《基桩高应变法检测》PPT课件.ppt

基桩高应变法检测基桩高应变法检测n n高应变法是用瞬态激振，使桩土发生相对迁移，高应变法是用瞬态激振，使桩土发生相对迁移，利用波动理论揭示桩土体系在接近极限阶段时的利用波动理论揭示桩土体系在接近极限阶段时的工作性能，评价桩身质量，分析桩的极限承载力；工作性能，评价桩身质量，分析桩的极限承载力；n n低应变法是利用低能量的瞬态或稳态激振，使桩低应变法是利用低能量的瞬态或稳态激振，使桩在弹性范围内作低幅振动，利用振动和波动理论在弹性范围内作低幅振动，利用振动和波动理论判断桩身缺陷。判断桩身缺陷。n n高应变法与低应变法的根本区别在于高应变法考高应变法与低应变法的根本区别在于高应变法考虑了桩周土的弹塑性响应而低应变法仅使桩周土虑了桩周土的弹塑性响应而低应变法仅使桩周土完全处于弹性范围内。完全处于弹性范围内。n n直接测定桩的极限承载力，一般必须具备桩与桩直接测定桩的极限承载力，一般必须具备桩与桩周土之间产生足够的相对位移这一条件，从而可周土之间产生足够的相对位移这一条件，从而可以获知桩在工程中所具备的安全度。据此观点高以获知桩在工程中所具备的安全度。据此观点高应变法可以直接测定桩的极限承载力，而低应变应变法可以直接测定桩的极限承载力，而低应变法是测不到桩的极限承载力的。法是测不到桩的极限承载力的。n n对基桩的检测,一般都需要对桩身施加外力。n n从外力的能量角度讲,大能量的有静载测试、高应变法，外力可以达数十、百、千吨。小能量的有低应变法、声波透射法，外力的能量微乎其微，只在桩身介质内部产生了弹性应变。从外力的时间属性讲，有从外力的时间属性讲，有静载和动载之分。静载和动载之分。静载静载静载静载是指荷载在一定的时是指荷载在一定的时间内不发生变化，如常规间内不发生变化，如常规的静载检测，每级荷载在的静载检测，每级荷载在2 2小时内维持稳定，通常小时内维持稳定，通常就认为是静态的荷载。就认为是静态的荷载。动载动载动载动载则指荷载是动态的，则指荷载是动态的，荷载随时间发生变化，又荷载随时间发生变化，又可分为瞬态和稳态。高应可分为瞬态和稳态。高应变的锤击属于对桩施加瞬变的锤击属于对桩施加瞬态荷载。态荷载。n n尽管一些实践表明，有些类型的桩与一维应力波动尽管一些实践表明，有些类型的桩与一维应力波动理论有关桩身的基本假定相差较大，但多数类型的理论有关桩身的基本假定相差较大，但多数类型的工程桩（预制方桩、预应力管桩、常规灌注桩）与工程桩（预制方桩、预应力管桩、常规灌注桩）与这些基本假定是相近的。这些基本假定是高应变检这些基本假定是相近的。这些基本假定是高应变检测技术应用的基础，包括：测技术应用的基础，包括：n n桩是一个时间不变的系统，即桩的基本特性在测试桩是一个时间不变的系统，即桩的基本特性在测试所涉及的时间内可以看作是固定不变的；所涉及的时间内可以看作是固定不变的；n n桩是一个线性系统，即桩在总体上是弹性的，所有桩是一个线性系统，即桩在总体上是弹性的，所有的输入和输出都可以简单叠加（在桩身的局部环节的输入和输出都可以简单叠加（在桩身的局部环节可以考虑其非线性性状）；可以考虑其非线性性状）；n n桩是一个一维杆件，即桩身每个截面上的应力应变桩是一个一维杆件，即桩身每个截面上的应力应变都是均匀的，可以用平均应力应变来描述桩身截面都是均匀的，可以用平均应力应变来描述桩身截面上的分布。上的分布。高应变法涉及的理论比较复杂，操作也较严格。本高应变法涉及的理论比较复杂，操作也较严格。本次培训内容以掌握高应变检测的基本技能为主。次培训内容以掌握高应变检测的基本技能为主。几个基本概念.纵波波速纵波波速纵波波速纵波波速C C C C为杆的纵向振动波沿杆件的传播速度，可以理解为为杆的纵向振动波沿杆件的传播速度，可以理解为应力波在桩身中的传播速度，即波速，它的单位为应力波在桩身中的传播速度，即波速，它的单位为m/sm/s，高应变检测时混凝土桩的正常波速一般为，高应变检测时混凝土桩的正常波速一般为30004000m/s30004000m/s。.