工程检测与评估3高应变基桩动力检测课件

1、高应变基桩动力检测第一章 基本概念及检测原理第二章 检测系统第三章 现场检测技术第四章 实测波形汇编高应变基桩承载力检测 目录第一章 基本概念及检测原理 目录第一节 概述第二节 基本假设第三节 基本理论第四节 CASE法的检测原理第一章 基本概念及检测原理 概述 所谓高应变动力试桩法，广义上讲，是指所有能使桩土间产生永久变形（或较大动位移）的动力检测桩基承载力的方法，无庸置言，这类方法要求给桩土系统施加较大能量的瞬时荷载，以保证桩土间产生一定的相对位移。自19世纪人们开始采用打桩公式计算桩基承载力以来，这种方法包括：（1）打桩公式法，用于预制桩施工时的同步测试，采用刚体碰撞过程中的动量与能量守

2、恒原理，打桩公式法以工程新闻公式和海利打桩公式最为流行。 （2）锤击贯入法，简称锤贯法，曾在我国许多地方得到应用，仿照静载荷试验法获得动态打击力与相应沉降之间的曲线。通过动静对比系数计算静承载力，也有人采用波动方程法和经验公式法计算承载力 。第一章 基本概念及检测原理 概述（3）Smith 波动方程法，设桩为一维弹性桩，桩土间符合牛顿粘性体和理想弹塑性体模型，将锤、冲击块、锤垫、桩等离散化为一系列单元，编程求解离散系统的差分方程组，得到打桩反应曲线，根据实测贯入度，考虑土的吸着系数，求得桩的极限承载力。（4）波动方程半经验解析解法，也称CASE法，根据应力波理论，可同时分析桩身完整性和桩土系数

3、承载力（5）波动方程拟合法，即CAPWAP法，是目前广泛应用的一种较合理的方法。（6）静动法（Statnamic），其意义在于延长冲击力作用时间（100ms），使之更接近一静载试验状态。第一章 基本概念及检测原理 概述 CASE法和CAPWAP法，是目前最常用的两种高应变动力试桩方法，也是狭义的高应变动力试桩法。第一章 基本概念及检测原理 基本假定四个基本假定： (1)桩是一个时不变的系统，即桩的基本特性在测试所涉及的时间内可以看作是固定不变的。 (2)桩是一个线性系统，即桩在总体上是弹性的，所有的输入和输出都可以简单叠加，这个假定并不妨碍我们在桩身的局部环节上采用某些办法来考虑其非弹性性状。

4、 (3)桩是一个一维的杆件，即桩身每个截面上的应力应变都是均匀的，可以用它的平均应力应变来加以描述而不必研究其在桩身截面上的分布。 第一章 基本概念及检测原理 基本假定 (4)破坏发生在桩土界面，可以只把桩身取作隔离体来进行波动计算，桩周土的影响都以作用于桩侧和桩端的力来取代而参加计算。如果破坏发生在桩周土的土体内部，则把部分土体看作是桩身上的附加质量。 在上述假定下，我们的问题在原理上被简化为一维的线性波动力学问题。 1、高、低应变法动力试桩的区分（1） 动力试桩是在桩顶作用一动态力（动荷载），在桩顶量测桩土 系统的动力响应，如位移，速度或加速度信号，对信号的时域和频域 进行分析，可以对单桩

5、承载力和桩身完整性进行评价。（2） 高应变法，用重锤（重量为预估单桩极限承载力的1%1.5%） 自由下落锤击桩顶，使其应力和应变水平接近静力试桩的水平，使桩 土之间的土产生塑性变形，即使桩产生贯入度，一般贯入度2mm, 但6mm.桩对外有抗力（承载力）是通过位移产生，有了位移，桩 侧土强度得到充分发挥，桩端土强度也得到一定程度的发挥，此时,量 测的信号含有承载力的因素。但对于嵌岩桩和超长的摩擦桩，要使桩 端土强度发挥几乎是不可能的。（3） 低应变法，用手锤、力棒敲击桩顶，或用激振器在桩顶激振，其产生的 能量小，动应变约10-5（高应变动应变为10-3），通过桩顶量测速度时域波形，对桩身完整性进

