（岩土工程专业论文）纵波扭转波传播理论研究与动力有限元分析.pdf

摘要 桩被。植”入地下，是看不见的“地下隐蔽工程”，施工过程中某一环节处理 不当，都可能形成桩基缺陷( 缩径、扩径、离析、断桩) ，缺陷的存在必将影响桩 的工作性能。桩基极限承载力受两大方面因素的制约：一是桩周土层对桩的极限 支承能力，二是桩身的极限抗压( 拉、弯) 承载能力。对绝大多数工程来说，若设 计合理，土对桩基的支承承载力一般都能满足设计要求。然而，工程桩的单桩极 限承载力主要取决于桩身的承载力，因此，施工过程中造成的桩身质量缺陷是影 响工程桩极限承载力的最主要因素。于是，如何对桩基质量进行有效的评价是一 个亟待解决的问题。 基桩完整性检测目前主要使用应力波反射波法。该方法以经典的一维纵波理 论为基础，虽然简单易行，但其对浅部缺陷、小缺陷以及极深部位的缺陷极不敏 感。因此，无论是定性分析上还是定量分析上，仅靠应力波反射波法，是无法对 桩基质量上做出准确的判断的。 鉴于应力波反射波法存在的不足，本文从理论上分析了桩顶表面上传播的波 ( p 波、s 波、r 波) 以及圆截面桩中各种应力波( 钟型脉冲波、扭转波、弯曲波) 传播的机理，进而证实：基桩动测实践中，应力波中同时存在纵波、横波、表面 波以及弯曲波等多种成分。并且，本文对这些波种进行了相应的数值分析，同时， 对在桩周土阻力存在的情况下，一维弹性桩中一维纵波和扭转波的传播特性进行 了相应的研究，进而提出了纵波扭转波综合分析法。并通过动力有限元方法和工 程实例证实了纵波扭转波综合分析方法的合理性和可行性。 关键词：圆截面桩，纵波，扭转波，弯曲波，纵波扭转波综合分析，动力有限元 分析 a b s t r a c t t h ep i j ei si n j e c ti n t ot h eu n d e r g r o u n d ，a n di sa ni n v i s i b l eu n d e r g r o u n df o u n d a t i o n v a r i o u sd e f e c t sa r ep o s s i b i l i t yf o r m e da sr e s u l to f t h ei n a p p r o p r i a t ec o n s t 九l c t i o n ，蛐c h a sn e c k i n g ，e x p a n d i n gc a r o t i d ，s e g r e g a t i o n ，f a c t u r e ，w h i c hc a nh a v ea ni m p a c to nt h e p e r f o r m a n c eo ft h ep i l e t h e r ea r et w om a j o rf a c t o r sw h i c hh a v eai m p a c to nt h e b e a r i n gc a p a c i t yo f t h ep i l e ：f i r s t ，t h el i m i tc a p a c i t yo f t h es o i la g a i n s tt h ep i l e ；s e c o n d ， t h eu l t i m a t ea g a i n s t - c o m p r e s s i o n ( a g a i n s t t e n s i l e ，a g a i n s t - b e n d i n g ) b e a r i n gc a p a c i t y f o rt h em o s te n g i n e e r i n g g e n e r a l ly t h eb e a r i n gc 印a c i t yo ft h es o i la g a i n s tt h ep i l e c a nm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sh o w e v e r ，t h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h es i n g l ep i l ei s m a j o rd e p e n do ni to ft h ep i l eb o d yt h e r e f o r e ，t h ed e f e c t so ft h ep i l eb o d yw h i c ha r e f o r m e di nt h ec o n s t 九l c t i o na r em a j o r ，f a c t o r s s o ，i ti s4s e r i o u sp r o b l e mh o wt o a p p r a i s et h eq u a l i t yo f t h ep i l ee f f e c t i v e l y a tp r e s e m ，t h er e f l e c t i o