（岩土工程专业论文）基桩低应变反射波法检测中应力波衰减的分析研究.pdf

摘要 摘要 众所周知，桩基础中桩与土相互作用形成一整体：桩土系统，土对桩体的作 用不容忽视。而低应变反射波法理论研究的对象恰恰是桩土系统，因此研究应力 波在桩身中传播时不仅要考虑桩身参数的影响，还要考虑桩周土参数的影响。传 统的低应变反射波法理论将桩体材料视为线弹性体并忽略混凝土的阻尼作用。但 实际工程检测表明桩身材料不单一地表现为线弹性体，而且桩身混凝土的阻尼对 应力波传播有一定的影响。针对上述问题，本文尝试建立粘弹性桩土数学模型并 对波的传播规律及衰减进行了系统的分析，具体工作如下： ( 1 ) 将粘弹性理论引入桩一土力学模型，结合基桩振动时的边界条件、初始 条件，推导出基桩激振动条件下的瞬态振动位移响应模型和速度响应模型。 ( 2 ) 利用a n s y s 有限元软件建立粘弹性桩一土有限元模型，模拟桩一锤瞬态撞 击的振动过程；利用质点振动速度曲线分析应力波在桩身中的传播特征，并得出 了影响应力波衰减的各影响因素包括激振脉冲宽度、桩身材料弹性模量、桩径、 桩身材料阻尼、桩底土刚度、桩底土阻尼和桩侧土阻尼。 ( 3 ) 根据桩底与桩顶反射波幅比衰减曲线拟合得出每一参数作用下的应力波 衰减系数，总结分析衰减系数曲线变化趋势并得出了：衰减系数随桩径、桩身材 料阻尼、桩底土阻尼和桩侧土阻尼的增大而增大，随脉冲宽度、桩身材料弹性模 量和桩底土刚度的增大而减小。 ( 4 ) 对应力波曲线进行深入的研究，分析应力波传播速度与应力波衰减影响 参数的关系并得出了：应力波波速随桩身弹性模量和阻尼、桩底和桩侧土阻尼的 变化呈正比关系；应力波波速随脉冲宽度和桩径变化呈反比关系；而应力波波速 不受桩底土刚度的影响。 关键词：粘弹性，应力波衰减，瞬态振动响应，衰减特征，影响参数 广东t 业人学t 学硕f ：学位论文 a b s tr a c t i t i sw e l lk o w nt h a tt h ep i l ei n t e r a c t i o nw i t hs o i lt of o r maa c o m p l e t ei np i l e f o u n d a t i o n ：p i l e - s o i ls y s t e m ，s o i le f f e c to np i l ei si n d i s p e n s a b l e a n dt h er e a s e r c h o b j e c to ft h e o r yo fl o ws t r a i nr e f l e c t e dw a v em e t h o di st h ep i l e - s o i ls y s t e m ，s on oo n l y c o n s i d e rt h ee f f e c to fp i l ep a r a m e t e r sb u ta l s ot h ee f f e c to fp i l el a t e r a ls o i lp a r a m e t e r s w h e nr e a s e r c h i n gs t r e s sw a v et r a v e li nt h ep i l e t r a d i t i o nt h e o r yo fl o ws t r a i n r e f l e c t e dw a v em e t h o dr e g a r dt h ep i e lm a t e r i a la sal i n e - e l a s t o m e ra n di g n o r et h e e f f e c to ft h ed a m p i n go fp i l e b u tt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gi n v e s t i g a t i o ns h o wt h a t m a t e r i a lo fp i l ed o e s n ta p p e a ra sal i n e - e l a s t o m e ro n l y t h ec o n c r e t ed a m p i n go fp i l e a l s oh a v ee f f e c to nt h ep r o p a g a t i o no fs t r e s sw a v e a i m i n ga tt h ep r o b l e m sa b o v e ，t h i s t h e s i st r yt oe s t a b l i s hav i s c o e l a s t i cp i l e - s o i lm a t h e m a t