−(2ξω)

ωω

{

式中：ωn——加速度传感器无阻尼固有圆频率； ξ——加速度传感器简化系统的阻尼比；

n

n

ω2(ω)nθ=arctan

ω2ξω(4−3)

ω21−(ω)n

n

θ——质量块的位移与基础位移之间的相位差； u0——运动位移的幅值；

因为u是正弦运动，故其加速度a的幅值为A=ω2u0，而a与u的相位相反。由此可得质量块的相对位移幅值X与被测物体的绝对加速度幅值之间的关系为：

X

=A1

ω2ω22√ωn[1−(ω)]−(2ξω)nn

2

(4−4)

由式〔4-4〕可以看出，当ωn≫ω，亦即加速度传感器的固有频率远远大于其工作频率的上限时，相对位移的幅值X正比于被测正弦振动的加速度幅值A，两者之间的相位差趋于近于零度。

由于相对位移的幅值X就是压电元件在质量块得惯性力F作用下所产生的变形。故有：

F0=k0X (4−5)

式中： F0——惯性力幅值，N；

K0——压电片的等效刚度，N⁄m。

由于压电元件外表产生的电荷Q正比于作用力F，故有：

Q=dF0=dk0X (4−6)

式中：Q——电荷量的幅值，pC； d——压电元件的压电常数，pC/N。

将式〔4-6〕代入式〔4-4〕得输出电量幅值Q与输入加速度幅值A之比

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Q=Adk0⁄ω2n22

√[1−(ω)]−(2ξω)ωnωn

2

(4−7)

当ωn≫ω时，上式分母趋近于1，则式〔4-7〕变成：

Qdk0

≈2 (4−8)

Aωn

对于给定的加速度传感器，式〔4-8〕右端各项均为常数。由此可见，压电加速度传感器的电荷输出幅值Q正比于被测振动的加速度幅值A。

2主要技术指标 ① 固有频率及频带宽度

灵敏度较高的加速度传感器其固有频率在15～20kHz，测量时的上限频率一般取固有频率的1/3，固有5～7kHz的测量频率上限，能满足反射波法测桩上限频率不小于2kHz的要求。

② 电荷灵敏度与电压灵敏度

定义压电加速度传感器的灵敏度为输出电量与输入机械量之比。当ωn≫ω时，电荷幅值灵敏度为：

Qdk0

Sq==2 (4−9)

A ωn

式中：Sq——电荷幅值灵敏度，pC/(m/s2)； Q——电荷幅值，pC； A——加速度幅值，m/s2；

电压幅值灵敏度为：

Sv=

Sqdk0

=2 (4−10) caωnca

式中：Sv——电压幅值灵敏度，mV/(m/s2)； ca——压电元件的电容量，F；

用于反射波法测桩的加速度传感器的电压灵敏度应大于100mV/g，电荷灵敏度应大于100pC/g,量程应大于100g。

③ 横向灵敏度

指加速度传感器受到与其主轴方向垂直的加速度振动时的灵敏度，主要是由机械加工精度低，装配精度不够造成。一般用对于主轴向的灵敏度的百分比表示，

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称为横向灵敏度比。这项指标一般应小于5%，越小越好。

加速度传感器的频响基本上都能满足测试要求，但受环境干扰影响大。现场测试时，联线不宜太长，振源也以防止飘移、纵向成分较多的低频轻敲击为佳。加速度传感器同样需要可靠安装，否则也会出现如速度传感器那样的低频谐振。

部分加速度传感器的技术指标 表2

型号 61 YD-36 261/262 4381 电荷灵敏度〔pC/g〕 250 70～110 100 100 安装谐振频率〔kHz〕 10 - 15 16 频率范围 (Hz) 1～3000 1～15000 ～4000 ～4800 最大加速度 〔g〕 500 100 3000 1000 质量 〔g〕 55 30 36 43

速度传感器为电动式传感器，分为惯性式、相对式两种。主要组成部分包括线圈、磁铁和磁路。磁路里留有圆形环形空气间隙，线圈处于气隙内，并在振动时相对气隙运动，切割磁力线并产生感应电动势。这种传感器将振动速度转换为电量，故称速度传感器。

惯性式速度传感器的原理是：弹簧k、质量m和阻尼c构成单自由系统，执行传感器的惯性式接收，线圈和磁路构成传感器电动式转变，被测振动速度经惯性接收后成为线圈相对于磁场的相对速度，然后由电磁感应原理变换为电动势。

式〔4-11〕为速度传感器的频率响应函数：

Utνe

=BLDe−jθ (4−11)

λ2

√(1−λ2)2+4ξ2λ22ξλ

θ=arctan (0≤θ≤π) (4−12) 2 1−λ

ωkc λ=√,ωn=,ξ=

ωm2√mkn{

D=

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式中：Ut——速度传感器的输出电压； νe——待测振动速度； B——磁场强度；

L——切割磁力线的线圈总长度； D——动力放大系数； Θ——相位差； λ——频率比； ξ——阻尼系数。

为了压低使用频率下限，一般在速度传感器中引入阻尼比ξ，这样曲线在λ=1之后，将很快进入平坦区，因而可以改善幅频特性。引入阻尼还可以起到防止过大的共振振幅造成传感器内部可动部件损坏，缩短响应过度时间的作用。阻尼比越大，速度传感器的分辨率越高，能够清楚地区分到达时差很短的有效波越高，能够清楚的区分到达时差很短的有效波振动，但是，过大的阻尼比会降低灵敏度，使传感器动态响应迟钝。一般速度传感器的阻尼控制在0.6～0.7之间。

桩基动测常用的速度传感器的固有频率有4.5、8、10、14、28、35、38、40〔Hz〕几种。用于反射波法时可选择较大的固有频率；而用于机械阻抗法〔特别是检测桩基承载力〕宜选择固有频率较低的速度传感器〔≤10Hz〕。

一般速度传感器的频道宽度约为2000Hz以内。用于反射波法测桩，频带宽度应不窄于10～1000Hz。理论和实验说明，弹性安装条件〔手按或油性橡皮泥耦合〕或安装不良时，速度传感器频响曲线的高频端会突显一安装谐振峰，导致频带宽度减小，无法满足测试要求。现场使用时，安装谐振频率不得低于1500Hz。

根据目前的技术，大多数速度传感器的灵敏度可设计在200～800mV/〔cm/s〕之间。在桩基动测中，由于锤击产生的能量较强，一般不要求灵敏度太高。用于反射波法测桩，要求灵敏度大于300mV/(cm/s)。实际使用中，针对不同桩长，可选择不同灵敏度的速度传感器。桩较短时，可选择灵敏度小一些的传感器；桩较长，则选择高灵敏度的传感器。

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速度传感器的优点是可以直接输出电压信号，毋须后接转换设备，可提高测试系统的可靠度。

用于反射波法测桩的速度传感器的技术指标 表3

型号 MLV－9200 EG－10A CD 电压灵敏度 (mV/(cm/s)) 200 320 300 固有频率 〔Hz〕 10 10 8 频率范围 〔Hz〕 10～1000 10～1200 8～1000 阻尼比ξ —— ～ —— 生产厂家 清华大学 威海双峰 扬州科发

表４为加速度传感器和速度传感器的比较。相对而言，速度传感器的适用范围较窄，具体如下：

加速度传感器及速度传感器的比较 表４

项目 固有频率fn 加速度传感器 高频端，＞15kHz 几赫兹～1/3fn ＞10kHz 速度传感器 低频端，～100Hz；机械阻抗法宜选择较低的fn反射波法可选较高的fn fn～1500Hz kHz 频带宽度 安装谐振频率 灵敏度 阻尼比ξ 输出信号 适用用条件 电压灵敏度：＞100mV/g；点＞300mV/(cm/s)。桩长增加，和灵敏度：＞100PC/g。桩长宜选择较大的灵敏度。 增加，宜选择较大的灵敏度 － 高阻抗电荷输出，需转换，系统可靠性差，干扰因素多 范围较大 电压信号，毋须转接，可长距离传播 不宜用于浅部缺陷或长桩 ① 假设现场处理或后续分析得当，对于中深部缺陷〔2～40m〕，速度传感器可以得到与加速度传感器相似的信号。

② 即使是高阻尼传感器，由于其高频不足或安装不良出现谐振频率，对浅部缺陷﹙＜2m﹚容易漏判或误判。

③ 由于低频不足，使用速度传感器检测桩长大于40m的桩时，时域波形曲线的桩低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，增大阻尼方法拓宽其频响范围，比低阻尼速度传感器更适宜于测桩。

用于测量地震波的检波器其主要功能是记录首波到达时间，对频响无过高要

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求。检波器一般有三个固有频率，如38Hz的检波器，f1=38Hz，f2=220Hz，f3=380Hz，用于测桩时容易产生指数衰减振荡信号。

压电式传感器具有很高的输出阻抗，输出的电荷量很微弱，因此，为便于观察、记录或送到分析仪进行分析，必须先将信号放大。完成这种功能有两种前置放大器可供选择，即电压放大器和电荷放大器。这两种放大器有以下特点：①具有极高的输入阻抗和较低的输出阻抗，以便与加速度传感器及记录、测量仪器相匹配；②能将加速度传感器的微小电信号加以放大并变成容易测量的电压信号；③在与不同灵敏度的加速度传感器相配合时，均能输出电压到达归一。

电压放大器在线路上比电荷放大器简单，信噪比亦比电荷放大器高，但不像电荷放大器那样可在低频段使用，总增益受传感器电缆长度的影响较电荷放大器大。目前普遍使用电荷放大器。

