反射波法基本测试原理与波形分析

一. 反射波法基本测试原理与波形分析1．广义波阻抗及波阻抗界面设桩身某段为一分析单元，其桩身介质密度、弹性波波速、截面面积分别用ρ，C ，A 表示，则令Z =ρCA （7-1）称Z 为广义波阻抗。

当桩身的几何尺寸或材料的物理性质发生变化时，则相应的ρ、C 、A 发生变化，其变化发生处称为波阻抗界面。

界面上下的波阻抗比值为22211121A C A C Z Z n ρρ== （7-2） 称n 为波阻抗比。

2．应力波在波阻抗界面处的反射与透射设一维平面应力波沿桩身传播，当到达一与传播方向垂直的某波阻抗界面（如图7-2所示）时。

根据应力波理论，由连续性条件和牛顿第三定律有 V I +V R =V T （7-3） A 1（σI +σR ）=A 2σT （7-4） 式中，V 、σ分别表示质点振动的速度和产生的应力，下标I 、R 、T 分别表示入射波、反射波和透射波。

由波阵面的动量守恒条件导得σI =－ρ1C 1V I σR =ρ1C 1 V R σT =-ρ2C 2V T代入式（7-4），得ρ1C 1A 1（V I －V R ）=ρ2C 2A 2V T （7-5）联立式（7-3）和（7-5），求得V R =－FV I （7-6a ）V T =nTV I （7-6b ）式中nn F +-=11 称为反射系数 （7-7a ） nT +=12 称为透射系数 （7-7b ） 式（7-6）是反射波法中利用反射波与入射波的速度量的相位关系进行分析的重要关系式。

3．桩身不同性况下应力波速度量的反射、透射与入射的关系（1）桩身完好，桩底支承条件一般。

此时，仅在桩底存在界面，速度波沿桩身的传播情况如图7-3所示。

因为ρ1C 1A 1>ρ2C 2A 2，所以n = Z 1/Z 2>1，代入式（7-7）得F <0，（T 恒>0）由式（7-6）可知，在桩底处，速度量的反射波与入射波同号，体现在V （t ）时程曲线上，则为波峰相同（同向）。

桩基检测低应变反射波法探讨1 引言桩基属于隐蔽工程，在桩基施工过程中，受岩土工程地质条件、施工技术等因素的影响，可能存在一定的缺陷，如扩径、缩径、离析、夹泥、空洞和断桩等。

在桩基施工结束后，需要进行桩基质量检测，评价桩基施工质量，为下一步施工做好准备。

目前桩基的检测方法较多，工作原理各不相同，常用的方法有高应变法、机械阻抗法、低应变反射波法、声波透射法和钻芯检测法等。

与其他检测方法相比，低应变反射波法具有工作原理简单、结果判读直观、检测结果准确、检测花费少等优点，在新建结构基桩检测中使用频率最高，根据统计，国内在建工程中约80%的桩基采用低应变反射波法进行检测[1]。

2 方法2.1低应变反射波法原理桩基桩身完整性检测常用低应变反射波法，其基本原理是：在桩基的顶部施加激振信号产生应力波，应力波在沿桩身传播过程中，如遇到不连续界面（如扩径、缩径、离析、夹泥、空洞和断桩等缺陷）和桩底界面时，会产生反射波，通过综合分析反射波的传播时间、幅值和波形特征，判断桩身的完整性及是否存在缺陷，其基本原理见图1[2]。

2.2波形分析2.2.1确定标准波形检测时，同一场地完整桩反射波形相似。

对比桩基检测得到的波形，结合工程勘察成果、基桩施工记录及波形特征，确定标准波形。

其他桩基波形与标准波形对比，计算分析确定缺陷性质。

在频率域内对桩基检测结果进行频谱分析，根据时域波形特征结合缺陷桩的频谱特征确定缺陷类型和部位：2.2.2 不同桩基检测的波形特点（1）完整桩：即标准波形，无其他杂波，桩底反射和入射同相位；峰排列规则，相临峰值间隔相等。

（2）离析、夹泥桩：开始反射波与入射波同相位，缺陷部位入射波与反射波反相位；反射波脉冲宽度比入射波脉冲宽度明显变宽，由于缺陷部位混凝土松散，吸收了大部分应力波能量，桩底反射一般不明显，严重时，无桩底反射[3]。