i c a lm o d e la n ds y s t e m a t i c a l a n a l y z i n gt h ep r o p a g a t i o na n dt r a n s i e n tr u l e s ，t h ec o n c r e t ew o r kw a s a sf o l l o w s ： ( 1 ) e s t a b l i s h i n gav i s c o e l a s t i c ip i l e - s o i lm a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n dg e t t h e t r a n s i e n tv i b r a t i o nr e s p o n s em o d e lo fd i s p l a c e m e n ta n dv e l o c i t yw h i c hb a s i n go nt h e b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n di n i t i a lc o n d i t i o n so fp i l ev i b r a t i o n ( 2 ) e s t a b l i s h i n gav i s c o e l a s t i cp i l e - s o i lm o d e lb ya n s y s ，s i m u l a t et h ev i b r a t i o n p r o c e s so ft r a n s i e n ti m p a c to fp i l ea n dh a m m e r ；u s i n g t h ev e l o c i t yc u r v eo fn o d et o a n a l y s i st h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs t r e s sw a v ei np i l ea n dg e tt h ea t t e n u a t i o n i n f l u e n c i n gf a c t o r so fs t r e s sw a v ew h i c hi n c l u d i n gt h ee x c i t a t i o np u l s ew i d t h 、p i l e e l a s t i cm o d u l u s 、p i l ed i a m e t e r 、m a t e r i a l sd a m p i n go fp i l e 、s t i f f n e s sc o e f f i c i e n ta n d d a m p i n go fs u b s o i la n dd a m p i n go fp i l el a t e r a ls o i l ( 3 ) f i t t i n gt h ec u r v eb a s e so nt h ea t t e n u a t i o nc u r v eo fa m p l i t u d er a t i oo fp i l e b u t t o na n dp i l et o pr e f l e c t i o na n dg e tt h ea t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n tc a u s e db yt h e i n f l u e n c i n gf a c t o r s a n a l y z e sa n ds u m m a r i z e st h et r e n do f a t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n ta n d g e tt h e s ep o i n t ：a t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a dw i t ht h ei n c r e a d i n go fp i l ed i a m e t e r 、 m a t e r i a l sd a m p i n go fp i l e 、d a m p i n go fs u b s o i la n dl a t e r a ls o i lo fp i l e ；b u ti n c r e a db y t h ed e c r e a s i n go fe x c i t a t i o np u l s ew i d t h 、p i l