（岩土工程专业论文）低应变反射波法振源特性仿真分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 基桩低应变反射波法测试中激振力特性，如脉冲宽度、入射波幅值等，对检测结 果的可靠性有重要影响，本文利用有限元软件a n s y s l s d y n a 对力脉冲宽度影响因 素及其对测试效果的影响进行数值模拟。 论文首先简单的阐述了低应变反射波法的基本理论及运用a n s y s l s 。d 呵a 的建 模过程，其次定义了钟形力脉冲宽度，并运用数值模拟得出了钢、铝、尼龙和聚乙烯 塑料四种材料手锤的脉冲宽度。重点探讨了接触面积、敲击速度、锤重以及垫片厚度 对脉冲宽度的影响规律，得出了以下主要结论： ( 1 ) 接触面积越大，激励的力脉冲宽度越小，入射波幅值也越小； ( 2 ) 敲击速度对脉冲宽度基本没有影响，但入射波幅值随敲击速度的增大按线性规 律增大； ( 3 ) 脉冲宽度随激振锤重量的增大按幂函数的关系增大： ( 4 ) 锤头材料越厚( 垫片厚度越大) ，力脉冲宽度越大，并且力脉冲宽度随垫片厚度 的增大按线性规律增大。 最后应用不同脉冲宽度的激振锤，来验证对测试效果的影响。研究发现钢锤敲击 的窄脉冲波对识别桩头附近的缺陷比较有利，而长大桩使用钢锤激振会引起波速下降、 波形振荡，但是聚乙烯塑料锤敲击的宽脉冲波能克服上述问题。因此应根据桩的几何 尺寸及测试目的，合理调节锤头材质、接触面积、敲击速度、锤重以及垫片厚度来激 发合适脉冲宽度的入射波以满足测试的需要。在能够获得桩底反射的前提下，脉冲宽 度和敲击速度尽量小。 关键词：低应变反射波法；脉冲宽度；入射波幅值；阻抗；波速；应力波 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ei m p a c tf o r c ec h a r a c t e ro fr e f l e c t e dw a v et e s tf o rl o ws t r a i n ，s u c ha sp u l s ew i d t h ，t h e i n c i d e n tw a v ea m p l i t u d e ，h a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c et ot h er e l i a b l i t yo ft h et e s tr e s u l t s u s i n g t h e 丘i l i t ee l e m e n tp r o g r a ma n s y s l s d y n a ，t h i st h e s i ss i m u l a t e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so f t h ef o r c ep u l s ew i d t ha n di t se f f e c tt ot h et e s tr e s u l t s f i r s t l y , t h eb a s i ct h e o r yo f r e f l e c t e dw a v et e s tf o rl o ws t r a i na n dt h em o d e l i n gp r o c e s sb y a p p l i e da n s y s l s - d y n aa r es i m p l ed e s c r i b e d ，f o l l o w e db yt h ed e f i n i t i o no f ab e l l - s h a p e d f o r c ep u l s ew i d t h t h ep u l s ew i d t ho ff o u rm a t e r i a l s ，s u c ha ss t e e l ，a l u m i n u m ，n y l o na n d p o l y e t h y l e n ep l a s t i c a r ec a l c u l a t e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em o s ti m p o r t a n t i n v e s t i g a t i o ni st h ei n f l u e n c eo fp u l s ew i d t ho fc o n t a c ta r e a ，i m p a c tv e l o c i t y , w e i g h to f h a m m e ra n ds h i mt h i c k n e s s ，r e a c h e dt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) t h eg r e a t e rt h ec o n t a c ta r e a ，t h es m a l l e rt h ep u l s ew i d t ho fi m p a c tf o r c e ，t h e i n c i d e n tw a v ea m p l i t u d ei sa l s os