工程检测与评估3高应变基桩动力检测课件.ppt

1、第一章 基本概念及检测原理第二章 检测系统第三章 现场检测技术第四章 实测波形汇编第一节 概述第二节 基本假设第三节 基本理论第四节 CASE法的检测原理 所谓高应变动力试桩法，广义上讲，是指所有能使桩土间产生永久变形（或较大动位移）的动力检测桩基承载力的方法，无庸置言，这类方法要求给桩土系统施加较大能量的瞬时荷载，以保证桩土间产生一定的相对位移。自19世纪人们开始采用打桩公式计算桩基承载力以来，这种方法包括：（1）打桩公式法，用于预制桩施工时的同步测试，采用刚体碰撞过程中的动量与能量守恒原理，打桩公式法以工程新闻公式和海利打桩公式最为流行。（2）锤击贯入法，简称锤贯法，曾在我国许多地方得到应

2、用，仿照静载荷试验法获得动态打击力与相应沉降之间的曲线。通过动静对比系数计算静承载力，也有人采用波动方程法和经验公式法计算承载力。（3）Smith 波动方程法，设桩为一维弹性桩，桩土间符合牛顿粘性体和理想弹塑性体模型，将锤、冲击块、锤垫、桩等离散化为一系列单元，编程求解离散系统的差分方程组，得到打桩反应曲线，根据实测贯入度，考虑土的吸着系数，求得桩的极限承载力。（4）波动方程半经验解析解法，也称CASE法，根据应力波理论，可同时分析桩身完整性和桩土系数承载力（5）波动方程拟合法，即CAPWAP法，是目前广泛应用的一种较合理的方法。（6）静动法（Statnamic），其意义在于延长冲击力作用时间

3、（100ms），使之更接近一静载试验状态。CASE法和CAPWAP法，是目前最常用的两种高应变动力试桩方法，也是狭义的高应变动力试桩法。四个基本假定：(1)桩是一个时不变的系统，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。(2)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，这个假定并不妨碍我们在桩身的局部环节上采用某些办法来考虑其非弹性性状。(3)桩是一个一维的杆件，即桩身每个截面上的应力应变都是均匀的，可以用它的平均应力应变来加以描述而不必研究其在桩身截面上的分布。(4)破坏发生在桩土界面，可以只把桩身取作隔离体来进行波动计算，桩周土的影响都以作用于桩侧

4、和桩端的力来取代而参加计算。如果破坏发生在桩周土的土体内部，则把部分土体看作是桩身上的附加质量。在上述假定下，我们的问题在原理上被简化为一维的线性波动力学问题。（1 1）动力试桩是在桩顶作用一动态力（动荷载），在桩顶量测桩土动力试桩是在桩顶作用一动态力（动荷载），在桩顶量测桩土 系统的动力响应，如位移，速度或加速度信号，对信号的时域和频域系统的动力响应，如位移，速度或加速度信号，对信号的时域和频域 进行分析，可以对单桩承载力和桩身完整性进行评价。进行分析，可以对单桩承载力和桩身完整性进行评价。（2 2）高应变法，用重锤（重量为预估单桩极限承载力的高应变法，用重锤（重量为预估单桩极限承载力的1%

5、1.5%1%1.5%）自由下落锤击桩顶，使其应力和应变水平接近静力试桩的水平，使桩自由下落锤击桩顶，使其应力和应变水平接近静力试桩的水平，使桩 土之间的土产生塑性变形，即使桩产生贯入度，一般贯入度土之间的土产生塑性变形，即使桩产生贯入度，一般贯入度2mm,2mm,但但6mm.6mm.桩对外有抗力（承载力）是通过位移产生，有了位移，桩桩对外有抗力（承载力）是通过位移产生，有了位移，桩 侧土强度得到充分发挥，桩端土强度也得到一定程度的发挥，此时侧土强度得到充分发挥，桩端土强度也得到一定程度的发挥，此时,量量 测的信号含有承载力的因素。但对于嵌岩桩和超长的摩擦桩，要使桩测的信号含有承载力的因素。但对