ee l a s t i cm o d u l u sa n ds t i f f n e s sc o e f f i c i e n t o fs u b s o i l ( 4 ) f u t h e rr e s e a r c h i n gt h ec u r v eo fs t r e s sw a v e ，a n a l y s i st h er e l a t i o no ft h e a b s t r a c t i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dt h ep r o p a g a t i o nv e l o c i t yo fs t r e s sw a v ea n dg e tt h e s ep o i n t s ： t h ep r o p a g a t i o nv e l o c i t yo fs t r e s sw a v e o nt h et r a yt op r o p o r t i o n a lr e l a t i o nw i t ht h e e l a s t i cm o d u l u sa n dm a t e r i a l sd a m p i n go fp i l e 、d a m p i n go fs u b s o i la n dl a t e r a ls o i lo f p i l e ：b u to i lt h et r a yt oi n v e r s er e l a t i o nw i t ht h ee x c i t a t i o np u l s ew i d t ha n dt h ep i l e d i a m e t e r , a l s oi ti s n te f f e c t e db yt h es t i f f n e s sc o e f f i c i e n to fs u b s o i l k e y w o r d s ：v i s c o e l a s t i c i t y ，a t t e n u a t i o no fs t r e s sw a v e ，t r a n s i e n tv i b r a t i o nr e s p o n s e , a t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，i n f l u e n c i n gf a c t o r s i i i 广东丁业人学t 学硕 ：学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学和广东省建筑科学研究院读书期间在 导师的指导下取得的，论文成果归广东工业大学和广东省建筑科学研究院所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 年月 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 建筑物的全部荷载是加于其下部结构基础结构，并通过基础结构将荷载传 递给地基来承受的。因此基础结构是建筑物的根基，直接关系着建筑物的安危。 实践证明建筑物事故的发生多数是由于基础结构质量问题而引起的，足以看出基 础工程的重要性。 随着我国工程建设事业的蓬勃发展，桩基础被广泛地运用在高层建筑、重型 厂房、桥梁、港口码头、海上采油平台以至核电站等工程中。无论是在地震区、 湿陷性黄土地区、软土地区、膨胀土地区还是冻土地区，桩基础都是一种极为有 效的、且安全可靠的基础形式。特别是在长期受动力作用的机器基础及其邻近的 厂房柱基，为了保证机器能正常运转，减少基础的振动，防止柱基的振动沉陷的 情况下，相比于其他形式的基础，桩基础的优势体现的非常明显。而且随着高层 建筑的层高增加，或结构体型复杂、层数相差悬殊的建筑以及地下空间的开发利 用越来越广泛，桩基础慢慢的成为许多建筑物的首选或必选基础形式。据不完全 统计，目前我国每年的用桩量近3 0 0 万根。尤其是灌注桩得到了大量的使用， 是高层建筑最常用的基础形式之一。 桩基础的施工是具有高度隐蔽性的，其中某一环节处理不当，都可能形成桩 基缺陷，缺陷的存在必将影响桩的工作性能。同时由于我国地质条件复杂，桩基 工程因受岩土工程条件、基础与结构设计、桩土体系相互作用、施工以及专业计 算水平和经验等关联因素的影响而具有复杂性。因此，无法采用简单、直观的方 法对其质量进行检测，且受施工工艺等多方面影响，其质量较难保证。从影响施 工进度和工程安全考虑，如何快速、准确地检测桩基质量成为桩基行业内所关自 的重要问题。 综上所述，基桩状况的准确测试对于各类建筑物基础乃至上部结构的设计起 着举足轻重的作用。