基桩动力检测高应变检测技术

1、基桩动力检测高应变检测技术第一节基本原理一、若干基本概念高应变动力试桩的基本理论是一维波动方程，为方便分析，将桩看作一根截面积，材料均相同的“无限长弹性杆”。设杆的单位体积的质量为 p，杆长为I，截面积为A，材料 弹性模为E。在外加轴向力的作用下，杆的纵向振动位移 u（x、t ）是纵向坐标和时间两个变量的函数。（一）一维波动方程经过力学与数学的推导，可将上过杆的纵向振动用二阶编 微分方程来描述：2 2整理得杆纵向振的微分方程为? 丄琴（4-1 ）ex2 C2 抚2考虑桩周土作用的完整桩纵向振动（或波动）方程-2 ._2A 諾 / k-AE（4-2）:t4:x（二）纵波波速C上式中的C为杆的纵向

2、振动波沿杆的传播速度，可以理解为应力波在桩身中的传播速度，即桩基测试界道常所说的波速，它的单位为 m/s，混凝土桩的正常波速约 3000 4000m/s之间（三）质点运动速度V传递波动的物质称为介质， 介质的运动随时间的变化称为 振动；整个介质随空间、时间的运动变化情况，则称为波动。 在应力波作用下，桩身产生运动。其质点的振动速度V取决于应力的大小和介质的特性。(4-3)位移(；/E) c dt厂= '火 c =时间dtE 匸c（四）桩的阻抗Z由一维波动理论可知，桩阻抗是其横截面积、材料密度 和弹性模量的函数。作用响应F （锤击力）V（质点速度）二 EA/CCA(4-4)也可表达为F=

3、ZVZ 为桩的阻抗（单位为 NS/m）E为桩的弹性摸量（单位为Mm2）A为桩的横截面积（单位为m2），为桩的质量密度（单位为 Kg/m3）（五）应力波的反射与透射当应力波在杆件内传播时，如果杆件的阻抗有变化时，即杆件的E、A、中任一项或几项有变化而使阻抗产生改变 的，应力波即产生反射与透射。 如分别以c i表示入射波，二r表示反射波，G表示透射波，且遵照压力为（+）拉力为（-），速度以朝向X轴正向为（+），朝向X轴负向为（-）的符号规则，根据力的平衡条件可得:A1（；i ；r） = A2；t由质点速度的连续条件可得Vi Vr =Vt最终可得出：Z2-Z1二 r =:iZ1 +Z2Vr =Z2

4、-Z1（4-5）（4-6）（4-7）Z1 Z2Vi（六）行波理论（七）土的总阻力六、七部分详见桩的动测新技术（基础结构动态诊断）中的相关内容。二、凯斯（Case）法波动方程法一般指完全使用波动方程解的计算机程序在 给定的锤、垫、桩、土的参数变化范围内通过程序的参数分 析功能迅速绘制出多组理论承载，即以纵坐标为不同的设定 桩周土总静阻力值，横坐标为假定参数计算所得的打入阻力（每击贯入度的倒数）。每组曲线的某些参数（视要求而定） 为设定值，其余变量相应便形成一组曲线。确定承载力时桩 的最终贯入度及锤的落高为实测，其余参数参照取用。因此 从各组曲线中选出相应的承载曲线便可由打入阻力反查总 静阻力。如

5、还有动静载对比试验数据则更可作相应修正。显 然这种方法对某一地区的固定施工场地有一定的适用性也 极方便，因为对土质、锤的效率、垫层耗能状况等都是熟悉 而稳定的，易于掌握。波动方程法更多的用途是对大型打桩 工程的沉桩能力分析与预测。在纯粹的工程桩承载力事后控 测中很少应用。桩基测试技术中所称的 Case法是美国桩基动力学公司提 出的一种测定桩的静极限承载力的一种简便方法。该法只在 引用应力波行波理论及激发土阻力所产生的上、下行波概念 方面与波动方程法一致。Case法理论要点（一）Case法的基本假定为了简化问题，Case采用了下述假定：（1）桩看作一维杆体，桩身等阻抗，即截面不变、桩身材质均匀且