6、于嵌岩桩和超长的摩擦桩，要使桩 端土强度发挥几乎是不可能的。端土强度发挥几乎是不可能的。（3 3）低应变法，用手锤、力棒敲击桩顶，或用激振器在桩顶激振，其产生的低应变法，用手锤、力棒敲击桩顶，或用激振器在桩顶激振，其产生的 能量小，动应变约能量小，动应变约1010-5-5（高应变动应变为（高应变动应变为1010-3-3），通过桩顶量测速度时域波形，），通过桩顶量测速度时域波形，对桩身完整性进行判定。对桩身完整性进行判定。应力波的作用规律及其基本描述应力波的作用规律及其基本描述 当应力波沿着一根弹性杆件传播时，在杆件上可以同时从两个不同的角度观察到它的作用：一是杆件的每个截面都将产生轴向运动，产

7、生相应的位移 u(x,t)，速度 v(x,t)和加速 a(x,t)；二是每个截面都将受某个轴向力 F(x,t)的作用。产生相应的应力(,)x t和应变(,)x t。我们把桩身受压（不论是内力、应力还是应变）看作是正的，而把桩身受拉看作是负的；把向下的运动（不论是位移、速度还是加速度）看作是正的，而把向上的运动看作是负的。如果我们在桩身某个截面上分别安装应变式传感器和加速度计，我们将独立地测得桩身该截面的力 F(t)和运动速度 v(t)，在高应变试验中，由于桩顶不可避免地处于不均匀的应力应变状态中，同时也由于施加锤击的需要，传感器的安装截面照例要选择在距离桩顶不少于 1-2 倍桩径处，为了方便，

8、这个截面以后将简称为“检测截面”，有时也称之为“截面 M”。应力应变和运动速度是同一个应力波在桩身中传播的表现，两者之间必然有着某种内在的联系。由于应力波的影响而产生的截面运动由于应力波的影响而产生的截面运动 分析一下一个下行的应力波在传播过程中所产生运动速度和应力应变之间的关系，上图所示的一个桩段，假设在某个时刻在其上表面受到一个锤击力的作用，产生一个压力波向下传播，经过一个微小的时段t之后，压力波从其上表面行进至某一深度，使L桩长范围内受到其作用而产生变形。与此同时，上表面将产生正的运动速度v并产生正的位移u，有 Lct uvt 因此，影响段的应变应为：uv tLc t 得 vc 即然是一

9、维弹性杆件，应力与应变之间将遵循虎克定律mE，代入公式得到下行波作用下应力和速度之间的关系式：mEvc 对于上行波来说，上述公式将相差一个负号，即 mEvc 这两个公式说明，任何一个应力波在弹性杆件中的某个截面中所产生的应力和运动速度之间，在数值上将始终保持一定的正比关系，由于弹性模量mE和弹性波速 c 都是介质材料的参数，应力和速度之间的比例关系仅仅和杆件的材料特性有关。有了应力和速度的关系，就直接可以得出内力和速度的关系：()()()()mmmtAEAF tZv tv tc 故可以得到高应变的重要公式)()(tvZtFcEvmcAz用符号 Wd(t)和 Wu(t)来分别代表下行波和上行波，

10、其单位仍是力的单位。上式可改写为以下两个式子：()()dW tZv t ()()uW tZv t 这个公式说明了应力波的基本作用规律，由此可以得到一个重要推论是；如果我们在描述应力波现象时，把实侧得到的速度曲线乘以相应的桩身阻抗Z，该曲线将保持速度的变化规律而按照一定的比例转换为力的单位，如果这时把它和实测的力画出一个坐标体系中，我们就可以直接对比两者的关系，这将大大方便我们的观察。在实测中，这已成为一种默认和惯例。在经过实测获得了某个截面 M 的内力 Fm（t）和速度 Vm（t）之后，根据上述的关系式，我们可以直接通过计算而求得通过该截面的下行和上行波的时程曲线。假设在某个桩身截面处，有下行