m a l l e r ； ( 2 ) i m p a c tv e l o c i t yh a dn oe f f e c to nt h ep u l s ew i d t h ，b u tt h ei n c i d e n tw a v ea m p l i t u d e i n c r e a s e sw i t ht h ei m p a c tv e l o c i t yi n c r e a s e db yal i n e a rl a w ； ( 3 ) p u l s ew i d t hi n c r e a s e sw i t ht h ei m p a c tv i b r a t i o nh a m m e rw e i g h ti n c r e a s e sb ya p o w e rf u n c t i o nr e l a t i o n s h i p ( 4 ) t h i c k e rs h i m ，t h eg r e a t e rt h ep u l s ew i d t h ，a n di m p a c tf o r c ep u l s ew i d t h 谢n 1s h i m t h i c k n e s si n c r e a s e db yal i n e a rl a w 、 l a s t l ya p p l yai m p a c th a m m e rw i t hd i f f e r e n tp u l s ew i d t ht ov e r i f yt h ee f f e c to ft h e t e s t i tf o u n dt h a tn a r r o wp u l s ew a v ew h i c hp r o d u c e db yt h es t e e lh a m m e ri sp r o p i t i o u st o i d e n t i f yd e f e c t si nt h ev i c i n i t yo fp i l et o p ，w h e r e a ss t e e lh a m m e ri m p a c tl a r g ed i a m e t e rp i l e m a yc a u s ew a v es p e e dd e c r e a s e da n dw a v eg r a p ho s c i l l a t e d a tt h es a m et i m e w i d ep u l s e w a v ew h i c hp r o d u c e db yt h ep o l y e t h y l e n ep l a s t i ch a m m e rc a no v e r c o m et h e s ep r o b l e m s o t h e a p p r o p r i a t ep u l s e w i d t ho ft h ei n c i d e n tw a v ew h i c ha r ea d j u s t e db yh a m m e r m a t e r i a l ，c o n t a c ta r e a ，i m p a c tv e l o c i t y , w e i g h to fh a m m e ra n ds h i mt h i c k n e s ss h o u l d b e d e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h eg e o m e t r ys i z eo fp i l ea n dt e s t i n gp u r p o s e st om e e tt h et e s t r e q u i r e m e n t s t h ep u l s ew i d t ha n di m p a c tv e l o c i t ya ss m a l la sp o s s i b l eo nt h ep r e m i s et h a t c a r lo b t a i nr e f l e c t i o nf r o mt h ep i l et o e k e y w o r d s ：r e f l e c t e dw a v et e s tf o rl o ws t r a i n ；p u l s ew i d t h ；i n c i d e n tw a v ea m p l i t u d e ： i m p e d a n c e ；w a v es p e e d ；s t r e s sw a v e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密嘭使，本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名： 易移雾 同期：抄p 莎f 指氍师戳。寸翻弋 l 【， 同期：凇，口、莎 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 分析了接触面积、敲击速度、激振锤重量、垫片厚度对力脉冲宽度的影响规律。 