反射波法基本測(cè)試原理與波形分析

.一. 反射波法基本測(cè)試原理與波形分析1廣義波阻抗及波阻抗界面設(shè)樁身某段為一分析單元，其樁身介質(zhì)密度、彈性波波速、截面面積分別用r，C，A表示，則令Z=rCA （7-1）稱Z為廣義波阻抗。當(dāng)樁身的幾何尺寸或材料的物理性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，則相應(yīng)的r、C、A發(fā)生變化，其變化發(fā)生處稱為波阻抗界面。界面上下的波阻抗比值為 （7-2）稱n為波阻抗比。2應(yīng)力波在波阻抗界面處的反射與透射設(shè)一維平面應(yīng)力波沿樁身傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)一與傳播方向垂直的某波阻抗界面（如圖7-2所示）時(shí)。根據(jù)應(yīng)力波理論，由連續(xù)性條件和牛頓第三定律有VI+VR=VT （7-3）A1（I+R）=A2T （7-4）式中，V、分別表示質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度和產(chǎn)生的應(yīng)力，下標(biāo)I、R、T分別表示入射波、反射波和透射波。由波陣面的動(dòng)量守恒條件導(dǎo)得I=r1C1VI R=r1C1 VR T=-r2C2VT代入式（7-4），得r1C1A1（VIVR）=r2C2A2VT （7-5）聯(lián)立式（7-3）和（7-5），求得VR=FVI （7-6a）VT=nTVI （7-6b）式中 稱為反射系數(shù) （7-7a） 稱為透射系數(shù) （7-7b）式（7-6）是反射波法中利用反射波與入射波的速度量的相位關(guān)系進(jìn)行分析的重要關(guān)系式。3樁身不同性況下應(yīng)力波速度量的反射、透射與入射的關(guān)系（1）樁身完好，樁底支承條件一般。此時(shí)，僅在樁底存在界面，速度波沿樁身的傳播情況如圖7-3所示。因?yàn)閞1C1A1r2C2A2，所以n= Z1/Z21，代入式（7-7）得F0）由式（7-6）可知，在樁底處，速度量的反射波與入射波同號(hào)，體現(xiàn)在V（t）時(shí)程曲線上，則為波峰相同（同向）。典型的完好樁的實(shí)測(cè)波形如圖7-4。由圖7-3、圖7-4分析可得激振信號(hào)從觸發(fā)到返回樁頂所需的時(shí)間t1、縱波波速C、樁長(zhǎng)L三者之間的關(guān)系為 （7-8） 式（7-8）即為反射波法中判斷樁長(zhǎng)或求解波速的關(guān)系式。在式（7-8）的應(yīng)用上，應(yīng)已知C或L之中的一個(gè)，當(dāng)二者都未知時(shí)，有無(wú)窮個(gè)解，因此實(shí)用中常常利用統(tǒng)計(jì)的方法或其他實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)假定C或根據(jù)施工記錄來(lái)假定L，以達(dá)到近似求解的目的。（2）樁身截面積變化。1）Ll處樁截面減小。如圖7-5，可知在Ll處有n= Z1/Z2= A1/A21可得F0。于是有：VR與VI同號(hào)，而VT恒與VI同號(hào)。典型的波形如圖7-6所示。假定C為已知，則樁長(zhǎng)和樁截面減小的位置可以確定如下：2）Ll處截面增大。如圖7-7，可知在Ll處n= Z1/Z2= A1/A20?？傻媒Y(jié)論：截面積增大處，VR與VI反號(hào)，而VT恒與VI同號(hào)。典型的波形如圖7-8所示。樁長(zhǎng)和樁截面變化的位置可以確定如下：（3）樁身斷裂。1）樁身在L1處完全斷開(kāi)。如圖7-9，Z2相當(dāng)于空氣的波阻抗，有Z20，于是得n= Z1/Z2= A1/A2由式（7-7）得F=1，T=0代入式（7-6a）和（7-6b），可得VR=VI ，VT=0即應(yīng)力波在斷開(kāi)處發(fā)生全反射，由于透射波為零，故應(yīng)力波僅在上部多次反射而到不了樁底。