PDA高应变讲义.ppt

培训内容 PDA基桩高应变动力检测关键技术及曲线拟合基桩无损试验技术全面解决方案 PDA基桩高应变动力检测技术 韩亮欧美大地仪器设备有限公司部门经理岩泰高新技术顾问有限公司总经理 提纲 高应变动力检测基础知识高应变动力检测现场操作实测数据分析数据解释及计算CASE法CAPWAP法实例分析 基础知识 基本概念桩的基础知识基本试验过程 桩基类型 钢桩H型钢管桩 端部开口或闭口 混凝土桩 预应力或常规的钢筋混凝土桩 木桩复合桩沿桩长均匀材质 充填混凝土管桩 沿桩长不均匀材质钻孔桩和螺旋钻孔桩 基本概念 应力波概念及基础知识应力波振动与波动反射波波阻抗反射系数自由端和固定端反射波 基本假定 一维 弹性 连续 杆 应力波概念和基础知识 一均匀弹性直杆的一端 如左端 受到锤击作用 使直杆左边质点向右 直杆最左边一层产生压缩弹性力阻拦从左边跑来的质点 并给予跟最左边一层相邻的右边质点以朝左的速度 因此变形将在最左边的一层中消失 而在紧挨着的右边一层中产生 这样杆最左端受到的扰动就由近及远向右边传播过去 这种扰动传播现象称为应力波 扰动引起介质质点运动方向与应力波的传播方向一致 称为纵波 压缩扰动和拉伸扰动 介质质点运动方向与应力波的传播方向垂直 称为横波 剪切扰动 介质质点纵向运动和横向运动耦合起来的应力波 表面波 波动与振动 在波动过程中 沿波传播方向 后一被扰动的质点的振动相位总是滞后于相邻的前一个被扰动的质点 这是波动的一个重要特征 如果介质所有质点振动相位都相同 则为全部质点作整体的振动 而不是波动 波动过程中介质中各个质点都只在各自平衡位置附近作振动 它们并不随波动过程传到远处 被传播的只是扰动状态 而不是振动的质点 因此波动与振动密切相关 但两者是两种不同物质运动形式 不可混为一谈 反射波 波阻抗Z AC EA C其中 A横截面积 质量密度E弹性模量C平均波速阻抗的变化是反射波的基础和前提 反射波 应力波在阻抗变化界面上反射根据连续条件 界面两侧质点速度相等Vi Vr Vt根据牛顿第二定律 界面两侧应力相等 i r t通过推导 可得 r R iVr RVi反射系数R 1 n 1 n n Z1 Z2当n 1即Z1 Z2时 R为负 反射波引起的质点速度与入射波引起质点速度同号 反射波应力与入射波应力异号 当n 1即Z1 Z2时 R为正 反射波引起的质点速度与入射波引起质点速度异号 反射波应力与入射波应力同号 自由端R 0 冲击作用产生 向下传播的压缩波 F Zv 自由端受到的力为零 自由端反射向上传播的拉伸波 F Zv 自由端 F F 0v v 2v桩端向下运动 2L c时刻拉动桩顶向下 F v 向下 F v 向下 极端状态1 两端自由 Fv F v F v 桩底力为零 桩顶和桩底速度加倍 极端状态1 两端自由 固定端R 2F 冲击作用产生 向下传播的压缩波 F Zv 固定端运动速度为零 产生上行的压缩波 F Zv 固定端 F F 2F v v 0 F v F v 向上 极端状态2 一端固定一端自由 F v F v 向上 固定端速度为零 桩底和桩顶力加倍 极端状态2 一端固定一端自由 静载试验 堆载反力 锚桩反力 测试系统要求 灵活 小型化不同的桩基类型不同的桩基尺寸需要运输至现场 在瞬态荷载作用下 使桩土体系产生一定的塑性变形 其应变水平大于或等于静载试验的动力试桩称为基桩高应变动力试桩 距离桩顶一定距离对称安装力传感器和加速度传感器 量测并记录桩土系统的动力作用响应信号 高应变试验 打桩监控试验 由实测应变 得到力FF t EA t 由实测加速度得到速度VV t a t dt 基桩动测 F Z V 试验目的 单桩竖向极限承载力保证 或试验 承载力 