（3）缩径桩：开始反射波与入射波同相位，缺陷部位入射波与反射波反相位；反射波脉冲宽度比入射波脉冲宽度基本一致。

低应变检测原理及波形初步判识一、低应变动测原理1、低应变反射波法源于应力波理论，基本原理是在桩顶进行竖向激振，使桩中产生应力波，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗界面（如桩底、断裂或离析、夹泥等部位）或桩身截面积变化（如缩颈或扩径）部位，将产生反射波，利用特定的仪器设备经接收、放大、滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息。

通过对反射信息进行分析计算，来判断桩身完整性，判定桩身缺陷的程度及其位置。

2、桩判定标准在《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2003（以下简称《规范》）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、缩颈、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—的分类标准。

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：Ⅰ类——桩身完整。

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，—般应进行补强处理。

二、低应变动力测桩法的分类低应变动力测桩以所采用的激振方式及所观测的振动响应的不同分为两类，即瞬态法和稳态法。

（一）、瞬态法所谓瞬态法就是采用激振方式并观测橇的瞬态振动响应的方法，是对桩顶面施以轴向瞬时冲击力或施以一冲量来激发桩的振动的方式，就是桩在瞬时冲击力或冲量的作用下，桩的振动随时间的变化过程，振动时间的持续时间一般不会超过1S。

根据冲量的大小和可控制程度可分为：1、人工锤击法。

这种激振方式是最简单、方便的，但这种人工锤击方式的冲量是随机的和不能较准确控制的，并且也不是完全轴向的，因而在观测振动响应时，重复性有进较差。

反射波法基本测试原理与波形分析反射波法是地球物理勘探中常用的一种方法，主要用于确定地下的结构和性质。

反射波法的基本原理是利用地震波在地下介质中传播时的反射和折射现象。

它通过在地面上布设一系列地震源（如炮点）和地震接收器（如地震传感器），并记录地震波在地下介质中传播的反射和折射波。

在地震源激发的地震波传播过程中，波在地下介质中遇到不同密度和速度的层界面时会发生反射和折射。

当地震波从一种介质传播到另一种介质时，部分能量会被反射回地面，形成反射波；同时，一部分能量会继续传播到下一个介质中，形成折射波。

地震接收器可以记录到这些反射波和折射波的到达时间和幅度。

在波形分析中，根据记录到的地震波数据，可以通过计算地震波的到达时间和幅度差来推断地下介质的性质和结构。

其中到达时间差反映了不同层界面的深度，而振幅差则与地下介质的物性有关。

根据这些数据，可以绘制出地下层界面的剖面图，并进一步解释地下地质构造和储层性质。

波形分析还可以通过计算地震波的速度来推断地下介质的密度和岩性。

地震波在传播过程中，速度会受到地下介质物性的影响，不同的岩石类型和密度会导致地震波的速度发生变化。

通过分析地震波的速度，可以推断地下地质中的不同岩性类型和密度分布情况。

这对于石油勘探和地质工程等方面具有重要意义。

然而，反射波法也存在一些技术难题和局限性。

首先，由于地震波在地下介质中的传播受到多种因素的影响，如介质异质性、波场衰减等，波形的解释和分析较为复杂。

其次，反射波法在复杂地质环境下的应用可能受到限制，如在存在大量散射介质的区域或井下存在水层等情况下，地震波的传播和反射过程会发生多次散射，导致波形分析结果的精度下降。

总之，反射波法是一种重要的地球物理勘探方法，通过记录地震波的反射和折射波的到达时间和幅度，可以推断地下介质的性质和结构。

在波形分析中，通过解释地震波的速度和振幅变化，可以推断地下介质的密度和岩性。

然而，反射波法也面临一些技术难题和局限性，需要结合其他地球物理方法和地质资料进行综合分析。

低应变反射波法一、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。

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，将产生反射和透射波，反射的相位和幅值大小由波阻抗Z变化决定。

桩身波阻抗Z由桩的横截面积A、桩身材料密度ρ等决定:Z=ρCA假设在基桩中某处存在一个波阻抗变化界面，界面上部波阻抗Z1=ρ1C1A1，上部波阻抗Z2=ρ2C2A2。