放大系统的增益应大于60dB，长期变化量应小于1%。折合输入端的噪声水平应低于3μV频带宽度应不窄于10～1000Hz，滤波频率可调整。

在信号采集分析仪中采样是通过模/数〔A/D〕转换器实现的，称为A/D转换。《基桩低应变动力检测规程》〔JGJ/T93-95〕规定A/D转换器的位数不应小于８位。现在几乎所有用于桩基低应变检测的信号采集分析仪的A/D转换器位数都到达12位、16位。

系统对信号的分辨由A/D的位数确定。设A/D转换的位数为ｎ，则模拟信号的输入量Va可表示成：

Va≈Vr(a1×2−1+a2×2−2+⋯+an2−n 〔4-13〕

最高位为符号位，则最小分辨率为２－(n-1)。例如输出电压范围为-5～+5V，则８位A/D所能表示的最小电压为±５V×２－７＝±39mV，同样可计算出12、16 位A/D所能表示的最小电压为２.4mV及７6μV。

要求信号采集分析仪体积小、质量轻、性能稳定，便于野外使用，同时应具备数据采集、记录存储、数字计算和信号分析功能。至少应有两个以上的通道，

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每个通道数据暂存器的容量应不小于１kB，多道采集系统应具有一致性，振幅偏差应不小于３%，相位偏差应小于。采样时间宜为５0～１000μs，且可调。

第五章 测试方法及数据处理

5.1 测试方法

〔1〕采样频率、FFT计算点数、频率分辨率

动测法测桩时，实测的是模拟信号，例如F〔t〕、ν〔t〕、a〔t〕。电脑不能对模拟信号进行处理，因此必须对模拟信号进行采样，即把连续的模拟量变为断续的数字量。采样就是按一定的时间间隔对模拟信号进行取值，这一时间间隔称为采样间隔，用Δt表示，Δt的倒数称为采样频率fs：

fs=1⁄Δt (5−1)

设一个模拟信号为x〔t〕，信号的最高频率为fs。当采样频率fm满足关系：

fs≥2fm (5−2)

则采样值具有原信号x〔t〕的全部信息，信号的频谱x〔f〕不会发生混淆，这就是采样定理。亦即为使信号频谱结构从理论上能准确地恢复成原信号，采样频率所要满足的条件。

采样时间T，又称采样长度，是一次采样N点所需要的时间：

T=N∆t (5−3)

FFT计算点数N可设置为512、1024、2048等，可与采样点数相等，也可以小于采样点数，一般设置为1024点。

频率分辨率Δf，是在领域里相邻两个数据的频率间隔，

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Δf=

11fs== (5−4) TNΔtN由式〔5-4〕可见，采样频率fs〔或采样时间间隔Δt〕、频率分辨率Δf、计算点数N三个参数是相互制约的。采样频率越高，即采样间隔时间越小，则时域信号精度越高，但频率分辨率越低；反之，当采样频率越低，即采样时间间隔越大，则时域信号精度越低，但频率分辨率越高。一般来说，Δt越小，对短桩或长桩中的亲啊不缺陷反射明显；而Δt越大，对长桩的桩低反射及深部缺陷反射越明显。

假设一根长L的桩，混凝土波速为c，计算点数为N。采样时间T必须大于2L/c，亦即Δt＞2L/(Nc)才能保证时域信号中在第N点能看到柱底反射信号。考虑到一些影响因素，实际使用中可取倍，这样采样频率可选择Nc/3L。以L=60m、c=3600m/s、N=1024计算，fs≈20kHz。利用反射波法测桩，为了提高时域信号的精度，要采用较高的采样频率；而将信号做频谱分析或机械阻抗法分析时，为了提高频率分辨率，根据桩实际情况，应采用较低的采样频率。

〔2〕频带宽度的选择

现场测试，由于振源、桩——土系统的阻尼和衰减作用以及传感器等多方面的原因，很难覆盖全频域的信号出现。式〔5-5〕即为完成正常测试所需要的频率范围，其中式〔5-5a〕为确保在时域分析中能完全记录缺陷〔或桩低〕一阶谐振峰，取一阶谐振峰1.5倍为上限频率；式〔5-5b〕为确保在频域中能完全记录缺陷〔或桩低〕两节谐振峰，以读取频差，取一阶谐振峰2.5倍为上限频率。下限频率是在低于整桩一阶谐振频率的基础上选取的，一般取10～30Hz，时域取20Hz，频域因不涉及波形形态，可适当放宽，选30Hz。

时域分析：f∈c/x〕 (5-5a) 频域分析：f∈c/x〕 (5-5b)

取c=4000m/s，根据不同检测部位的需要，完成测试所需的频带宽度由式〔5-5〕计算，列于表5。

不同缺陷深度〔桩长〕要求的频带宽度 表5 缺陷深度〔桩长〕 深部缺陷〔L’ ≥25m〕 中深部缺陷〔10m≤L,≤25m〕 中浅部缺陷〔2m≤L,≤10m〕

频带宽度 时域 20～120 20～300 20～1500 学习文档 仅供参考

频域 30～200 30～500 30～2500 超浅部缺陷〔L’≤2m〕 20～3000 30～5000

建议低应变动力检测采用的测量响应传感器为压电式加速度传感器。根据压电式加速度计的结构特点和动态性能，当传感器的可用上限频率在其安装谐振频率的1/5以下时，可保证较高的冲击测量精度，且在此范围内，相位误差完全可以忽略。所以应尽量选用自振频率较高的加速度传感器。

对于桩顶瞬态响应测量，习惯上是将加速度计的实测信号积分成速度曲线，并据此进行判读。实践说明：除采用小锤硬碰硬敲击外，速度信号中的有效高频成分一般在2000Hz以内。但这并不等于说，加速度计的频响线性段到达2000Hz就足够了。这是因为，加速度原始信号比积分后的速度波形中要包含更多和更尖的毛刺，高频尖峰毛刺的宽度和多寡决定了它们在频谱上占据的频带宽窄和能量大小。事实上，对加速度信号的积分相当于低通滤波，这种滤波作用对尖峰毛刺特别明显。当加速度计的频响线性段较窄时，就会造成信号失真。所以，在±10%幅频误差内，加速度计幅频线性段的高限不宜小于5000Hz，同时也应防止在桩顶敲击处外表凹凸不平时用硬质材料锤〔或不加锤垫〕直接敲击。

瞬态激振操作应通过现场试验选择不同材质的锤头或锤垫，以获得低频宽脉冲或高频窄脉冲。除大直径桩外，冲击脉冲中的有效高频分量可选择不超过2000Hz〔钟形力脉冲宽度为1ms，对应的高频截止分量约为2000Hz〕。桩直径小时脉冲可稍宽一些。选择激振设备没有过多的，如力锤、力棒等。锤头的软硬或锤垫的厚薄和锤的质量都能起到控制脉冲宽窄的作用，通常前者起主要作用；而后者〔包括手锤轻敲或家里锤击〕主要是控制力脉冲幅值。因为不同的测量系统灵敏度和增益不同，灵敏度和增益都较低时，加速度和速度响应弱，相对而言降低了测量系统的信噪比或动态范围；两者均较高时又容易产生过载或削波。通常手锤即使在一定锤重和加力条件下，由于桩顶敲击点凹凸不平、软硬不一，冲击加速度幅值变化范围很大〔脉冲宽窄也发生较明显变化〕，有些仪器没有加速度超载报警功能，而削波的加速度波形积分成速度波形后可能不容易被发觉。所以，锤头及锤体质量选择并不需要拘泥某一种固定形式，可选用工程塑料、尼龙、

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铝、铜、铁、硬橡胶等材料制成的锤头，或用橡皮垫作为缓冲垫层，锤的质量也可几百克至几十千克不等，主要目的是以下两点：

图5-1 不同激励脉冲宽度 〔a〕脉冲过宽；〔b〕脉冲宽度合适

① 控制激励脉冲的宽窄以获得清晰的桩身阻抗变化的反射或桩低反射〔见图5-1〕，同时又不产生明显波形失真或高频干扰；

② 获得较大的信号动态范围而不超载。稳态激振设备可包括扫频信号发生器、功率放大器及电磁式激振器。由于扫频信号发生器输出等幅值、频率可调的正弦信号，通过功率放大器放大至电磁激振器，输出同频率正弦激振力作用于桩顶。

桩顶条件和桩头处理好坏直接影响测试信号的质量。对低应变动测而言，判断桩身阻抗对变化的急准时桩头部位的阻抗。因此，要求受检桩桩顶的混凝土质量、截面尺寸应与桩身设计条件基本等同。

1.桩头应凿去浮浆，露出密实的混凝土。该项工作非常重要，由于浮浆层不密实，与下部正常混凝土粘结不良，会形成一个不连续的界面。敲击桩头产生的应力波在这一界面上多次反射，影响应力波向下传播，这种杂波幅值大，与正常信号叠加后，会掩盖桩下部的信息。

合适的平面，平面应平整并基本与桩身轴线垂直。

3.激振点及传感器安装位置应远离钢筋笼的主筋，目的是减少外露主筋对测试信号产生干扰。假设外露主筋过长，影响正常测试时，应将其割短。

4.对于预应力管桩，当法兰盘与桩身混凝土之间结合紧密时，可不进行处理，否则，应采用电锯将桩头锯平。

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5.当桩头与承台或垫层相连时，相当于桩头处存在很大的截面阻抗变化，对测试信号会产生影响。因此，测试时桩头应与混凝土承台断开；当桩头侧面与垫层相连时，除非对测试信号没有影响，否则应断开。