未充分激发桩身结构完整性打桩监控桩身锤击应力状态及其分布 压应力和拉应力桩身锤击能量传递比 桩锤实际传递给桩的能量承载力时间恢复系数 初打试验与复打试验 主要目的 承载力单桩竖向承载力 波动传播 桩顶 桩底 波动传播 下行波 桩顶 桩底 下行波F V F V 同号 F Zv 波动传播 上行波 反射 桩顶 桩底 上行波F V F V 反号 F Zv T T t L v t c t v c E vE c F A EA vEA cF vEA c 应变的比例性或FT1和VT1成比例对于下行波 v c对于上行波 v cFT1 VT1xEA c桩身阻抗 EA c cA Z 下行波F F ZV 2上行波F F ZV 2 F F F V V V ZV ZV ZV ZV F F F Zv F Zv WU WD 桩身中任意点的力和速度都是上行波和下行波的叠加 F v F v 易打阶段 F v F v 难打阶段 易打阶段 难打阶段 下行波 F Zv 2 WD上行波 F Zv 2 WUF WD WUV WD WU Z 冲击作用 下行压力波 F Zv 激发的土阻力 R 结果下行拉力波和上行压力波 数值均为R 2 R R F v 固结 高应变现场试验 打桩监控试验 高应变动力检测 试验仪器 PDA包括两种类型 PAK和PALPAL PAL L和PAL R 采集及分析软件 PDA WCAPWAP 试验准备 桩头处理 打入桩 一般无需特殊处理灌注桩 需制作桩帽桩帽截面尺寸与原桩身相同 高度一般1 2D去除桩顶软弱混凝土 露出新鲜砼面并凿平 将所有主筋接至顶端 各主筋处于同一高度 使用钢板护筒 顶部设置3层钢筋网片 间距100mm 网片下每隔100mm设置箍筋 混凝土强度等级比原桩身至少提高1个等级且不低于C30 传感器安装 对称且同一检测截面垂直安装加速度传感器极性 至少2个应变传感器 补偿偏心影响沿轴中心对称安装若要评价两个方向的偏心情况 需要4个应变传感器 使用膨胀螺栓和量板钻孔固定应力环加速度计 两传感器间距5 10cm 压电式PE加速度传感器通常坚固耐用用于一般情况 混凝土桩或钢桩 压阻式PR加速度传感器用于钢对钢的冲击 也可用于混凝土桩 PE加速度传感器具有高共振频率 而无阻尼PR加速度传感器具有低共振频率 带有阻尼 加速度传感器 桩顶下2倍桩径处 传感器安装需要注意 远离非均匀处 如接桩 焊接处或面积变化处 最好在其下大于1D 避免安装至 裂缝 处 缝隙会产生错误的应变读数 处于地面或水面以上接头处于水面以上复合桩 如充填混凝土管桩 是否需要切割窗口 对于摩擦桩来讲 锤重最低为Qu的1 一般为Qu的1 5 2 锤垫厚度一般约50mm 胶合板为佳 根据实测应力情况控制落高 不能出现有破坏性的应力 重锤低击原则 锤重 锤垫及落高 CT 交流电干扰 使用直流电供电 V1安装倾斜降低幅值 数据采集时传感器安装对信号的影响 平均的力成比例且合理 2个力传感器可以补偿较大的偏心 锤击过程如果对中不好会产生严重的偏心 即使大的偏心 两道速度曲线一致性很好 两道速度曲线一般重合性较好 桩身参数 传感器位置 面积 直径 传感器位置和周长 测点下桩长材料参数质量密度SP弹性模量EM平均波速WSEM c2 SP g WS2 注意单位 入土桩长LP 用于CAPWAP分析 均匀桩身或非均匀桩身 桩身阻抗变化 现场试验输入参数 一般桩身材料参数 英制公制米制 平均波速WS的确定 起跳点 起跳点法峰 峰法 起跳点 峰值 起跳点 起跳点法峰 峰法 问题 高摩擦力 早期卸载无清晰的桩底反射位置 VT1xZ 6 62x141 6 937FT1 1014Z新 Z老x937 1014 130 8 解决办法 根据经验 或其他桩或EOD 