质点运动速度质点运动速度质点运动速度质点运动速度VV 传递波动的物质称为介质，介质的运动随时间的变化传递波动的物质称为介质，介质的运动随时间的变化称为振动，整个介质随空间、时间的运动变化情况，称为振动，整个介质随空间、时间的运动变化情况，则称为波动。在应力作用下，桩身产生运动。其质点则称为波动。在应力作用下，桩身产生运动。其质点的振动速度的振动速度V V取决于应力的大小和介质的特性。取决于应力的大小和介质的特性。弹性杆中的应力波引起的质点运动速度与应变成正比，弹性杆中的应力波引起的质点运动速度与应变成正比，是讨论应力波问题的基本公式。例：对于低碳钢，是讨论应力波问题的基本公式。例：对于低碳钢，c=5120m/sc=5120m/s，屈服限对应的变形约为，屈服限对应的变形约为11即即=1000=1000，则质点运动速度。，则质点运动速度。.桩的广义波阻抗 Z=EA/c=Z=EA/c=cAcA 由一维波动理论可知，桩的广义波阻抗由一维波动理论可知，桩的广义波阻抗Z Z是其横截面是其横截面积、材料密度和弹性模量的函数：积、材料密度和弹性模量的函数：Z：桩的广义波阻抗（单位：Ns/m）；C：桩的声波速度（单位：m/s）；E：桩的弹性模量（单位：N/m2 2）；：桩的质量密度（单位：kg/m3 3）；A：桩的截面积（单位：m2 2）。.振动速度振动速度V V 和和 力力F F 的关联。的关联。根据虎克定律，应力与根据虎克定律，应力与应变之比等于弹性模量应变之比等于弹性模量E E.下式中等号右边第一项称为下行力波下式中等号右边第一项称为下行力波FdFd（也简称为下（也简称为下行波），第二项称为上行力波行波），第二项称为上行力波FuFu（也简称为上行波）（也简称为上行波）。如果类似地将质点运动速度也进行分解，即。如果类似地将质点运动速度也进行分解，即V=Vd+VuV=Vd+Vun n.波在阻抗变化处的反射、透射，与低应变中基本波在阻抗变化处的反射、透射，与低应变中基本一致。一致。vR RvI I（Z2Z2Z1Z1）/（Z1Z1Z2Z2）=F FvI I F=1n/(1+n)T=2/(1+n)n=Z1/Z2 F=1n/(1+n)T=2/(1+n)n=Z1/Z2 vI I入射波入射波，vR R反射波，反射波，F F反射系数，反射系数，T T透射系数透射系数 （1 1）阻抗近似不变（）阻抗近似不变（Z1=Z2Z1=Z2）n=1 F=0 n=1 F=0 没有反没有反射波射波 （2 2）阻抗减小（）阻抗减小（Z1Z1Z2Z2）n n1 F1 F 0 0 有反射波有反射波 ，vR R与与vI I符号一致符号一致 （3 3）阻抗增加（）阻抗增加（Z1Z1Z2Z2）n n1 F1 F0 0 有反射波有反射波 ，vR R 与与vI I符号相反符号相反n n.入射波、反射波和透射波和下行波、上行波之间关系。在实际桩的动力检测时，施加于桩顶的荷载为压力，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，应力和应变以受压为正。（1）当初始入射波FI沿x正向（向下）传播尚未到达阻抗变化界面前，下行波就是入射波，无上行波；（2）入射波到达阻抗变化界面将产生反射和透射，反射力波FR沿阻抗为Z1的杆x轴负向（向上）传播，称为上行波；透射力波FT沿阻抗为Z2的杆x轴正向（向下）传播，此时下行波就是透射波。n n.对于实际工程桩动测，希望是在桩顶给桩以入射波（输入），使入射波在下行过程中遇到桩截面或界面阻抗变化和桩周岩土阻力作用以反射波的形式上行返回至桩顶，通过对桩顶部测量的应力波信号提取反射波或上行波信息，并与入射波或下行波相比较，达到检测承载力和桩身完整性之目的。就动测桩的实质而言，最受关注的信息就是反射波，而反射波就是上行波。n n.