2 对比分析了不同脉冲宽度对浅部扩缩颈、浅部横向不均匀性、组合缺陷桩的具体 影响。 3 在能够获得桩底反射的前提下，脉冲宽度和敲击速度尽量小。 4 通过模型研究了不考虑阻尼情况下不同程度缩颈桩，得出缺陷反射波幅值与桩顶 入射波幅值之比厶正和缩颈程度6 的关系的拟合方程。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位敝储签名= 玖瘩 日期：厂。，一f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 一_ _, i i 一 一m m m m i ! 曼曼曼 1 1 前言 第1 章绪论 桩基广泛应用于高层建筑、公路桥梁、铁路桥梁、电站、大型动力机械基础、码 头等基础工程中。但是桩基工程是地下隐蔽工程，加之地下情况复杂多变，其施工质 量是否满足要求需要通过各种测试手段来验证。 桩基动力检测是指在桩顶施加一个动态力( 动荷载) ，动态力可以是瞬态冲击力或 稳态激振力。桩土系统在动态力的作用下产生动态响应，采用不同功能的传感器在桩 顶量测动态响应信号( 如位移、速度、加速度信号) ，通过对信号的时域分析、频域分 析或传递函数分析，判断桩身结构完整性，推断单桩承载力。 桩基动测能有效地弥补静载荷试验的不足，日益受到人们的重视，在桩基质量检 测中的应用越来越广泛： ( 1 ) 各种机械成孔桩大量使用，某些大直径灌注桩( 直径达3 5 - - 5 米) 承载力达数 千吨，很难用传统的静载荷试验确定。 ( 2 ) 灌注桩常出现缩径、断裂、夹泥、沉渣等质量问题，打入桩则常常出现断裂、 错位等问题，需要检查试桩以外工程桩的施工质量。低应变动测法仪器设备轻便、检 测速度快、费用低、对场地要求小，可对工程桩进行普查。 ( 3 ) 动力测桩可检测桩身缺陷及其位置，在静载荷试验前先检测桩身完整性，就可 以区分静载试验中桩的破坏模式是土的破坏还是桩身结构破坏。 ( 4 ) 动力测桩还具备沉桩能力分析、桩工机械监控和桩动态特性测定等静载荷试验 所不具备的功能。 根据作用在桩顶的动载荷能量能否使桩土之间发生一定弹性位移或塑性位移，把 动力测桩分为低应变、高应变两种方法。低应变法作用在桩顶上的动荷载远小于桩的 使用荷载，只有2 n 2 0 k n 不等，桩土系统只产生弹性变形，桩身应变量一般小于o 0 1 ，桩顶加速度不超过5 0 9 ，速度不超过4 0 m m s ，位移不超过0 0 1 m ，比高应变低2 3 个数量级【1 j o 1 2 桩基低应变动测技术在国内外的发展 为满足工程建设的需要，随着计算机技术的不断成熟，低应变动测技术发展迅速。 国内外研究和应用的低应变动测方法主要有反射波法、机械阻抗法、水电效应法、动 力参数法、共振法、球击法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 国外近代动测技术是以应力波理论为基础发展起来的。早在2 0 世纪3 0 年代，应 力波理论就用以分析打桩工程。1 9 6 0 年史密斯( e a s m i t h ) 发表了“打桩分析的波动 方程法”，波动方程开始进入实用阶段。此后在美国、瑞典、荷兰、丹麦和法国相继开 展了动力试桩的动测设备和计算软件的研制和应用。 波动方程应用于动测技术的一类方法是将桩作为连续的弹性杆，对边界条件适当 处理和简化后，直接对波动偏微分方程积分求解。丹麦工业大学的汉森( b h a n s e n ) 等发表了这方面的研究成果；荷兰建筑材料与结构研究所( t n o ) 的柯顿( v k o t e n ) 也在简化假定的条件下，利用线形代换和阶跃函数，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 研制成了基桩检测系统， 用于检验桩身结构完整性，后来又进一步改进，推出了t n o 携带式f p d s 2 型基桩诊 断系统，己在许多国家推广应用。 2 0 世纪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，并在西欧和其他法语国家付诸实际应用。英国的a g 戴维斯( d a v i s ) 和c s 邓恩( d u m a ) 在大量试验和研究工作的基础上发表了桩的非破坏性振动试验一文， 对机机械阻抗法的原理、检测系统、检测及分析方法做了系统的阐述。 2 0 世纪7 0 年代，斯坦巴克( s t e i n b a c h ) 和v e y 对应力波传播法做了较为系统的研 究。他们首先在实验室内进行了铝棒和混凝土棒的模型试验，试验结果显示了这种方 法用于探测混凝土断裂的可能性。随后又进行了现场实验，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。由于该方法具有快速、 无损、经济等特点，因而发展很快。 国内，1 9 7 2 年湖南大学土木工程系振动小组周光龙等人首先发表了用动力法测 定桩基各种参数的原理、方法和分析一文，经过多年研究探索和工程考核试验，形 成了动力参数法；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的锤 击贯入试桩法，取得了良好的效果；1 9 8 0 年西安公路研究所研究了“稳态激振机械阻 抗法 ，并与中国科学院电工所共同研制了“水电效应法”；冶金部建筑研究总院工程 抗震研究室提出了共振法测试技术，该法在1 9 8 5 年通过了部级鉴定，编制了共振试 桩操作规程，并于1 9 8 6 年研制成g z d - 8 6 型桩动测自动控制系统。