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前言1

第1章 绪论1

1.1 非金属超声检测技术概况1

1.1.1 非金属超声检测技术的现状与发展1

1.1.2 超声与声波检测技术在非金属检测中的应用3

1.2 超声与声波基桩检测4

1.2.1 桩式基础的优越性4

1.2.2 基桩的分类4

1.2.3 基桩质量的检测方法和依据7

1.3 当今基桩工程质量检测的问题与思考7

参考文献7

第2章 超声与声波检测技术的声学原理8

2.1 介质的弹性振动与波动8

2.1.1 介质中单个质点的振动8

2.1.2 介质中有阻尼时的质点振动10

2.2 固体中的声波11

2.2.1 体积变形与剪切变形12

2.2.2 单一受力情况下物体的弹性性能13

2.2.3 任意受力情况下固体中的弹性性能14

2.2.4 固体中的波动15

2.2.5 声波的几种传播形式—波阵面23

2.2.6 声波在固体界面上的反射和折射24

2.2.7 声波的吸收衰减和散射衰减26

2.3 费玛定律28

2.4 叠加原理28

2.5 惠更斯原理29

参考文献29

第3章 非金属检测换能器30

3.1 概述30

3.2 压电材料31

3.2.1 压电效应31

3.2.2 压电材料的分类31

3.2.3 压电方程32

3.3 压电振子与其等效电路34

3.3.1 横向极化长条纵向振动模式34

3.3.2 纵向极化长棒纵向振动模式34

3.3.3 薄板厚度振动模式35

3.3.4 薄圆片径向振动模式35

3.3.5 薄圆环径向伸缩振动模式36

3.3.6 薄片剪切振动模式36

3.3.7 等效电路36

3.4 压电换能器的基本原理及结构38

3.4.1 复合结构纵向振动换能器（又称夹心式或喇叭型换能器）38

3.4.2 单片弯曲式换能器39

3.4.3 增压式换能器40

3.4.4 圆管式换能器41

3.4.5 单孔“一发双收”换能器43

3.4.6 内装电子线路的一发双收换能器45

3.4.7 横波换能器45

3.4.8 高频换能器45

3.4.9 干耦合换能器46

3.5 换能器的主要特性参数46

3.5.1 工作频率46

3.5.2 频率特性46

3.5.3 阻抗特性46

3.5.4 品质因数47

3.5.5 电声效率47

3.5.6 方向性47

3.5.7 功率极限和动态范围48

3.5.8 相位响应（略）49

3.5.9 加速度响应和加速度抑制49

3.5.10 不同介质对换能器性能的影响49

3.5.11 对声场强度的影响50

3.5.12 对方向性的影响50

3.6 非金属检测换能器的性能测试50

3.6.1 传输线法50

3.6.2 电桥法51

3.6.3 其他测试方法52

3.7 不同类型换能器名称的规范化52

参考文献52

第4章 非金属超声波检测仪器53

4.1 超声波检测仪器概述53

4.1.1 超声波检测仪器应具有的功能53

4.1.2 关于国内外非金属超声检测仪的发展动态53

4.1.3 超声波检测仪器的检测技术方法和配用的换能器54

4.2 模拟式超声波检测仪55

4.2.1 模拟式超声波检测仪的工作原理55

4.2.2 模拟超声波检测仪的发射与接收57

4.3 数字化超声波检测仪62

4.3.1 数字化超声仪的发射电路63

4.3.2 数字化超声仪的接收电路63

4.3.3 模拟信号与数字信号的转换63

4.3.4 超声仪的微电脑65

4.4 数字化超声仪的波形显示65

4.4.1 采样周期（或采样间隔）与波形显示时间窗66

4.4.2 波形在屏幕上可以左右移动或翻页66

4.4.3 波形的延迟显示67

4.4.4 将多个测点采集到的波形排列成为波列67

4.4.5 波形叠加显示68

4.5 数字超声仪采集信号的触发方式及作用68

4.6 超声仪的时间分辨率及耦合误差68

