反射波法测桩原理及方法

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）。

基桩动力检测低应变反射波法第一节反射波法动测技术反射波法是在桩身顶部进行竖向激振产生弹性波，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身阻抗存在明显差异的界面（如桩底、断桩和严重离析等）或桩身截面积变化（如缩径或扩径）部位，将发生反射波，经接收放大、滤波和数据处理可以识别来自桩身不同部位的反射信息，据计算桩身波速，以判断桩身完整性及估计混凝土强度等级并校核桩的实际长度。

一、反射波法动测原理桩完整性的反射波法诊断技术是以一维波动理论为基础的。

由一维波动理论可知，桩阻抗是其横截面积，材料密度和弹性模量的函数Z = EA/C =ρcA (2.1)式中Z为桩的广义波阻抗（单位为N⋅s/m），c为桩的声波速度（单位为m/s），E 为桩的弹性模量（单位为N/m2），ρ为桩的质量密度（单位为kg/m3），ρc为桩的声特性阻抗或声阻碍抗率（单位为kg/m2s）。

将一维波动理论用于线弹性桩（桩的长度远大于直径且入射波波长λ大于桩的直径）。

在桩顶锤击力作用下，产生一压缩波，此波以波速c沿桩身向下传播。

假定桩的材料沿长度不变（即ρc不变），则桩的阻抗变化仅依赖截面积的变化。

截面的任何变化都使部分入射波产生反射。

反射波和透射波的幅值大小及方向由前述的理论决定。

（一）不考虑桩周阻尼的的影响，桩顶入射波在变截面处的反射与透射σT = σ1 [2A1 /(A1+A2)]σR= σ1[(A2 – A1) /(A1 +A2)] (2.2)及v T = v1 [2A1 /(A1+A2)]v R= -v1[(A2 – A1) /(A1 +A2)] (2.3)式中下标I、R、T分别表示入射、反射和透射。

由式（1.2）及式（1.3）可得：（1）对于截面均匀，无缺陷的桩，即A1=A2，或Z1=Z2，则有σT = σI v T =v IσR= 0 v R = 0 (2.4)可见，均匀桩不产生反射波，入射波以不变的波速和应力幅值与方向向下传播。

若在桩的顶端安装加速度传感器，则可测得各截面反射波加速度信号（或速度信号）为零。

低应变反射波法检测桩基以动测方法发展起来的桩身完整性检测技术是依赖于桩身及其缺陷对入射波的反应而进行间接判断的一种方法，其中低应变反射波法是工程中检测桩基完整性最常用的方法之一。

在本文中将对低应变反射波法测桩的原理、特点结合工程中的应用进行详细介绍，并就低应变反射波在使用上的限制及影响因素进行简单介绍。

1、低应变反射波法测桩的特点低应变反射波法是工程中检测桩基完整性最常用的方法之一，有其不可替代的优势，但也存在众多不足带来的误判、漏判等，给工程建设造成不利影响：(1) 反射波法的优点仪器设备轻便，操作简单，成本低廉；检测覆盖面大，可对桩基工程进行普查；可检测桩身完整性和桩身存在的缺陷及住置，估计桩身混凝土强度、核对桩长等。

(2) 反射波法的局限性①检测桩长的限制，对于软土地区的超长桩，长径比很大，桩身阻抗与持力层阻抗匹配好，常测不到桩底反射信号。

②桩身截面阻抗渐变等时，容易造成误判。

③当桩身有两个以上缺陷时，较难判别。

④在桩身阻变小的情况下，较难判断缺陷的性质。

⑤嵌岩桩的桩底反射信号多变，容易造成误判。

2、原理低应变反射波法是在时间域上研究分析桩的振动曲线，通常是通过对桩的瞬态激振后研究桩顶速度随时间的变化曲线，从而判断桩的质量。

一般是根据反射波与入射波相位的关系，判别某一波阻抗界面的性质，这是低应变反射波法判别桩底情况及桩身缺陷的理论依据。

3、桩身混凝土强度判断应注意以下几个方面在针对具体的测试信号进行分析时还要结合桩周土的情况及影响因素进行判断。

嵌岩桩的时域曲线中桩底反射信号变化复杂，一般情况下，桩底反射信号与激励信号极性相反；但桩底混凝土与岩体阻抗相近，则桩底反射信号不明显，甚至没有；如桩底有沉渣，则有明显的同相反射信号。

因此，要对照受检桩的桩型、地层条件、成桩工艺、施工情况等进行综合分析，不宜单凭测试信号定论。

4、在桥梁桩基检测中的应用（1）工程概况该新建桥梁基础采用钻孔灌注圆桩，测桩布置图见图1。

冲孔桩检测方法及检测依据一、低应变反射波法；1低应变动力检测方法原理反射波法是建立在一维弹性杆波动理论基础上，在桩身顶部进行竖向激振，弹性波沿桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗差异界面时（如桩底断桩和严重离析部位、缩径、扩径）将产生反射现象，经接收放大滤波和数字处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息，利用波在桩体内传播的速度和相位变化判定桩身质量和缺陷位置。