同时，以波动方 程为基础的高应变法进入了快速发展时期，中国建筑科学研究院地基所推出了 f e i p w a p c 波形拟合分析软件、f e i a 桩基动测分析系统和d j 3 型试桩分析仪，中国 科学院武汉岩土力学研究所推出了r s m 系列基桩动测仪以及武汉岩海公司生产了r s 系列基桩动测仪1 2 卜1 6 j 。2 0 0 0 年，王雪峰等人使用3 0 余种反射波法动测中常见的锤敲 击一墩实的混凝土块体，在实测锤体力信号的同时，利用安装在块体上的检波器、速 度计、加速度计的接收信号，得出了各种手锤( 或力棒) 敲击的脉冲宽度、主瓣宽、 波形及力值，借以评价不同振源与传感器接收效果之间的关系。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 基桩工程的常见质量问题 基桩工程施工条件复杂，出现的问题很多，其后果也最为严重。各种桩型质量缺 陷有一定的规律性，本节针对不同桩型，扼要介绍它们常见的质量问题i 引。 1 3 1 沉管灌注桩 沉管灌注桩分为锤击沉管、振动沉管、压力沉管三种工艺。这种桩型质量不够稳 定，故障率高，主要质量问题有： ( 1 ) 锤击或振动沉管过程的冲击力和振动力以弹性应力波的形式在周围土体中衰 减和消散，靠近沉管周围土体以垂直振动为主，远离定距离以水平振动为主，振动 力和侧向挤土作用易把初凝的邻桩振断，在软、硬层交界部位尤重。 ( 2 ) 拔管速度过快，管内混凝土高度过低，不足以产生一定的排挤压力，在软土层 部位易产生缩颈或断桩。 ( 3 ) 若桩距小于三倍桩径，施工顺序安排不当时，沉管过程易使地表明显隆起，对 邻桩产生一竖向上拔力，使初凝的混凝土缩颈或被拉断。 ( 4 ) 钢筋笼埋置高度控制不准，找不到钢筋笼。 ( 5 ) 振动沉管采用活瓣桩尖时，有活瓣张开不灵活现象，致使混凝土下落不畅，引 起断桩或混凝土密实度差。若沉管后浇灌混凝土不及时，活瓣合缝处渗水，稀释桩尖 处混凝土，使其强度大大降低。 ( 6 ) 采用预制桩尖时，若预制桩尖强度低、质量差，沉管过程中易被击碎塞入管内， 当拔管至一定高度后，桩尖下落被孔壁卡住，形成桩身下段无混凝土( 俗称吊脚桩) 。 ( 7 ) 当地下分布有承压水的砂层，砂层上又覆盖透水性差的粘土层时，由于压力水 作用，易沿未凝固的混凝土桩身向上消散压力水，使桩身形成孔洞或涌水通道，桩项 冒水。 1 3 2 冲、钻孔灌注桩 在地下水较高的场地进行灌注桩施工，成孔过程中采用就地造浆或制备泥浆护壁， 以防止孔壁坍塌。混凝土浇灌采取带隔水栓的导管水下施工工艺。浇灌过程操作不当， 容易出现以下质量问题： ( 1 ) 施工中由于停电或其他原因，浇灌混凝土没有连续进行，间隔一定时间后隔水 层混凝土凝固，形成硬壳，后续混凝土无法下灌，只好上拔导管，一旦泥浆进入管内 必然形成断桩；而如用增大管内混凝土压力等办法，冲破隔水层，形成新的隔水层， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 破碎的老隔水层混凝土必然残留在桩身中，造成桩身局部混凝土质量低劣。 ( 2 ) 水下浇灌混凝土的桩径不宜小于6 0 0 m m ，桩径过小，由于导管和钢筋笼占据一 定空间，加上孔壁摩阻作用，混凝土上升不畅，容易堵管，形成断桩或钢筋笼上浮。 ( 3 ) 泥浆护壁成孔，不同土层泥浆没有按相应比重配制，造成孔壁坍塌。 ( 4 ) 正循环法清孔时，应根据孔的深浅，控制洗孔时间或孔口泥浆比重，清孔时间 过短，孔底沉渣过厚，将影响桩端承载力发挥。 ( 5 ) 隔水栓的作用是使导管内泥水由管底排出，不使混凝土和泥水混合，隔水栓一 般由球胆或沙袋等制成。若隔水栓密封不好，或混凝土初次浇灌量不足，使导管底端 不能埋入混凝土中或埋入深度不足，造成泥水与混凝土混合，形成底部混桩。 ( 6 ) 导管连接处漏水形成混桩甚至断桩。 ( 7 ) 施工中操作不当或计算有误，拔管后或插拔管振捣时导管底端埋入混凝土深度 不足1 米，则极易形成离析、混桩或断桩。 1 3 3 混凝土预制桩 混凝土预制桩大多采用柴油锤、蒸汽锤或自由落锤打入土中。打桩过程容易发生 以下质量问题： ( 1 ) 施工中由于锤垫或桩垫过硬，或者锤击压应力的不均匀分布，造成桩头破碎或 开裂。一般情况下，最大锤击压应力不应超过混凝土抗压强度的6 5 。 ( 2 ) 打桩过程中由于受桩端土特性、桩侧土分布、桩的入土深度以及锤击偏心等影 响，容易产生拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度时，桩身将开裂。通常最大拉应 力多发生在桩身中上部。 ( 3 ) 桩头钢筋网片设置、配筋不符合要求或桩顶混凝土保护过厚，桩顶不平，桩身 混凝土标号低于设计要求等，打桩时都易击碎桩头。 ( 4 ) 预制桩属于挤土桩，如果桩间距过小或打桩顺序安排不当，连续的锤击振动和 挤土作用，容易使薄弱的接桩部位缝隙加大，或使已经开裂的混凝土进一步加剧，使 桩尖上抬形成土隙，影响单桩承载力的正常发挥。 ( 5 ) 预制桩的接桩部位相对于其它连续桩段来说是薄弱环节，如果接桩方法粗糙、 不牢固( 如采用硫磺胶泥接桩法或焊接法) ，经连续的锤击作用，稍有偏心即容易出现 开裂、错位甚至断桩。 ( 6 ) 桩身倾斜或遇有障碍物，易导致桩头错位。 1 3 4 人工挖孑l 灌注桩 在地下水丰富的场地，采用人工挖孔灌注桩容易发生以下质量问题： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 1 ) 地下水渗流严重的土层，易使护壁崩塌，土体失稳塌方，造成夹泥或桩底沉渣。 ( 2 ) 土层出现流砂现象或有动水压力时，护壁底部土层会突然失去强度，泥水随土 急速涌出，产生井涌，使护壁与土体脱空，或引起孔形不规则。 ( 3 ) 挖孔时如果边挖边抽水，地下水位下降时，护壁易受到下沉土层产生的负摩擦 作用，使护壁受到拉力，产生环向裂缝，护壁所受的周围土压力不均匀时，又将产生 弯矩和剪力作用，易引起垂直裂缝，而桩制作完毕，护壁和桩身混凝土成为一体，他 是桩身的一部分，护壁裂缝破损或错位必将影响桩身质量和桩侧阻力的发挥。 ( 4 ) 孔较深时，浇灌混凝土若没有采用导管，混凝土自高处自由下落易产生离析。 ( 5 ) 孔底水不易抽干或未抽干情况下浇灌混凝土，桩尖混凝土将被稀释，降低桩端 承载力。 1 4 本文主要内容 ( 1 ) 分析不同材质锤头材料的力脉冲宽度大小及其对测试结果的影响； ( 2 ) 探究不同接触面积及垫片厚度对力脉冲宽度的影响规律； ( 3 ) 研究不同敲击速度、不同锤重对力脉冲宽度的影响规律及其对测试效果的影 响； ( 4 ) 运用不同的力脉冲宽度对各种缺陷桩进行数值分析，比较波形的异同点，从而 辨别出真假缺陷及不同的缺陷性质； ( 5 ) 大直径桩中不同脉冲宽度的几何弥散问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章低应变反射波法基本理论 2 1 反射波法测试系统简介 反射波法( 也称为应力波反射法) 的现场测试如图2 1 所示。对完整的测试分析 过程可以描述如下：用手锤( 或力棒) 在桩头施加 一瞬态冲击力只o ，激发的应力波沿桩身传播，同 时利用设置在桩顶的加速度传感器或速度传感器 接收初始信号和由桩阻抗变化的截面或桩底产生 的反射信号，经信号处理仪器滤波、放大后传至计 算机得到时程曲线( 称为波形) ，最后分析者利用 分析软件对所记录的带有桩身质量信息的波形进 行处理和分析，并结合有关地质资料和施工记录作 出对桩的完整性的判断。 反射波法使用的设备包括激振设备( 手锤或力 棒) 、信号采集设备( 加速度传感器或速度传感器) 和信号采集分析仪。 图2 1 反射波法的现场测试示意 激振设备的作用是产生振动信号。一般地，手锤产生的信号频率较高，可用于检 测短、小桩或桩身的浅部缺陷；力棒的重量和棒头可调，增加力棒的重量和使用软质 棒头( 如尼龙、橡胶) 可产生低频信号，可用于检测长、大桩和测试桩底信号。激振 的部位宜位于桩的中心，但对于大桩也可变换位置以确定缺陷的平面位置。激振的地 点应打磨平整，以消除桩顶杂波的影响。另外，力棒激振时应保持棒身竖直，手锤激 振时锤底面要平，以保持力的作用线竖直。 采集信号的传感器一般用黄油或凡士林粘贴在桩顶距桩中心2 3 半径处( 注意避开 钢筋笼的影响) ，对于空心管桩传感器粘贴在与激振力作用点构成中心角9 0 度的范围 以外，注意粘贴处要平整，否则要用砂轮磨平。粘贴剂不可太厚，但要保证传感器粘 贴牢靠且不要直接与桩顶接触，直接与桩顶接触无法得到正确的频域曲线。需要时可 变换传感器的位置或同时安装两只传感器。 信号采集分析仪用于测试过程的控制、反射信号的过滤、放大、分析和输出。测 试过程中应注意连线应牢固可靠，线路全部连接好后才能开机。仪器一般配有操作手 册，应严格遵循l s j 。 现场测试时，要求清除桩顶浮浆和非正常混凝土区段，项面要大体凿平，必要时 切除碍事的主筋外露段，混凝土的养护期不少于7 天。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 波的传播及分类 在弹性固体介质中的一切质点间都以内聚力彼此紧密联系着。所以任何一个质点 振动的能量可以传递给周围质点，引起周围质点振动。质点振动在弹性介质内的传播 过程称为波动，换句话说，振动是以波动的形式向周围传播，这种波称为弹性波或应 力波。 波的传播可以分为两类，一类是均匀无限弹性体的三维波动特性；另一类是在有 界弹性体内的二维波动特性，这类问题主要包括波在界面上的反射和透射特性、面波 和散射等问题l g j 。 按弹性体中介质的振动方向和波动传播方向的关系可将波分为纵波、横波和表面 波，下面对他们作简要介绍： ( 1 ) 纵波。就是弹性体介质质点的振动方向和波动的传播方向相同的弹性波，它使 弹性体内产生交替的伸长和压缩形变，并在弹性体内沿波的传递方向产生拉压应力。 介质在体积变化时都产生弹性力，因此，纵波可以在任何介质中传播。本文反射波法 中所利用的波就属于纵波这一类型。 ( 2 ) 横波。弹性体介质质点的振动方向和波动的传播方向垂直，其形成是由于固体 介质受到交变剪切力作用而产生交变的剪切变形，因此，具有这种特性的波又称为切 变波。 ( 3 ) 表面波。它的形成是由于介质表面受到交替变化的表面张力，使介质表面质点 作由于纵向振动和横向振动而合成的椭圆运动，它沿介质的表面传播。 