nw a v em e t h o di sam a j o rs o l u t i o nf o rt h ep i t ，w h i c hi s b a s e do nt h eo n e d i m e n s i o n a li o n g i t u d i n a jw a v et h e o r y a i t h o u g hs i m p j e ， i ti s i n s e n s i t i v ef o rt h es h a l l o w ，s m a l la n dv e r yd e e pd e f e c t st h e r e f o r e ，e 曲e rq u a l i t a t i v e a n a l y s i so rq u a n t i t a t i v ea n a j y s i s ，i ti su n a b l et om a k e s aa c c u r a t ej u d g m e n t ，o n l yb yt h e r e f l e c t i o nw a v em e t h o d g i v e nt h ew e a k n e s s e so ft h er e n e c t i o nw a v em e t h o d ，t h i sp a p e rt h e o r e t i c a l l y a n a l y z e st h et r a n s m j s s j o nm e c h a n i s mf o rt h ev a r i o u sw a v e so nt h es u r f a c eo ft h ep i l e ， s u c ha sp - w a v e ，s w a v e ，r w a v e ) a n dt h ev a r i o u sw a v e si nt h ec i r c u l a rc r o s ss e c t i o n p j l e ，s u c ha sb e j j s h a p e dp u 】s ew r a v e ，t o r s j o 舱】w 忸v e ，b e n d i n gw a v e ) t h e n ，j tj s c o n f i r m e dt h a tv a r i o u sw a v ea r es i m u l t a n e o u s l ye x i s ti nt h es t r e s sw a v e ，s u c ha s l o n g i t u d i n a lw a v e s ， s h e a rw a v e s ， s u r f a c ew a v e sa n db e n d i n gw a v e s ，a n ds oo n f u n h e r m o r e ，t h i sp a p e rm a k e sac o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a la n a l y s i sf o rt h e s ew a v e s ， m e a n w h i l e ，g i v e nt h es o i lr e s i s t a n c e ，s t u d i e so nt h ep r o p n g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e o n e - d i m e n s i o n a ll o n g i t u d i n a lw a v ea n dt o r s i o n a lw a v eo ft h ee l a s “cp i l e t h e n ，t h e c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sm e t h o df o rt h ei o n g i t u d i n a lw a v ea n dt o r s i o n a lw a v ei s p r o p o s e d ，a n dt h r o u g ht h ed y n a m i cf i n i t ce l e m e n tm e t h o dw i t h m ee n g i n e e r i n g e x a m p l e s ，i ti sc o n f i r m e dt h a tt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sm e t h o di sr e a s o n a b l ea n d f e a s i b l ef o rt h ep i t k e yw o r d s ：t h ec i r c u l a rc r o s s0 e c t i o np i l e ；t h ei