1.传感器用耦合剂粘结时，粘结层应尽可能薄；必要时可采用冲击钻打孔安装方式，但传感器底安装面应与桩顶面紧密接触。激振以及传感器安装均应沿桩的轴线方向。

2.激振点与传感器安装点应远离钢筋笼的主筋，其目的是减少外露主筋振动对测试产生干扰信号。假设外露主筋过长而影响正常测试时，应将其割短。

3.测桩之目的是激励桩的纵向振动振型，但相对桩顶横截面尺寸而言，激振点处为集中力作用，在桩顶部位难免出现与桩的径向振型相对应的高频干扰。当锤击脉冲变窄或桩径增加时，这种由三维尺寸效应引起的干扰加剧。传感器安装点与激振点距离和位置不同，所受干扰的程度各异。实心桩安装点在距桩中心约2/3半径R时，所受干扰相对较小；空心桩安装点与激振点平面夹角等于或略大于900时也有类似效果，该处相当于径向耦合低阶振型的驻点。另外应注意，加大安装与激振两点间距离或平面夹角，将增大锤击点与安装点响应信号的时间差，造成波速或缺陷定位误差。传感器安装点、锤击点布置见图5-2。

图5-2 传感器安装点、锤击点布置示意图

4.当预制桩、预应力管桩等桩顶高出地面很多，或灌注桩桩顶部分桩身截面很不规则，或桩顶与承台等其他结构相连而不具备传感器安装条件时，可将两支测量响应传感器对称安装在桩顶以下的桩侧外表，且宜远离桩顶。

5.瞬态激振通过改变锤的质量及锤头材料，可改变冲击入射波的脉冲宽度及

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频率成分。锤头质量较大或刚度较小时，冲击入射波脉冲较宽，低频成分为主。当冲击力大小相同时，其能量较大，应力波衰减较慢适合于获得长桩桩低信号或 下部缺陷的识别〔见图5-3〕。锤头较轻或刚度较大时，冲击入射波脉冲较窄，含高频成分较多；冲击力大小相同时，虽其能量较小并加剧大直径桩的尺寸效应影响，但较适宜于桩身浅部缺陷的识别及定位。

在每个设定得频率下

激振时，为防止频率变换过程产生失 真信号，应具有足够的稳定激振时间， 以获得稳定的激振力和响应信号，并 根据桩径、桩长及桩周土约束情况调 整激振力。稳态激振器的安装方式及 好坏对测试结果有很大的影响。为保 证激振系统本身在测试频率范围内不

图5-3 不同的锤击工具引起不同的动力

响应〔40cm×40cm方桩〕 〔a〕手锤；〔b〕带尼龙头力锤；〔c〕细金属杆

出现谐振，激振器的安装宜采用柔性悬挂安置，同时在测试过程中应防止激振器出现横向振动。

7.为了能对室内信号分析发现的异常提供必要的比较或解释依据，检测过程中，同一工程的同一批试桩的试验操作宜保持同条件，不仅要对激振操作、传感器和激振点布置等某一条件改变进行记录，也要记录桩头外观尺寸和混凝土质量的异常情况。

8.桩径增大时，桩截面各部位的运动不均匀性也会增加，桩浅部的阻抗变化往往表现出明显的方向性。故应增加检测点数量，通过各接收点的波形差异，大致判断浅部缺陷是否存在方向性。每个检测点有效信号数不宜少于3个，而且应具有良好的重复性，通过叠加平均提高信噪比。

1.反射波法测桩时，不能一成不变地使用一种锤头，应准备几种锤头、垫层，依据不同检测目的而选用。桩越长，应选择越软、越重、直径越大的锤；桩越短，应选择越硬、越轻、直径越小的锤。在检测同一根桩的过程中，为了测出桩低反射，应选择质量重、质地软的锤，而为了检测浅部缺陷，可选用较硬的锤。开始

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检测的头几根桩应多花一些时间进行试敲，设定信号采集参数、确定合适的激振源，对该场地桩的施工质量情况有了大概了解后，再大量敲击试验，可收到事半功倍的效果。

2.敲击时应尽量使得力锤作用于桩头，有利于抑制质点的横向振动；应防止二次冲击，防止后续波的干扰。一般使用较短锤柄的手锤或力棒敲击。短锤柄的手锤容易使作用力垂直于桩顶，但每一锤用力的大小不易掌握，造成波形重复性较差；使用力棒以一定高度自由下落。可使作用力垂直且均匀，得到的信号重复性较好，但容易出现二次冲击。

3.桩基检测中经常会发现在入射脉冲首波后紧跟着一个反相很大的波形，称为反向过冲，可能是由于接受器未安装牢固或距锤击位置太近所致，但也有可能是由于桩头混凝土松软，声波传播时遇到好混凝土产生反射，或者是桩身扩颈所致。因此要防止传感器安装不紧、安装位置距锤击点太近等人为因素，才能将真正由桩身缺陷导致的反冲区分出来。

4.现场测试时必须对各种可疑的桩身缺陷及时分析，反复检测，获得比较准确的第一手资料，不将难题留到室内分析。一般要求获得3条重复性较好的测试曲线。虽然许多测桩仪都可以对多条测试曲线进行迭加平均，到达突出有效波、抑制干扰波的目的，但假设不同曲线的初始相位存在超前或滞后，叠加后，也可能出现假的异常点。大直径桩假设存在局部缺陷，则在不同部位接收到的波形会有差异，应在现场弄清波形差异到底是测试因素造成还是由于局部缺陷引起。

输入端感应进去的50Hz干扰，前者可将电源插头反向安装或电源插头输入端引一根地线解决；后者可以将测桩仪接地、不使信号线与潮湿地面接触或改用直流电源得到解决。

在实测速度波形中，经常会出现外表波、剪切波在桩顶面来回反射、耦合形成的高频干扰波，高频波的能量大且衰减较慢。高频干扰对缺陷反射及桩低反射都有较强的掩盖作用，影响桩身完整性的判别。常常采用数字滤波滤去与桩身质

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量无关的干扰频率，增大有效波成分，以便波形能真实反映桩身完整性情况。如滤波参数选择合适，滤波后的信号将非常有利于对缺陷信号的识别。

mm桩身混凝土强度等级为C20.使用小铁锤敲击，38Hz速度传感器接收到的波形见图5-4〔a〕：波形振荡衰减，无法判断桩身质量；图5-4〔b〕为低通滤波〔0～1035Hz〕，波形规则，桩低显示清晰。

（a）

〔b〕

图5-4 滤波对时域分析的影响 〔a〕未滤波；〔b〕低通滤波〔0～1035〕

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响应要求，有目的地选择滤波参数。一般情况下，数字滤波的高频截止频率应选择在桩基的高频范围以外，或选择在频谱曲线中第一个干扰频率左侧的低谷处，这样就可以滤掉不需要的或干扰较严重的高频部分。

应力波沿桩身传播时，随传播距离的增加信号衰减严重，给动态诊断带来很大困难。在混凝土基础结构中，这一衰减量约在2～8dB/ms，即使对于20m以内的工程桩，有时反射波与入射波峰值之比也可能超过测试系统的动态范围。因此，对于长桩或信号衰减严重的桩而言，要看到不削波〔不失真〕的入射涉及桩低反射，是一对矛盾。

为此，反射波法测试系统中采用时变增益放大环节，由硬件或软件实现。一桩顶同一测点处的入射波与桩低反射波信号之间的时差为区别，在此区间内，放大增益按时间段指数函数eαt增加。显然，当α选择适当时，可使入射信号与反射波信号大小相当，从而基本能够补偿反射信号因衰减所照成的亏损。采用时变增益放大可以大大提高反射波的动态范围，有时可使本来难以识别的桩低反射变得清晰可见。

反射波法桩低信号指数放大的倍数取决与桩长及桩周介质，桩越长，放大

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倍数应取得越大。桩周介质越坚硬〔淤泥→粉土→砂土→岩石〕，对敲击产生的波场的扩散作用越明显，放大倍数也应设定得越大。指数放大的倍数不宜太大〔20～30倍较合适〕，过分放大的信号其尾部有时会呈现为大波浪，会将其牵强地判定为桩底反射。

反射波法检测桩身质量时，桩身混凝土的波速是一个重要的判断依据。在一维杆件的应力波理论中，应力波传播速度即相速度固定不变，即：

cb=√E⁄ρ 〔5-6〕

式中：cb——应力波传播的相速度，m/s

ρ——桩身混泥土密度，kg/m3 E——桩身混凝土弹性模量，Mpa

由于撞击检测只能近似满足一维应力波理论，实测波速与上式相比，有一定差异，随许多因素变化而变化：

①桩身材料粘弹性作用导致的物理频散。入射波频率越高，波速越高。 ②桩身几何尺寸的影响。包括横向尺寸导致的几何频散及桩上部的三维效应，前者使波速降低，后者使波速增加。

③土体阻力的影响。阻尼的影响是相速度随入射波频率的增加而减小，静阻力的影响则相反。

④桩身应变幅度的影响。应变增加，波速降低。 实际测量中，假设已知桩身长度，按下式计算波速：

c=2L⁄∆T 〔5-7〕

式中：c——纵波在桩身混凝土中的传播速度，m/s；

L——桩长，m；

ΔT——桩底反射波的到达时间，s；

计算的c值准确与否取决于波形曲线中桩底信号的正确判别、ΔT的正确读取，以及现场提供的施工桩长的准确性。

桩基检测时，常常会遇到对同一根桩用不同检测方法测得的波速各不相同。

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例如，声波透射法测得的波速高于高、低应变发，主要是由于用于测桩的超声波频率高〔＞20kHz〕；另外，高、低应变法把桩当成一维杆，忽略应力波传播过程的横向惯性效应，而声波透射法是三维空间模型，比一维杆假定的波速高。低应变法测得的波速又较高应变法的波速高，是由于后者的应力水平高，应变幅度大，使局部混凝土进入塑性状态，导致波速偏低。