2 3 杆的纵向波动方程 反射波法是以应力波在桩身中的传播反射特征为理论基础的一种方法。该方法假 定桩为连续弹性的一维均质杆件，并且不考虑桩周土体对沿桩身传播的应力波的影响。 因此，桩的典型弹性体振动模型是直杆的纵向振动。在推导直杆的纵向振动方程时， 作以下基本假设【l o 】： 仃( x )c r ( x + a x ) x - 一 图2 2 杆件内的弹性波 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 1 ) 材料均匀； ( 2 ) 直杆等截面： ( 3 ) 直杆变形中横截面保持为平面，且彼此平行； ( 4 ) 直杆横截面上应力分布均匀； ( 5 ) 忽略直杆的横向惯性效应。 现从杆件中取一长为缸的微元，两端截面的坐标分别为x 和x + 血，如上图2 - 2 所示。若设p 和a 为杆件材料的密度和横截面面积，则单元的质量为p 4 缸。令甜为 单元的位移，那么根据牛顿第二定律有： p 彳缸窘= 叫x + 缸m 吣) ( 2 - 1 ) 上式中的筹2 u 为段元的加速度，仃。+ 缸) 和仃( z ) 分别为单元两端截面上的正应力。 上式两边除以a a x 后得： p 鲁：_ c r ( x + a x ) - a ( x ) ：竽( 2 - 2 ) p ；2 = 8 t 2敏缸 令缸一o 时，上式取极限后可得： p 鲁：罢( 2 - 3 ) p 萨2i ) 考虑到仃：e 占的关系，以及占：宴，则公式( 2 3 ) 变为： 粤一墨粤：o ( 2 - 4 ) 8 t z pa x 2 又若令： c - ，犀( 2 - 5 ) 弘万 那么方程( 2 4 ) 又可以写为： 粤i 百g a 2 i ：o ( 2 6 ) _ 一c 。彳= u( 2 6 ) a t 2a ) c 1 4 这就是沿杆件轴向传播的弹性波的波动方程。由于没有考虑阻力的作用，故公式 ( 2 6 ) 又称为无阻力( 或自由) 波动方程。式中c 就是弹性波的传播速度，又称为纵波波 速吲。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 4 波动函数 由波动方程2 - 6 式可知，波动函数u 既是时间，的又是截面位置坐标x 的函数，即 为一个二维函数。当x 等于常数时，波动函数描述的是某一固定截面上质点的振动位 移随时间的变化状态；而当f 等于常数时，波动函数描述的是某一固定时刻，不同截面 上的质点的振动位移状态。于是，若取u ( t ，x = x o ) 时，则为按时间变量f 展开的图形， 称之为振动曲线图：若取u ( t = t o ，x ) 时，则为按空间变量x 展开的图形，称之为波动曲 线图。 若要获得波动函数的具体解析形式，必须通过求解波动方程式2 6 ，同时还要给出 初始条件和边界条件。这里利用振动知识来获得波动函数的一般形式。 已知振动位移具有如下形式： 材( f ) = a c o s c o t ( 2 - 7 ) 式中，a 为振幅，6 0 为圆频率，t 是从振动开始时刻起算的时间。 假定在杆件内任取一质点a ，a 的坐标为x ，若振动自坐标原点传播出来，到达爿 点的时间则为 r = 二 ( 2 8 ) c 式中，c 为波的传播速度。由此可知，a 点开始振动的时刻要比坐标原点的时刻迟 后一段时间为f 。假定波在传播过程中不考虑阻尼衰减作用，则当波到达彳点时，彳点 的振动位移为 “= 2 c o s r o t ( 2 - 9 ) 式中，是从a 点开始振动时刻起算的时间。那么t = t f ，代入式2 - 9 中，并考 虑到式2 8 时则得 u ( t ，x ) = a c o s ( c o t - 国f ) = a c o s c o ( t - 7 1 ) ( 2 - 1 0 ) o 这就是无阻尼情况下波动函数的一般表达式。因为它满足波动方程式2 - 6 ，事实上， 由于 故有 坐些- - a o ) 2 c o s 6 0 ( d tf 一三c ) z 。 等一a 等c o s 砷一寺 = 一i l f 一一j d x zc 2 、 c 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 垒磐c 2 空掣- - - - - a ( f 1 2 c o s ( 0 ( f 一：x d td rc ) + 耐c ( 卜三c ) = o 如果利用波长a 、波数y 、波速c 及频率厂之间的关系，即 v = 一= 一= = _ 11厂 丸c tc 那么，波动函数还可以写成如下形式 或者 u ( t ，x ) = a c o s 2 x ( f i - v x ) u ( t ，x ) = a c o s 2 r c v ( c t x ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 如果取f = f + f 的情况，说明波到达a 点的时刻比到达坐标原点的时刻要早一段时 间r ，这就表示波是以速度v 沿x 轴负方向传播的，如图2 3 所示。这时波动函数的形 式变为 “( 船) = a c o s 国( f + 旁( 2 - 1 3 ) 2 5 波阻抗的定义 图2 3 波的行进图 质点振动速度v ( r ) 是质点振动位移函数关于时间的一阶微分，而波速c 是弹性波在 介质中传播的速度。