4.6.1 时间分辫率与测时误差68

4.6.2 换能器耦合的声时误差69

4.7 超声仪的检测分析处理软件69

4.8 数字超声仪技术指标及基本形式实例70

4.8.1 数字超声仪的技术指标与性能70

4.8.2 数字超声仪的基本形式71

4.9 自动化超声波基桩检测系统72

4.9.1 跨孔声波透射自动测试系统原理72

4.9.2 实现自动化跨孔声波透射法的要点73

4.9.3 自动跨孔声波透射测试系统的分类73

4.9.4 自动化跨孔声波透射检测速度和问题75

4.10 超声检测仪的机外处理软件75

4.11 电火花振源78

参考文献79

第5章 超声波测试方法80

5.1 换能器的初读数t0测试80

5.1.1 出现t0的原因80

5.1.2 t0测试方法81

5.1.3 时距曲线法测to81

5.1.4 换能器耦合的声时误差82

5.2 表面穿透测试83

5.2.1 对测法83

5.2.2 平测法83

5.3 跨孔穿透测试84

5.3.1 水平同步测试法84

5.3.2 斜测法85

5.3.3 扇面测试法85

5.4 单孔声波测井86

5.4.1 纵波声速测试86

5.4.2 横波声速测试86

5.5 室内试块的纵波与横波声速测试方法88

5.5.1 纵波测试技巧与换能器频率的选取89

5.5.2 横波的测试方法89

5.6 关于声波传播时间和波幅的测试90

5.6.1 声波传播时间判读和前提条件90

5.6.2 首波相位与掉波问题91

5.6.3 接收声波信号的波幅问题91

5.7 关于声学参量频率的应用问题92

5.8 不同测试目的与测试方法对测试频率的选择95

参考文献95

第6章 基桩跨孔声波透射法测试数据的推断解释96

6.1 概述96

6.2 桩身缺陷类型及其对声波传播影响96

6.2.1 完整桩96

6.2.2 沉渣、桩头底强度区、二次浇灌面97

6.2.3 蜂窝、空洞、严重缩颈97

6.2.4 夹泥、离析98

6.3 超声跨孔透射确定基桩缺陷的方法99

6.4 桩身缺陷位置与体积的定性确定方法101

6.4.1 声测管的埋设数量101

6.4.2 用波幅确定桩身缺陷的平面范围102

6.5 桩身缺陷性质的确定原则104

6.6 桩身完整性的类别划分105

6.7 基桩跨孔声波透射现场检测技术106

6.7.1 检测前的准备106

6.7.2 人工操作检测107

6.7.3 半自动检测与全自动检测107

6.8 基桩声波透射资料的室内分析解释108

6.9 跨孔声波透射检测基桩完整性实例110

6.10 跨孔声波透射法的优势与缺憾116

6.10.1 优势116

6.10.2 劣势117

参考文献117

第7章 跨孔扇面测试声波层析成像技术118

7.1 跨孔扇面测试的观测系统118

7.2 现场测试数据采集方法119

7.3 声层析成像图像重建的计算119

7.4 实例120

7.4.1 长江某大桥2-P41桩跨孔声波检测120

7.4.2 桩底沉渣层析成像实例121

7.4.3 建筑基础的跨孔层析成像实例121

7.5 声波跨孔层析成像的技术关键122

参考文献124

第8章 单孔声波测井在桩基工程中的应用125

8.1 一发双收声波测井—折射波测井125

8.2 一发一收声波测井—管波测井126

8.2.1 充水钻孔孔壁的伪瑞利波—斯通利（Stonely）波126

8.2.2 管波探测岩溶的现场测试方法126

8.2.3 管波探测岩溶的原理127

8.3 工程实例之一127

8.4 工程实例之二128

8.5 管波探测溶洞的应用价值129

8.6 管波测井的优势分析129

参考文献131

第9章 声波反射法检测基桩完整性基本原理132

9.1 基本原理132

9.1.1 点源激振在桩身内的振动与波动规律132

9.1.2 桩土体系声波传播规律134

9.1.3 垂入射波的衰减与反射135