①当Z1=Z2时，表示桩截面均匀，无缺陷。

②当Z1>Z2时，表示在相应位置存在截面缩小或砼质量较差等缺陷，反射波速度信号与入射波速度信号相位一致。

③当Z1<Z2时，表示在相应位置存在扩径，反射波与入射波速度信号相位相反。

当桩身存在缺陷时，根据缺陷反射波时刻与桩顶锤击触发时刻的差值△t和桩身传播速度C来推算缺陷位置Lx: Lx=△t²C/2二、低应变反射波法的几个建议1、桩头直接在素混凝土（浮浆）上进行测试，结果无论怎么改变传感器以及传感器的安装，无论怎么改变振源，测试信号都不理想，往往在测试信号的浅层部位存在较严重的反向脉冲。

一般情况下，桩头的处理以露出新鲜含骨料的混凝土面为止，而且要尽量平整、干净（桩头不要破碎、不要有杂物、不要有水）；这可以通过随身携带凿子以凿平安装点和锤击点或委托施工方在测试前帮忙进行桩头处理，这样有利于传感器的安装和力棒的锤击。

2、传感器传感器的安装对现场信号的采集影响较大，理论上传感器越轻、越贴近桩面、与桩面之间接触刚度越大，传递特性越好，测试信号也越接近桩面的质点振动。

所有动测均要求如此。

对实心桩的测试，传感器安装位置宜为距桩心2/3～3/4半径处；对空心桩的测试，锤击点与传感器安装位置宜在同一水平面上，且与桩中心连线形成90°夹角，传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。

传感器的安装技巧以及耦合剂的选择对加速度计和高阻尼速度计很重要。

tdr测试的原理及方法介绍TDR概述TDR是多个英文单词的缩写，包括：Time-Domain Reflectometry—时域反射技术，一种对反射波进行分析的遥控测量技术，在遥控位置掌握被测量物件的状况。

TDR主要由三部分构成：快沿信号发生器，采样示波器和探头系统。

TDR测试原理及测试方法随着数字电路工作速度得提高，PCB板上信号的传输速率也越来越高，如PCI-Express的信号速率已经达到2.5Gb/s，SATA的信号速率已经达到3Gb/s，新的标准如PCI-Express II、XAUI、10G以太网的工作速率更高。

随着数据速率的提高，信号的上升时间会更快。

当快上升沿的信号在电路板上遇到一个阻抗不连续点时就会产生更大的反射，这些信号的反射会改变信号的形状，因此线路阻抗是影响信号完整性的一个关键因素。

对于高速电路板来说，很重要的一点就是要保证在信号传输路径上阻抗的连续性，从而避免信号产生大的反射。

相应的，对于测试来说也需要测试高速电路板的信号传输路径上阻抗的变化情况并分析问题原因，从而更好地定位问题，例如PCI-Express和SATA等标准都需要精确测量传输线路的阻抗。

下表是SATA对于系统内连接的电缆和连接器的阻抗和衰减的要求：要进行阻抗测试，一个快捷有效地方法就是TDR（时域反射计）方法。

TDR的工作原理是基于传输线理论，工作方式有点象雷达。

如下图所示，当有一个阶跃脉冲加到被测线路上，在阻抗不连续点就会产生反射，已知源阻抗Z0，则根据反射系数ρ就可以计算出被测点阻抗ZL的大小。

最简单的TDR测量配置是在宽带示波器的模块中增加一个阶跃脉冲发生器。

阶跃脉冲发生器发出一个快上升沿的阶跃脉冲，同时接收模块采集反射信号的时域波形。

如果被测件的阻抗是连续的，则信号没有反射，如果有阻抗的变化，就会有信号反射回来。

根据反射回波的时间可以判断阻抗不连续点距接收端的距离，根据反射回来的幅度可以判断相应点的阻抗变化。

浅析地质勘探中的浅层地震反射波法1、浅层地质反射波法的基本原理地震反射波法是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种常用浅地层勘探方法。

