基桩完整性定量分析.ppt

基桩完整性定量分析 武汉岩土星科技开发有限公司 陈小兰QQ：460540282 定量分析重要性 l在现行的基桩规范中对如何处理三类桩并没有明确规定,只 有知道桩的缺损程度及响应的位置、范围，设计部门才可能 根据其对桩竖直向抗压强度、水平向抗剪强度的影响，对桩 进行进一步的实验或进行相应的处理。但现行桩的缺损程度 的确定方法有一定的局限性： l（1） 钻孔取芯 l局部性，要客观缺损处的缺损程度就必须有多处取芯，这导 致桩如蜂窝煤，之后又需灌浆，耗时、耗力 l（2） 高应变完整性测量 高应变是利用缺损处反射的拉力波对F、ZV曲线的影响来确 定完整系数。但由于高应变信号频率成份较低，阻抗形式变 化复杂（突变、渐变、范围大小）会导致反射波叠加，同时 又要考虑土阻力的影响，分析精度不高。 定量分析重要性（续） l（3） 声波测试 l声波测试可以提供CT图，对测管区间进行定量描述，但 必须事先埋管; l（4） 高应变承载力测试 l在很多情况下,设计方或业主会要求进行荷载实验:静压或 高应变承载力测试。由于静压对场地、试桩桩帽等有较高 的要求，不仅成本高，而且耗时。高应变承载力测试往往 被作为首先的选择。 l 但目前高应变承载力测试，无论是CASE法还是拟合法均 没有考虑桩材料的竖向抗压强度及水平抗剪强度。这样高 应变承载力测试无法反映出在桩土破坏（即提供常说的极 限承载力）之前的桩材料的破坏。 定量分析的定义 l在激振点，测点及激振频率满足一定的要 求时，桩的动测信号可近似用一维应力波 理论来分析。对入射、反射波峰值分析或 通过对实测波形分析进行拟合分析，可确 定波阻抗变化位置、程度、范围，从而为 桩的完整性分类提供科学定量化依据。 定量分析的意义 l通过对波形的拟合分析，不仅可定量分析波阻 抗变化，而且还可帮助分析者了解波的多次反 射、相互迭加及桩土相互作用对波传播影响。 具体的讲，应力波在波阻抗变化处总是有多次 反射，反射波的能量与波阻抗变化程度有关， 相邻反射波的相位变化与波阻抗增大或缩小有 关。通过波形拟合便可识别那些信号是波阻抗 第二次反射甚至第三次反射，那些是首次反射 。首次反射波对应着波阻抗变化，而二次及二 次以上的反射波会与其它反射波迭加，导致信 号加强或信号削弱。 峰、峰值分析基本理论 n=(1-/2)/(1+/2) =V=V R R /V/V I I n=(1- )/(1+ ) 峰、峰值确定完整性的局限性 l工程桩波阻抗变化是渐变的 l桩土相互作用会引起应力波衰减 l当阻抗变化是多处时，应力波多次反射 ，反射波相互迭加 波阻抗渐变 l渐变波阻抗反射波是 连续的，波形状发生 变化 l即使渐变波阻抗变化 区域最大的波阻抗或 最小波阻抗与突变相 同，渐变波阻抗反射 波峰明显偏小。 突变 渐变 桩土相互作用 1、同一位置、同一程度，桩土相互作用对幅 值的影响 无桩土作用 先缩后扩 有桩土作用 先扩后缩 2、同一程度、不同位置，幅值比较 波阻抗变化 距桩顶近 波阻抗变化 距桩顶远 3、桩土相互作用会产生上行压力波 桩土相互作用产 生上行压力波 多次反射 l应力波在波阻抗不同的介质交界面处会多次 反射，反射波是等时距 扩径 缩径 第一次反射第二次反射 第三次反射 拟合分析理论基础 l一维近似条件 l实况分析 l合理布点及控制脉宽 来达到一维近似 l桩表面测点首波近似平面入射波 l反射波近似平面反射波 l信号要能反映出桩土相互作用产 生的上行波 实况分析 l应力波在激振点以球面波阵面向 下传播，测点质点速度是直达纵 波、横波及瑞利波质点速度，并 不是向下传播波阵面的质点速度 。不仅幅值不同，形状也不同 l当波阻抗变化位置超过2D距离时 ，由此产生的反射波也是平面波 。当反射波是平面波时，测点反 射波信号强度与测点位置无关 l桩土相互作用产生的上行波为压 力波，其质点速度方向一般与首 波质点速度方向相反 对阻抗增大情况，高估入射波 能量会导致完整系数比实际 偏小，反之，偏大。 l对阻抗减小情况，高估入射 波能量会导致完整系数比实 际偏大，反之，偏小。 