6、行判定。第一章 基本概念及检测原理 基本理论第一章 基本概念及检测原理 基本理论第一章 基本概念及检测原理 基本理论由于应力波的影响而产生的截面运动 第一章 基本概念及检测原理 基本理论第一章 基本概念及检测原理 基本理论第一章 基本概念及检测原理 基本理论故可以得到高应变的重要公式第一章 基本概念及检测原理 基本理论第一章 基本概念及检测原理 基本理论第一章 基本概念及检测原理 基本理论几个重要的推论： (1)在Fv图中，凡是下行波都将使两条曲线同向平移，原有距离保持不变；凡是上行波则都将使两者反向平移，互相靠拢或互相分离 (2)在FV图中,如果只有下行波作用，F(t)曲线和Zv(t)曲线将

7、永远保持重合 (3)在FV图中，F(t)曲线和Zv(t)曲线的相对移动直接反映了上行波的作用。第一章 基本概念及检测原理 基本理论桩身阻抗变化在F-v图上的表现（1）阻抗减少将产生上行的拉力波，在达到检测截面时，将引起力值的减少和速度值的增加，即力曲线下移而速度曲线上移。（2）阻抗增大将产生上行的压力波，在到达检测载面时，将引起力值的增大和速度值的减少，即力曲线上移而速度曲线下移。（3）上述反射信号到达检测截面的时间和变阻抗截面所在深度成正比，可以根据反射信号在时间轴上的位置和已知的总体平均波速大体确定其所在深度。（4）由于高应变具有较高的捶击能量，应力波一般能够贯穿整个桩长而直达桩端。第一章

8、 基本概念及检测原理 基本理论典型的桩端变阻抗反射在实测记录上的表现 第一章 基本概念及检测原理 基本理论 典型的桩身缺损在实测记录上的表现 第一章 基本概念及检测原理 基本理论应力波沿细长杆传播的结果：下行压力波（运动速度向下）遇自由端反射为上行拉力波（运动速度向下），端点力为零，质点速度加倍。下行压力波（运动速度向下）遇固定端反射为上行压力波（运动速度向上），端点质点速度为零，力加倍。下行拉力波（运动速度向上）遇自由端反射为上行压力波（运动速度向上），端点质点速度加倍。下行拉力波（运动速度向上）遇固定端反射为上行拉力波（运动速度向下），端点质点速度为零。第一章 基本概念及检测原理 基本理论

9、土阻力所产生的应力波及其在FV图上的表现 应力波在行进过程中将使桩身截面产生运动如果桩身处在桩周土的包围之中，桩身区段在土中将激发起土的阻力由于桩身所产生的运动是一种瞬态运动，被它激发出来的土阻力也将是一种动态的作用力，从而在桩身中又激发起次生的应力波 由力学平衡条件：R=Wu-Wd 得： Wu=R/2 Wd=-R/2第一章 基本概念及检测原理 基本理论第一章 基本概念及检测原理 基本理论 土阻力在实测曲线上将表现为两根实测曲线的分离，使力曲线高出速度曲线，高出的幅度正好等于所受的土阻力R因此，在这里我们可以得到几个非常重要的推论： (1)在锤击力的作用下，桩身运动将激发土阻力而使桩身受到外加

10、的阻力波作用 (2)土阻力的信号将被检测截面的传感器直接接收到，使得实测曲线中包含了试验时实际激发的土阻力信息 (3)作用于深度为x处的土阻力所产生的上行波将在2xc时刻到达检测截面因此，在实测曲线上沿着时间轴将可以在2Lc之前看到分层累加的的土阻力信息。（4）土阻力的作用将首先表现为实测力曲线的上升和实测速度曲线的下降。两者的分离幅度将正好等于所受的土阻力。第一章 基本概念及检测原理 CASE方法基本模型桩自身：CASE法将桩视为一维、均质、等截面、连续的线弹性，基本不考虑桩身缺陷影响，应变与质点速度之间满足协调方程。局限：桩身自阻尼衰减没有考虑承载力分析时，桩身缺陷没有考虑，所以缺陷桩误差