反射波法检测桩基质量时，一般由工程监理或施工单位提供桩身混凝土设计强度等级和施工桩长。为了解施工质量的大体情况，通常对试敲的几根桩计算其应力波传播波速c，看其是否与混凝土设计强度相匹配。这是利用了波速与混凝土强度呈正相关关系的特点，即混凝土强度等级越高，波速越大。

表6为实践经验的总结。由表可看出：①同一混凝土强度等级，其波速存在一定范围的波动。原因是混凝土波速除与其强度等级有关外，还受诸多的因素影响，包括粗骨料的品种、粒径、用量，混凝土含水率、混凝土养护方式以及成桩工艺等。②不同混凝土强度等级之间存在波速交叉现象。上述两点说明波速与混凝土强度只是一种粗略的对应关系。不能依据波速去评定混凝土强度等级，反之亦然。在工程中应慎重对待，防止简单套用而引起误判。

一维纵波波速与混凝土强度等级间的对应关系 表6 混凝土强度等级 波速范围〔m/s〕 特征波速〔m/s〕 C15 2500～3000 2900 C20 2800～3500 3200 C25 3300～3800 3500 Ｃ30 3600～4000 3800 C35 3800～4200 4000 C40 4100～4400 4200

〔1〕桩长及缺陷位置的计算

桩长L按式〔5-8a〕计算，缺陷距桩顶的距离按式〔5-8b〕计算：

L=c∆T⁄2 〔5-8a〕 L’=c∆t⁄2 〔5-8b〕

式中：L’——缺陷距桩顶的距离，m； Δt——缺陷处反射波的到达时间，s。

波速c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cm。当桩长已知、桩底反射信号明确时，在地质条件、设计桩型、成桩工艺相同的基桩中，

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选取不少于5根Ⅰ类桩的波速ci按下式计算cm：

cm=n∑ni=1ci 〔5-9a〕 ci=2L⁄∆T 〔5-9b〕 ci=2L∆f 〔5-9c〕

式中：cm——桩身波速的平均值，m/s；

ci——第i根受检桩的桩身波速值，且|ci-cm |/cm≤5%，m/s；

Δf——幅频曲线上桩底相邻谐振峰间的频差，Hz；

1

n——参加波速平均值计算的基桩数量〔n≥5〕。

《桩基低应变动力检测规程》〔JGJ/T93-95〕规定反射波法可“对桩长进行核对”，而《建筑基桩检测技术标准》〔JGJ106-2002〕不在提核对桩长，是因为影响L计算精度的因素较多：

①选择的cm有较大误差。假设cm为3500m/s，实际测量中，相对误差到达5%是常有的，即3325m/s≤cm≤3675m/s。以检测30m的桩为例，计算桩长的误差可达。

②ΔT〔频域分析为Δf〕不易准确读取。一是桩底反射不清楚，例如支撑在较坚硬岩石上的端承桩、长桩或有缺陷的桩；二是由于弥散效应导致反射波波形变异。

③时间分辨率的误差。以采样时间间隔40μs〔对应采样频率为25kHz〕，假设波速为3500m/s，则计算桩长的误差为。

④由于误差传递原理可知，桩长的相对误差为平均波速cm及桩低反射时间ΔT〔Δf〕相对误差之和。

同样，缺陷位置的计算也存在类似误差，因此，对缺陷位置的计算精度提过高要求是不现实的。

〔2〕有效测试深度

反射波法的有效测试深度受以下因素的影响：

①激振方式 手锤越重、接触面刚度越小、应力波频率越低，则激振能量越大，测试深度越大。

②桩身质量 桩身混凝土越致密、强度越高、材料阻尼越小，则应力波能量被吸收的越少，测试深度越大。

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③桩型 非挤土桩的测试深度大于挤土桩，有泥浆护壁的钻、冲孔桩的测试深度也会大一些。

④桩周土 桩侧土阻力越小、桩土刚度比越大，能量衰减越小，测试深度越大。

⑤桩身完整性 桩身出现的各类缺陷都会引起能量损失，降低测试深度。 ⑥桩底支撑条件 桩端混凝土与桩端持力层阻抗相差越大，测试范围越大，反之，相差越小。例如支承在阻抗相近的岩石上的嵌岩端承桩，即便桩很短，也难以获得桩底反射波。

⑦仪器设备条件 测试系统特别是传感器的选择直接影响测试深度。

频域分析是试验振动分析中的一个重要环节，对测试信号作时、频域综合分析，是动态测试的普遍做法。在桩基检测中，要对桩身完整性做出正确的判断，只进行时域分析，有时不能有效地识别和排除各种干扰频率的影响。而频域分析则可通过研究桩身振动频谱的组成情况，判断出仪器频响、测试技术及数据处理方法等对测试信号和测试结果产生的影响，并采取相应措施，提高测试信号的质量。

反射波法测桩时，使用频域分析，在以下方面可弥补时域分析的不足： 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频域分析可以找出和排除各种干扰频率。速度传感器欠阻尼的振荡干扰、不良安装产生较低的谐振频率等现象出现时，利用频域分析可以找出其干扰频率，并通过数字滤波的方法消除这些干扰。

某桩采用铁锤敲击，打孔安装速度传感器检测，时、频域曲线见图5-5.时域曲线中缺陷处的多次同相反射波形包含着传感器欠阻尼的振荡信号，kHz为速度传感器的安装谐振频率，因此选择低通滤波滤掉1kHz以上的高频波，滤波后的曲线见图5-5。

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〔a〕 〔b〕

图5-5 频域分析指导选择滤波频率 〔a〕时域曲线；〔b〕频域曲线

③时域分析有时难以找到桩低反射信号和某些缺陷的反应信息，但在频域分析时，利用各种信号间谐振峰频差出现的规律，则可能计算出桩长〔或波速〕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，可在频域作进一步分析。

频域分析也存在不少问题：①难以确保缺陷性质，即便是区分扩颈和缩颈；②缺陷位置计算偏差较大；③不容易识别多个共振峰，特别当缺陷较多或干扰较大时。因此，在实际检测中，应以时域分析为主，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，从而不断地完善和提高对桩身完整性的认识水平和分析质量。

5.3各类缺陷〔或桩底〕的波形特征

灌注桩、预制桩常见的几种缺陷和不同支承条件下桩底的反射波相位及波形特征列于表7.由于激振条件、接收条件，桩身材料的不均匀性以及桩身存在多处缺陷等因素的影响，实际的波形更复杂。分析判断时必须在基本理论基础上，综合场地地质条件、桩型、施工记录和波形特征，反复比照求证。

各类缺陷和桩底产生的反射波，究其原因是由于桩身截面积〔A〕或材质〔ρ、c〕的差异引起的，但桩周土阻力对速度波形的影响也不容无视；例如一根平放在地上的预制桩，速度波形曲线可以看到多次桩底反射信号，而当桩打入土中以后，由于桩周土阻力的影响，能看到的桩底反射次数将明显减少。

桩周土阻力对波形曲线的影响表现在以下三个方面：①导致应力波迅速衰减，使有效测试深度减小；②影响缺陷反射波幅值，造成利用幅值进行缺陷定量分析的误差增大；③在软硬土层交界附近产生土阻力波，干扰桩身反射信号。例如，

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假设桩周土某一段为软弱土层，而上、下层土质均较硬，则会产生类似缩颈的假缺陷，该位置桩身恰恰也容易出现质量问题，土阻力反射波与桩身缺陷反射波容易混淆，造成误判。与桩阻抗变化引起的突变信号相比，土阻力引起的反射信号一般是渐变的，可通过对同一场地、同一桩型的检测结果进行综合比较，并认真分析工程地质资料来区分。

反射波法桩基检测判别依据 表7 桩身缺陷及类型 桩底支承情况 波阻抗变化 反射波相位特征 反射波波形特征 多次反射，间隔时间相等；第一次反射脉冲幅值较高，前沿比较陡峭；难见以下部位较大缺陷及桩低信号 反射波形比较规则；可能有多次反射，一般可见桩低信号 反射波不规则；后续信号杂乱；波速偏小；一般可见以下部位较大缺陷及桩低信号 反射波形比较规则；可能有多次反射，一般可见桩低信号 一次或多次反射，能否看到桩低信号视缺陷严重程度 在接头处出现同相发射波，严重时难见以下部位较大缺陷及桩底信号 在有效测试深度内桩底信号一般较清晰 会出现3种情况：桩底反射不清晰；反向；先反向后同向。尾部反射波形较复杂 一般较清晰，注意与同场地的其它桩比较 备注 断裂〔夹层〕 ρ1＞ρ2，c1＞c2，A1=A2 同相 灌 缩颈 注ρ1=ρ2，c1=c2，A1＞A2 同相 桩离析 ρ1＞ρ2，c1＞c2，A1=A2 同相 扩颈 ρ1=ρ2，c1=c2，A1＜A2 反向 细小的不贯穿裂缝会漏判 适用于焊接桩 反向反射有时是基岩面 适用于端承桩 预制桩 裂缝、裂隙、ρ1＞ρ2，c1＞c2，碎裂 A1=A2 同相 脱焊、虚焊、ρ1＞ρ2，c1＞c2，不良焊接 A1=A2 摩擦桩 ρ1＞ρ2，c1＞c2，A1=A2 ρ1≤ρ2，c1≤c2，A1=A2 ρ1＞ρ2，c1＞c2，A1=A2 同相 桩底支承条件同相 嵌岩桩 见右 桩底沉渣过厚 同相