o n g i t u d i n a lw a v e ； t h e t o r s i o n a lw a v e ；t h eb e n d i n gw a v e ；t h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sm e t h o df o rt h e i o n g i t u d j n a lw a v ea n d t o r s i o n a lw a v e ；t h ed y n a m i cn n i t ee i e m e n tm e t h o d 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 眈和寸啐 日期：川年，月5 。日 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。本人授权长沙理工大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：纯树戽 日期：却洚，月弓6 日 导师签名：z 移够日期：勿毋月弓。日 1 1 引言 第1 章绪论 桩基基础具有悠久的历史。由于桩基能将上部结构的荷载传到深层的稳定的 土层中去，从而减少了基础的沉降和建筑物的不均匀沉降，而且能够承受上拔力， 所以桩基础在地震区、软土地区、湿陷性黄土地区、膨胀土地区以及冻土地区等 得到广泛的应用。实践证明它是一种极为有效的、安全可靠的基础形式。近三十 年以来，髓着我国基本建设事业的发展，桩基础得到空前广泛的应用，据不完全 统计，目前我国每年的用桩量超过1 0 0 万根，尤其是钻孔灌注桩得到了大量的使 用，是高层建筑、高等级公路、大型桥梁港口、码头、海上采油平台、核电站以 及重型厂房等最常用的基础形式之一。 桩被“植”入地下，是看不见的。地下隐蔽工程”，施工过程中某一环节处理 不当，都可能形成桩基缺陷( 缩径、扩径、离析、惭桩) 。缺陷的存在必将影响桩 的工作性能。桩基极限承载力受两大方面因素的制约：一是桩周土层对桩的极限 支承能力，二是桩身的极限抗压( 拉、弯) 承载能力。对绝大多数工程来说，若设 计合理，土对桩基的支承承载力一般都能满足设计要求。工程桩的单桩极限承载 力主要取决于桩身的承载力，因此，施工过程中造成的桩身质量缺陷是影响工程 桩极限承载力的最主要因素。 1 2 桩基工程常见的质量问题 桩基工程是隐蔽工程，施工难度大、 场地岩土条件的不同和旋工工艺的差别， t 沉管灌注桩 拄术要求高。实际施工过程中，由于各 因此，桩基极容易出现质量问题m 。 沉管灌注桩分为锤击沉管、振动沉管和压力沉管三种工艺。这种桩质量不够 稳定，施工故障率高。其主要问题有， ( 1 ) 锤击或振动过程中的振动力向周围土体扩散，沉管周围的土体以垂直振 动为主，而一定距离后的土层水平振动大于垂直振动，再加上侧向挤土作用，极 易振断初凝的邻桩，软硬土层交界处尤为严重。 ( 2 ) 若管距小于三倍桩径，沉管过程中可能会使地表土体隆起，从而再邻桩 桩身产生一竖向拉力，使初凝混凝土拉裂 ( 3 ) 拔管速度过快，管内混凝土灌注高度过低，不足以产生一定的排挤力， 在淤泥层易产生缩颈。 ( 4 ) 地层存在有承压水的砂层， 灌注混凝土后，由于动水压力作用， 会演变成断桩。 砂层上又覆盖有透水性差的粘土层时，孔中 沿桩身至桩项出现冒水现象，冒水桩一般都 ( 5 ) 振动沉管采用活瓣桩尖时，活瓣张开不灵活，混凝土下落不畅，引起断 桩或混凝土密实度差的现象时有发生。当桩尖持力层为透水性良好的砂层时，若 沉管和混凝土灌注不及时，易从活瓣的合缝处渗水，稀释桩尖部分的混凝土，使 得桩端阻力丧失。 ( 6 ) 预制桩尖混凝土质量不满足要求，沉管时被击碎塞入桩管内，拔管至一 定高度后，桩尖下落且被孔壁卡住，桩身的下段无混凝土，产生俗称的“吊脚桩”。 ( 7 ) 钢筋笼埋设高度控制不准。 2 冲、钻孔灌注桩 在地下水位较高的场地进行灌注桩施工时，成孔方法有冲抓式、旋挖式、冲 击式、回转式和潜钻式等。成孔过程采用就地造浆或制备泥浆护壁，以防止孔壁 坍塌。混凝土灌注采取带隔水栓的导管水下灌注混凝土工艺。灌注过程操作不当 容易出现以下问题： ( 1 ) 由于停电或其它原因，灌注混凝土没有连续进行，间断一定时间后，隔 水层凝固，形成硬壳，后续混凝土无法下灌，只好拔出导管，一旦泥浆进入管内 必然形成断桩。而如用增大管内混凝土内压力等办法冲破隔水层，形成新的隔水 层，破碎的老隔水层混凝土必将残留在桩身局部混凝土低劣。 ( 2 ) 水下灌注混凝土的桩径不宜小于6 0 0 m 。桩径过小，由于导管和钢筋笼占 据一定空间，加上孔壁摩擦作用，混凝土下放不畅，容易堵管，形成断桩或钢筋 笼上浮。 ( 3 ) 泥浆护壁成孔，对不同土层，应配制不同密度的泥浆，否则孔壁容易坍 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密度。清 孔时间过短，孔底沉渣太后，将影响桩端承载力发挥。 ( 5 ) 混凝土和易性不好时，易产生离析现象。 ( 6 ) 导管连接处漏水时将形成断桩。 3 人工挖孔灌注桩 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： ( 1 ) 地下水渗流严重的土层，易使土壁崩塌，土体失稳塌方。 ( 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 土随水急速涌出，产生井涌，使护壁土体脱空，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 2 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 结为一体，护壁是桩身的一部分，护壁裂缝破损或错位必将影响桩身质量和侧阻 力的发挥。 ( 4 ) 孔较深时，若没有采用导管灌注混凝土，混凝土从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灌注混凝土，桩尖混凝土将被稀释，降 低桩端承载力。 4 混凝土预制桩 混凝土预制桩大多用柴油锤、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 ) 打桩时应选用合适的锤垫和桩垫。垫层过软会降低锤击能量的传递，打 入困难；垫层过硬，增大锤击应力，容易击碎桩头。一般最大锤击应力不容许超 过混凝土抗压强度的6 5 ( 2 ) 打桩的拉应力易引起桩身开裂。打桩拉应力的产生及大小与桩尖土的特 性、桩侧土阻力分布、入土深度、锤偏心程度和垫层特性有关。若桩较长，桩尖 土质较差，锤击入射压力应力波从桩尖反射为拉力波，最大拉应力大多发生在打 桩初期桩身中部一定范围，约( o 3 o 7 ) 倍桩长位置；当桩尖土质较坚硬，入 射波在桩尖的反射仍为压力波。压力波传至桩顶，此时锤已回跳离开桩顶，应力 波因而就从自由桩顶反射形成拉力波，这时最大拉应力一般发生在桩的上部。当 拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土将开裂 ( 3 ) 桩锤不合适，桩将难于打至预定设计标高或不满足贯入度要求。 ( 4 ) 桩头钢筋网片设置、配筋不符合要求或桩顶混凝土保护层过厚，桩顶不 平，桩身混凝土强度等级低于设计要求等，打桩时都易击碎桩头。 ( 5 ) 桩距设计不合理，或打桩次序安排不合理，往往导致打桩时将邻近桩挤 压折断。 ( 6 ) 桩在运输、起吊过程中，支点和吊点的选择、配置不合理，导致桩身断 裂。 ( 7 ) 桩尖遇到硬土层、孤石或障碍物，因锤击次数过多，冲击能量过大引起 桩身破裂或折断。 1 3 基桩检测技术的现状 桩基属地下隐蔽工程，无法采用简单而又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心的重要问题，工程实际需 3 要推动了桩基检测技术的快速发展。 1 3 1 静载试验法 静载试验方法是评价桩基质量的一种主要的传统方法。该试验方法比较成熟， 具有直接性、准确性及可靠性高等优点。但静载试验同时存在费工、费时、成本 高等缺点在实际工程中能对为数极少的桩进行试验，由于抽样率低，试验结果 的代表性较差；另外，在对承载力较高的工程桩检测时，施工前往往要指定静载 试验桩位，因而桩基检测不能做到随机抽样，使检测结果的利用价值降低。 1 3 2 钻孔取芯法 钻孔取芯法不宜用于截面面积较小的混凝土桩。对有些情况下的断桩或断面缺 损等缺陷也不容易检查出来，而且对桩有损伤。但是，这种方法可以确保混凝土 的实际强度。 1 3 3 超声波法 超声波法是通过发射探头将电能转换为机械能，发出超声波( 频率在2 0 k h z 以上) 穿透混凝土桩，然后经接收探头拾取并转换为电信号。超声波法的声参量 ( 声时、波幅、衰减系数) 与混凝土的物理力学指标( 动弹模、密度、强度) 之 间的相关性是基桩超声波检测的理论依据。其声波传播的特性反映了混凝土材料 的结构、密度以及应力、应变关系。根据弹性介质中波动理论，纵波波速为： 咋= 【e ( 1 一) p ( 1 + ) ( 1 2 ) 】l 圮 ( 1 1 ) 式中三为介质的动弹模；p 为密度；为泊松比，它描述了弹性模量与介质 强度之间的相关性。 声波在混凝土中传播时，其能量总有一部分会被吸收。波的吸收计算公式为： 卜厶e 一 厶= 三2 矿v 拈茜b 叩+ z c 专一毒，l 2 ， 其中：p 为固体煤质的密度，彳为波幅，w 为频率，v 为波速，口为吸收系 数，厶为波的初始强度，玎7 为粘滞系数，c i 为定容比热容，c ，为定压比热容。 上述两式表明了，桩身质量与超声波声参量息息相关。因此，当混凝土介质的 构成材料、均匀度、施工条件基本一致时，超声波在其中的传播也基本一致，而 介质中存在缺陷时，超声波在传播的过程中产生绕射、反射、衰减等现象，使其 声时、声速、声幅等产生变化。根据这些声参量的不同变化，从而判定基桩的完 整性。 但是，此法需埋设声测管，比较麻烦，成本也较高，难以大量使用。一般仅限 于重大工程，如高速公路、大型桥梁等。 