如果不能准确的判断出缺陷的类型、测出缺陷的位置及程度， 采取补救措施，必然给建筑物造成事故隐患，使国民经济遭受损失。但是，相对 于缺陷的类型和位置，缺陷的定量分析更为重要。只有准确的知道桩的缺损程度， 才能确定其对桩基承载能力的影响程度，以便对桩做出整体评价，采取合理的补 广东t 业大学t 学硕 ：学位论文 救措施。 所以，桩身结构的完整性和承载力检测对桩基工程而言更具有极为重要的意 义。以往工程界主要是依靠静载试验来确定单桩和群桩的承载力，而对灌注桩施 工质量的检测采用过钻孔取芯法、超声波法、射线法。静载试验、钻孔取芯法等 方法耗资费时，而且由于测试的桩数较少而难以对整个工程质量做出全面的评价。 因此，国内外工程界一直寻找一种快速、简洁、方便、可靠的测试方法。桩基的 动测技术就是在这种背景下提出和发展起来的 反射波法是桩基的动测技术中一种动测方法，具有操作简单、快速及经济等 多方面优点，是目前桩基质量检测规范首推的桩身完整性检测方法。作为一种普 查手段，可以大量进行抽样，使其检测结果具有较高的可靠度。 1 2 动测技术的概况和发展现状 1 2 1 桩基完整性检测技术在国外的应用和发展 早在一百多年以前就有一人假定桩为刚体模型，根据牛顿碰撞定律导出动力 打桩公式，通过锤击能量、贯入度和一些经验常数估算单桩承载力。实际上桩可 视为土中的弹性杆件，打桩过程是弹性应力波传播的过程。 1 8 6 5 年v e n a n ts a i n t 提出一维波动方程问题口1 ，本世纪3 0 年代曾有人引入 波动方程，研究了杆件内应力波的传播，但是数学求解复杂，无法用于解决工程 实际。 1 9 3 0 年h i l e ya 研究成功的打桩公式法成为较早的动力测桩方法，它是通过 建立锤击( 动荷载) 与贯入度的关系式来确定桩的承载力。 1 9 3 1 年伊萨克斯( i s a a c sd v ) 首先提出桩顶受到冲击后，冲击能量是以波 动形式传至桩底，因此可用一维波动方程来描述h 1 1 9 3 2 年福克斯( f o xe n ) 作了许多简化假定后，对打桩过程进行了粗略的 分析，得出了用于打桩分析的波动方程解答 1 9 3 6 年k a n s c h i na a 和p l u t a l o wa a 在第一届国际土力学岩土工程大 会上发表一篇文章，基于弹性波动理论提出新的打桩分析方程呻 1 9 4 9 年l e s l i ej r 和c h e s s m a nw j 在美国混凝上协会杂志上发表“超 声波在混凝上结构破裂退化中的应用研究 ，使得检测有缺陷的各向异性非弹性材 2 第一章绪论 料完整性有所发展口， 1 9 6 0 年史密斯( s m i t he a ) 发表了“打桩分析的波动方程 这一著名论文， 提出了波动方程在桩基中应用的差分数值解法口1 ，把锤一桩一土系统简化为质量 块、弹簧和阻尼器模型，用电子计算机进行迭代运算，从而使波动方程打桩分析 进入实用阶段。 波动方程应用到动测技术的一类方法是将桩作为连续的弹性杆，对边界条件 作适当处理简化后直接对波动偏微分方程积分求解。丹麦土业大学的h a n s e nb 等发表了这方而的研究成果；荷兰建筑材料与结构研究所( t n o ) 的k o t e nv 也在 简化假定的条件下利用线性代换和阶跃函数，得出了无限长桩在锤击下考虑桩侧 阻力对应力波起衰减作用的闭合解。2 0 世纪7 0 年代初t n o 研制了基桩检测系统， 用于检验桩身结构完整性，后来又进一步改进，推出了携带式f p d s - 2 型基桩诊断 系统。 1 9 6 7 年g o b l eg g 等人发表了“关于桩承载力的动测研究 一文阴1 ，1 9 7 5 年发表了“根据动测确定桩的承载力研究报告凹1 。1 9 7 0 年以后，美国已把动力 试桩技术用于实际工程，并对传感器和仪器不断改进和更新。 2 0 世纪7 0 年代，深基础无损完整性检测实际最先在欧洲实际应用，后来在 美国有所发展。6 0 年代法国p a q u e tj e a n 针对低应变应力波反射法检测桩的完整 性做了些前期土作，研究涉及频域b 1 ，于1 9 7 4 年申请频域应力波分析法专利，后 将频域分析运用到锤击脉冲响应中。 2 0 世纪7 0 年代，s t e i n b a c hj 和v e y 对应力波传播法做了较系统的研究， 首先进行了铝棒和混凝土棒的模型试验n0 川，验证了可能性，随后进行了现场试 验，证实了应力波传播法可以用来探测混凝土桩及墩基中的断裂，这就是后来的 反射波法。6 0 年代中后期，法国建筑与公共工程研究中心( c e b t p ) 首先提出了机 械阻抗法口1 ，英国的d a v i sa g 和d u n nc s 在大量试验和研究的基础上发表了 “桩的非破坏性振动试验一文，对机械阻抗法的原理、检测系统、检测及分析 方法作了系统的阐述。 