两种速度v 和c 是具有完全不同的物理意义的，并且两者所取决的 因素也完全不同。前者与引起振动的外力及振幅、频率有关，且随时间而变化的；后 者却仅与介质的杨氏模量e 和材料密度p 有关。 当质点位置坐标一定时，那么波动函数就是该质点的振动位移函数，所以质点的 西鬲爻通大掌硕士研究生掌位论文第1 1 页 振动速度可由波动函数关于时间的一阶偏微分得到，即： 砸=掣=-t2cosin(cot一却(2-14)oto 而弹性波在杆件中传播时，在杆件的截面上将引起相应的应变和应力。根据应变 的定义和本构关系可分别得到： 棚=_ou(t,x)=口争(耐一(2-15)t：cx【一【一 及 - e ，垆a e c s i n ( 耐一罟x ) ( 2 - 1 6 ) 将式2 1 4 除以式2 1 6 ，移项后则得 v = 詈= 兰 ( 2 - 1 7 ) 忙t 2 芝 u 。 c 这里已将自变量省略，式中p = 一仃为截面上的轴向力的压强。而 z = 委= 面= p c ( 2 1 8 ) 是一个仅与杆件材料性质有关的量，称之为波阻抗。 2 6 弹性波的反射和透射 假若一弹性杆件由两种不同的材料构成或在杆件内夹有不同的材料部分，那么由 于两种材料的密度p l 和段及波速c 1 和c 2 是不相同的，便存在波阻抗z 1 和z ：的分界 面，弹性波入射到波阻抗分界面时，就会产生波的反射和透射现象。如图2 - 4 所示， 为方便讨论，令分界面的坐标x = 0 。 x = 0 x 、 岛一 一厥一以x 、 1 v 一百7 一 一“2 w v 一百7 抽s 础一言) 图2 - 4 弹性波的反射与透射 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 6 1 反射系数与透射系数 假定从第一种材料中入射的弹性波的波动函数为： 铲口l c o s 烈卜辛( 2 - 1 9 ) 当入射波在波阻抗分界面上产生反射和透射时，可分别设反射和透射的波动 函数为： “=aicosco(卜寺(2-20)ai c o s 2 卜i ) “：= a ：c 。s ( t - 差- 2 ) ( 2 - 2 1 ) 弹性波的传播在波阻抗分界面上必须满足两个条件： ( 1 ) 连续性或不可入性条件。这个条件要求分界面上质点的位移是一致的，即有： 掣1 ( f ，0 ) + “1 ( r ，o ) = u 2 ( f ，0 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 ) 应力协调条件。这个条件要求在分界面上第一种材料的应力与第二种材料的应 力大小相等、方向相反，故有： q ( f ，0 ) = o 2 ( t ，0 ) ( 2 - 2 3 ) 分别将式( 2 1 9 ) 、式( 2 - 2 0 ) 和式( 2 2 1 ) 中的u 。、u l 和“：代入式( 2 2 2 ) ，并消去公因 子c o s c o t 后可得： a l + a i = a 2 ( 2 - 2 4 ) 由式( 2 2 3 ) 的左边得： q ( f ，o ) ：互q ：巨掣：e 10 u l ，；。+ 巨掣l ，；。加( t , x ) ( 2 - 2 5 ) 锨v 钡 将( 2 1 9 ) 式和式( 2 2 0 ) 代入上式得到： q ( f ，o ) 一a 1 - a ) e l l c u s i n 耐 ( 2 - 2 6 ) 同理可得： 啪，0 ) = 呸警s i n 耐 ( 2 - 2 7 ) 本章2 5 节中只介绍过波阳抗与杆件材料性质有关，其实波阳抗不仅与杆件材料性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 质有关，还与杆件几何尺寸( 截面面积) 有关。设杆件某段为一分析单元，其介质密 度、弹性波波速、截面面积分别用p ，c ，a 表示，则令 z = p c a 称z 为广义波阻抗。当桩身的几何尺寸或材料的物理性质发生变化时，则相应的p 、 c 、么发生变化，其变化发生处称为波阻抗界面。 那么考虑到波阻抗z 1 = 岛c 1 4 和z 2 = p 2 c 2 4 ，将q 和吼代入式( 2 2 3 ) ，整理后便 得： 2 籍口z 解( 2 - 2 4 ) 和( 2 - 2 8 ) 式的联立方程可得 a：旦刍鱼二鱼刍垒口，l 岛c 1 4 + p 2 c z 4 2 1 a ，： 三堑鱼 儡 ，= _ 一儡 。p lc 1 4 + p 2 c 2 4 1 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 这就是当弹性波垂直入射到波阻抗分界面时，入射波、反射波、透射波的振幅及 两种材料的波阻抗之间的关系式。 分别作这样的定义：反射波的波幅a l 与入射波的波幅a i 之比，称之为反射系数， 即： 口：叠：p , c , a ；- p 2 c 2 a 2 ：生量 ( 2 3 0 ) a lp l c l 4 + p 2 c 2 4z l4 - z 2 而透射波的幅值口，与入射波幅值q 之比，称之为透射系数，即： ，：旦：三旦垡 ：二乙 ( 2 3 1 ) 。 q岛c 1 4 + p 2 c 2 4z 1 - i - z 2 。 