4 1 3 4 应力波反射波法 应力波反射波法是近二、三十年来，随着现代电子等技术的发展而诞生的，也 是岩土工程以及土动力学发展最快的分支之一并受到越来越多的重视，无论在 国内外都得到了迅速的推广和应用。其是对桩身结构完整性进行评价的一种动测 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。其原理是：当应力波沿桩身向下传播时，遇到桩身阻抗 变化，应力波会在该截面发生反射。从而，安放在桩顶的传感器采集到相应的反 射波，根据反射波的位置确定桩身缺陷的位置。与高应变相比，低应变法作用在 桩顶上的动荷载较小，只能使桩土产生弹性变形，一般情况下只产生1 0 “动应变， 它是通过应力波在桩身中的传播和反射原理，对桩身结构完整性进行评价应力 波反射波法，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。 目前，应力波反射波法在桩基质量验收工作中被大量采用，对保证桩基质量 发挥着重要作用。但由于其测试信号受场地土层条件、施工工艺可能造成的桩身 缺陷等多方面影响，而且，其本身的局限性在许多情况下是影响结论准确性的重要 因素，因此，有必要对现场测试信号进行专业的阐释。以及结合扭转剪切波进行 综合测试。 1 4 国内外应力波反射波法理论和应用研究历程及其现状 1 4 1 国外的研究情况及现状 近代的桩基动测技术是以应力波理论为基础发展起来的。1 8 8 6 年，由圣维南 ( s a i t v c r s a n t ) 通过对一端自由一端固接的细长杆受撞击后的应力波传播规律的 研究，从数学的角度提出了杆中应力波传播符合一维波动方程。 1 9 3 1 年，d v i s a c c s m 一”，第一次提出，打桩过程中能量是以波动方式传播的， 应力波的传播规律可以近似用一维波动方程来描述。由于桩土体系的复杂性，波 动方程的求解非常困难，仅能在特殊条件下求解。 1 9 3 8 年，e n f o x m ”w 在做了许多的简化后获得打桩过程的波动方程解答 由于过于简化，这就限制了该方法的实际应用。 大型电子计算机的出现，为数值方法解决多门学科的技术问题提供了强有力 的手段1 9 6 0 年，美国机械工程师e a l s m i t h “n w 首先提出了以一维波动方程理 论为基础的打桩问题的有限差分解和详细的电算程序。在他著名的论文以波动 方程进行打桩分析中，s m i t h 详细介绍了桩锤、锤垫、桩垫，桩帽及桩和土的模 型，提出了所涉及的全部参数，并给出了这些参数的建议值，从而使波动方程应 用于打桩分析进入实用阶段。 5 在此后的十多年里，许多学者如p ：w f o f e h a n d j l r e e s e 【】，s 锄o n e t m o s e l y ， e d w o r d s 圳，l l l o w e r y m l ，h m c o y l e 1 ，j e b o w l e s “1 ，m t d a v i s s i o n m l ，f r a u s c h e 1 以及g g g o b i e “”等在测试方法、仪器研制、计算机编程、桩土参数的确定、动测 结果的可靠度研究及应用等方面，开展了一系列研究工作。 特别值得一提的是，从2 0 世纪6 0 年代开始，美国西部c a s e 后备大学 g g g o b l e “”教授领导的桩基动测技术研究小组在美国俄亥俄州公路局的资助下， 对桩基动测仪器研制、现场测试方法改进及桩土模型完善等方面进行了系统性工 作。改进了应变量测技术，完善了力和速度的测试系统，设计了可重复使用的应 变传感器，创造性的提出了在桩身安装传感器进行现场测试，解决了一直困扰桩 基动测技术的关于锤一桩之间能量传递的问题。 2 0 世纪7 0 年代，j s t e i n b a c h m ，和v c y m ，对应力波传播法做了较为系统的研究。 他们首先的实验室内进行了铝棒和混凝土棒的模型试验研究，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。由于该法 具有快速、无损、经济等特点，因而发展很快。 国外开展桩土动力学研究的一些成果对国内研究者产生了较大的影响。其中 k o t e nhv a n “”等人假设桩是半无限长的等截面均质杆、桩侧土是均匀的，应用弹 簧和粘壶组合模拟桩侧土对桩的作用。应用坐标变换和黎曼函数得到在桩项纵向 激振力作用下桩瞬态振动解析表达式。桩底土对桩的作用也可以用弹簧和粘壶等 效表示，等效参数使用了l s m e r 的成果。n o v a k m ”研究了桩在简谐激振力作用下的 稳态振动问题，他还研究了均匀粘弹性土对做简谐振动的无限长刚性圆杆的作用， 得到了桩侧土对桩振动影响的表达式。m i l i t a n o “”采用积分变换的方法研究了完整 桩在瞬态轴向激振力作用下的动力响应。此外，r a u s c h e m ，的研究成果对国内研究 者研究桩中应力波问题也有较大的影响。 