11、波 Wd(t)和上行波 Wu(t)相遇，则由公式可知，两者带给该截面的运动速度将分别是 Wd(t)/Z 和-Wu(t)/Z。根据叠加原理，截面的总的内力和运动速度将分别为：()()()duF tWtWt()()()duWtWtv tZZ 联立求解，得到：1()()()2dWtF tZ v t 1()()()2uWtF tZ v t 几个重要的推论：(1)在Fv图中，凡是下行波都将使两条曲线同向平移，原有距离保持不变；凡是上行波则都将使两者反向平移，互相靠拢或互相分离 (2)在FV图中,如果只有下行波作用，F(t)曲线和Zv(t)曲线将永远保持重合 (3)在FV图中，F(t)曲线和Zv(t)曲线

12、的相对移动直接反映了上行波的作用。桩身阻抗变化在桩身阻抗变化在F-vF-v图上的表现图上的表现（1）阻抗减少将产生上行的拉力波，在达到检测截面时，将引起力值的减少和速度值的增加，即力曲线下移而速度曲线上移。（2）阻抗增大将产生上行的压力波，在到达检测载面时，将引起力值的增大和速度值的减少，即力曲线上移而速度曲线下移。（3）上述反射信号到达检测截面的时间和变阻抗截面所在深度成正比，可以根据反射信号在时间轴上的位置和已知的总体平均波速大体确定其所在深度。（4）由于高应变具有较高的捶击能量，应力波一般能够贯穿整个桩长而直达桩端。典型的桩端变阻抗反射在实测记录上的表现 典型的桩身缺损在实测记录上的表现

13、 应力波沿细长杆传播的结果：下行压力波（运动速度向下）遇自由端反射为上行拉力波（运动速度向下），端点力为零，质点速度加倍。下行压力波（运动速度向下）遇固定端反射为上行压力波（运动速度向上），端点质点速度为零，力加倍。下行拉力波（运动速度向上）遇自由端反射为上行压力波（运动速度向上），端点质点速度加倍。下行拉力波（运动速度向上）遇固定端反射为上行拉力波（运动速度向下），端点质点速度为零。土阻力所产生的应力波及其在FV图上的表现 应力波在行进过程中将使桩身截面产生运动如果桩身处在桩周土的包围之中，桩身区段在土中将激发起土的阻力由于桩身所产生的运动是一种瞬态运动，被它激发出来的土阻力也将是一种动态的

14、作用力，从而在桩身中又激发起次生的应力波 由力学平衡条件：R=Wu-Wd 得：Wu=R/2 Wd=-R/2 土阻力在实测曲线上将表现为两根实测曲线的分离，使力曲线高出速度曲线，高出的幅度正好等于所受的土阻力R因此，在这里我们可以得到几个非常重要的推论：(1)在锤击力的作用下，桩身运动将激发土阻力而使桩身受到外加的阻力波作用 (2)土阻力的信号将被检测截面的传感器直接接收到，使得实测曲线中包含了试验时实际激发的土阻力信息 (3)作用于深度为x处的土阻力所产生的上行波将在2xc时刻到达检测截面因此，在实测曲线上沿着时间轴将可以在2Lc之前看到分层累加的的土阻力信息。（4）土阻力的作用将首先表现为实

15、测力曲线的上升和实测速度曲线的下降。两者的分离幅度将正好等于所受的土阻力。基本模型桩自身：CASE法将桩视为一维、均质、等截面、连续的线弹性，基本不考虑桩身缺陷影响，应变与质点速度之间满足协调方程。局限：桩身自阻尼衰减没有考虑承载力分析时，桩身缺陷没有考虑，所以缺陷桩误差更大桩身塑性没有考虑，低强度桩、力信号过大时存在问题锤击偏心时存在问题传感器过上存在问题基本模型桩周土静力模型：CASE法为确保波动方程解耦，得到半经验解析解，不仅将桩侧速度与动阻力分离，而且将桩身位移与静阻力分离，因而假定土的静力模型为理想刚塑性体，桩一运动耦合面即进入塑性状态，且为极限承载力状态 问题：弹性阶段即位移初始增

