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文档简介
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,
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