2测试系统包括激振设备（手锤）、磁电式速度传感器、信号采集分析仪（RS-1616K(S)高低应变基桩动测仪），该系统经检定在有效检定期内。

3保证措施：①桩头位置：桩顶面平整、密实，并与桩轴线基本垂直。

②传感器安装应与桩顶面垂直，用耦合剂粘结时，具有足够的粘结强度。

③激振位置：实心桩的激振点位置应选择在桩中心，测量传感器安装位置为距桩中心2/3半径处。

④激振方式为锤击方式。

4现场测试步骤：桩头处理－>用黄油安装传感器－>调试动测仪参数（采样间隔、增益等）－>激振、接收信号－>重复激振，直至信号一致性良好－>进行下一根桩检测。

二、高应变检测；高应变原理为：用重锤(重量大于预估单桩极限承载力的 1.0～1.5%)锤击桩顶，检波器测出桩顶的力和速度随时间变化的曲线，利用实测的力(或速度)曲线作为输入的边界条件，通过波动方程数学求解，反算桩顶的速度(或力)曲线。

如果计算的曲线与实测的曲线不吻合，说明假设的模型及参数不合理，应有针对性地调整桩土模型及参数，再行计算，直至计算曲线与实测曲线的吻合程度良好，且难以进一步改善为止。

利用假设的模型及参数计算基桩的竖向承载力。

三、单桩竖向抗压静载试验1）工艺流程；选桩→裁桩→桩头处理→试验设备安放→加载→卸载2）桩头处理；2.1与地坪标高大致相同的桩无需进行裁桩处理；2.2高于地坪标高的桩，应在施工方裁桩后打磨平整；3）试验设备安放试验设备安装时遵循先下后上、先中心后两侧的原则，安放承压板，然后放置千斤顶于其上，再安装反力系统，最后安装观测系统。

低应变反射波法检测基桩完整性的原理及应用邢 蕾（北京铁路局科研所）摘要：本文简要地介绍了低应变反射波法的基本原理、检测方法以及桩身质量评定方法，并列举几个工程实例。

关键词：低应变反射波法 动测 基桩 完整性 缺陷1前言随着现代工业和建筑业的迅速发展，桩基础得到了越来越广泛的应用，在施工和工程作用上有其不可替代的优越性。

但是，桩基础是一种隐蔽工程，其质量无法直接观察，如果桩基础存在缺陷就会造成质量事故。

按照国家《建筑桩基技术规范》中的规定：“对于一级建筑桩基和地址条件复杂或成桩质量可靠性较低的桩基工程，应进行成桩质量检测。

”通过检测可以发现桩基础存在的质量问题。

目前国内常用的基桩检测方法主要有：静载试验、钻芯法、低应变法、高应变法与声波透射法，而低应变法一般包括动力参数法、机械阻抗法、锤击贯入法、瞬态时域分析法等。

瞬态时域分析法也称之为反射波法，是目前国内外普遍采用的一种籍一维波动理论分析来判定基桩桩身完整性的方法。

该方法的主要特点是：设备简单、操作方便、检测快捷以及费用低廉，是桩基质量普查的主要方法之一。

2反射波法的基本原理工程中绝大部分桩体都具有桩长远大于桩径这一特点，故应力波反射法是把桩当成连续均质的弹性杆，研究桩顶在动态力作用下弹性杆内质点的纵向波动，以一维波动理论为基础分析桩土体系动态响应规律。

在桩顶用手锤或力锤、力棒等激振工具敲击，由此产生振动以波的形式沿桩身以波速向下传播，应力波通过缩颈、夹异物，混凝土离析或扩颈等存在质量问题的部位时，其质量变化界面的桩阻抗C 是纵波波速）是截面积、是桩的材料密度、其中C A AC Z Z ρρ,(=发生变化。

一部分应力波产生反射向上传播至桩顶，另一部分应力波产生透射向下传播至桩端，在桩端处又产生反射。

由安装在桩顶的加速度或速度传感器接收反射波信号，经测桩仪进行信号放大等处理后，得到加速度或速度时程曲线。

根据曲线的形态特征所表示的阻抗变化位置，判定缺陷的位置和性质等并校核桩长。

桩基检测方法和原理一、低应变反射波法检测1、基本流程低应变检测一般首先进行，以了解试验前桩身的完整性。

进行低应变试验前通知委托方或现场监理工程师，经批准后进场进行试验，操作步骤参考如下：⑴传感器安装面预处理；⑵安装传感器；⑶调整仪器进入接受状态；⑷检查信号、存储信号；⑸重复观测确定信号一致性；⑹改变锤击位置及接受位置，重新观测；⑺对异常桩重点对待。