定义WS 桩号 工程名 复打和初打日期锤击信息 如锤重 落高所需的承载力 极限值还是设计值 打入桩的垂直或倾斜情况工程地质情况 如土层性质 分层及其力学性质目测桩身材质情况施工或测试中的一些不寻常情况静载试验结果及日期锤击数或每击贯入度 数据采集时应记录如下信息 便于以后计算分析 实测数据问题一般出自下列方面传感器问题电缆问题传感器安装问题桩身存在严重缺陷传感器标定系数问题判断问题 数据质量 如何发现问题 各锤击信号之间曲线一致性差曲线比例性差标定系数 平均波速 v c 非均匀桩身 传感器靠近地面附近 使用柴油锤 预燃作用 起跳时间长 桩垫太软 计算结果不合理观察PDA 警告 信息并浏览每一道信号 比例性 Proportional 数据质量 数据质量 F2应力传感器松动 加速度传感器松动 第二道加速度 数据质量 V2道数据问题 比例不好 比例好 发现问题后需要作如下工作 替换传感器替换电缆修理有缺陷的传感器和电缆正确安装传感器螺栓松动沿桩中轴线对齐使用2个应力传感器补偿偏心影响加速度传感器方向 小结 实测数据分析 1 选择记录遵循比例性好无电子或机械噪音经两次积分得到的最终每击贯入度接近实测贯入度且最终速度曲线为零力曲线最终为零上升时间短2 对于高土阻力的情况 每击贯入度小于3mm 击 选择高能量 高打击力的记录 对于低土阻力的情况 每击贯入度大于8mm 击 选择低能量 低打击力的记录 选择记录 解释数据时须选择质量好的数据 检查每一道信号 适度的偏心 OK两道速度一般一致性非常好 确保输入参数正确 LE AR WS错误 3800m s 比例性 起跳时间 WS正确 3300m s 对混凝土桩来讲 波速和弹性模量非常重要 WrongWS 3800m s CorrectWS 3300m s 实际测量的是2L c时间若已知L 可计算c若已知c 可计算L若拉伸反射清晰 可估算桩长 由假设的c 缺陷位置 由c 土阻力分布 以第一起跳点为参考 CSX259MPaEMX18 4T m CSX186MPaEMX9 8T m 桩底反射 不清晰 桩底反射 清晰 选择打击力和能量更高的记录 WS3911m sBN3 WS3911m sBN2045 使用 或 调整WC WC3556m sBN2045 3911m s 波速是变化的 倒数第二锤信号 比例性 OK最终贯入度 不太好 最后一锤信号 比例性 OK最终贯入度 OK能量 OK R R 2 上行波 提供Rs分布信息斜率越大表明单位侧摩阻力越大 上行波 单位摩阻力分布 数据解释 CASE法CASE技术学院Goble教授等人经过十多年研究 以行波理论为基础推导出一系列计算公式 用于确定打入桩 或符合或接近假设条件的钻孔桩 承载力 同时现场打桩监控试验时可同时得到桩身完整性变化 桩身应力变化和锤击能量传递等计算结果CAPWAP法实测波形拟合法假定桩土力学模型及其参数 利用实测桩顶 附近检测截面质点 的速度 或力 上行波 下行波 曲线作为输入边界条件 数值求解波动方程 计算桩顶 附近检测截面质点 的力 或速度 下行波 上行波 曲线 如果计算的曲线与实测的曲线不吻合 即假设的桩土模型或其参数不合理 然后根据具体情况调整模型及参数重新计算 直到计算曲线与实测曲线吻合 CASE法承载力计算基本假设条件 Rs RT Rd桩身等阻抗 截面积和材质均匀 无明显缺陷 动阻力主要集中于桩端 桩侧无动阻力 即桩侧不考虑阻尼影响 刚 塑性土 静 阻力模型应力波在传播过程中 只考虑土阻力的影响 CASE承载力 阻尼系数法RSPRS t 1 Jc WD1 1 Jc WU2RS t 1 Jc FT1 ZVT1 2 1 Jc FT2 ZVT2 2T2 T1 2L C Jc阻尼系数 