1 9 7 4 年g o b l eg g 和l i k i n sg a r l a n d 在墨西哥最早运用高应变动测方法对 钻孔灌注桩进行承载力估算。1 9 7 7 年r a u s c h ef r a n k 和l i k i n sg a r l a n d 在美国 查尔斯顿最早对螺旋钻孔灌注桩进行高应变动测n 副。 1 9 7 7 年p d i ( p i l ed y n a m i c s ，i n c ) 根据波动方程半经验解析解原理，开始 广东t 业人学t 学硕- l j 学位论文 生产以p d a ( p il ed r i v i n ga n a l y z e r ) 打桩分析仪为名的高应变动力试桩专用仪 器，它是通过量测桩顶应变( 演变成力) 和由加速度积分成速度的时域波形，对桩 的极限承载力、桩身质量、锤击能量、锤和垫的性能等作实时分析。其后又把桩 作为连续模型，采用波动方程程序( c a s ep i l ew a v e e q u a t i o na n a l y s i s p r o g r a m c o n t i n u o u sm o d e l ，简称c a p w a p c 程序) 对桩的侧阻分布、端阻和桩身缺 陷进行实测波形的拟合法分析n 副。多年来p d a 打桩分析仪的结构形式逐步发展， 1 9 8 9 年的g c p c 型又摒除磁带机、示波器，利用计算机记录和显示分析：1 9 9 2 年的 p a k 型则以便携式计算机为主体，外型尺寸1 3 5 3 2 0 x 3 8 5 m m ，重量8 k g ，更方 便野外测试，而新推出的p a l 型功能虽有所减少，但却更为小巧方便。 此后在美国、瑞典、荷兰、丹麦、法国等国家相继开展了动力测桩法及其观 测系统、计算软件的研究和应用，如瑞典的p i d 型打桩分析仪，美国的p i t ，p a k ， g s 打桩分析仪等，而计算软件方面应用比较广泛的是美国的c a p w a p 和荷兰的 t n o w a v e 。 1 2 2 桩基完整性检测技术在国内的应用和发展 1 9 7 2 年湖南大学周光龙钉等人开始研究桩的动测技术，这是我国最早注意 用动力理论进行桩基的检测，经过多年研究探索和工程考核试验，他们形成动力 参数测桩法。 1 9 7 6 年四川省建筑科学研究所和中国建筑科学研究院共同研究成功锤击贯 入高应变动力试桩法。 1 9 7 8 年东南大学唐念慈n 町在渤海1 2 号储罐平台，沿二根大直径钢管桩两侧 粘贴电阻应变片、在桩头安设加速度传感器，现场量测打桩过程中的各项数据及 静荷载试桩时的桩身应力分布，并编制了b f 8 1 计算机程序，因而取得了各种静、 动对比的资料，这是我国首次进行的具有现代意义的高应变动力试桩法。 1 9 8 0 年西安公路研究所n 7 1 研究了“稳态激振机械阻抗法 ，还和中国科学院 电工研究所共同研究了水电效应法低应变动力测桩技术n 引，自制了我国最早的低 应变测桩仪器。 1 9 8 0 年甘肃建筑科学研究所编制了输入实测力波的波动方程计算程序，并和 上海铁道学院共同研制了我国的高应变打桩分析仪。 1 9 8 6 年中国科学院武汉岩土力学研究所开发出第一台r s m 桩基动测仪，经过 4 第一章绪论 多年发展，该仪器系列后来在国内占有较高市场占有率。 1 9 8 8 年后，中国建筑科学研究院开始针对引进的美国p d a 打桩分析仪进行开 发，编制了桩的特征线波动分析程序f e i p w a p c 研制了d j 一3 型测桩仪，1 9 9 2 年该 单位又进一步研制了f e i 系列桩基动测分析系统，基木与p d a 兼容，以便携式计 算机为主体，兼其高、低应变功能。 1 9 9 0 年，陈凡n 们根据桩的特征线编制了波动分析程序f e i p w a p c ，取得了较 好效果。 1 9 9 2 年，我国成立了首家专门从事高低应变桩基动测仪研制及方法研究的专 业化公司武汉岩海公司，该公司开发的r s 系列桩检测设备及c c w a p c 波动方程拟 合法分析软件均已达到国际先进水平，市场占有率也后来居上，位居同行首位。 桩的纵向振动特性是各种动力试桩方法的理论基础，近年来很多学者开始注 重这一方面的研究工作。 王雪峰提出结合一维纵波和扭转剪切波定量分析缺陷程度的全新方法心们，他 还对高应变在短粗式端承桩上的应用进行了一系列的理论改进和试验验证：同时， 他还分析了桩在小扰动状态下的振动特性以及分析了反射信号在缺陷桩中的多次 反射造成反射信号叠加误判的问题。 张阿舟、赵淳生研究了既考虑桩底上的作用又考虑桩侧上影响的理想桩的自 由振动特性阻，但是他们没有考虑桩顶的具体激振形式。 王奎华等研究了有限长桩、变阻抗桩及粘弹性变截面阻抗桩的特性，建立了 桩尖为弹性支承时，考虑桩侧土作用下，桩项受稳态及瞬态激振时基桩受迫振动 的定解问题，并求出了解析解，将解析解运用到基桩动测的实用阶段，发展了基 桩振动及测试的基木理论乜2 吨副。 