测点、振源太近 测点、振源太远 平面波幅值 桩身反射波 合理布点及控制脉宽来达到一维近似 3/4R 1/2R 1/4R 桩顶传感器 桩中心激振 桩侧传感器 桩侧信号 桩顶信号 实验小结 l数值计算及以上实验表明：只要锤击脉冲 各频率成份的波长与桩径比；传感器放置 在距桩中心2/3R3/4R的位置，测试的信 号从某种程度可以近似用一维波动理论来 分析，这为通过波形匹配来对桩身完整性 定量分析提供的依据。 拟合分析方法 l拟合方法具体过程 l将桩体离散化，每个离散单 元材料特性、截面认为是均 匀的 l桩土相互作用用阻尼壶来模 拟 l基于一维波动理论，不断调 整单元的波阻抗，使计算的 桩表面响应与实测波形达到 最佳匹配 阻尼壶模拟 桩土作用 桩单元 定量分析结果 l通过定量分析我们可以得到以下一些 结果： l（1）损伤的范围 l（2）损伤的程度 l（3）得到桩身波阻抗（cA）与桩底 土等效波阻抗的比值，同一场地，不 同桩底该参数的比较可以了解沉渣相 对情况。 拟合分析方法 l桩土的参数确定 l对完整桩实测波形进行拟合分析得到阻尼壶阻尼系数 ，拟合时只须调整与各单元相连的阻尼壶阻尼系数； l将阻尼壶阻尼系数与各单元所在土层土性参数相联系 ，阻尼壶阻尼与土性的剪切波速有关。 实测信号或多或少有些失真，桩体波阻抗或多或少有变 化，因此，第一种方法使用时可能会出现较大的误差 ，甚至与实际土层情况相反。将阻尼系数与土性参数 结合起来，物理定义清晰，即桩周土越密实，桩土作 用越强烈，应力波衰减越明显，它不受实测信号失真 等影响。 模型实验 缩径 扩径 夹泥 先缩径后扩 缩颈桩计算与实际对比 缩颈桩 实际值 计算值 （未埋） 相对 误差 计算值 （埋入 ） 相对 误差 最小等效 直径(m) 0.1150.13 13% 0.1313% 范围(m)2.52.82.65 2.62 扩颈桩计算与实际对比 扩颈桩实际值 计算值 （未埋） 相对 误差 计算值 （埋入 ） 相对 误差 最大等效 直径(m) 0.2860.26-9%0.26-9% 范围(m)2.52.82.65 2.63 先缩后扩桩计算与实际对比 先缩后扩 实际值 计算值 （未埋） 相对 误差 计算值 （埋入） 相对 误差 最小等效 直径(m) 0.1151.03 13%0.11-4.3% 范围(m)1.92.2 2.0 1.88 最大等效 直径(m) 0.286 0.26 -9%0.26 -9% 范围(m)2.52.82.7 2.76 夹泥桩计算与实际对比 夹泥桩实际值 计算值 （未埋） 相对 误差 计算值 （埋入） 相对 误差 最小等效 直径(m) 0.138 0.1-27.50.12-8.7% 范围(m)2.52.82.4-4%2.4-4% 完整性分类 l根据缺损处最小波阻抗与正常部分波阻 抗之比值，工程桩的完整性可大致分 为四类： l =1属完整桩 l=0.81.0，轻微破损 l=0.60.8中等程度破损 l0.6断裂。 场地测试分析 桩帽影响 缺损部位距 桩顶较远, 受桩土作用 影响反射微弱 基桩完整性分析 有关问题 l基桩完整性分类及桩的评价； l桩体的检测长度； l阻抗变化类别区分（离析、夹泥或缩径 ）; l桩长度检测。 l桩底反射波与波阻抗检测 l桩底沉渣及厚度检测问题 l带平台单桩或群桩检测 基桩完整性分类及桩的评价 l桩的完整性分类并不代表对桩的评价，桩是否 合格最重要的参数是其水平及竖向承载力 l同样程度的缺损，位置不同，影响也不同 l由于反射波的强度受桩土相互作用、波阻抗变 化位置、变化形式、范围、多次反射波叠加等 影响。根据波速及波形变化分类并不很科学。 桩体的检测长度 l桩周土性：传播过程中不断衰减，衰减程度与桩周土性有关 l桩长径比：同样的土层，应力波在传播过程还受桩的长径比 影响，桩的长径比越大，桩底反射波检测难度越大。 l桩底土性：桩底土的等效波阻抗与桩身波阻抗接近时，即使 桩长径比不大，大部分能量在桩底向土体辐射，从而增加桩 底反射波检测难度； l桩身材料粘性：即使没有桩土相互作用，应力波也会衰减的 l激振频率、激振能量：激振频率越低、激振能量越大，桩底 反射就越明显。 