土阻力土阻力土阻力土阻力 在低应变检测中，土阻力的作用被忽略，视弹性波在低应变检测中，土阻力的作用被忽略，视弹性波的传播局限在桩身内部。但是土阻力对弹性波传播的传播局限在桩身内部。但是土阻力对弹性波传播过程的影响是确实存在的。高应变检测中无法忽视过程的影响是确实存在的。高应变检测中无法忽视土阻力的存在，因为检测桩承载力的过程主要就是土阻力的存在，因为检测桩承载力的过程主要就是分析研究桩周围土静阻力发挥作用的过程。土阻力分析研究桩周围土静阻力发挥作用的过程。土阻力对弹性波传播过程的影响是非线性的（详细可见有对弹性波传播过程的影响是非线性的（详细可见有关专著）。这里，强调应力波在传播时，土阻力的关专著）。这里，强调应力波在传播时，土阻力的变化同样会产生反射与透射，会产生类似杆件的阻变化同样会产生反射与透射，会产生类似杆件的阻抗（抗（E E、A A、）中任一项或几项的变化的反射与透射。、）中任一项或几项的变化的反射与透射。高应变检测技术的难点不仅要识别阻抗（高应变检测技术的难点不仅要识别阻抗（E E、A A、）、）的变化，还要识别和计算土阻力的变化；还有一个的变化，还要识别和计算土阻力的变化；还有一个难点是把土体振动时动态的土阻力（阻尼）如何等难点是把土体振动时动态的土阻力（阻尼）如何等效为土的静阻力。效为土的静阻力。凯斯（凯斯（Case）法）法n nCaseCase从行波理论出发，导出了一整套简洁的分析计从行波理论出发，导出了一整套简洁的分析计算公式并改善了相应的量测仪器，使之能在打桩现算公式并改善了相应的量测仪器，使之能在打桩现场快速得到关于承载力、锤击能量、桩身拉力和桩场快速得到关于承载力、锤击能量、桩身拉力和桩身质量等许多分析结果。其优点就是具有较强的实身质量等许多分析结果。其优点就是具有较强的实时分析功能。同时，时分析功能。同时，CaseCase采用了下述假定：采用了下述假定：（1 1）桩看作一维杆体，桩身等阻抗，即截面不变、桩）桩看作一维杆体，桩身等阻抗，即截面不变、桩身材质均匀且无明显缺陷；身材质均匀且无明显缺陷；（2 2）只考虑桩底的动阻尼，忽略桩身周围的动阻尼；）只考虑桩底的动阻尼，忽略桩身周围的动阻尼；（3 3）应力波在传播过程中没有能量耗散和信号畸变；）应力波在传播过程中没有能量耗散和信号畸变；（4 4）在（）在（t0tl+4L/Ct0tl+4L/C）时段内桩侧各点的摩阻力不）时段内桩侧各点的摩阻力不变。变。n n桩身波速可根据下行波波形起升沿的起点到上行波下降沿的起点之间的时差与已知桩长值确定 实测曲线拟合法n n其思路是在实测力或速度曲线中，选一条曲线进行相其思路是在实测力或速度曲线中，选一条曲线进行相应的波动计算，将求得的另一条计算曲线与实测曲线应的波动计算，将求得的另一条计算曲线与实测曲线相比较拟合。也可以通过力和速度曲线求解上行波和相比较拟合。也可以通过力和速度曲线求解上行波和下行波相拟合，即从上行波曲线（或下行波曲线）出下行波相拟合，即从上行波曲线（或下行波曲线）出发，对各种参数进行设定，计算出下行波（或上行波）发，对各种参数进行设定，计算出下行波（或上行波）曲线，把计算结果和相应的实测曲线进行比较，根据曲线，把计算结果和相应的实测曲线进行比较，根据对比的差值，自动修改数学模型，再进行下一次的计对比的差值，自动修改数学模型，再进行下一次的计算拟合，如此反复进行，直至达到拟合效果满意为止，算拟合，如此反复进行，直至达到拟合效果满意为止，最终给出符合实际桩土体系的各种参数。必须指出，最终给出符合实际桩土体系的各种参数。必须指出，最终设定的各种参数应基本符合桩周土的分布规律。最终设定的各种参数应基本符合桩周土的分布规律。n n这种算法是以实测值作为客观标准来反演桩土参数。这种算法是以实测值作为客观标准来反演桩土参数。经过多次拟合，最终得到桩身剖面形状、土参数分布经过多次拟合，最终得到桩身剖面形状、土参数分布（如土阻沿桩身分布）和根据桩土参数进行静力分析（如土阻沿桩身分布）和根据桩土参数进行静力分析模拟出的静荷载一沉降曲线。