16、加阶段被忽略，加载起始阶段即认为已达到极限承载力状态，导致了极限承载力曲线上零值也是极限承载力的谬误。要求：位移取值足够大，使得极限承载力出现平坦段、达到拟理想刚塑性状态才可以正确应用要求有更大的打击力和动位移 基本模型桩周土动力模型：为排除动力试桩过程中土体的动力效应，CASE法假定土的动阻尼全部集中于桩尖，且与桩尖速度和广义波阻抗成正比。(,)dcRJZ V L t优点：动阻力与桩身质点运动无关，解耦承载力计算，得到解析解 指标：CASE阻尼系数，虽与持力层塑性指数有关，但更多的已演变成一个与动静对比相关的系数了 基本模型桩周土动力模型存在的问题：动阻力与桩顶广义波阻抗相关，却与桩底的无关

17、须确保桩侧动阻力较小，桩侧须光滑、等截面，须有足够位移持力层和桩侧土层须相差较大仅考虑了牛顿粘性体模型，没有考虑惯性力等的影响 承载力等值线不同阻尼的承载力取值桩侧和桩端阻尼对承载力的影响CASE 法的总阻力公式 从 t 时刻到cLtt2时刻的总阻力为:)(21)(21)(ttttzZVFZVFtR 式中 )(tRz锤击下从 t 到 t进段内实际激发的土对桩的总阻力 t选定的计算时刻 t应力波在桩中传播 2L/c，而确定第二计算时刻 Z桩身阻抗 从上述公式可见，打桩总阻力的大小是一个随时间而变化的量，和时间的选取有关，所以要求选择好合适的时段。凯司法确定承载力的各种实用算法 我们实测得到的土阻

18、力Rz近似地看作由两部分叠加而组成，一是土在静载荷试验时所表现的静阻力Rs，二是由于动力作用所产生的附加的动阻力Rd，三者的关系：Rs=Rz-Rd1.阻尼系数法（RSP法）在阻尼系数法中，规定把t1时刻选择在锤击开始阶段速度曲线的峰值处 CASE阻尼系数Jc的经验取值（美国PDI公司资料）)(2)1()(2)1(2,2,1,1,tmtmctmtmcvZFJvZFJRSP土质纯砂粉砂粉土亚黏土黏土Jc0.1-0.150.15-0.250.25-0.40.4-0.70.7-1.02.最大阻力法（RMX法）最大阻力法即时间延迟法，它适用于饱和粘性土的排土桩和具有土塞作用的非排土桩。这种桩土的弹性大，

19、最大阻力的发挥往往滞后于速度峰值。它和阻尼法计算公式一样，不同的是时间选择，一般在速度峰值后加一延时，找出最大阻力对应的时间.显然当延时等于零，RMX就等于RSP，因此，RSP法可以看作是RMX法的一个特例。3.卸载法(RSU)承载力计算时，桩位移单调增加(即速度在2L/C之前为正)，这样所有阻力可以同时激发。但对于大侧阻或难贯入的长桩，在之前速度会出现负值，桩体的上部位移会不断减小，在桩底阻力激发之前，部分侧阻力产生卸载，这样，计算的承载力就会低于总的阻力。由力和速度差值可以得到卸载层的摩擦力，其值的一半作为承载力的修正值。阻尼系数法RSP：一般意义上使用，积累的经验最为丰富最大阻力法RMX

20、：上升时间短或土的弹限值大，土阻力来不及充分发挥的情形。最小阻力法RMN：桩底不明显时，更偏安全卸载法RSU：长桩，考虑了阻力的卸载效应端承桩自动计算值RAU：短桩、端承桩（桩底速度为零时对应的值）摩擦桩自动计算公式RA2：摩擦桩，据说与拟合值接近各自的适用范围：确定桩身完整性的 法确定桩身完整性的 法 xx11xxx112tVZtFtVZtFtVZtFRtVZtF类别值类别值1.00.60.80.81.00.620001xttcxF2=E.A.应变2F1=E.A.应变1应变1应变2(F1+F2)/2平均力积分得V2积分得V1a1a2(V1+V2)/2平均速度V平均力F 平均速度V与波阻抗Z乘