l激振点及传感器安装位置：激振点与传感器安装点越近，实 测第一个波至峰值就越大，这样，桩底反射波相对于第一个 波至幅值就越小。 综上所述，我们不应孤立地谈桩的检测长度，而应与桩周土层 、桩的长径比、桩底持力层等因素结合起来 阻抗变化类别区分 l反射波的相位、幅值与桩身波阻抗变化 有关，即与桩材料的密度波速c及横截 面积A有关。 l低应变完整性检测方法，只能对波阻抗 变化作出分析，即对桩横截面的平均情 况作出分析。至于详细区分要借助于其 它手段，如声波等方法 。 l桩底反射波走时、砼平均纵波速、桩长三参数 中的任二个参数便可确定另外一个参数。要估 算桩长，必须已知桩底反射波走时、砼平均纵 波速。桩底反射波时间可从记录信号中得到， 而砼平均纵波速可从砼抗压强度等级估算或参 数该场地其它桩的波速，也可用声波方法得到 的桩端附近砼的纵波速作为桩身砼平均纵波速 。用以上三种方法得到的波速与实际可能有 10%左右相对误差，因而，估算的桩长也有 10%左右的相对误差，随着桩的长度增加，绝 对误差也会增加。 桩长度检测 桩底反射波与波阻抗检测 l当桩底土的等效波阻抗与桩身波阻抗接 近时，即使桩长径比不大，大部分能量 在桩底向土体辐射，桩底反射波很难检 测。这并不意味无桩底反射就无法检测 深部的完整性，因为，桩底附近有较明 显的阻抗变化时，应力波仍会发生反射 。因此，检测不出桩底反射波仍有可能 检测出桩底附近的缺损 桩底沉渣及厚度检测问题 桩底土阻尼桩底土阻尼/ /桩身波阻抗比桩身波阻抗比 平台对波反射、透射的影响 锤击平台波在平台表锤击平台波在平台表 面及平台与桩的交界面及平台与桩的交界 面之间会多次反射，面之间会多次反射， 在交界面反射过程中在交界面反射过程中 还会不断透射，形成还会不断透射，形成 一波列，由于一波列，由于交界面反交界面反 射波与桩身反射回波的不射波与桩身反射回波的不 断叠加，使反射回波的识断叠加，使反射回波的识 别变得困难。别变得困难。 平台交界面反射波影响 由于平台交界面反射波及附近边坡桩的由于平台交界面反射波及附近边坡桩的 挤压影响，测试波形异常处与事实上的挤压影响，测试波形异常处与事实上的 位置并不对应，异常处可能是由这些因位置并不对应，异常处可能是由这些因 素造成，或为了识别反射滤波造成。素造成，或为了识别反射滤波造成。 桩平台系统反射回波识别方法（I） 桩桩平台系统中异常桩平台系统中异常桩 与完整桩信号比较与完整桩信号比较 桩平台系统反射回波识别方法（II） 在平台表面及桩侧安装传感器，通过回波在两测点的在平台表面及桩侧安装传感器，通过回波在两测点的 不同走时来识别。不同走时来识别。 桩平台系统反射回波识别方法（II） 回波在两测点的不同走时，若是桩体回波，则桩侧测点接收回波在两测点的不同走时，若是桩体回波，则桩侧测点接收 回波信号超前于表面测点。而对交界面处的波对两测点回波信号超前于表面测点。而对交界面处的波对两测点 来说，则时间接近。来说，则时间接近。 桩平台系统反射回波识别方法（III） 由于平台界面波经多次反射、透射会衰减，深部的反射由于平台界面波经多次反射、透射会衰减，深部的反射 或桩底反射相对容易识别。通过滤波消除界面间高频反或桩底反射相对容易识别。通过滤波消除界面间高频反 射。射。 CPSA2001简介 l文件选择 l波形处理 l桩土相互作用参数设置 l波形定性、峰值分析 l波形拟合分析 文件选择 文件夹、 文件类型 文件预览 有关描述 波形处理 波形选择 波形平均滤波设置 分析波形 桩参数 分析结果 光标对应参数 波形处理 文件栏 桩土相互作用参数设置 剪切波速分布 桩侧反射波 波形定性、峰值分析 反射波峰定 完整系数 波形拟合分析 l以上波形是经过指数放大的 拟合三方式 计算与实 测匹配 波阻抗 分布图 单元波 阻抗值 相关软件及资料 l(1)低应变定量分析软件CPSA操作说明手册（新版）； l(2) 高应变拟合软件PSPWAP操作说明手册（新版）； l(3) 表面波测试分析软件SWCT操作指南； l(4