11、更大桩身塑性没有考虑，低强度桩、力信号过大时存在问题锤击偏心时存在问题传感器过上存在问题第一章 基本概念及检测原理 CASE方法基本模型桩周土静力模型：CASE法为确保波动方程解耦，得到半经验解析解，不仅将桩侧速度与动阻力分离，而且将桩身位移与静阻力分离，因而假定土的静力模型为理想刚塑性体，桩一运动耦合面即进入塑性状态，且为极限承载力状态 问题：弹性阶段即位移初始增加阶段被忽略，加载起始阶段即认为已达到极限承载力状态，导致了极限承载力曲线上零值也是极限承载力的谬误。要求：位移取值足够大，使得极限承载力出现平坦段、达到拟理想刚塑性状态才可以正确应用要求有更大的打击力和动位移 第一章 基本概念及检

12、测原理 CASE方法基本模型桩周土动力模型：为排除动力试桩过程中土体的动力效应，CASE法假定土的动阻尼全部集中于桩尖，且与桩尖速度和广义波阻抗成正比。优点：动阻力与桩身质点运动无关，解耦承载力计算，得到解析解 指标：CASE阻尼系数，虽与持力层塑性指数有关，但更多的已演变成一个与动静对比相关的系数了 第一章 基本概念及检测原理 CASE方法基本模型桩周土动力模型存在的问题：动阻力与桩顶广义波阻抗相关，却与桩底的无关须确保桩侧动阻力较小，桩侧须光滑、等截面，须有足够位移持力层和桩侧土层须相差较大仅考虑了牛顿粘性体模型，没有考虑惯性力等的影响 第一章 基本概念及检测原理 CASE方法承载力等值线

13、不同阻尼的承载力取值桩侧和桩端阻尼对承载力的影响第一章 基本概念及检测原理 CASE方法第一章 基本概念及检测原理 CASE方法凯司法确定承载力的各种实用算法 我们实测得到的土阻力Rz近似地看作由两部分叠加而组成， 一是土在静载荷试验时所表现的静阻力Rs，二是由于动力作用所产生的附加的动阻力Rd，三者的关系： Rs=Rz-Rd1.阻尼系数法（RSP法） 在阻尼系数法中，规定把t1时刻选择在锤击开始阶段速度曲线的峰值处 CASE阻尼系数Jc的经验取值（美国PDI公司资料）土质纯砂粉砂粉土亚黏土黏土Jc0.1-0.150.15-0.250.25-0.40.4-0.70.7-1.0第一章 基本概念及

14、检测原理 CASE方法2.最大阻力法（RMX法）最大阻力法即时间延迟法，它适用于饱和粘性土的排土桩和具有土塞作用的非排土桩。这种桩土的弹性大，最大阻力的发挥往往滞后于速度峰值。它和阻尼法计算公式一样，不同的是时间选择，一般在速度峰值后加一延时，找出最大阻力对应的时间.显然当延时等于零，RMX就等于RSP，因此，RSP法可以看作是RMX法的一个特例。 3.卸载法(RSU) 承载力计算时，桩位移单调增加(即速度在2L/C之前为正)，这样所有阻力可以同时激发。但对于大侧阻或难贯入的长桩，在之前速度会出现负值，桩体的上部位移会不断减小，在桩底阻力激发之前，部分侧阻力产生卸载，这样，计算的承载力就会低于

15、总的阻力。由力和速度差值可以得到卸载层的摩擦力，其值的一半作为承载力的修正值。 第一章 基本概念及检测原理 CASE方法阻尼系数法RSP：一般意义上使用，积累的经验最为丰富最大阻力法RMX：上升时间短或土的弹限值大，土阻力来不及充分发挥的情形。最小阻力法RMN：桩底不明显时，更偏安全卸载法RSU：长桩，考虑了阻力的卸载效应端承桩自动计算值RAU：短桩、端承桩（桩底速度为零时对应的值）摩擦桩自动计算公式RA2：摩擦桩，据说与拟合值接近各自的适用范围：第一章 基本概念及检测原理 CASE方法确定桩身完整性的 法第一章 基本概念及检测原理 CASE方法确定桩身完整性的 法类别值类别值1.00.60.