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拟建合肥润地星城住宅小区位于合肥市蒙城北路与金梅路交口西北侧，总用地面积亩，总建筑面积306022平方米，分为A、B两个地块，该工程由安徽省建筑科学研究设计院设计，由合肥建工集团公司负责施工。A23#楼位于小区A地块内，该建筑基础为人工挖孔桩，总桩数为根，桩身混凝土强度等级设计为C30。

受安徽润地双达房地产开发委托，我院承担该工程的基桩检测工作。根据业主、设计等部门及标准的要求：①该工程根人工挖孔桩全部进行完整性〔低应变反射波法〕检测；②抽取3根桩〔桩号为3#、12#、39#〕进行了基桩承载力〔自平衡法〕检测。自平衡法试验桩的施工参数及施工日期详见下表1。以上检测外业工作于2012年6月24日全部结束。桩端持力层为⑦2层中风化砂岩，该层桩端承载力特征值qpa=3500kPa。注：以上资料由建设、设计、勘察等单

位提供

工程实例桩的信息 表8

桩号 30 31 32 33 34 35 36 37 38

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有效桩长 混凝土设计强度 C30 C30 C30 C30 C30 C30 C30 C30 C30 实例分析

1.有时域曲线可知该桩的桩底反射时间ΔT=ms,波速为3765m/s。由图5-6可知，该桩的时域曲线振动正常，没有畸变，并且可见桩底反射，所以该桩为完整桩。

图5-6 30号桩的时域曲线图

2.图5-7为31号桩的时域曲线图，该m，波速3937 m/s，波形正常没有缺陷反射，可见桩底反射，所以该桩为完整桩。

图5-7 31号桩的时域曲线图

3.m,波速3972 m/s。波形正常没有缺陷反射，并可见桩底反射，所以该桩为完整桩。

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图5-8 32号桩的时域曲线

为33号桩的时域曲线图，m,波速3975 m/s。桩的波形正常没有出现缺陷反射，并且桩底反射清晰，所以该桩为完整桩。

图5-9 33号桩的时域曲线图

5. 图5-10为34号桩的时域曲线图，m，波速3571 m/s。桩的时域曲线桩底反射清晰，没有出现缺陷反射，所以该桩为完整桩。

图5-10 34号桩的时域曲线图

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6. 图5-11为35号桩的时域曲线图，m，波速3679 m/s。桩的时域曲线桩底反射清晰，没有出现缺陷反射，所以判断该桩为完整桩。

图5-11 35号桩的时域曲线图

7. 图5-12为36号桩的时域曲线图，m，波速4142 m/s。桩的时域曲线桩底反射清晰，虽然出现波形的波动但波速正常桩的时域曲线桩底反射清晰，所以判断该桩为完整桩。

图5-12 36号桩的时域曲线图

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8. 图5-13为37号桩的时域曲线图，m，波速3676 m/s。桩的时域曲线桩底反射清晰，波形平缓无缺陷反射，所以判断该桩为完整桩。

图5-13 37号桩的时域曲线图

9. 图5-13为37号桩的时域曲线图，m，波速3633 m/s.桩的时域曲线可见桩底反射，桩身无缺陷反射，所以判断该桩为完整桩。

图5-14 38号桩的时域曲线图

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第六章 反射波法的使用总结

1.局限性

〔1〕尚无法对缺陷准确定性。目前依据波阻抗的变化，仅能有把握地将缺陷区分成缩颈类与扩颈类。如缩颈与离析、严重离析与断桩，夹层与裂缝尚不能很好的区分。进一步确定缺陷的性质需要检测经验及其它补充资料。

〔2〕对缺陷程度的定量分析尚不理想。由于波速及算或选取不准，据此计算的缺陷位置的误差在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。

〔3〕对阻抗渐变类的缺陷难以判断，甚至可能得出相反的结论。例如缩颈、离析、扩颈等发生在桩身的某一段，缺陷程度由轻至重或由重至轻，相应波阻抗缓慢减小或增大，实测信号将无法反应这一变化。特殊情况下，例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这种“有利”缺陷的结论，这是很危险的。

〔4〕桩身存在多个缺陷时，深部缺陷容易漏判，如第一缺陷在浅部时，尚可以通过开挖并早去上部缺陷再行检测，否则只能通过其它方法进一步检测。

〔5〕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。

〔1〕依据桩型、桩长、桩径采用合理的振源，选择合适的测桩仪及传感器，进行必要的信号后处理，充分的考虑地质、施工条件等因素，了解可能出现的缺陷种类以及各类缺陷的特征，可以有效提高采集波形质量及分析水平。综合分析同一工程的其它被检桩，寻找各桩之间的共性，有利于对单桩检测结果的分析判断。

〔2〕提高反射波法检测水平的另一途径是有效利用目前采集的信息。在时域分析的基础上，辅以频域分析；借鉴其它低应变分析方法的分析经验，例如可以借鉴水电效应法利用功率谱各峰值的相对大小判断桩身缺陷程度的分析方法；罗伟新提出将实测信号的振幅谱分解为振源振动的振幅谱和|L〔ω〕|函数，通

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过拟合|L〔ω〕|曲线求得视反射系数及往返时间τ。

〔3〕信息量的不足是制约反射波法识别能力的首要因素，因此应在目前单纯利用纵波分析的基础上，提取更多的信息。这方面已有不少研究人员作了尝试并取得了一定的效果。王雪峰提出了结合一维纵波和扭转剪切波定量分析缺陷程度的方法。

〔4〕以上三条都是从技术角度出发提出的提高反射波法检测水平的建议。从管理的角度来说，通过制定更切实可行的标准；加强对检测单位的管理；增加行业内的交流等等，可以有效地促进反射波法测桩水平的提高。

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参考文献

[1] 中华人民共和国国家标准. 基桩低应变动力检测规程〔JGJ/T 93-95〕 [2] 中华人民共和国国家标准. 建筑桩基技术标准〔JGJ 94-94〕 [3] 周东泉. 基桩检测技术. 北京：中国建筑工业出版社，2010

[4] 刘金砺，李大展. 桩基设计与检测. 北京：中国建材工业出版社，2001 [5] 陈凡，徐天平，陈久照，关立军. 基桩质量监测技术. 北京：中国建筑工业出版社，2003

[6] 罗骐先. 桩基工程检测手册. 北京：人民交通出版社，2003

[7] 王雪峰. 波动方程拟合分析原理及应用〔CCWAPC用户手册〕. 武汉岩海公司，1996

[8] 王雪峰，吴世明. 基桩动测技术. 北京：科学出版社，2001 [9] 段新胜，顾湘. 桩基工程. 武汉：中国地质大学出版社，1994

[10] 刘明贵，佘诗刚，汪大国. 桩基检测技术指南. 北京：科学出版社，1995 [11] 王靖涛. 桩基应力波检测理论及工程应用. 北京：地震出版社，1999 [12] 徐攸在. 桩基检测手册. 北京：中国水利水电出版社，1999

[13] 罗新伟. 反射波法检测桩身完整性的一种频域数据处理方法. 物探与化探，1993

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致 谢

本论文是在宛新林教授的悉心指导下经过三个月的撰写完成的。宛新林教授不仅在学业和研究上为我指明了方向，而且在生活上给了我许许多多的关心和帮助。宛新林老师勤勤恳恳、一丝不苟、严谨细致的治学精神是我学习的榜样，宛老师真诚、谦和、耐心的人格魅力也一直感染着我。在此，谨向导师表示深深的敬意和衷心的感谢!

感谢在论文撰写过程中帮助我的同学们，不是他们的帮助，我的论文是无法完成的。认识你们是我今生的荣幸，感谢同学们的支持与帮助！还要感谢所有老师在学业上给我的指导。感谢所有同窗同学，不仅在生活和学习上给了我很大的帮助，在大学生涯中结下的深厚友谊也是我一生的财富。

同时，还要感谢我的父母和家人，在我四年的学习时间里，给我的支持和鼓 励，使我能够顺利的完成学业。

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附录：文献翻译

9 INTERPRETATION, CONCEPTS & PITFALLS

Interpretation is very application dependent and can be very subjective (in that it depends greatly on the individual doing the interpretation). The following are the critical aspects of data interpretation.

1. Have a clear understanding of the survey objective.

2. Develop a conceptual model of the geological setting or application structure. 3. Organize the data into systematic sets which are easily correlated with site maps. 4. Establish an estimate of velocity and attenuation (or depth of exploration achieved). 5. Develop a scenario for the radar response expected based on the initial conceptual model(i.e. a slowly varying continuous event for a major geologic horizon, a spatially limited diffraction hyperbola for a pipe). Use modelling tools if the are available. If possible process data to enhance the type of response expected. 6. Decide if the GPR data are consistent with the model.

7. Correlate radar data with geologic control and ground truth such as drilling, excavation,coring or construction drawings.

8. Create visualizations of the GPR results suitable to the application. 9. Carry out drilling or follow up control work based on GPR inferences.

10. Review data after additional control becomes available and, if necessary, return to step 2and re-think.

The following are small vignettes addressing specific problems

9.1 Gradational Interfaces

Many GPR problems require detection of the response of interfaces which are not sharp and clean cut. Natural interfaces are often blurred by the natural depositional sequence involved in the creation of the stratigraphy. Many manmade interfaces can also be indistinct as construction practice may lead to mixing of materials.