9.1.4 垂入射在桩身存在缺陷时的反射与透射136

9.2 桩身内不同类型缺陷反射波的规律137

9.2.1 完整桩的反射波137

9.2.2 缩径类缺陷的反射137

9.2.3 扩径的反射波和多次反射137

9.2.4 缩径桩的多次反射138

9.2.5 断桩的反射138

9.2.6 桩头浅部反射—关于检测的盲区139

9.2.7 扩底桩的反射139

9.2.8 嵌岩桩的桩底反射139

9.2.9 桩头附近严重缺陷的“反射波”140

9.2.10 关于地层的反射141

9.2.11 缺陷上界面与缺陷下界面的反射141

9.2.12 基桩多缺陷的反射波142

9.3 工程实例142

9.3.1 完整桩142

9.3.2 缩径类缺陷的反射142

9.3.3 在“盲区”内的反射波143

9.3.4 嵌岩桩入岩反射波143

9.3.5 多缺陷桩的反射波143

9.3.6 扩底桩的反射143

9.3.7 地层反射波问题144

9.3.8 缩径桩的多次反射145

9.3.9 扩径的多次反射波145

9.3.10 断桩的反射波145

9.4 基桩反射法检测缺陷反射波规律小结146

9.5 反射波法测试桩身混凝土衰减系数147

9.5.1 桩身混凝土声衰减系数简易测算法148

9.5.2 桩身混凝土声衰减系数的严密测算法148

参考文献149

第10章 桩身轴向振动原理和作用150

10.1 一维杆的纵向振动150

10.1.1 自由状态下的一维杆150

10.1.2 非自由状态下的一维杆151

10.2 不同约束条件下桩的轴向振动152

10.2.1 桩底被嵌固桩头自由152

10.2.2 桩底自由桩头自由152

10.2.3 桩的实际状况153

10.3 桩轴向振动特性曲线的应用153

10.4 获取桩轴向多阶振动的必要条件154

10.5 反射波频域分析有利于桩完整性判断156

10.5.1 应用实例之一156

10.5.2 应用实例之二156

10.6 反射波频域分析暂不便推广的原因157

参考文献157

第11章 声波数字信号的处理158

11.1 概述158

11.2 信号的傅里叶变换159

11.2.1 时域信号与频域信号的关系159

11.2.2 数字信号的傅里叶变换—DFT变换与FFT变换159

11.2.3 频谱分析的性质161

11.2.4 频谱分析频率分辫率与时域时间分辫率162

11.2.5 频谱分析的开窗163

11.3 小波分析164

11.3.1 小波的概念164

11.3.2 小波变换的分析能力166

11.3.3 离散小波变换167

11.3.4 小波变换对时域信号的分析168

11.3.5 小波变换的应用探讨168

11.4 数字滤波169

11.5 信号的积分与微分171

11.5.1 改变信号的物理量171

11.5.2 改善信号“质量”171

11.5.3 关于微分处理172

11.6 辅助的信号处理功能172

参考文献173

第12章 反射波法检测的仪器装备174

12.1 检测仪器的组成与工作原理174

12.2 击振设备174

12.3 接收传感器177

12.3.1 速度型传感器177

12.3.2 加速度传感器181

12.4 检测仪器—数据采集与分析设备185

12.4.1 检测仪器的工作原理概述185

12.4.2 关于接收信号的放大186

12.4.3 A/D转换器与数据采集187

12.4.4 关于负延迟触发188

12.4.5 基桩完整性检测仪信号处理188

12.4.6 反射波基桩检测仪概况及其技术指标188

12.4.7 声波反射法检测仪器的操作模式191

12.4.8 基桩完整性检测Windows平台分析处理软件192

参考文献193

第13章 反射波法现场检测的技术关键194

13.1 击振技术的技巧194

13.1.1 桩头必须处理平整194

13.1.2 励脉冲宽度和频带宽度的调节195