1 4 2 国内的研究情况及现状 国内的研究者在研究基桩的纵向振动及其工程应用时，常用的方法是将桩周 土用分布的彼此相互独立的弹簧和粘壶等效表示，将桩看作一维杆件，通过解特 定条件下的波动方程，得到应力波在桩中传播的理论结果。这些研究成果发展了 应力波反射波法在动力测桩中的应用。在引进国外动测方法的基础上，结合我国 桩基的类型，国内许多单位在桩的动测方法、测试技术、仪器设备等方面进行了 广泛的研究，极大地推动了低应变动测技术在国内的发展及应用，其中有些方法 还属于首创。 王靖涛在国外理论成果的基础上创立了w a n g p i p ”法用来反演分析一维波 动方程的桩系数，通过反演计算缺陷处波阻抗的变化来分析桩的完整性。柴华友 用特征线法计算桩项速度理论值，由p o 、e l l m ，法反演桩身波阻抗，并探讨了土阻 6 尼的影响。 雷林源u ”，应用分离变量法求出了均匀土中有限长完整桩的瞬态纵向振动响 应，分析讨论了桩的瞬态动测响应的五个基本特性，为动力测桩的参数估计( 反演) 提供了较严格的理论依据。他还系统地研究了均匀土中完整桩的瞬态或稳态纵向 振动正反演问题。在求解波动方程方面，王奎华m ，等采用分离变量法研究了均匀 土中完整桩的纵向振动，他用弹性支承来模拟桩底土对桩的作用，求得了桩项受 稳态半正弦激振条件下桩纵向振动的解析解，并用叠加法推出桩的瞬态振动解， 分析了桩侧土阻尼因子、刚度因子、桩底土刚度因子等因素对桩顶速度响应的影 响。王宏志“”等利用积分变换法得到了桩周土沿竖向不均匀，桩身材料均匀、截 i 面可变的桩的瞬态振动半解析解，并研究了激振力持续时间和变截面程度对桩顶 速度时域响应的影响。刘东甲m 喇用l a p l a c e 变换及矩阵理论得到了瞬态激振力作 用下多缺陷桩在不均匀( 层状) 土中振动的桩顶速度频响函数及速度导纳、桩顶速度 频谱函数的时域表达式，并严密地推导出纵向振动桩侧壁切向力的表达式，提出 了桩周土的等效参数。刘东甲等还研究了缺陷长短对常用的峰一峰点反演精度的 影响；研究了断桩和嵌岩桩的低应变动测曲线特征。随着桩中纵波的理论与应用 研究越来越深入，人们也发现用纵波进行动力测桩具有局限性，于是研究者们开 展了利用扭转波进行基桩动测的研究，这些成果丰富了应力波理论，为实践工作 提供了理论依据。近两年来，研究者对桩的纵向振动热倩不减，充分考虑到桩周 土、以及桩身材料的各种本构关系对桩顶动力响应的影响，得到了一系列有意义 的结论。 有限差分法已经在地球物理科学领域广泛应用，其解决波动问题的效果也非 常好，国内把有限差分法用于桩的振动的研究尚不多见，主要成果集中于利用差 分法计算任意桩周土( 层状) 条件下，一维多缺陷桩的桩顶速度响应，并考察各种有 关参数对桩顶速度响应的影响。 上述大部分理论研究都是建立在。桩是一维杆”的假设基础上的，当桩的长径 比较大时，一维理论的假设基本可以满足。但随着工程技术的发展以及工程建设 的需要，大直径桩的应用越来越广，此时将桩当作一维杆件有时有较大的偏差， 因此有必要考虑桩是三维弹性体这一个更符合实际的假设，在这方面已有一些利 用有限元计算得到的结果。赵振东m ，等用有限元法研究了激振力形式和桩身缺陷 对桩中应力波的影响。陈凡m ，等人用有限元法研究了尺寸效应对基桩低应变动测 的影响。此外，刘孝敏等人、柴华友等人用动态有限元法对应力波在桩中传播特 性进行二维数值分析黎正根探讨了低应变动测时波在桩中传播的弥散效应及横 向惯性效应，并通过实测曲线说明了大直径桩中三维效应的影响。国外，y k c h o w 等也利用有限元计算并探讨了低应变测桩时的三维效应。此外还有很多工程人员 从实践结果上探讨了大直径桩实测结果和现有理论的偏差 7 针对应力波反射波法存在的一些无法解决的实际问题，刘东甲、王雪峰等人提 出了基桩纵波扭转剪切波综合分析的方法，在一定程度上解决了纵波测试中的一 些难题。 国内外对基桩检测也纳入规范管理，已列入规范的国家如下表1 1 所示。 1 5 目前应力波反射波法技术上存在的问题 1 5 1 一般问题 应力波反射波法目前在工程界应用日益广泛，但其本身的局限性在许多情况下 是影响结论准确性的重要因素。它在以下几个方面存在不可逾越的障碍c 订： l - 尚无法对缺陷准确定性。目前依据波阻抗的变化，仅能有把握地将缺陷区 分成缩颈类和扩颈类。如缩颈与离析、严重离析与断桩、夹层与裂缝尚不能很好 地区分。进一步确定缺陷的性质需要检测检验及其它补充资料。 2 对缺陷程度的定量分析尚不理想。由于波速计算或选取不准，据此计算的 缺陷位置的误差在l o 左右。缺陷在桩轴向的高度及径向的分布以及缺陷质量的 下降程度均难以准确计算。 3 对阻抗渐变类的缺陷难以判断，甚至可能得出相反的结论。例如缩颈、离 析、扩颈等发生在桩身的某一段，缺陷程度由轻至重或由重至轻，相应波阻抗缓 慢减小或增大，实测信号将无法反映这一变化。特殊情况下，例如桩身渐缩后突 然恢复到原截面则可能得出桩身存在扩颈这种“有利”缺陷的结论，这是很危险 的。 4 桩身存在多个缺陷时，深部缺陷容易漏判。如第一缺陷在浅部时，尚可以 通过开挖并凿去上部缺陷再进行检测，否则只能通过其它方法进一步检测。 