16、80.81.00.6第一章 基本概念及检测原理 计算步骤F2=E.A.应变2F1=E.A.应变1应变1应变2(F1+F2)/2平均力第一章 基本概念及检测原理 计算步骤积分得V2积分得V1a1a2(V1+V2)/2平均速度V第一章 基本概念及检测原理 计算步骤平均力F 平均速度V与波阻抗Z乘积ZVF与时间的函数F-ZV波形第一章 基本概念及检测原理 计算步骤FZV（FZV）2上行波F第一章 基本概念及检测原理 计算步骤FZV（F+ZV）2下行波F第一章 基本概念及检测原理 计算步骤FVFV积分能量第一章 基本概念及检测原理 计算步骤a积分 V积分位移S第一章 基本概念及检测原理 计算步骤FF相

17、加承载力RT第一章 基本概念及检测原理 计算步骤承载力桩尖阻力桩侧阻力静桩尖阻力动桩尖阻力静桩侧阻力动桩侧阻力第一章 基本概念及检测原理 计算步骤采用凯司法判定桩承载力1 只限于中、小直径桩。桩身材质、截面应基本均匀。阻尼系数Jc宜根据同条件下静载试验结果校核，或应在已取得相近条件下可靠对比资料后，采用实测曲线拟合法确定Jc值。在同一场地、地质条件相近和桩型及其截面积相同情况下，Jc值的极差不宜大于平均值的30%。第二章 检测系统 目录第一节 传感器第二节 采集仪器第三节 软件简介第四节 锤击设备第二章 检测系统 传感器加速度应变环第二章 检测系统 采集仪RSM-24FD分体机第二章 检测系统

18、 采集仪RSM-24FDN一体机第二章 检测系统 软件简介主操作界面第二章 检测系统 软件简介设置界面第二章 检测系统 软件简介采集界面第二章 检测系统 软件简介处理界面第二章 检测系统 软件简介打印信息预览界面第二章 检测系统 锤击设备整体锤组合锤组合： 优：便于搬运、成本低、基坑方便 缺：效果差、易偏心、慎用、重心高 重点：锤体的紧凑和锤垫整体： 优：效果好、效率高、 缺：适应能力差、成本高、搬运困难 第二章 检测系统 锤击设备导向架与辅助设备1-导向架；2-自动脱钩；3-锤；4-砧座；5-锤垫；6-导向柱；7-电机；8-底盘；9-道木；10-桩；11-吊车第三章 现场测试技术 目录第一节

19、 检测流程第二节 影响测试的因素第三节 疑问解答第三章 现场测试技术 检测流程第一步 桩头处理第二步 仪器连接第三步 传感器安装第四步 程序设置第五步 重锤锤击第六步 信号采集第七步 信号分析第八步 结果打印第三章 现场测试技术 桩头处理剔除桩顶浮浆桩顶设置桩垫桩顶设置钢板围箍或桩帽第三章 现场测试技术机 桩头处理长桩帽第三章 现场测试技术机 桩头处理第三章 现场测试技术 桩头处理第三章 现场测试技术 桩头处理第三章 现场测试技术 仪器连接24FD电源连接第三章 现场测试技术 仪器连接24FD与电脑连接第三章 现场测试技术 仪器连接24FD与高应变电缆的连接第三章 现场测试技术 仪器连接24F

20、D传感器连接第三章 现场测试技术 传感器安装第三章 现场测试技术 传感器安装1.对称安装在距桩顶不小于2D的桩侧表面处（D为试桩的直径或边宽）；2.对于大直径桩，传感器与桩顶之间的距离可适当减小，但不得小于1D。3.安装面处的材质和截面尺寸应与原桩身相同，传感器不得安装在截面突变处附近。 4. 应变传感器与加速度传感器的中心应位于同一水平线上，同侧的应变传感器和加速度传感器间的水平距离不宜大于100mm。5.安装完毕后，传感器的中心轴应与桩中心轴保持平行。第三章 现场测试技术 传感器安装桩侧的处理第三章 现场测试技术 传感器安装第三章 现场测试技术 程序设置 在开始检测之前必须根据不同桩的情况

21、对程序进行设置，下面给出一个例子来学习整个的检测过程的软件操作 注意：以下只讲解了在检测过程中常用的功能，其他功能及程序中出现的参数请仔细阅读软件操作说明书，这里不一一详细说明。第三章 现场测试技术 程序设置单击设置进入设置界面进入主操作界面后，点击设置按键进入设置界面第三章 现场测试技术 程序设置仪器与笔记本电脑通讯口设置，视电脑串口设置而定，有COM1-6供选仪器与笔记本电脑通讯速率，586以上请选57600预设桩长外接传感器设置，请与传感器接的通道和类型一致桩长=50米；混凝土标号：C30；桩截面积：1平方米预设波速：C25：3300C30：3600C35：3800C20：3000第三章