这种方法可以利用多种波作为有效波来进行探测，也可以根据探测目的要求仅采用一种特定的波作为有效波。

在这种方法中，每一测点的波形记录都采用相同的偏移距激发和接收。

在该偏移距处接收到的有效波具有较好的性噪比和分辨率，能够反映出地质体沿垂直方向和水平方向的变化。

浅层地震反射波法是地震勘探方法中的一种。

在地表向下激发地震波，当地震波向下传播遇到弹性不同的分界面时，就会发生反射，地震勘探仪器记录这些反射地震波。

由于反射波在介质中传播时，其传播路径、振动强度和波形将随通过介质的结构和弹性性质的不同而变化，根据接收到的反射波旅行时间和速度资料，就能推断解释地层结构和地质构造的形态，而根据反射波的振幅、频率、速度等参数，则可以推断地层或岩石的性质，从而达到地震勘探的目的。

2、参数选择的基本原则2.1数据采集浅层地震勘探根据不同的地质环境和勘探要求，使用时采用的方法不同，应用的效果取决于野外工作参数（采样率、道间距、偏移距）的选择，震源能量等。

这些参数由野外试验工作来选定。

○1震源。

在激发时，对震源一般有两个要求：一是激发力要竖直向下；二是激发装置或药包与大地耦合要好。

○2检波器。

接收设备（主要是检波器）除接触条件外，它的埋置尽量达到最佳的耦合，如果由于条件限制不能埋置在原设计点位时，沿测线方向位移1∕10道间距内或垂直于测线方向的1∕5道间距内。

○3分辨率。

为保证记录有效信号不畸变，每个最短周期内至少要采集4个样值，而且还要考虑记录长度问题，因为不能选择过高的采样率，以免点数太多，出现仪器存储容量不够或增加不必要的勘探成本。

○4滤波器。

工程数字地震仪一般均设有低通、高通、带通、全通等模拟滤波器。

为提高地震记录的信噪比，改善记录频谱中高、低频能量的不平衡状况，可根据实际干扰波调查的结果，选择合适的滤波器，以压制干扰。

一、原理反射波法源于应力波理论，基本原理是在桩顶进行竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播。

在桩身明显存在波阻抗界面（如桩底、断桩或严重离析等部位）或桩身截面积变化（如缩颈或扩颈）部位，将产生反身波。

经接收、放大滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息。

据此计算桩身波速、判断桩身完整性和混凝土强度等级。

当桩嵌于土体中，将受到桩周土的阻尼作用，桩的动力特性满足一维波动方程。

其波动方程为：■=■·■式中c是弹性波纵波传播速度，它是由材料常数ρ和E所决定的常值：c2=■二、各种完整桩的波形灌注桩桩型一般分为两种：摩擦桩、嵌岩端承桩。

图1 （a）完整桩波形；（b）摩擦桩波形；（c）嵌岩端1．当桩为摩擦桩时，桩身阻抗大于桩底持力层土层的阻抗，此时桩底反射波速度符号和入射波符合一致，桩底处反射波应力的速度的幅值低于入射波，随着桩底土质变软（如桩底沉渣）桩底土的波阻抗变得更小，此时除桩底反射波速度符号和入射波符合一致外，反射波幅值也变大。

当把桩底土波阻抗小到可以忽略时，则可有：下行的压力波变上行拉力波，入射波全反射，质点速度加倍（由此说明桩底反射波的幅值变得更大，人们可以利用它定性确定端承桩的沉渣厚薄）。

2．当端承桩和嵌岩端承桩的桩底岩土波阻抗逐渐增大时，反射波的幅值变小，若桩底岩土波阻抗大于桩身波阻抗时，此时桩底反射波符合与入射波反向（由此人们利用这一特征可以定性判断桩尖打入坚硬持力层的程度及深度）。

三、缺陷桩的波形曲线（一）施工中造成的断桩波形图2 （a）深部断桩波形；（b）中部断桩波形；（c）浅部断桩波形1．深部断裂：近似于摩擦桩的沉渣桩桩底反射，有高幅值的桩间反射，反射波相位与初始入射波相同，往往可见到2次或3次，但按平均波速算桩长却远比设计桩长要短，或按设计桩长算波速远大于一般桩的波速，如按常规公式2L/△t计算后得到的Vp达到4300m/s以上，这时就应该考虑到可能是桩基未打到设计的深度，或者是桩在深部有断桩现象2．桩中部断裂：表现在反射波曲线的多次等周期衰减，反射曲线、反射子波的第一子波相位由于是高阻抗材料传向低阻抗的水、空气或充泥材料，故其相位与桩的初始入射波同相位，而后续波由于从低阻抗的软材料进入高阻抗的硬材料，故其相位表现为与初始入射波相反。