The water table example is a classic example of a gradational boundary. The

water table has one of the largest property contrasts in nature yet invariably it may not yield a strong radar response, particularly at higher frequencies.

The gradational nature of the water table interface is depicted in Figure 9-1.

Water is distributed in a gradational fashion in the pore space due to capillary suction.

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Figure 9-1: Schematic illustration of how water content varies with depth. The change from residual water content to saturation is note sharp but gradual. Transition width depends on soil

texture.

Figure 9-2 depicts a simple model of a gradational boundary and a sharp

boundary. The transition in the gradational case spans a width of 0.5 meters which is typical of the transition width in the Camp Borden sands in the example section

presented in Figure 9-5. The synthetic GPR responses for a 100 MHz radar system are shown in Figure 9-3.

Figure 9-2: Two model profiles of permittivity versus depth - one abrupt and one with graded

permittivity over a 0.5 width.

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From the simple modelling results, it is apparent that introducing a gradational transition substantially reduces the water table reflection amplitude. It also smears the reflection out with lower frequency content; the gradational boundary acts as a low pass filter on the GPR pulse.

The synthetic data are also plotted in cross section form in Figure 9-4. The contrast between the sharp boundary and the gradational boundary response is very apparent. The blurred response of the gradational interface is quite similar to that observed in the radar sections shown in Figure 9-5.

Figure 9-3: Results of synthetic radar calculation for two cases shown in Figure 9-2.

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Figure 9-4: Gray scale displays of the sharp and gradational responses on a comparable scale to the GPR sections in Figure 9-5.The gradational response has reflections width similar to the

water table reflection.

Figure 9-5: The figure on the left shows a 100 MHz pulseEKKO 100 section of water table test line collected in step mode at 20cm station intervals. Antennas axes were aligned perpendicular to the survey line. The figure on the right is the same as the left only this shows antennas were axes oriented parallel to line direction and antennas moved continuously resulting in less accurate spatial positioning. Rubber banding was used to covert data to equal spatial positioning prior to

plotting.

In summary, many interfaces are not as sharp and clean as the ideal case. GPR responses will tend to be weaker and more blurred than the ideal. These are important concepts for GPR users to keep in mind.

9.2 Velocity Determination Using Hyperbolic Fitting

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The full utility of GPR data requires knowledge of how fast the signals travel in the material under investigation.Several techniques have been used such as CMP (common mid-point), WARR (wide angle reflection and refraction),

known-depth-target, hyperbolic fitting to a local target and diffraction tail matching.

All of these techniques require GPR measurements along a traverse where the geometry is varying in controlled fashion.In other words, the distance to a target varies in such that estimations of velocity can be extracted.

For pipe and cable location of rebar and conduit location, line-like features are localized targets if the GPR system traverses perpendicular to the feature alignment. To estimate velocity, the path length to the object must vary. Figure9-7 illustrate this using a linear pipe or cable as an example. In order to extract velocity information, the radar system must be moved perpendicular to the axis of the pipe or cable. The

long-axis direction is commonly called the“strike direction” or “strike” for short. If a GPR traverses perpendicular to the strike, the distance varies from the radar system to the pipe in a systematic fashion. Traversing parallel to the pipe strike yields no change in the distance of the pipe and hence, a flat non-changing event on the GPR record. Figure 9-8 shows these two extremes using real data from a clay drainage pipe in a farm field.

Figure 9-6: Cross section through area with GPR traverse perpendicular to pipe or

cable strike direction.

Figure 9-7: Plan view looking down or ground from above. Traverse 1 is perpendicular to strike and is optimal for velocity determination. Traverse 2 is at an oblique angle and 3 is parallel to the

pipe strike axis. Data from traverses 2 and 3 are not suitable for determining velocity.

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Figure 9-8: GPR data over clay drainage pipe perpendicular to pipe direction (line 1 in Figure

9-7)

Figure 9-9: GPR data over a clay drainage pipe parallel to pipe direction (line 3 in Figure 9-7).

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Figure 9-10: Relationship between GPR position (x), object depth (d) and travel time (T). T0 is

travel time when GPR is directly over the object.

GPR cross-sections display signal amplitude versus position (normally on the horizontal axis denoted as x) and time(which is normally the vertical axis denoted as T). A local target has a travel time versus position as depicted in Figure9-10. The mathematical form is a hyperbolic shape (inverted U on a GPR section) relating spatial position (x) to travel time (T). Figure 9-11 shows the response in a GPR cross-section as the target depth is varied. Figure 9-12 illustrates the behavior as the velocity is changed.

Figure 9-11: Schematic variations in GPR response when object depths varied for constant

velocity.

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Figure 9-12: Schematic variations in GPR response when velocity is varied for a

fixed object depth.

Figure 9-13: Example of shape fitting to a target response on the screen in the field. This feature

is standard on Noggin Smart Systems and Conquest.

A handy interpretation aid is to visually fit a model hyperbolic shape to the GPR data as illustrated in Figure 9-13.Placing the top of the model (triangle point) over the apex (top of inverted U) in the data section selects T0. Adjusting the model shape to match the data yields an estimate of the velocity, v. Combining v and T0 yields an estimate of the depth to the top of the target.

This tool is routinely employed in many of Sensors & Software Inc.’s Smart Systems. Users must be cautious since the velocity estimate can be erroneous if the traverse is not perpendicular to a linear feature strike. Good field practice entails several traverses over an object. Only use the hyperbolic fitting on the traverse that gives the most steep slope to the arms of the inverted U. This approach assures getting

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the most correct velocity. A traverse not perpendicular to a strike will be always yield a velocity higher than the true velocity object depths will appear deeper than reality.

9.3 Polarity

The polarity of a GPR signal can be very helpful in interpretation of data. In this section, we will provide some basic insight into polarity, what causes it and how you recognize it in data.

The first thing is to define what we mean by polarity. A GPR signal normally reduces to a wavelet in time which has three half cycles such as shown in Figure 9-14. This up-down-up or down-up-down nature of the signal is common and is the result of the radiation characteristics of a small dipole antenna. The relative amplitude of the half cycles are 1, -2, 1 or –1, +2 or -1. The resultant signal has no DC or average value.

The user must develop a systematic convention for antenna deployment in order that the sign convention is consistent for a given survey application. There is no particular standard for what is defined as positive and negative. Normally at Sensors & Software Inc. we define the polarity of the signal based on the sign of the voltage of the first half cycle.A positive voltage in the first half cycle means a positive pulse while a negative voltage during the first half cyclemeans a negative pulse or polarity.

Sometimes it is easier to describe a positive wavelet according to Sensors & Software Inc.’s sign convention as a signal that looks like an “M”. A negative polarity wavelet would be one that looks like a “W”. These concepts are depicted in Figure 9-14.

Figure 9-14: The typical GPR wavelet is an “M” or “W” shaped pulse as depicted here.

When a GPR measurement is made, there are signals which travel directly from the transmitter to the receiver as well as reflections coming from the subsurface.

Figure 9-15 depicts the basic concepts of a simple measurement showing the direct air wave, the direct ground wave and a subsurface reflection. In this case we use a

positive transmit pulse(having an “M” shaped wavelet). The direct airwave will have a positive “M” shaped wavelet whereas the direct ground wave will have a negative or “W” shaped wavelet. The polarity of the reflection from the subsurface horizon,however, can either be positive or negative (“W” or “M” shaped).

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Figure 9-15: When GPR measurements are made, the transmitter and receiver are placed on the material to be probed. The minimal number of events which will normally be observed are 3 which are the direct wave A, the direct ground wave G, and a reflected signal R. Two idealized radar traces are shown here which show the polarity of the various wavelets associated with the arrivals. Two traces are shown because the reflected signal could have either a positive or a negative polarity. The polarity of the reflected signal is dictated by the nature of the change in the electrical properties which cause the reflection. Figure 9-16 depicts the details of reflection from a target interface. Reflection is caused by a change in the

electromagnetic impedance. A higher impedance target yields a positive reflection coefficient whereas a lower impedance target yields a negative reflection coefficient. In GPR, metal is a very low impedance (essentially 0)material and will always give rise to a negative reflection wavelet. On the other hand, a void in soil or rock represents a high impedance material and will give rise to a positive reflection wavelet.

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Figure 9-16: When a signal is incident on an interface, the reflected signal is dictated by the

change in impedance on the interface.

An example data set is shown in Figure 9-17. These GPR measurements were made on a concrete structure which contained metal rebar and an air filled duct. The polarity of the signs of the wavelets from the reflections are clearly in accord with the above discussion. In the particular sections shown here, positive signals are shown as black, negative signals are shown as white and background level signal (which are zero amplitude) are shown as gray.Figure.

Figure 9-17: An example of GPR data from concrete data. Positive wavelets are

black-white-black bands, negative wavelets are white-black-white bands and the background gray represent zero signal level. In this case the radar profile passed over a metal reinforcing bar and

an air filled non-metallic conduit in the concrete.

9.4 Airwave Events

‘Airwaves’ is the name given to events on GPR records which are associated with energy that leaks into the air and gets reflected back into the GPR receiver. The

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source of these airwave reflections can be any above ground objectssuch as telephone poles, overhead wires, walls, vehicles, etc. (see Figure 9-18).

Figure 9-18: Radar energy that leaks into the air can reflect from surface objects in the GPR survey area. These ‘airwave’ reflectionscan look like subsurface targets in the GPR record.