砂砾 0 3 0 4 砂土 0 4 0 5 粘土 0 7 1 0 粉土 0 5 0 7 颗粒大小减小 阻尼系数增加 Jc阻尼系数的确定 RSP受Jc影响很大 经验地根据桩端土的颗粒大小确定根据CAPWAP结果或静载试验结果确定Rs SLTorCW Rt Jc 2WD1 Rt Jc Rt Rs 2WD1 Rt 阻抗均匀的中小型桩 CASE承载力 最大阻力法RMX RX5 RP5 RMX对阻尼系数J不敏感 端阻比重大的端承桩或端阻需较大位移高弹限的大直径桩 刚塑性土模型不成立 向右移动t1找出Rs最大值 Jc系数由0 4到1 0 选择高值 结果偏于保守 CASE承载力 卸载补偿法RSU考虑了 早期卸载 出现卸载 将其一半添加给RT以补偿由于提前卸载造成RT减小 如果速度在2L c前为负 则上部土阻力可能早期卸载 可使用卸载法 长摩擦桩 CASE承载力 自动法RAU和RA2 在桩端质点运动速度为零时 动阻力为零 有两种与Jc取值无关的承载力计算方法 即RAU法和RA2法 RAU法适用于桩侧阻力较小的情况 在RMX法中已指出 桩顶位移的最大值滞后于速度的最大值的时间为tu 0 同理可推知桩端位移最大值也会滞后于桩端最大速度 在桩端速度变为零的时刻 RAU法计算出的土阻力显然包含了端阻力的全部信息 因此RAU法适宜于端承型桩 RA2法适用于摩擦桩 当桩端速度为零时 显然端阻力得以充分激发 但桩身中上部可能土阻力已卸荷 RAU计算的承载力自然是桩上部土御荷后某一时刻的值 显然小于土的极限阻力 因此对摩擦型桩 特别是桩侧摩阻力较大的桩 RAU法是偏于保守的 为此 Goble等人针对具有一定摩阻力的桩提出另一种自动计算承载力的方法RA2 CASE法的局限性 假设条件苛刻且桩土模型理想化 与工程桩实际差别较大 计算结果的可靠性降低 Case法阻尼系数Jc为地区性经验系数 物理意义不明确 取值的人为因素较多 需要通过动 静对比试验来确定 桩身阻抗有较大变化时 CASE法无法考虑 严重影响计算结果 Case法不能将桩侧摩阻力与桩端承力分开 且不能得到桩侧摩阻力分布 CAPWAP法CAsePileWaveAnalysisProgramCAPWAP自从1969年诞生自1974年开始计算机自动拟合交互式拟合自1988年开始自动拟合和交互式拟合 1建立桩模型及假设土模型 R桩侧和R桩端 R桩侧 R桩端 5返回步骤2 4调整R桩侧和R桩端 3计算Fc实测的Fm进行比较 2使用一条实测曲线 如速度vm 计算另一条曲线 如力Fc vm Fc Fm 第一次拟合 差 最终拟合结果 好 参数调整 实际上是一迭代计算过程 CAPWAP拟合可由计算机以完全自动方式完成 CAPWAP桩身模型 Zi 1 Zi 1 Zi Li 划分成一系列均匀的桩段 通常约为1m长 t Li ci 所有桩段的应力波旅行时间 t相同 一般约0 2 0 25ms 对每一桩段来讲 桩身阻抗Zi EiAi ci ci波速 CAPWAP土模型 桩侧土模型桩端土模型辐射阻尼模型 土模型 土段长度 2m 弹簧 静阻力模型 阻尼壶 动阻力模型 桩段长度 1m Ri Rdi Rsi mt Rui qi Rt qt Ji JT JSK JBT mPL 桩侧阻力 tG ms RNs RNs 1 土阻力模型 mt Rui qi Rt qt Ji JT JSK JBT mPL 桩侧阻力 tG ms RNs RNs 1 CAPWAP土阻力模型 mt Rui qi Rt qt Ji JT JSK JBT mPL 桩侧阻力 tG ms RNs RNs 1 CAPWAP土阻力模型 通常不用 桩侧土静阻力模型 Sk Rk 卸载水平UNld Ruk 最大卸载弹限CSkn QSkn 