模拟出的静荷载一沉降曲线。实测力与实测速度曲线之差反映的土阻力大小是桩的竖向承载力高低的定性表达。在桩顶力和速度时程曲线的2x/c（xL）时刻，力曲线与速度曲线之间的差值代表了应力波从桩顶下行至x深度的过程中所受到的所有土阻力之和，即：Rx=F(0,2x/c)ZV(0,2x/c)n n应变式力传感器直接测到的是其安装面上的应变，并按式F =A E 计算冲击力。式中：F锤击力；A测点处桩截面积；E=c2 桩身弹性模量；实测应变值。测点处的桩截面尺寸应按实际测量确定，波速、质量密度和弹性模量应按实际情况设定。n n也可用加速度传感器测力，F=m*a，m是重锤质量，a是安装在自由落锤上的加速度传感器的实测信号。n n在规范在规范JGJ1062003JGJ1062003第第9 9章高应变法中有五章高应变法中有五条强制性条文，而且都不是针对分析计算方法的条强制性条文，而且都不是针对分析计算方法的规定。其目的是很明显的：如果没有实测信号质规定。其目的是很明显的：如果没有实测信号质量的保证或者信号反映的桩量的保证或者信号反映的桩 土相互作用信息不充土相互作用信息不充分，再好的计算分析方法也不可能得出可靠的承分，再好的计算分析方法也不可能得出可靠的承载力结果。规范对锤击设备有以下两条强制载力结果。规范对锤击设备有以下两条强制性规定：性规定：n n高应变检测用重锤应材质均匀、形状对称、高应变检测用重锤应材质均匀、形状对称、高应变检测用重锤应材质均匀、形状对称、高应变检测用重锤应材质均匀、形状对称、锤底平整，高径（宽）比不得小于锤底平整，高径（宽）比不得小于锤底平整，高径（宽）比不得小于锤底平整，高径（宽）比不得小于1 1，并采用铸，并采用铸，并采用铸，并采用铸铁或铸钢制作。当采取自由落锤安装加速度传感铁或铸钢制作。当采取自由落锤安装加速度传感铁或铸钢制作。当采取自由落锤安装加速度传感铁或铸钢制作。当采取自由落锤安装加速度传感器的方式实测锤击力时，重锤应整体铸造，且高器的方式实测锤击力时，重锤应整体铸造，且高器的方式实测锤击力时，重锤应整体铸造，且高器的方式实测锤击力时，重锤应整体铸造，且高径（宽）比应在范围内。径（宽）比应在范围内。径（宽）比应在范围内。径（宽）比应在范围内。n n进行高应变承载力检测时，锤的重量应大于进行高应变承载力检测时，锤的重量应大于进行高应变承载力检测时，锤的重量应大于进行高应变承载力检测时，锤的重量应大于预估单桩极限承载力的预估单桩极限承载力的预估单桩极限承载力的预估单桩极限承载力的1.0%1.0%1.5%1.5%，混凝土，混凝土，混凝土，混凝土桩的桩径大于桩的桩径大于桩的桩径大于桩的桩径大于600mm600mm或桩长大于或桩长大于或桩长大于或桩长大于30m30m时取高时取高时取高时取高值。值。值。值。n n规范JGJ1062003以强制性条文做出如下规定：n n当出现下列情况之一时，高应变锤击信号当出现下列情况之一时，高应变锤击信号不得作为承载力分析计算的依据：不得作为承载力分析计算的依据：1 传感器安装处混凝土开裂或出现严重塑传感器安装处混凝土开裂或出现严重塑性变形使力曲线最终未归零。性变形使力曲线最终未归零。2 严重锤击偏心，两侧力信号幅值相差超严重锤击偏心，两侧力信号幅值相差超过过1倍。倍。3 触变效应的影响，预制桩在多次锤击下触变效应的影响，预制桩在多次锤击下承载力下降。承载力下降。4 四通道测试数据不全。四通道测试数据不全。n n实测力和速度信号第一峰比例失调实测力和速度信号第一峰比例失调 n n可进行信号幅值调整的情况只有以下两种：上述因波速改变需可进行信号幅值调整的情况只有以下两种：上述因波速改变需调整通过实测应变换算得到的力值；传感器设定值或仪器增益调整通过实测应变换算得到的力值；传感器设定值或仪器增益的输入错误。在多数情况下，正常施打的预制桩，由于锤击力的输入错误。