陶明江等提出为获得理想的时域波形曲线，针对不同的检测对象，采用不同 的激励设备心8 1 。对于桩身上部的缺陷，可以采用高频波，而桩身下部缺陷，则宜 用低频波：通过带通滤波器或减低传感器的横向灵敏度，可缩小检测盲区和改善激 励的纵波信号：还可通过不同材料的激励锤，对桩头的适当处理，对实测波形的低 通滤波和积分处理，对实测的速度信号进行实时放大等措施来减少盲区。 雷林源尝试用灰色系统和人工神经网络预测完整桩的轴向极限承载力乜 。 王腾研究了任意变截面桩纵向振动的特性乜引。 叶为民等提出，通过分析桩身周围的地质条件、嵌岩桩基岩风化程度、嵌岩 s 广东t 业大学t 学硕十学位论文 深度，可推断桩身施工质量和嵌岩质量，及通过对反射波相位特征及波幅幅度变 化的分析研究，来推断被检测桩的完整性或缺陷性质以及嵌岩质量。 陈凡等研究了尺寸效应对基桩低应变完整性检测的影响心引。 王宏志等研究了桩底土和桩侧土模量变化对反射波曲线的影响口引。 赵振东等利用有限元法，研究了局部缺陷桩的动力反映特性口。 柴华友从数值分析角度探讨在土阻尼作用下，应力波在一维变截面杆中的传 播及反射，利用杆端入射及反射波质点速度波形通过反演方法推算出阻尼系数、 土刚度系数、变波阻抗发生位置、程度，还对不同形式波阻抗变化情况下的反演 结果进行比较，对实验桩实测波形进行了分析阳引。 陶莉应用计算机仿真了土阻力对低应变动测曲线的影响引。 刘东甲研究了参数变化对完整桩反射波曲线的影响口们。 李挺研究了桩端土刚度和激振力频率因子对反射波曲线的影响口引。 1 2 3 基桩动测振源研究现状 动测振源特性对动测的检测效果影响是至关重要的：如高频窄脉冲振源能够 清晰反映基桩浅部缺陷，但因包含高频脉冲并因此会激发浅部的高频干扰导致波 形振荡，而且高频窄脉冲的穿透力弱衰减快，会影响深部缺陷的检测；而低频宽 脉冲穿透力强和衰减慢，能更好地检测到深部缺陷，但其会导致实测信号分辨率 下降，影响基桩浅部缺陷的正常识别。我国学者在这方面做出了大量的研究并取 得了一定的成果： 王雪峰等引研究了多种振源实测力波的主要参数及不同传感器相应实测曲 线的主要特征，并对不同激发装置在工程桩和模型桩上的实测效果比较，分析振 源特性及其与传感器和桩的匹配关系，通过理论实践对比得出了标准力波的推荐 形式。 刘晓波口 通过实际检测深入研究了不同激振源在基桩动测中的效应。 陈久照等口引以弹性体的撞击理论为理论基础，推导基桩低应变试验冲击力脉 冲的解析解，深入探讨低应变动力试桩与力锤的匹配要求，研究了力锤各参数与 冲击脉冲幅值及频谱的关系等，同时为实际工程检测设计了6 个标准力锤。 6 第一章绪论 1 2 4 低应变反射波法目前存在的问题 反射波法目前虽己较成熟，但应该看到反射波法和其它的检测方法一样，也 具有其应用的局限性和不足处： 1 2 4 1 一般性问题 ( 1 ) 信号分析方法 目前反射波法桩基动测资料分析手段主要靠时域内直观分辨桩底及缺陷部位 的反射信号，进行定性评价。实测信号往往会受到各种各样的干扰信号的影响， 通常采用滤波器进行处理，但当有用信号与“干扰信号出现频带重叠时，常规 滤波技术的应用效果往往并不令人满意。 桩基完整性频域分析法作为一种辅助分析手段，其技术核心是对时域信号进 行傅立叶变换。由于傅立叶变换自身特点所决定，该方法仅适用于“平稳信号 ， 而桩基完整性动测曲线是典型的非平稳信号，使得该方法的应用效果受到限制。 工程实践中，低应变动测资料分析主要以时域分析为主，频域分析法为辅( 桩身拟 合分析的方法较少采用) 。总体上分析方法过于简化，主要靠时域内直观分辨定性 评价，不能充分利用信号内涵信息。 ( 2 ) 实际桩土体系与理论模型差异 目前桩基动测资料分析时，不论是时域分析法还是频域分析法，其理论基础 仍采用经典一维杆纵向振动和波动理论，实际的桩基与一维杆之间在以下方面存 在差别： ( a ) 桩几何尺寸效应：一维杆理论假设桩的横截面尺寸远小于波长及桩的纵向 长度。但实际的工程中，许多情况下桩的尺寸并不完全满足这一条件，特别是随 着大直径桩的发展，许多地区采用的“墩基 其纵横尺寸己达到相当的程度，此 时由于几何效应，桩中波的传播规律与一维杆中波传播特性有很大不同。采用经 典一维波动理论进行的分析将产生非常大的误差。 ( b ) 桩周土的影响：虽然在低应变测试中施加的冲击力较小，但所激发的土阻 力( 包括静阻力与动阻力) 对测试结果仍有很大影响。大量实测资料表明，桩周土 的作用会使得桩中波速变化且幅值衰减，严重弱化桩端及缺陷部位的反射信号。 1 2 4 2 具体问题 ( 1 ) 关于桩中波的传播速度 7 广东- t 业人学t 学硕i ：学位论文 低应变动测资料解释工作中，主要根据波速值大小评价混凝土质量，计算桩 身缺陷位置。 