5 将加速度计用于长径比超过一定限度的桩、极浅部或太小的缺陷，应力波 反射法无法正确测量。现有的测试理论和技术都难以解决这些问题。高频信号传 不下去，测试范围有限；低频信号分辨率不够，容易形成绕射，漏判缺陷等等。 为了准确地分析桩身缺陷，测试与处理完成后有必要： 1 结合地质资料、施工记录分析基桩完整性。桩型、施工工艺对基桩的完整 性以及缺陷类型影响很大。预制桩、人工挖孔桩不可能缩颈，许多质量事故都发 生在流水处或地层变化处，急剧变化的地层本身也会产生回波等等。查看地质资 料对确定缺陷部位、排除地层影响很有必要。 2 利用定量分析帮助多缺陷和缺陷程度的确定。虽然定量分析本身尚有许多 欠缺，但由于它分析了应力波在桩身传播的详细过程，只要桩土参数选取合理， 绝对比我们仅凭肉眼判断缺陷程度和多个缺陷来得合理。 3 综合分析同一工程的所有被测桩。单独分析一根桩，不全面衡量整个工程 情况，有时非常危险。同一工地的地质和施工状态大多相似，寻找各被测桩之间 8 的共性，再回头分析每一根桩是提高分析效果的有效手段。有条件的单位甚至可 以在每个工程施工时监督打下一按严格要求施工的标准桩，用于校核各种分析用 数据，提高分析准确性。 表1 1 各国基桩检测规范所选取的方法 方法国家参考书目标题 澳大利亚标准科学 低应变，超声波澳大利亚桩的设计和安装 2 1 5 9 - 1 9 9 5 建筑桩基技术规范第9 章：桩基工程质量检查及 低应变。超声波中国建筑工程行业标准9 4 9 4 验收第l 节：桩基安装质 量检查 低应变，超声波 中国 民用建筑电气设计规范9 3 9 5基桩低应变动力检测规程 法国国家标准土壤：利用反射与阻尼原 低应变 法国 舫治沙漠化基金9 4 - 1 6 0 2 ：理的埋藏方法的实验和研 防治沙漠化基金9 4 1 6 0 4究 土壤：( 同上) 超声波法国法国国家标准n f p9 4 1 6 0 1 岩心超声波测试 e m p f e h l g 低应变德国德国地工协会岩石力学工程组 i n t e g r i t a t s p n l f u n g e n 低应变超声波英国 土木工程协会( i c e ) 桩基规范 美国材料实验协会d k 5 8 8 2 号标桩基低应变完整性测试的 低应变 美国 准标准方法 1 5 2 具体问题 1 5 2 1 实际桩一土体系与理论模型差异 目前对桩基测试信号分析时，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： 1 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。 2 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 9 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 5 2 2 关于桩中波的传播速度 在对测试信号进行分析时，主要根据波速值大小评价混凝土质量，计算桩身 缺陷位置。对于低应变反射波法来说，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： 1 桩身材料特性影响，如弹性模量e 、质量密度及泊松比u 、阻尼特性等； 2 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； 3 桩周土性质对桩中波的传播速度有重要影响。 实测桩土体系的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。 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 m 理论来计 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。 关于桩周土对桩中波传播速度的影响，文献 4 】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。 1 5 2 3 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。 1 6 应力波反射波法测桩动力有限元分析的目的及其意义 随着计算机技术的迅速发展，数值模拟研究( 即仿真研究) 已经延伸到了学 术界的各个领域。工程技术领域中的许多力学问题都可以归结为在给定边界条件 下求解其控制方程( 常微分方程和偏微分方程) 的问题。虽然人们能够得到它们 的基本方程和边界条件，但是能够用解析法去求解的只是少数性质比较简单和边 界比较规则的问题，而实际结构的形状和所受到的载荷以及材料性质的复杂性， 按解析法求解是非常困难的，比如，应力波反射波法测试桩基完整性桩土中的相 互作用问题等。解决这类复杂问题主要有两种方法：一是引入简化假设，使其达 到能用解析法求解的状态，然后求其近似解，此法不一定总是可行，且容易导致 1 0 不正确或错误的解答；二是保留问题的复杂性，利用数值模拟方法求得问题的近 似解。