典型的實(shí)測(cè)曲線如圖7-10所示。斷裂的位置可按下式確定：2）樁身在L1處局部斷裂（裂紋）。如圖7-11，典型V（t）曲線如圖7-12。Ll處反射信號(hào)與L處（樁底）反射信號(hào)的強(qiáng)弱，隨著裂紋的嚴(yán)重程度而不同。 （4）樁身局部縮徑、夾泥、離析。三種情況及相應(yīng)的應(yīng)力波傳遞過(guò)程示意于圖7-13中，圖7-14是實(shí)測(cè)波形。對(duì)此三種情況可分析如下：1）縮徑：n1= Z1/Z2= A1/A21，F(xiàn)0。所以：VR與VI同號(hào)，VT與VI同號(hào)。n2= Z2/Z1= A2/A10。所以：VR與VI反號(hào)，VT與VI同號(hào)。2）夾泥和離析：所以上述三種情況的VR與VI及VT與VI的關(guān)系相似，實(shí)測(cè)中的波形特征也極為類(lèi)似。樁長(zhǎng)和缺陷位置等特征可根據(jù)圖7-14確定如下：樁長(zhǎng)：缺陷位置：缺陷范圍：實(shí)際上，由于L2處的反射信號(hào)在返回樁頂時(shí)又經(jīng)過(guò)L1處的反射與透射，故能量較Ll處的一次反射弱，一般較難分辯。當(dāng)缺陷嚴(yán)重時(shí)，樁底的反射信號(hào)也較弱。另外，以上三種缺陷的的進(jìn)一步鑒別可根據(jù)：根據(jù)地質(zhì)報(bào)告和施工記錄以及樁型區(qū)分；根據(jù)波形的光滑與毛糙情況區(qū)分；根據(jù)波速區(qū)分。（5）樁底擴(kuò)大頭，如圖7-15所示。典型的測(cè)試曲線如圖7-16。 （6）樁底嵌巖或堅(jiān)硬持力層，如圖7-17。1）Z1Z2，n1，VR與VI反號(hào)，實(shí)測(cè)波形如圖7-18。2）Z1Z2，n1，F(xiàn)0，VR接近為零，此時(shí)樁底基本不產(chǎn)生反射信號(hào)，反映在波形圖上，則看不見(jiàn)樁底反射信號(hào)。3彈性波在傳播過(guò)程中的衰減彈性波在混凝土介質(zhì)內(nèi)傳播的過(guò)程中，其峰值不斷衰減，引起彈性波峰值衰減的原因很多，主要是：（1）幾何擴(kuò)散。波陣面在混凝土中不論以什么形式（球面波、柱面波或平面波）傳播，均將隨距離增加而逐漸擴(kuò)大，單位面積上的能量則愈來(lái)愈小。若不考慮波在介質(zhì)中的能量損耗，由波動(dòng)理論可知：在距振源較近時(shí)，球面波的位移和速度與1/R2成正比變化，而應(yīng)變、徑向應(yīng)力則與1/R3成正比；柱面波d的位移和速度與1/R成正比，而應(yīng)變、徑向應(yīng)力則與1/R2成正比。在距振源較遠(yuǎn)時(shí)，球面波波陣面處的徑向應(yīng)力、質(zhì)點(diǎn)速度與1/R成正比，而柱面波的相應(yīng)量隨而衰減。（2）吸收衰減。由于固體材料的粘滯性及顆粒之間的摩擦以及彌散效應(yīng)等，使振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為其它能量，導(dǎo)致彈性波能量衰減。（3）樁身完整性的影響。由于樁身含有程度不等和大小不一的缺陷：裂隙、孔洞、夾層等，造成物性上的不連續(xù)性、不均勻性，導(dǎo)致波動(dòng)能量更大的衰減。4混凝土的強(qiáng)度及其彈性波速混凝土是由水泥、砂、碎石組成的混合材料。當(dāng)原材料、配合比、制作工藝、養(yǎng)護(hù)條件、齡期和混凝土的含水率不同時(shí)，其強(qiáng)度和彈性波速均不一樣。影響波速的主要因素有：（1）原材料的影響。水泥漿硬化體的彈性波速較低，一般在4km/s以下；常用的砂和碎石的彈性波速較高，通常都在5km/s以上?；炷潦撬酀{膠結(jié)砂和碎石而成，因此它的強(qiáng)度和彈性波速實(shí)際上是砂、碎石和水泥硬化體的波速綜合值。一般混凝土中的波速多在30004500m/s的范圍內(nèi)。（2）碎石的礦物成分、粒徑和用量的影響。不同礦物形成的碎石的彈性波速是不同的。在混凝土中，石子的粒徑越大、用量越多，在相同強(qiáng)度的前提下混凝