每批桩低应变试验结束后及时进行分析。

对有问题的桩应及时将分析结果通知监理或委托方。

2、低应变检测原理低应变完整性检测是根据应力波在不同波阻抗和不同约束条件下传播特性来判别桩身质量。

具体方法是：试验时将传感器紧密粘贴在被测桩头上，在桩身顶部用力棒（或力锤）进行竖向激振，产生应力波；应力波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显的波阻抗差异界面或桩身截面积发生变化时将产生反射信息，经接收、放大、和滤波后记录在基桩检测仪内；然后用电子计算机对记录数据（反射信息）进行处理，结合施工工艺、地层等综合分析，识别来自桩身不同部位的反射信息，据此反射信息对基桩的施工质量进行判释。

二、高应变承载力检测1、基本流程根据试验要求高应变测试应在单桩竖向抗压静载试验完成前进行，高应变试验前通知委托方或现场监理工程师，经批准后进场进行试验检测，操作步骤参考如下：⑴传感器安装面预处理；⑵重锤就位；⑶在仪器监控下安装应力、加速度传感器；⑷调整仪器进入接受状态；⑸按预定高度起吊重锤，接受操作员指挥，使重锤自动脱钩；⑹仪器操作员检查采集信号、工作人员检查传感器；⑺根据操作人员意见重复上述(5)、(6)项，或进行下一根桩的试验工作，重复(1)～(7)步。

直至全部试验结束。

对有问题的桩应及时将分析结果通知监理或委托方。

2、高应变检测原理高应变动力试验是用重锤冲击桩顶，使桩土间产生相对位移，实测桩顶力和加速度的时程曲线，通过波动方程分析法拟合计算单桩的极限承载力。

资料主要分析步骤：①正确选取信号，确定波速平均值；②假定桩和土的力学模型，根据勘察报告和施工记录选定计算模型的初始参数；③利用实测的加速度曲线作为输入的边界条件，通过波动方程数学求解，反算桩顶的力曲线；④如果计算的曲线与实测的曲线不吻合，说明假定的模型及参数不合理，有针对性地调整桩土模型及参数；⑤、根据调整后的桩土模型及参数再行计算，直至计算曲线与实测曲线的吻合程度良好，且难以进一步改善为止。

实验报告课程：桩基检测与评定题目：低应变检测桩身完整性与桩基超声波透射法院系：土木工程系专业：年级：姓名：指导教师：西南交通大学峨眉校区2012 年7 月 1 日基 桩 反 射 波 法 试 验检 测 报 告一．基本原理基桩低应变动力检测反射波法的基本原理是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。

当桩身存在明显波阻抗Z 变化的截面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等决定即Z=A C ⋅⋅ρ。

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1Z =111A C ρ，上部波阻抗2Z =222A C ρ①当1Z =2Z 时，表示桩截面均匀，无缺陷。

②当1Z >2Z 时，表示在相应位置存在缩径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1Z <2Z 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=△t ²C/2二．现场检测大致流程是用力锤对桩顶作瞬态激振，以产生脉冲应力波，由设置在桩顶的加速度传感器接收入射波和反射波信号，该信号经电荷放大后，经桩基分析系统处理，根据反射波的时差，相位和幅值即可判断桩身的缺陷位置、类型及程度。

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。

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。

传感器的安装必须通过藕合剂垂直与桩面粘接，此次实验使用的是经口加工的口香糖。

低应变检测
一、检测原理
基桩低应变动力检测反射波法的基本原理是在桩身顶部进行竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗差异的界面（如桩底、断桩和严重离析等部位）或桩身截面面积变化（如缩径或扩径）部位，将产生反射波。

经接受放大、滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息，以判断桩身完整性。

二、现场测试方法
(1)把混凝土桩顶灌浆部分凿去凿平，使桩顶出露新鲜表面，为减少杂波干扰，此表面必须平整干净，出露的钢筋不应有较大晃动；
(2)传感器应稳固地粘放在桩顶上，并进行敲击测试；
(3)每根桩测试曲线如出现异常波形应在现场及时研究，排除影响测试的不良因素后再重复测试；
三、检测仪器及设备
(1)检测仪器的主要技术性能指标应符合《基桩动测仪》JG/T 3055的有关规定，且应具有信号显示、储存、和处理分析功能。

(2)瞬态激振设备为能激发宽脉冲和窄脉冲的力锤。

四、检测结果分析
根据桩身测试的原始记录，经数据分析处理后将桩身完整性划分为四个等级，其评定标准为：
一般来说，Ⅰ、Ⅱ类桩可以满足设计要求；Ⅲ类桩可否使用由设计单位根据具体工程做决定；Ⅳ类桩无法使用，做报废处理。