对于反射波法桩基动测来说，波速是一个最基本的参数，同时从影响因素来 说也是一个很复杂的参数。其影响因素主要包括3 个方面： a ) 桩身材特性影响，如弹性模量、质量密度及泊松比、阻尼特性等； b ) 桩身几何条件：三维体中的波速与二维板及一维杆中的波具有不同的数 值； c ) 桩周土性质对桩中波的传播速度有重要影响。 根据波速值大小来评价桩身混凝土质量主要根据混凝土强度等级与波速之间 的相关性来进行。值得说明的是这种相关性是根据无土条件下三维体混凝土波速 值与强度之间关系建立的。 实测桩土体系波速值则是桩身材料参数、几何条件及桩周土作用等综合影响 下的结果，依据实测波速值评价混凝土强度时必须“剔除 混凝土参数以外其它 因素的影响。在上述三方面因素中，( a ) 是混凝土本身性质参数，而( b ) 、( c ) 可以 认为是干扰因素。要提高利用波速评价混凝土强度的可靠度，必须将实测波速“换 算 为理论条件下的波速，进而评价混凝土质量，要进行这样的换算必须搞清其 它两方面的因素对波速影响的规律。 关于桩身几何条件对波速影响规律的研究，国内外都基本采用l o v e 理论h 订 来计算波速与几何条件的关系。这一理论是针对无限长杆中单频谐波求得的解析 解，对于桩基动测的脉冲复合频率波，这一关系的适用性值得研究。 关于桩周土作用对桩中波传播速度的影响，文献h 2 1 进行了一些理论研究，同 样仅使用于谐波的情况，实际脉冲波情况下的规律研究尚少。 ( 2 ) 桩中波传播过程中的幅值衰减 反射波法桩基动测评价中关于桩身结构完整性的评价主要包括两个方面，一 是缺陷的位置，二是缺陷的程度，缺陷程度的判别主要根据记录信号中“首波 信号与缺陷反射信号的幅值大小关系来评价。实测信号中首波信号及桩身缺陷形 成的反射信号都会受桩身几何条件、桩周土作用等因素的强烈干扰。因此，只有 深入研究桩土条件下桩中波的衰减规律才能可靠评价桩身缺陷的程度。相似的问 题是目前仅对谐波条件下的幅值衰减规律有一些理论研究，实际桩土条件下复合 波衰减规律研究还很缺乏。 r 第一章绪论 ( 3 ) 缺陷程度的定量分析 低应变反射波法仅仅测量桩顶的速度响应，还缺少力的边界条件，对波阻抗 的反演是一个“欠定问题，再加之土阻力的干扰，因此桩身中缺陷的定量分析 目前还比较困难。目前，虽然这方面的工作有一定进展，但是对于多缺陷桩的缺 陷程度的判定目前可靠性较低。 ( 4 ) 缺陷的定性分析 不同类型的缺陷由于波阻抗变化接近，产生相似的反射波形，对于这些缺陷 的识别，必须进行综合分析考虑，例如桩的类型、施工方法、地质情况等，目前 还缺少一套完善的、准确的识别缺陷的方法，大多数情况下，还需要依靠工程人 员的经验性，因而检测结果存在较大的主观因素和误判的情况。 ( 5 ) 桩身小缺陷的识别能力不足 应力波反射法识别能力有限，必要时必须结合频域分析进行全面的考虑。特 别对于深部小缺陷，一方面为了提高分辨率，需要采用高频激振：但另一方面，高 频激振的衰减很快，很难传播到缺陷所在位置。 ( 6 ) 渐变阻抗截面难以确认 对于桩身缺陷是渐变的情况，由于其波阻抗变化的渐变性，所以在反射波曲 线上缺陷界面的特征反射信号容易与其他的情况混淆，难以确认，目前并无较好 的对于渐变阻抗截面的研究方法和理论，对于渐变截面的研究是反射波理论上急 待解决的问题。 ( 7 ) 桩的浅部缺陷的辨认 由于桩的三维效应的影响，在进行浅部缺陷的检查时，不同接收点的差别比 较大，给分析工作带来一定问题。特别对于桩头浮浆的情况，它的缺陷界面特征 反射信号和入射波会叠加到一起，这给其缺陷性质的判定带来极大的困难。 1 2 5 桩基检测的发展趋势 ( 1 ) 桩土模型全面化、合理化 基桩检测除了可以判定桩基础缺陷外，还可以用来估算桩基承载力。动测法 估算桩的承载力实际上是一反演课题，即由实测的资料和桩土体系的力学模型先 通过一定的数学拟合方法推算出桩土体系的物理力学参数，再由此估算出桩的承 载力。在桩基缺陷的量化分析中，也需要用到反演问题。 9 广东t 业大学t 学硕 j 学位论文 显然，桩土体系力学模型的好坏会直接影响动测法确定桩的精度，但在分析 中若选用过于简单的桩土力学模型，则参数个数和相应的计算工作量少，但其计 算结果的离散性以及基桩检测的经验性便会有所增大，过于复杂时，参数多且相 互影响，反演结果并非一定具有更高的精度。所以桩土体系模型应进一步改进， 使分析越来越合理。 ( 2 ) 数据分析系统的完善 目前，计算机的运算能力和速度已显着提高，且它的应用已变得很普及，为 人们采用较为完善的桩土体系力学模型桩提供了可能性。由于桩土系统极其复杂， 人们需从不同的侧面来对它进行考察才可能对它的工程性状有一个较正确的认 识。这就要求测试信号的记录和分析仪器的工作速度与精度应有提高。显然整个 信号的采集、处理和分析过程的数字化与自动化对提高基桩动力检测技术的水平 将十分有益。 