GPR users tend to think that all GPR responses come from within the ground. It is very natural to think that GPR systemsonly look downwards and implicitly believe any event on a record must be from the subsurface. In fact, because the ground absorbs energy so rapidly whereas air does not, airwave events will often appear on GPR records.

Airborne signals cause problems in two different ways:

• the airwave response may mask weaker subsurface signals and make them difficult or impossible tosee or interpret,

• airwaves may be falsely interpreted as a buried object when in fact the object is above the ground.

The GPR data set shown in Figure 9-19 is an example of how a false

interpretation could occur. This particular data set was acquired along a road profile. The objective of the survey was to see whether there were karst (void) features underneath the roadway which could pose hazards to vehicular traffic. Several

hyperbolic responses typifying the presence of localized features were apparent on the record.

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Figure 9-19: Airwave reflections from trees in the GPR survey area. All the reflectors below 100

ns in the data are caused by surfaceobjects.

To the uninitiated, these ‘hyperbolic’ features can easily be misconstrued as coming from localized cavities beneath the roadway. An experienced GPR operator should routinely question the source of all signals particularly when the amplitude versus time response indicates that signals in the ground are decaying at a very rapid rate. The amplitude of the hyperbolic responses in Figure 9-19 are anomalously large given the attenuation in non-anomalous areas of the data.

A second reason that these features can be identified as airwave events is the slope of hyperbolic tails. These events have an airwave slope which indicates that the source of the signal is in the air. Indicators of airwaves are:

• use your eyes to look for potential sources of airwave in your survey areas; • when profiling, always run some profile lines towards or away from a surface object to evaluate whether or not the object is scattering energy. The response from the object will show up on the GPR record as a straight line event which slopes at the airwave velocity (see Figure 9-20, Figure 9-21 and Figure 9-22 lines B – B1 and C – C1);

• check diffraction tails of hyperbolic events for slopes close to the airwave speed;

• check the frequency content of events as airwave energy often has higher frequency content than subsurface responses.

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Figure 9-20: A figure showing the orientation of 3 GPR survey lines (A, B and C) in an area where a building and a tree are present. The figure also shows how during data acquisition of LIne A, radar energy leaks out into the air, reflections from the buildings and the tree and returns to the receiver. Although not depicted the same leakage occurs on Lines A, B and C are shown in

Figure 9-21.

Figure 9-21: Airwave responses from LIne A in Figure 9-20. As the GPR survey line is run from A to A’ it approaches and passes the building and then approaches and passes the tree. The sloped responses occur as the distance to a surface object decreases as it approached or increases as it is passed. When the GPR is run parallel to a long linear surface object like a building, the airwave response is a flat event. When the GPR is run beside a point target like a tree the airwave

response is the classic hyperbolic shape.

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Figure 9-22: Airwave response from Line B in Figure 9-20. As the GPR survey line is run from B to B’ the building gradually gets further away. Consequently, the building creates a straight reflector starting early in time at position B and later in time at B’. The slope of this is 1/c where c

is the speed of light.

Figure 9-23: Airwave response from Line c in Figure 9-20. As the GPR survey line is run from C to C’ the tree gradually gets further away. Consequently, the tree creates a straight reflector starting early in time at position C and later in time at C’. The slope of this line is 1/c where c is

the speed of light.

Removing or eliminating air launched energy is difficult. Sometimes it can be

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minimized by optimizing antenna and/or survey line orientation. Airwave tends to get launched as vertically polarized fields off the ends of the dipolar GPR antennas

traditionally used. Vertical features such as pipes, poles and trees make good targets. Changing the antenna orientation is only practical in some types of surveys and not all situations.

Digital processing may filter out the airwave features. For survey lines with airwave targets are at or beyond the end of the line, the airwave event will have a fixed slope (Figure 9-22 and Figure 9-23) allowing digital dip filters to remove the airwave energy and leave all the rest of the data intact.

In other situations the difference in frequency content between ground events and airwave events can be used to advantage. Low pass temporal filtering can suppress airwaves and enhance ground responses.

In some situations GPR just cannot be used because the airwave events dominate. This is a fact of life and must be accepted as one of the limitations of GPR.

Avoid the fallacy that shielded antennas will eliminate airwaves. Shielding of GPR antennas is never fully effective.Shielding can reduce airwave events (by a factor of two to even ten) but it never fully eliminates their presence.“Shielded” antenna data should always be treated as suspect when it comes to airwaves.

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第九章 探地雷达的解释概念和误区

解释可以完全取决于应用程序,也可以是很主观的(在很大程度上取决于个人做解释)。以下是数据解释的关键方面。

。

2.建立一个地质背景或应用程序结构的概念模型。 3.组织数据成很容易与网站地图相关系统的集合。 4.建立速度和衰减〔或深入探索实现〕的估计值。

5.基于初始概念模型为预期的雷达响应制定一个方案〔即一个缓慢变化的连续事件的主要地质视野，在空间有限衍射双曲线的管道〕。如果是可用的，使用建模工具。如果可能过程中的数据可以提高反应预期的类型。

GPR数据与模型一致。

7.雷达数据应与地质控制和地面实况〔如钻孔，挖掘，取芯或施工图纸〕一致。

8.建立适合于应用程序的可视化GPR结果。 9.根据探地雷达的推论进行钻孔或后续工作的管理。

10.附加控制处理后的数据可用，如有必要，返回到第二步重新设定。 以下是解决具体问题的情况。

9.1 渐变接口

许多探地雷达问题都需要检测哪些是不清晰界面的响应，哪些是清晰界面的响应。自然界面往往是由模糊的自然沉积序列参与创建的地层。许多的人为的不合理施工做法可能会导致接口处材料的混合。

地下水位的例子是一个渐变边界的经典案例。地下水位的特点是自然条件下不会总是对较高的频率产生雷达响应。

地下水位的渐变性质示于图9-1。由于毛细吸力的作用，水是分布在渐变的空隙空间中。

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图9-1含水量随深度的变化情况示意图。从残留水分到饱和的变化是渐变的。过度宽度

取决于土壤的质地。

Water content——含水量。 Depth——深度。 Transition——过度。 Fringe——边缘。 Water table——隔水层。

图9-2描述了一个渐变边界的简单的模型和锐界。在渐变过渡情况下跨越0.5米的宽度，是中图9-5给出典型的营波登砂中的例子中的过渡宽度。对于100 MHz雷达系统的探地雷达合成响应如图9-3所示。

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图9-2：介电常数随深度的两种模式配置文件

一个介电常数变化突然和一个介电常数分级超过0.5宽度。

Depth(m)——深度〔米〕。

Relative permittivity——相对介电常数。

从简单的模拟结果，显而易见的是引入一个渐变过渡大大降低了地下水位反射振幅。它还涂片反射出较低的频率成分;在渐变边界作为对GPR脉冲的低通滤波器。

合成数据的横截面形式绘制在图9-4。锐界之间的比照在渐变边界的反应是非常明显的。这个渐变界面的模糊回应与图9-5中所示的雷达截面观察颇为相似。

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图9-3：如图9-2所示的两个情况的合成雷达的计算结果

Sharp——锐界面。 Gradational——渐变界面。

图9-4：图9-5的尖锐性和层次响应在可比规模的探地雷达截面的灰阶显示。该渐变反

应反射宽度类似地下水位反映。

Time(ns)——时间〔ns〕。

Position in metres——位置的单位米。

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图9-5：左边的图显示脉冲100Hz了在收集步模式地下水位的测试线在20厘米区间EKKO100节。天线是垂直对准测线。右边的图与左边的图的区别在说明天线分别轴方向平行线方向和天线不断移动导致空间定位不准确。在很多接口不一样的灵敏度和清洁的理想情况下，橡胶带被用于将数据覆盖等于空间定位之前测绘。探地雷达响应将趋于减弱，比理想更加模糊。

这些是探地雷达用户要记住的重要概念。

9.2 采用双曲线拟合进行速度测定

在调查了解物质如何快速行驶的探地雷达数据的完整实用程序需要的信号中，几种技术已被用于诸如CMP〔共中心点〕，WARR〔广角反射和折射〕，已知深度的目标，双曲线拟合到本地目标和衍射尾匹配。

所有这些技术都需要探地雷达测量沿横向移动，其中几何形状改变在受控制的情况下。换句话说，到目标的距离可以根据速度估计值得变化而变化。

是否GPS系统横贯垂直于所述特征对齐，由管道中的钢筋和电缆的位置，形状特征，本地化目标决定。以该对象的路径长度，估算速度必然有所不同。图9-7说明了这种使用的线性管和电缆。例如，为了提取速度信息，该雷达系统必须被移动到垂直管道或电缆的轴线。长轴方向通常被称为“罢工方向”或简称为“罢工”。如果探地雷达垂直穿越长轴，距离随雷达系统管道的变化而变化。探地雷达穿越平行于长轴，距离没有变化，因此一台探地雷达记录的事件没有改变。图9-8 显示了在农田粘土排水管中这两个极端情况下使用的数据。

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图9-6：探地雷达横向垂直于管道或电缆走向方向通过区域横截面。

Pipe/cable——管道或电缆。

图9-7：平面图向下看或从地面以上。1导线垂直于长轴，是最正确的速度 目标。遍历2是在一倾斜角和3是平行于管道轴线走向。从横梁2和3的数据不适合

决定速度。

图9-8：超过粘土排水管材垂直于管道方向的探地雷达数据〔图9-71号线〕

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Position——位置。

图9-9：粘土排水管在平行于管道方向〔图9-7的3号线〕探地雷达数据。

Time-in-nanoseconds——时间〔纳米〕。 Position-in-feet——脚的位置。

图9-10：当探地雷达是直接在对象上时，探地雷达位置〔x〕， 对象的深度〔d〕和旅行时间〔T〕之间的关系。T0是旅行时间。

GPR的横截面显示信号振幅随位置〔通常在水平轴上表示为x〕和时间〔通

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常表示为T为纵轴〕。本地目标都有一个旅行时间相对如图9-10所示的位置。数学形式是双曲线形〔倒U型的探地雷达截面〕是空间位置〔x〕和旅行时间〔T〕的函数。图9-11示出了在探地雷达横截面随目标深度是变化的响应。图9-12 示出了作为速度被改变的情形。