6、无明显缺陷；（2）只考虑桩底的动阻尼，忽略桩身周围的动阻尼；（3）应力波在传播过程中没有能量耗散和信号畸变；（4）在（匕ti+4L/C ）时段内桩侧各点的摩阻力不变。（二）Case法基本公式阻尼系数法基于上述假定，Case法导出，在锤的冲击下，岩土对桩的实际总阻力Rt为：Rt =1/2P1 P2Z/2V1 -V2】（4-8）我们的希望的是岩土对桩的静阻力，所以必须从总阻力Rt中扣除由于桩身在土中运动而受到的附加阻力Rd,根据第二点假设，桩侧动阻力可不予考虑，Case法假定桩尖动阻 力与桩尖的运动速度 Vb成正比，令Jc为比例常数，经推导 得：Rsp=（1-Jc） （P1ZV1）/2（V Jc）

7、 （2-ZV2）/2（4-9 ）式中：Rt 桩对土的实际总阻力；Rsp阻尼系数法所确定的桩的静阻力（即桩的极限垂直承载力）；Jc桩尖土层的凯斯系数，其取值与桩尖岩土颗粒粗细有关，高勃尔建议如表 4.1取值；P1、V1 t1时刻（或应力波初始峰值时刻）实测的力 值、速度值；P2、V2 t2时刻（t2=t1+2L/c 即来自桩底反射波时刻） 实测的力值、速度值；Z桩身阻抗，为 P （密度）、c （波速）、A （截面积） 的乘积。表4.1PDI公司推荐的Jc值土质纯砂粉砂粉土亚粘土粘土Jc0.10.150.150.20.250.40.40.70.71.05（三）关于Case法的几点说明（1）Case

8、法公式确实很简单，（4-9）式中未知数仅为Jc,其它为实测值，在现场只要输入Jc值，即可得预测承载力值；（2）根据基本假定，符合条件的桩为初打阶段的打入桩， 这时Jc值为桩尖土层的 Case阻尼系数。实际上，Jc值正是 高勃尔根据120根打入桩动静对比结果总结出来的。（3）应该说，对复打阶段的预制桩、对静压桩、对桩侧 动阻力比较明显的灌注桩、对挖孔桩，均无法和假设条件完 全一致，这时 Jc值变成了一个没有明确物理意义的经验系 数，综合反映试桩各个方面的特定条件。（4）Case法有一定适用范围，对短桩（桩长与桩径之比较小），对扩底桩、对桩身截面变化较复杂或桩身存在较严 重缺陷的桩，因基本不符合C

9、ase法假设前提，一般来说不适宜用Case法，而应该用Capwapc（曲线拟合法）或静载法 解决。经过以上的讨论，我们可以看出，对大部分桩，动静对比 求取Jc值除反映桩尖土的颗粒粗细程度外，还包括了试桩 与Case法假设前提背离程度的影响。换句话说，Jc值除和桩尖土有关外，还与桩周土、不同桩类型有关。所以说Jc值 具地区性，不同地区均需要作动静对比，求取不同桩型、 不同桩径大小、不同地质条件下桩的凯斯系数，其道理就在 这。上述第（4）点所提到的各种桩，因试桩条件与假设前 提背离程度太大，Jc值的求取当然就很困难了，所以，就不 适宜用Case法。（四）国内对Case系数的选择多年来，我国不少应用

10、单位对 Case法进行了有益的探索，提出了适用本地区情况的 Jc值，修改了 PDI公司的给定值， 这里给出了几组有代表性的 Jc值。(1) 国家建筑质量检测中心颁布的高应变动力试桩法 暂行规定(1989)给定的Jc值，实际上该表的内容和高勃 尔所推荐的一致：表4.2国家建筑工程质量检测中心推荐的Jc值桩类土类别砂粉砂粉土亚粘土粘土Jc (建议0. 10.10.150.20.250.40.40.70.71.0值)55(2) 山东省地区Jc值取值范围:表4.3山东省地区Jc值持力层强风化粉细砂粉土轻亚粘土亚粘土粘土Jc值0.050.0.10.20.250.0.250.0.40.70.51.015445（3）广东省建筑科研设计所提出的Jc值取值范围：表4.4广东省建筑科研设计所的Jc值持力层强风化砾砂粉砂粉土粉质粘土粘土Jc值0.050.0.10.10.150.0.250.0.40.70.71.015254三、实测曲线拟合法实测曲线拟合法中典型的代表是Capwapc法，是高应变动力试桩中较为常用的方法，是以波动方程解为基础的方 法。主要是将理论计算所得力波F （t）与速度波V（t）。通过调整土阻力大小与分布及各参数值来与实测力波与速度波 拟合以提供承载力。Capwapc采用连续杆件模型，将桩身分成NP个（桩身及传感位置的桩材弹模、波速等）弹性杆件单元，