数值模拟技术是人们在现代数学、力学理论的基础上，借助于计算机技术 来获得满足工程要求的数值近似解，数值模拟技术( 即c a e 技术，c o m p u t e r - a i d e d e n g i n e e r i n g ) 是现代工程仿真学发展的重要推动力之一。因此，数值模拟试验在 一定程度上不仅可以指导理论研究，而且可以反映实际问题，同时也可以借助数 值模拟的结果来分析问题。 本文主要应用动力有限元分析程序 测试中各种影响因素对测试信号的影响， 1 7 本文的主要研究工作 a n s y s l s d q a 研究纵波以及扭转波 以更好地阐释现场测试中的测试信号。 基桩动测技术本身属于波传播反问题范畴。桩一土体系是一个复杂的体系以及 桩一土界面上接触关系具有不确定性使得研究桩一土体系中波传播特性复杂化。 本文主要从以下几个方面来研究桩中波的传播特性。 1 7 1 三维状态下桩中传播的应力波理论 1 无限弹性介质中的弹性波理论 2 圆截面桩中应力波的传播特性 3 桩项表面传播的应力波 1 7 2 钟形脉冲波( 纵波) 在桩中的传播动力有限元分析 1 脉冲宽度对动测效果的影响 2 激振能量对动测效果的影响 3 桩顶激振方式对动测效果的影响 4 各类缺陷桩对动测效果的影响 1 7 3 扭转波在桩中的传播动力有限元分析 1 完整桩中扭转波的传播规律 2 缩颈、夹层、扩颈以及断裂位置对扭转波传播的影响 1 7 4 纵波扭转波综合分析原理 第2 章三维状态下桩身传播的应力波 2 1 弹性波的传播问题 弹性固体介质中，一切质点间都以内聚力的形式彼此紧密联系着，所以，当物 体的局部受突加荷载、冲击荷载或变化极快的荷载作用时，任何一个质点振动的 能量可以传递给周围的质点，引起周围质点的振动。质点振动在弹性介质中的传 播过程称为波动。振动是以波动的形式向周围传播，这种波称为弹性波( 应力波) f j 弹性波的特点可以通过波的振幅、频率、波速及衰减程度等来描述。弹性波的 这些特点一般与引起振动的外力特性和弹性固体介质的性质有关。通常将介质性 质对波特性的影响的问题，称为弹性波的传播问题。 2 2 弹性波的波动特点 2 2 1 波动中质点的振动特点 若相距为波长a 整数倍的两个质点，其相位差为2 万的整数倍，那么对于任何 时刻r ，这两个质点的振动位移均满足m = 鲍，即这两个质点的振动位移具有大小 相等、方向相同的特点。而距离为半波长a ，2 的奇数倍的两个质点，则有= 叫2 ， 即这两个质点的振动位移具有大小相等、方向相反的特点 2 2 2 波动中的波阻抗特性 质点振动速度啡) 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，且随时问而变化 的，后者却仅与介质的杨氏模量与材料密度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： 砸，砷= 抛m = _ 口讲s i i l ( 耐一詈对 ( 2 1 ) 弹性波传播时在杆件的截面上引起的应变和应力由本构关系得到如下： ( ，功= 抛o 哆乏= 口詈s i i l ( 纠一詈力 ( 2 2 ) 盯( f ，茸) = 毋( ，功= 以竺s i n ( 耐一竺功 ( 2 3 ) 所以： v ：= ：! ( 2 4 ) ”2 可2 i 2 - 4 其中：尸为杆件截面上的轴向力的压强，z ：墨彳：瓦玉：删仅与杆件材料 性质有关，即为波阻抗。 2 3 无限弹性介质中的弹性波理论 弹性体发生碰撞时，接触区域将发生变形。这种局部变形不能立即传遍整个 弹性体，而是以波的方式逐渐传播n ”。本文研究的问题即属于这类问题。 描述弹性波的传播规律主要是通过波动方程来进行的。本节将阐述在均质各 向同性的弹性体内存在着两种不同的波：p 波和s 波。尸波为纵波，在传播过程中 质点的运动方向平行于波的运动方向，而s 波则为横波，在传播过程中质点的运 动方向垂直于波的运动方向。 对于各向均质的弹性材料，取直角坐标系 弓，乏，毛) ，空间传播的应力波受下列 方程控制【7 】： 勺= 圭( + 气= 概磊+ 2 脚 ( 2 5 ) o q 。i 2p 彀i b l 上式分别为几何方程、本构关系和运动方程。其中订= “，弓为质点位移， = z 么，珥= 铲：，岛为作用在微元上的体力。 由式( 2 5 ) 可推导出著名的纳维尔方程： ( 五+ 2 ) v v 五一甲v 厅+ p 6 = p 厅 ( 2 6 ) 式中v 为n a b l a 算子。口= v 开m = v 厅，口为体积应变，m 为转动矢量。 在碰撞过程中，物体受到的体力6 通常可以忽略不计。不计体力时，利用口和 m 可演变为： p 厅= ( 旯+ 2 ) v 口一v 面 ( 2 7 ) 用n a b l a 算子v 点乘式( 2 7 ) ，则有 j d v 面= ( z + 2 ) v 2 曰一乒( v 面) ( 2 8 ) 由于v ( v ) = o ，因此，体积应变满足下述波动方程 舀：丝v 2 口( 2 9 ) 雠速度：c ，= 浮= 鼯 旺 用n a b l a 算子v 叉乘式( 2 7 ) ，则有 甲厅= ( a + 2 ) v v 口一