图9-11：，当物体的速度恒定深度变化时，探地雷达响应的变化示意图。

图9-12：一个物体的深度固定速度变化时，探地雷达响应的变化示意图时。

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图9-13：外形拟合在现场屏幕上的目标响应例如。此功能是在诺金的智能标准

系统控制的。

如图9-13所示一个方便的解释援助是直观地拟合模型双曲线形状的探地雷达数据。在顶部〔倒U顶部〕放置模型的顶部〔三角点〕在数据段选择T0。调整该模型的形状相匹配估计速度产生的数据，结合v和T0产生的估计目标顶部的深度。

这个工具是经常用在许多传感器和软件公司的智能系统。用户必须谨慎使用，如果导线不垂直于一个线性特征长轴，速度估计可能会出现错误。良好的现场实践需要几个横移过的对象。仅使用在横向的双曲线拟合，给出了最陡峭的斜率反向U。这种方法可确保获得最正确的速度。横移不垂直长轴将总是产生一个速度比真实物体更高的速度和一个更深的深度。

9.3 极性

探地雷达信号的极性对数据的解释是非常有帮助的。在本节中，我们将提供一些基本的洞察极性是什么造成的和你怎么辨识它的数据。

第一件事是定义我们所说的极性。如图9-14所示，探地雷达信号通常会降低到子波的三个半周期。信号的这种升降压式或下上下性质是常见的，是一个小型的偶极天线的辐射特性的结果。相对幅度的半周期是1，-2，1或-1，2或-1。

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所得到的信号没有直流或平均值。

用户一定要养成天线部署一个系统的惯例，对于一个给定应用程序的调查以使符号惯例是一致的。有什么被定义为正，负，没有特别的标准。通常在传感器和软件公司定义的基础上，我们定义第一半周期的电压的符号是信号的极性。在第一个半周期正电压是指一个正脉冲，而在第一个半周期的负电压表示一个负脉冲或极性。

有时候，很容易根据传感器和软件公司的标志惯例来描述一个正极性的子波变换作为看起来像一个“M”信号。负极性的子波是一个看起来像一个“W”。这些概念如图9-14所示。

图9-14：这里所描述的是一个典型的“M”或 “W”形的脉冲GPR子波变换。

当一个GPR测量时，信号有直接从发送器，以及从地下反射来的行进到接收器。图9-15描绘了一个简单的测量表现的基本概念直气浪，直接地面波和地下反射。在这种情况下，我们使用一个正脉冲发射〔具有一个“M”形的子波变换〕。直接的无线电波将产生正面的“M”形子波变换，而直接地波会产生负面或“W”形的子波变换。从地平线以下反射的极性，然而既可以是正的或负的〔“W”或“M”形〕。

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图9-15：在GPR测量时，发射器和接收器被放置在要被探测的物质。通常可以观察到 的时间数是直接波A，直接地波G和一个反射信号R。两个理想化的雷达痕迹在此处显示相关联的各种子波的到达。两条迹线显示，因为反射信号可以有一个正的或负的极性。

反射的信号的极性是由在电特性引起的变化的性质所决定的反映。图9-16描绘了从目标反射界面的细节。反射是由一个变化的电磁阻抗引起的。较高的阻抗目标产生了正的反射系数，而较低的阻抗目标产生一个负的反射系数。在探地雷达，金属的阻抗非常低〔基本上为0〕。材料将始终引起子波变换的负反射。

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另一方面，在土壤或岩石的孔隙代表高阻抗材料将产生一个正的反射波。

图9-16：当一个信号在接口上入射，反射的信号取决于接口上阻抗变化

Incident——入射波。 Reflected——反射波。 Transmitted——透射波。

For a dielectric target——介质目标。 Reflection coeffcient——反射系数。

Special case of metal target——金属目标的特殊情况。

图9-17显示了一个例子的数据集。这些GPR测量是在含有金属螺纹钢和空气填充管道的结构上作出的。子波的反射极性迹象明显符合上述讨论。在这里显示出的特定的部分，正的信号显示为黑色，负信号显示为白色和背景电平信号〔它是零幅度〕都显示为灰色。

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图9-17：一个具体探地雷达数据的例子。正子波是黑 - 白 - 黑阶，负子波是 白 - 黑 -

白带和背景灰度代表零信号电平。在这种情况下，雷达更新通过金属钢筋和混

凝土非金属管道的空气弥漫。

9.4 电波波的活动

“电波”是探地雷达记录与能量相关的泄漏到空气中被反射回雷达接收机的事件。这些电波反射的来源可以是任何地上的物体如电线杆，架空电线，墙壁，车辆等〔见图9-18〕。

图9-18：泄露到空气中的雷达能量可以被GPR测区物体外表反射。这些“电波”的可

以看成探地雷达记录地下目标。

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探地雷达用户往往认为所有的探地雷达响应都来自地面的内部。这是很自然的认为GPR系统只能看向下和隐含相信在记录任何事件必须是地面以下。事实上，因为地面吸收的能量很快，而空气不是，电波活动会经常出现在探地雷达记录。 机载信号会导致两种不同的方式的问题：

电波响应可能掩盖弱的地下信号，使它们难以或不可能被接收到。 电波可能被错误地解释为隐埋对象，而实际上该对象是在地面之上。 在图9-19所示的是探地雷达数据集可能发生错误解释的例子。该特定数据 集沿着道路轮廓获得。这项调查的目的是看在车道下面是否有岩溶〔裂隙〕特性，这可能会对车辆交通造成危害。几个典型化局部特征双曲回应是明显的记录。

图9-19：从探地雷达测区树木电波的反射。下文中的数据100纳秒的所有反射器是由

外表物体造成。

对于外行，这些“双曲线”功能，可以很容易被误解为局部车行道下面的空洞。一个有经验的探地雷达操作人员应经常质疑所有信号源尤其是当振幅随时间变化的响应说明，在地面信号以非常快的速度衰减。图9-19是非异常区的双曲线反应振幅异常的衰减数据。

形成电波波活动功能的第二个原因是双曲线尾部的斜率。这些活动有一个说明该信号源是在空气中大气电波斜率。 电波的指标是：

用眼睛去寻找大气电波在您的调查领域的潜在来源；

分析时，总是执行某些靠近或远离外表的对象轮廓线，以评估该对象是否对能量进行散射。物体的响应将会被探地雷达以大气电波的速度记录成一条直线。

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〔参见图9-20，图9 - 21和图9-22 B线 - B1和C - C1〕;

检查接近大气电波双曲线速度斜率衍射的尾部；

检查事件的频率内容因为无线电波的能量比地下响应往往具有较高的频率成分。

图9-20：显示在一个地区存在建筑物和树使探地雷达测线有3个方向〔A，B和C〕。该图还显示了如何采集数据线的过程中，雷达能量泄漏到空气中，从反射建筑物，树，并返回

到接收器。但发生在线路A，B和C同一泄漏未被示出在图9-21。

图9-21：图9-20A线上的大气电波反应。由于探地雷达测线从A运行到A'在接近并通过大楼的时候，途中经过了树。倾斜的响应出现，以接近一个面物体的距离减小或增加，因为它是通过。探地雷达平行运行线状物体外表就像一个大楼，大气电波长的响应是平坦的。当探

地雷达向旁边点目标运行像一棵树，大气电波的反应是经典的双曲。

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图9-22：图9-20 大气电波在B线上的响应。由于探地雷达测线从B处运行 到B'的建筑物逐渐变得更远。因此，在位置B的时间一开始，后来在时间 B'，建筑物创建一个

直反射器。这个斜率是1/c，其中c是光速。

图9-23：图9-20 C线大气电波的响应。于探地雷达测线从C移动到C'树逐渐遥远。因此，在C点开始时间和C'点的时间，树创建一个直反射。斜率 这条线是1/c其中c是

光速。

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去除或消除空中发射的能量是困难的。有时也可以通过优化天线或测线方向,使空气中发射的能量最小化。探地雷达天线传统上使用关闭偶极的端部，大气电波波趋向于垂直极化场发射。垂直功能，如管道，电线杆和树木是好的目标。更改天线方向在一些类型的调查是唯一实用的，而不是所有情况。

数字处理可能会过滤掉大气电波的功能。对于大气电波指标测线均到达或超出了末端线，大气电波活动都会有一个固定的斜率〔图9-22和图9-23〕，允许数字倾角过滤器除去空气波能量并保持数据的所有其余完好。

在一些情况下在地面物体和电波之间的频率成分的差异，可能是一种优势。低通滤波时间可以抑制电波，增强地面响应。

在某些情况下，探地雷达就不能使用，因为大气电波的活动占优势。这是生活中的事实，并且必须作为公认的探地雷达的局限性之一。

防止屏蔽天线将消除大气电波这样的谬论。探地雷达天线屏蔽从来都不是完全有效的。屏蔽可以减少大气电波活动〔由两个甚至10倍〕，但它永远不会完全消除了他们的存在。当它涉及到大气电波时“屏蔽”天线数据应始终是存在疑问的。

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