13.1.3 击振能量的调节196

13.1.4 击振时的干扰信号197

13.2 接收传感器198

13.2.1 关于加速度传感器198

13.2.2 关于速度型传感器201

13.3 检测的操作使用技巧202

13.3.1 进入检测现场前的准备工作203

13.3.2 检测前仪器参数设置203

13.3.3 检测过程的要点204

参考文献206

第14章 反射波法测试资料的推断解释207

14.1 测试波形信号的处理207

14.1.1 数字滤波207

14.1.2 频谱分析207

14.1.3 指数放大功能210

14.1.4 积分处理210

14.1.5 波形旋转与平移212

14.1.6 多点平滑滤波212

14.2 国内外仪器对测试波形信号处理方式的异同213

14.3 测试资料推断解释的基本原则214

14.3.1 反射波信号分析解释的多解性214

14.3.2 必须掌握场地工程地质勘察资料214

14.4 反射波信号处理分析实例215

14.5 反射波法对桩身完整性的判断准则221

参考文献221

第15章 反射波法检测基桩倾斜度222

15.1 基桩倾斜时反射波信号的异常222

15.2 反射波检测基桩倾斜度原理222

15.2.1 关于倾斜桩的有关定义222

15.2.2 倾斜桩的异常特点223

15.2.3 倾斜桩反向脉冲异常点的理论解释223

15.3 倾斜桩的检测方法226

15.3.1 桩头处理和测点的布置226

15.3.2 击振与检测227

15.3.3 对采集信号的处理227

15.4 检测仪器装备227

15.4.1 激振装置227

15.4.2 信号接收传感器227

15.4.3 记录仪器及信号处理装置227

15.5 基桩倾斜度的检测228

15.5.1 垂直桩反射波时程曲线的特征228

15.5.2 倾斜桩反射波时程曲线的特征228

15.5.3 桩底反射波波幅变异系数229

15.6 基桩倾斜度和倾斜方位的估算230

15.7 基桩倾斜度的判断精度231

15.8 有轻微缺陷桩的倾斜检测232

15.9 工程实例233

15.10 本章编撰所引用的技术资料234

参考文献234

第16章 声波反射法检测混凝土板厚235

16.1 混凝土板状结构厚度检测的实用性235

16.2 冲击回波法检测混凝土板厚原理235

16.2.1 击振后混凝土板内的声场235

16.2.2 击振后混凝土板上传感器的接收信号236

16.2.3 频域测试法的必要条件236

16.3 冲击-回射法检测仪器设备237

16.3.1 击振设备237

16.3.2 接收传感器237

16.3.3 检测仪器238

16.4 冲击-回波法如何测准厚度240

16.4.1 混凝土板声速测试方法240

16.4.2 由振幅谱的f0产生的厚度误差241

16.5 冲击-回波的两种检测方法241

16.5.1 频域分析法241

16.5.2 时域测试法的显示分析与厚度计算242

16.6 冲击-回波法检测缺陷的可行性244

16.7 冲击-回波法的水平分辨率244

16.8 存在的问题245

参考文献246

第17章 基桩高应变动力检测技术247

17.1 高应变动力法所用的锤击设备247

17.2 高应变动力法的接收传感器248

17.2.1 速度信号是通过加速度传感器测取248

17.2.2 桩身应力用应变传感器测取249

17.3 高应变动力法数据采集电路252

17.4 高应变动力法接收到的波形信号253

17.4.1 关于振动速度时程曲线253

17.4.2 关于桩土体系振动力时程曲线253

17.4.3 典型高应变反射波实例254

17.5 高应变动力法基桩承载力测试概述255

17.5.1 凯斯法255

17.5.2 实测曲线拟合法简述257

17.6 关于桩身完整性检测259

参考文献260

结束语261

参考文献261