21、积ZVF与时间的函数F-ZV波形FZV（FZV）2上行波FFZV（F+ZV）2下行波FFVFV积分能量a积分 V积分位移SFF相加承载力RT承载力桩尖阻力桩侧阻力静桩尖阻力动桩尖阻力静桩侧阻力动桩侧阻力采用凯司法判定桩承载力1 只限于中、小直径桩。2桩身材质、截面应基本均匀。3阻尼系数Jc宜根据同条件下静载试验结果校核，或应在已取得相近条件下可靠对比资料后，采用实测曲线拟合法确定Jc值。4在同一场地、地质条件相近和桩型及其截面积相同情况下，Jc值的极差不宜大于平均值的30%。第一节 传感器第二节 采集仪器第三节 软件简介第四节 锤击设备加速度应变环RSM-24FD分体机RSM-24FDN一体机

22、主操作界面设置界面采集界面处理界面打印信息预览界面整体锤组合锤组合：优：便于搬运、成本低、基坑方便 缺：效果差、易偏心、慎用、重心高 重点：锤体的紧凑和锤垫整体：优：效果好、效率高、缺：适应能力差、成本高、搬运困难 导向架与辅助设备1-导向架；2-自动脱钩；3-锤；4-砧座；5-锤垫；6-导向柱；7-电机；8-底盘；9-道木；10-桩；11-吊车第一节 检测流程第二节 影响测试的因素第三节 疑问解答第一步 桩头处理第二步 仪器连接第三步 传感器安装第四步 程序设置第五步 重锤锤击第六步 信号采集第七步 信号分析第八步 结果打印剔除桩顶浮浆桩顶设置桩垫桩顶设置钢板围箍或桩帽长桩帽24FD电源连接

23、24FD与电脑连接24FD与高应变电缆的连接24FD传感器连接1.对称安装在距桩顶不小于2D的桩侧表面处（D为试桩的直径或边宽）；2.对于大直径桩，传感器与桩顶之间的距离可适当减小，但不得小于1D。3.安装面处的材质和截面尺寸应与原桩身相同，传感器不得安装在截面突变处附近。4.应变传感器与加速度传感器的中心应位于同一水平线上，同侧的应变传感器和加速度传感器间的水平距离不宜大于100mm。5.安装完毕后，传感器的中心轴应与桩中心轴保持平行。在开始检测之前必须根据不同桩的情况对程序进行设置，下面给出一个例子来学习整个的检测过程的软件操作 注意：以下只讲解了在检测过程中常用的功能，其他功能及程序中出

24、现的参数请仔细阅读软件操作说明书，这里不一一详细说明。单击设置进入设置界面进入主操作界面后，点击设置按键进入设置界面仪器与笔记本电脑通讯口设置，视电脑串口设置而定，有COM1-6供选仪器与笔记本电脑通讯速率，586以上请选57600预设桩长外接传感器设置，请与传感器接的通道和类型一致桩长=50米；混凝土标号：C30；桩截面积：1平方米预设波速：C25：3300C30：3600C35：3800C20：3000桩长=50米；混凝土标号：C30；桩界面积：1平方米无桩顶时请选，桩身与桩头参数联动桩身桩底截面截面积桩身砼的密度各个传感器的灵敏度测试前准确输入单击确定回主操作界面1.采用自由落锤为锤击设

25、备时，应重锤低击，最大锤击落距不宜大于2.5m。2.重锤应材质均匀、形状对称、锤底平整，高径（宽）比不得小于1重心问题3.进行承载力检测时，锤的重量应大于预估单桩极限承载力的1.0%1.5%，混凝土桩的桩径大于600mm或桩长大于30m时取高值说明将锤吊起准备松脱钩进行锤击,为保证锤底平面接触桩头请等锤稳定后再松脱钩1.锤击的一点点偏心，可以导致信号一致性严重恶化，在一点已为大量试验所验证偏心不可大意2.湖北地区的脱钩容易导致偏心；3.脱钩以中心脱落的方式为宜，如广东地区4.有时候利用吊车直接下放，效果可能更好 单击自检进入自检界面信号采集前测试仪器各道状态 注意：此时传感器已连接好、安装好，