最大加载弹限QSkn 极限静阻力Ruk 重加载水平LSkn Ruk Ksk us Ru s Rs 弹限 qs 桩侧土静阻力模型 Ru nUN Ru n Ru s 卸载弹限 qscs Rs Rs ut Ru t Rt 弹限 qt 桩端静阻力模型 卸载弹限qtct 桩底土隙 tg 动阻力模型 Rd JvvRd JCaseZv JSmithRuv 桩段速度v 阻尼系数转换公式 JSmith Jv RuJCase Jv ZJSmith JCaseZ Ru Rd V CAPWAP总的未知数 Rui NS桩侧 1桩端 Ji NS桩侧 1桩端 qi NS桩侧 1桩端 1桩侧 1桩端卸载弹限系数 1桩侧卸载水平 1桩端土塞 1桩端土隙 1桩端阻尼选择 4辐射阻尼模型参数 未知数总共 3NS 13 如一根长度20m的桩 则总共有43个未知数 CAPWAP标准未知数 主要参数Rui NS桩侧 1桩端Ji 1桩侧 1桩端qi 加载 1桩侧 1桩端 卸载弹限 1桩侧 1桩端 1桩侧卸载水平 未知数总共 NS 8 对于入土长度20m的桩 18个未知数 拟合收敛标准 各土层侧阻力及阻力分布符合岩土工程合理范围拟合质量四个时段MQ Fc Fm Fp锤击数拟合计算的锤击数与现场实测的锤击数进行比较 推荐的拟合过程 1 数据输入 选择正确的实测记录2 数据调整 通常自动完成 3 建造桩模型 通常自动完成 4 运行自动CAPWAP拟合5 检查并调整土阻力分布6 检查阻尼参数7 检查计算的锤击数8 找到最好的拟合质量对应的计算结果9 输出结果 对于大多数土来讲 单位侧摩阻小于200kPa拟合每击贯入度 如果 每击贯入度差 1mm 将会影响结果 QT TG 8mm blow 时不用SK CAPWAP 准则 CAPWAP实例 第一次拟合分析 输入F 拟合F 输入F拟合vor 输入v拟合For 上行波拟合 RU 782kipsRT 68kipsJS JT 05 15s ft JCS JCT 75 22 QS QT 10 12 RU 782kipsRT 400kips 提高桩端阻力 RU 782kipsRT 600kips RU 782kipsRT 705kipsJS JT 45 02s ft JCS JCT 75 22 QS QT 10 12 上行波拟合 RU RT 782 705kipsJS JT 45 02s ft JCS JCT 75 22 QS QT 10 12 RU RT 782 705kipsJS JT 30 05s ft JCS JCT 50 76 RU RT 782 702kipsJS JT 29 05s ft JCS JCT 50 76 调整土阻力分布 Prev 上行波拟合 RU RT 765 686kipsJS JT 28 06s ft JCS JCT 48 82 RU RT 782 702kipsJS JT 29 05s ft JCS JCT 50 76 RU RT 765 686kipsJS JT 26 07s ft JCS JCT 44 97 QS QT 06 12 卸载参数 可见 比较好的拟合结果 图形输出 数据表输出 数据表输出 Case法结果 附加表 CAPWAP需要注意的问题 信号选择 复打试验的最初一 二锤 采集质量要高 获取高质量的 能客观反映桩 土力学性状的测试信号是做好高应变动力试桩的关键环节 桩 土参数的选择 参考工程地质资料 均匀场地上参数取值的均衡性 符合工程常识 选择的土模型与工程桩的实际状况相吻合 如土塞 辐射阻尼的使用等 锤击数拟合 即拟合实测的单击贯入度 必须有足够的能量 使桩土产生足够的相对位移 静力试验必须到达极限荷载 且两种试验的休止时间相同 使两种试验