2 6 2 同相反射与反相反射 根据式( 2 3 0 ) 和式( 2 ，3 1 ) 可以得出如下结论： ( 1 ) 只有当波入射到波阻抗值不相等的波阻抗界面时，即当岛c 1 4 1 p ，c 2 4 2 时才存 在波的反射现象，而且p l c l 4 与p ，c 2 4 的差别越大，反射就越强，而透射就越弱。 ( 2 ) 当p lc 1 4 p 2 c 2 4 ，即弹性波从波阻抗大的材料入射到波阻抗小的材料，这时 反射系数口 0 ，那么反射波与入射波在分界面上具有相同的相位，这种情况称之为“同 相反射”。 ( 3 ) 当p ，c 1 4 岛c 4 ，即弹性波从波阻抗小的材料入射到波阻抗大的材料，这时 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 反射系数口 0 ，那么，反射波与入射波在分界面上具有相反的相位，这种情况称之为 “反相反射”。也就是说，反射波与入射波在分界面上具有相当于半个波的相位差，又 将这种现象称之为“半波损失”。 造成上述同相反射或反相反射，亦即无半波损失或有半波损失的原因，本质上是 由于弹性波入射到波阻抗分界面上时，入射波和反射波所引起的分界面上的应变( 和 应力) 的方向是相反或相同而决定的。 2 7 低应变方法的局限性 低应变方法虽然简单、快速、成本低，然而也存在不少局限。对使用者来说应充 分认识和理解这些局限性。这对合理地解释试验结果和对桩完整性作出正确的评价是 非常重要的，归纳起来有下面几个问题c l l j 。 ( 1 ) 土阻力的干扰。虽然在低应变试验中施加的冲击力较小，但所激发的土阻力仍 是不容忽视的，其干扰主要表现在三个方面。第一，由于土阻力的作用，增加了入射 波的衰减，致使桩底反射波难于观察，从而降低了检测的深度；第二，土阻力激发的 速度波的相位与缺陷处由波阻抗减小引发的反射波相位相反，两者叠加后，致使后者 幅值下降，甚至完全消失，这将“减轻”桩真实的损坏程度，造成误判；第三，在土 阻力剧烈变化的地方，例如软硬土层的交界面，有时也会引发一个像缺陷造成的反射 波假象。 ( 2 ) 在截面渐变的杆中传播的纵波，不产生反射，仅会发生弥散，因此对于这种情 况，反射波法是无能为力的。 ( 3 ) 在桩头附近，较强的入射波可以掩盖较弱的缺陷处反射波；在桩底，桩底反射 波可能与缺陷反射波部分重叠在一起，造成反射波的畸变。 ( 4 ) 若在一根桩中出现多个缺陷，入射波通过第一个缺陷后，透射波的强度已大大 降低，难于识别第二个缺陷。这种情况波形也极为复杂，难于判读。 ( 5 ) 大量试验表明，波阻抗变化低于2 0 的缺陷用反射波法是难于探测的。 ( 6 ) 有效测试桩长。由于受到桩周土、激振方式、桩身质量、桩型、桩底支承条件 等诸多因素的影响，具体的有效测试桩长很难确定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章应用a n s y s l s d y n a 建模概述 由于本文主要应用有限元分析程序a n s y s l s d y n a 研究桩的低应变反射波法脉 冲宽度对测试效果的影响，所以有必要对a n s y s l s d y - n a 做一个简要的介绍。 3 1a n s y s l s d y n a 简介 l s d y n a 是l s t c ( l i v e m o r es o f t w a r e t e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 公司将显式 l s d y n a 2 d 、l s d q a 3 d 、热分析l s t o p a z 2 d ，l s t o p a z 3 d 等程序合成的一个 软件包，并由a n s y s 公司将它与a n s y s 前后处理连接( 即对a n s y s 进行二次开发) ， 称为a n s y s l s d y n a ，大大加强了l s d y n a 的前后处理能力和通用性。这样既能 充分运用l s d y n a 程序强大的非线性动力分析功能，又能很好地利用a n s y s 程序完 善的前后处理功能来建立有限元模型与观察计算结果【1 2 j 。 l s d y n a 程序包括几何非线性( 大位移、大转动和大应变) 、材料非线性( 1 0 0 多 种材料类型) 和接触非线性( 3 0 多种) 程序| 1 3 j 。它以l a g r a n g e 算法为主，兼有a l e 和 e u l e 算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能，也可以交替使用隐式显式连续求解； 以结构分析为主，兼有热分析，流体一结构耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静 力分析功能( 如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算) 的通用结构分 析非线性有限元程序，目前在国防和民用领域里应用很广泛。 a n s y s l s d y n a 采用a n s y s 前处理生成l s d y n a 显式积分部分的输入数据 文件，用l s d y n a 求解器求解，生成图形文件和时间历程文件，再用a n s y s 后处理 或l s d y n a 的后处理l s p r e p o s t 显示和分析计算结果。需要隐式积分法求解