桩基完整性(低应变试验)试验方法1.1 基础完整性检测（低应变试验）1.1.1 适用范围低应变反射波法适用于混凝土灌注桩、混凝土预制桩、预应力管桩和CFG桩。

对于桩身截面多变且变化幅度较大的灌注桩，应采用其他方法辅助验证低应变法检测的有效性。

受检桩混凝土强度不应低于设计强度的70％，且不应低于15MPa。

1.1.2 检测原理低应变反射波法是目前国内普遍采用的低应变法。

它通过采用瞬态冲击的方式（瞬态激振），实测桩顶加速度或速度响应曲线，以一维线弹性杆件模型为依据，采用一维波动理论分析判定基桩的桩身完整性。

因此，基桩必须符合一维波动理论要求，满足平截面假定和一维线弹性杆件模型要求。

一般要求其桩长远大于直径即长径比大于5或瞬态激励有效高频分量的波长与桩的横向尺寸之比大于5.1.1.3 检测方法及工艺要求1.1.3.1 检测前的准备工作a。

受检基桩混凝土强度至少达到设计强度的70％，或期龄不少于14天时方可报检。

b。

施工单位填写报检表，经监理工程师签字确认后，至少提前2天提交给现场检测人员。

c。

施工单位向检测单位提供基桩工程相关参数和资料。

d。

检测前，施工单位需做好以下准备工作：1.剔除桩头，使桩顶标高为设计的桩顶标高。

2.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相同。

3.灌注桩要凿去桩顶浮浆或松散破损部分，并露出坚硬的混凝土表面。

4.桩顶表面平整干净且无积水。

5.实心桩的第三方位置打磨出直径约10cm的平面，平面保证水平，不要带斜坡；在距桩第三方2/3半径处，对称布置打磨2～4处（具体见图1），直径约为6cm的平面，打磨面应平顺光洁密实。

6.当桩头与垫层相连时，相当于桩头处存在很大的截面阻抗变化，会对测试信号产生影响。

因此，测试前应将桩头侧面与断层断开。

7.准备黄油1～2包，作为测试耦合剂用。

8.在基坑内检测，应提前将基坑内水抽干，并搭设好梯子，便于上下。

e。

搜集受检桩的相关技术资料，包括工程概况、基桩的设计参数、场地的工程地质资料以及施工记录情况。

试论应力波反射法基桩检测的原理及应用摘要：在现代高速公路、桥梁、水利水电设施，以及工业、商业、民用建筑的建设中，基桩工程已经成为决定工程项目整体质量的重要因素之一。

目前，在国内现阶段的基桩检测中，应力波反射法是较为常用的技术类型之一，其具有适应性强、反应快、操作简便、造价低、结果精确等特点。

本文结合笔者多年工作经验就应力波反射法基桩检测的基本原理及实际应用进行讨论，仅供同行参考和借鉴。

关键词：应力波反射法；基桩；检测；基本原理；实际应用近年来，随着我国社会经济的不断发展，带动了国内工程建设行业的兴起，作为岩土工程领域重要分支的基桩工程越来越多的受到业内人士的关注，尤其是对于基桩检测技术的研究也更为深入。

国内基桩检测技术的发展经历了较长的时间，不但对传统的检测技术进行了必要的改革和完善，而且加大了对于新技术、新手段的研发和应用，特别是各类新型仪器、设备的出现，也促进了基桩检测技术的创新和发展。

在国内现阶段的基桩检测中常用的技术类型主要包括：高应变动力试桩法、静载试验法、应力波反射法、声波透射法、动静法或拟静力法等，其中应力波反射法的应用范围较广，本文对其原理及实际应用进行分析。

1应力波反射法概述与传统的基桩检测方法相比，应力波反射法是较为常用的低应变无损检测技术之一，其具有检测范围广、反应速度快、适用性强、造价低等特点，其主要被应用于桩身的完整性检测，并且依据检测结果判断基桩的具体位置、桩身长度及混凝土强度等。

在基桩检测中应用的应力波反射法主要是指在通过桩顶向下垂直施加瞬态脉冲激振力，并且以弹性纵波的形式向桩体下部均匀传播，当基桩深层或底部的阻抗发生异常现象时，可以产生相应的反射波并及时传回桩顶[1]。

另外，在应用应力波反射法进行基桩检测时，如果存在缩颈、扩颈、断层、离析等方面的缺陷，往往会导致桩体密实度或桩横断面发生细微的变化，在检测中桩身的波阻抗会出现不均反射的状况，进而保证检测人员可以对基桩的实际状况进行深入的了解。