22、 现场测试技术 程序设置桩长=50米；混凝土标号：C30；桩界面积：1平方米无桩顶时请选，桩身与桩头参数联动桩身桩底截面截面积桩身砼的密度各个传感器的灵敏度测试前准确输入单击确定回主操作界面第三章 现场测试技术 起吊第三章 现场测试技术 起吊第三章 现场测试技术 起吊采用自由落锤为锤击设备时，应重锤低击，最大锤击落距不宜大于2.5m。 重锤应材质均匀、形状对称、锤底平整，高径（宽）比不得小于1重心问题进行承载力检测时，锤的重量应大于预估单桩极限承载力的1.0%1.5%，混凝土桩的桩径大于600mm或桩长大于30m时取高值说明第三章 现场测试技术 重锤第三章 现场测试技术 脱钩第三章 现场测试技

23、术 重锤锤击将锤吊起准备松脱钩进行锤击,为保证锤底平面接触桩头请等锤稳定后再松脱钩第三章 现场测试技术 重锤锤击第三章 现场测试技术 重锤锤击锤击的一点点偏心，可以导致信号一致性严重恶化，在一点已为大量试验所验证偏心不可大意湖北地区的脱钩容易导致偏心；脱钩以中心脱落的方式为宜，如广东地区有时候利用吊车直接下放，效果可能更好 第三章 现场测试技术 信号采集单击自检进入自检界面信号采集前测试仪器各道状态 注意：此时传感器已连接好、安装好，并已打开仪器电源开关 当采用交流供电时，测试系统应良好接地进入自检界面后出现的瞬间采集界面第三章 现场测试技术 信号采集自检自触发后的到四道波形第三章 现场测试技

24、术 信号采集第三章 现场测试技术 信号采集采集前测试加速度传感器连接是否正常单击采样键进入采样界面第三章 现场测试技术 信号采集用CH1做为触发通道，并轻敲桩上CH1的加速度传感器看是否能触发。采集等待滚动条第三章 现场测试技术 信号采集在进行了自检或采样操作后都必须观察电桥指示灯是否能变为黄色。第三章 现场测试技术 信号采集信号采集前准备总结在传感器连接安装好后自检测试整个系统连接和干扰情况用CH1、CH2两道做为触发通道来测试加速度传感器的连接和安装情况在自检、采样操作时观察应变指示灯来测试应变计的连接和安装情况注意：以上情况均正常后才能进行正式的信号采集第三章 现场测试技术 信号采集单击

25、采样键进入采样界面正式采集信号第三章 现场测试技术 信号采集采集等待滚动条等待几秒观察应变指示灯正常后给指令松脱钩回到主操作界面下即显示FZV波形数据波形较好时，点击存盘进入保存波形界面对数据进行存盘第三章 现场测试技术 信号采集波形保存界面单击保存选文件夹选文件名第三章 现场测试技术 信号采集第三章 现场测试技术 信号采集信号采集注意事项桩面平整，桩锤重心应与桩顶对中重锤角架放置牢固桩头处理到位采集前对整个系统的调试波形存盘第三章 现场测试技术 信号采集信号采集波形的选取F和ZV曲线归零基线F与ZV曲线起跳端于上升沿及最高峰重合曲线光滑无振荡第三章 现场测试技术 信号采集信号采集波形的观察重

26、点上升沿力和速度的正比性、尾部归零情况和毛刺情况上行波的合理性，是否与地层对应？动位移曲线的合理性，最打动位移是否足够？极限承载力曲线的合理性，是否有平台最大打击力、最大动位移、极限承载力比较、最大速度第三章 现场测试技术 信号分析波形读取单击进入波形读取界面第三章 现场测试技术 信号分析读取波形界面选文件夹选文件名单击读出所选波形并退会主操作界面第三章 现场测试技术 信号分析显示出所读波形挑选信号较好的通道和计算方法第三章 现场测试技术 信号分析当出现下列情况之一时，锤击信号不得作为承载力分析计算的依据：1 传感器安装处混凝土开裂或出现严重塑性变形使力曲线最终未归零。2 严重锤击偏心，两侧力信号幅值相差