在认识基桩动测技术的发展趋向时，有一点是明确的。那就是基桩动测技术 很难完全代替静载荷。动测技术有固有的局限性，需要积累足够丰富的地区经验， 试验方法和力学模型的改进。 1 3 本文主要研究内容 本文从动测技术的概况和发展现状出发，借鉴国内外现有的研究成果并结合 现有的工程实例，将粘弹性理论运用到桩体分析中来，分别分析了应力波衰减的 特征、影响因素和应力波传播速度的影响因素，并通过工程实例来验证分析结果 的正确性。文章的具体内容如下： 1 、结合国内外的研究成果，阐述低应变反射波法的基本理论。 2 、将粘弹性理论引入桩一土力学模型，结合基桩振动时的边界条件( 考虑桩 底岩土的阻尼作用) 、初始条件，推导基桩激振条件下的瞬态振动位移响应模型和 速度响应模型。 3 、利用a n s y s 有限元软件模拟低应变反射波发检测中桩一锤瞬态撞击的振动 过程；通过对质点振动速度曲线的分析，研究应力波在桩身中的传播特征和应力 波衰减影响因素。 l o 第一章绪论 4 、根据桩底与桩顶反射波幅比衰减曲线拟合出每一参数作用下的应力波衰减 系数，并通过对衰减系数曲线变化趋势的分析，研究各影响因素与衰减系数的关 系。 5 、对应力波曲线进行深入的研究，分析应力波传播速度与应力波衰减影响参 数的关系。 6 、最后通过工程实例验证上述分析结果的正确性。 广东t 业人学t 学硕i ：学位论文 第二章低应变反射波法的基本理论 2 1 一维杆件中的波动方程 2 1 1 波动方程的建立 假定振动在杆件内传播是沿轴向进行的，并且同一截面上的质点振动是完全 相同的，即振动时横截面保持平面状态。考虑一材质均匀、截面恒定的弹性杆， 长度为三，截面积为s ，弹性模量为e ，质量密度为p 。取杆轴为x 轴。若杆变 形时平截面假设成立，受轴向力f 作用，将沿杆轴向产生位移“，质点运动速度 y = 加新和占= 抛叙应变，这些动力学和运动学量只是x 和时间t 的函数。由于 杆具有无穷多的阵型，则每一阵型各自对应的运动量分布形式都不相同。 图2 1 杆件单元的位移 f i g2 - lt h ed i s p l a c e m e n to f b a re l e m e n t 如图2 - 1 ，杆工处的单元出，如果“为x 处的位移，则在x + d x 处的位移为 “+ i 。g ud x ，显然单元出在新位置上的长度变化量为譬出，a ，u 即为该单元的应 似吸劣 变。根据虎克定律，应力与应变之比等于弹性模量e ，可得出： 考= 里( 2 - ee s 1 ) 一= 一= 一 l j 苏 式中仃为杆截面处的应力。 1 2 第二章反射波泫榆测的肇奉理论 将式( 2 - 1 ) 两边对x 微分，可得出： 舾窘= 面c g f 考虑该单元的不平衡力可得平衡方程： s 肚窘= 篆出 由式( 2 - 2 ) 和式( 2 3 ) 可得： 0 2 u f ，e 、0 2 u 一= = l l 一 出2 ip 融2 定义c = 吾为应力波在杆件中的纵向传播速度，n - - l 以推导出一维波动方程： 窘_ 雾= 。萨吖丽- 0 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 9 - 4 ) ( 9 - 5 ) 对于实际桩而言，平衡方程( 2 - 3 ) 左边的不平衡力中既包含惯性力的影响， 也可以计入单元的土阻力影响，只是考虑微元出的平衡时没有含土阻力而已，当 采用数值求解实际桩的波动问题时，一般假设土阻力有赖于其相邻桩段的运动位 移和质点运动速度，即土阻力的产生是被动的。只有先计算出桩段的运动量值， 才有可能算出与桩段相邻的土阻力值，通过静力平衡，扣除该单元的土阻力后， 再将该桩段力值传递给下一段桩段。 2 1 2 波动方程的解答 采用分离变量法求解波动方程( 2 - 5 ) ，令其解具有如下形式： u ( x ，f ) = x ( 功r ( f ) ( 2 - 6 ) 代入波动方程可得： 三喽：三三了d 2 t ( 2 7 ) x 出2c 2td t 2 由于式( 2 7 ) 左右两边分别与和无关，即只能等于一常数，令其等于一( 詈) 2 并代入式( 2 - 7 ) ，可得出常微分方程： 广东t 业大学t 学硕卜学位论文 它们的通解分别为： ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) r c 工，= a s i n ( 詈工 + b c o s ( 詈x ) ( 2 - 1 0 ) 丁( f ) = c s i n ( 缈f ) + d c o s ( 国f ) ( 2 一ll 式中，缈( = 2 z f ) 为角频率，a 、b 、c 和d 为任意常数，分别由边界条件和初 始条件确定。 综上所述，可以得出： u c z ，力= 彳s i n ( 詈z ) + b c o s ( 詈x ) 匝c s ；n ( 国r ) + 。