26、并已打开仪器电源开关 当采用交流供电时，测试系统应良好接地进入自检界面后出现的瞬间采集界面自检自触发后的到四道波形采集前测试加速度传感器连接是否正常单击采样键进入采样界面用CH1做为触发通道，并轻敲桩上CH1的加速度传感器看是否能触发。采集等待滚动条在进行了自检或采样操作后都必须观察电桥指示灯是否能变为黄色。信号采集前准备总结在传感器连接安装好后自检测试整个系统连接和干扰情况用CH1、CH2两道做为触发通道来测试加速度传感器的连接和安装情况在自检、采样操作时观察应变指示灯来测试应变计的连接和安装情况注意：以上情况均正常后才能进行正式的信号采集单击采样键进入采样界面正式采集信号采集等待滚动条等待

27、几秒观察应变指示灯正常后给指令松脱钩回到主操作界面下即显示FZV波形数据波形较好时，点击存盘进入保存波形界面对数据进行存盘波形保存界面单击保存选文件夹选文件名信号采集注意事项v桩面平整，桩锤重心应与桩顶对中v重锤角架放置牢固v桩头处理到位v采集前对整个系统的调试v波形存盘信号采集波形的选取F和ZV曲线归零基线F与ZV曲线起跳端于上升沿及最高峰重合曲线光滑无振荡信号采集波形的观察重点1.上升沿力和速度的正比性、尾部归零情况和毛刺情况2.上行波的合理性，是否与地层对应？3.动位移曲线的合理性，最打动位移是否足够？4.极限承载力曲线的合理性，是否有平台5.最大打击力、最大动位移、极限承载力比较、最大

28、速度波形读取单击进入波形读取界面读取波形界面选文件夹选文件名单击读出所选波形并退会主操作界面显示出所读波形挑选信号较好的通道和计算方法当出现下列情况之一时，锤击信号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过1倍。3 触变效应的影响，预制桩在多次锤击下承载力下降。4 四通道测试数据不全。显示出所读波形单击进入波形处理界面未处理原波形显示处理后的波形率波处理微调ZV曲线的起始点、峰值、和零漂处理后的曲线单击后回主操作界面并显示处理后的波形将竖直滑线移至桩头位置并同时单击左键定桩头位置和时间零点坐标将竖直滑线

29、移至桩底位置并同时单击右键定桩底位置进入桩底类型选择界面计算波速桩底选择界面单击其中任一选择桩底类型显示出模拟桩图形根据地质资料输入合适的阻尼系数单击进入打印信息预览界面 阻尼系数Jc定义为仅与桩端土性有关，一般遵循随土中细粒含量增加阻尼系数增大的规律。Jc的取值是否合理在很大程度上决定了计算承载力的准确性。所以，缺乏同条件下的静动对比校核、或大量相近条件下的对比资料时，将使其使用范围受到限制。用Rs曲线确定侧阻较小桩的Jc 打印信息预览界面单击将从打印机输出波形及结果选择所需的打印内容程序会根据所调整的打印内容而改变打印的状态单击确定后进入新的打印状态再进行打印操作将打印出所指定的打印信息桩身波速的确定 灌注桩高应变实测波形 注：800mm钻孔灌注桩，桩端持力层为全风化花岗片麻岩，测点下桩长16m。采用60kN重锤，先做高应变检测，后做静载验证检测。02468101214025050075010001250150017502000系列1系列4Q(kN)s(mm)静载曲线动测曲线静载和动载模拟的Q-s曲线土阻力对实测曲线的影响 在各种不同的土阻力情部下的典型实测曲线 近海工程中上部无侧阻力桩的典型实测曲线 在连续锤击下混弹凝土桩身出现破损的时的曲线变化