在多数情况下，正常施打的预制桩，由于锤击力波上升沿非常陡峭，力和速度信号第一峰应基本成比例。但在波上升沿非常陡峭，力和速度信号第一峰应基本成比例。但在以下几种情况下，比例失调属于正常：以下几种情况下，比例失调属于正常：n n（1 1）桩浅部阻抗变化和土阻力影响。桩浅部阻抗变化和土阻力影响。n n（2 2）采用应变式传感器测力时，测点处混凝土的非线性造成采用应变式传感器测力时，测点处混凝土的非线性造成力值明显偏高。力值明显偏高。n n（3 3）锤击力波上升缓慢或桩很短时，土阻力波或桩底反射波锤击力波上升缓慢或桩很短时，土阻力波或桩底反射波的影响。的影响。n n除第（除第（2 2）种情况当减小力值时，可避免计算的承载力过高外，）种情况当减小力值时，可避免计算的承载力过高外，其他情况的随意比例调整均是对实测信号的歪曲，并产生虚假其他情况的随意比例调整均是对实测信号的歪曲，并产生虚假的结果，因为这种比例调整往往是对整个信号乘以一个标定常的结果，因为这种比例调整往往是对整个信号乘以一个标定常数。因此，禁止将实测力或速度信号重新标定。这一点必须引数。因此，禁止将实测力或速度信号重新标定。这一点必须引起重视，因为有些仪器具有比例自动调整功能。起重视，因为有些仪器具有比例自动调整功能。n n规范规范JGJ106JGJ106做出如下强制性规定：做出如下强制性规定：n n高应变实测的力和速度信号第一峰起始比例失调时，不得进行高应变实测的力和速度信号第一峰起始比例失调时，不得进行高应变实测的力和速度信号第一峰起始比例失调时，不得进行高应变实测的力和速度信号第一峰起始比例失调时，不得进行比例调整。比例调整。比例调整。比例调整。n n贯入度测量贯入度测量n n桩的贯入度可采用精密水准仪等仪器测定。利用打桩机作桩的贯入度可采用精密水准仪等仪器测定。利用打桩机作为锤击设备时，可根据一阵锤（为锤击设备时，可根据一阵锤（1010锤）的锤击下桩的总下锤）的锤击下桩的总下沉量确定单击贯入度。沉量确定单击贯入度。n n重锤对桩冲击使桩周土产生振动，采用在受检桩附近架设重锤对桩冲击使桩周土产生振动，采用在受检桩附近架设的基准梁的办法，由于基准桩受振动的影响，导致桩的贯的基准梁的办法，由于基准桩受振动的影响，导致桩的贯入度测量结果不可靠。目前多采用加速度信号两次积分得入度测量结果不可靠。目前多采用加速度信号两次积分得到的最终位移作为实测贯入度，虽然最方便，但可能存在到的最终位移作为实测贯入度，虽然最方便，但可能存在下列问题：下列问题：n n（1 1）由于信号采集时段短，信号采集结束时桩的运动尚由于信号采集时段短，信号采集结束时桩的运动尚未停止，以柴油锤打长桩时为甚。一般情况下，只有位移未停止，以柴油锤打长桩时为甚。一般情况下，只有位移曲线尾部为一水平线，即位移不再随时间变化时，所测的曲线尾部为一水平线，即位移不再随时间变化时，所测的贯入度才是可信的。贯入度才是可信的。n n（2 2）加速度计的质量优劣影响积分（速度）曲线的趋势，加速度计的质量优劣影响积分（速度）曲线的趋势，零漂大和低频响应差（时间常数小）时极为明显。零漂大和低频响应差（时间常数小）时极为明显。n n所以，对贯入度测量精度要求较高时，宜采用精密水准仪所以，对贯入度测量精度要求较高时，宜采用精密水准仪等光学仪器测定。等光学仪器测定。传感器安装示意图传感器安装示意图 （单位：（单位：mmmm）练习题练习题n n一混凝土方桩横截面尺寸为一混凝土方桩横截面尺寸为500mm500mm500mm500mm，实测力和速度波形如下，其实测力和速度波形如下，其3.12103.12104 4 MPa MPa c c=3900m/s=3900m/s，Jc=0.3,Jc=0.3,用用casecase法计算该桩承载力法计算该桩承载力答答2 2 z=z=A/A/c=2000kNc=2000kN.s/m s/m R RC C=10085kN=10085kNn n徐州市建科技术有限公司 n n唐新鸣