PPTPDA基桩高应变动力检测技术

PDA基桩高应变变动力检测测技术提纲高应变试验验基本理论论基本概念基本试验过过程现场试验试验仪器试验准备数据采集数据质量数据解释记录选取CASE法解释CAPWAP法解释总结静载试验堆载反力锚桩反力桩基类型钢桩H型钢管桩(端部开口或或闭口)混凝土桩(预应力或常常规的钢筋筋混凝土桩桩)木桩复合桩沿桩长均匀匀材质(充填混凝土土管桩)沿桩长不均均匀材质钻孔桩和螺螺旋钻孔桩桩测试系统要要求：灵活活、小型化化不同的桩基基类型不同的桩基基尺寸需要运输至至现场1基本概念及及基本试验验过程在瞬态荷载载作用下，，使用的桩桩土体系产产生一定的的塑性变形形，其应变变水平大于于或等于静静载试验的的动力试桩桩称为基桩桩高应变动动力试桩。。

距离离桩顶一定定距离对称称安装力传传感器和加加速度传感感器，量测测并记录桩桩土系统的的动力作用用响应信号号。高应变试验验打桩监控试试验由实测应变变(ε)得到力FF(t)=EAε(t)由实测加速速度得到速速度VV(t)=∫a(t)dt基桩动测———F---------Z.V试验目的单桩竖向极限限承载力保证（或试验验）承载力---未充分激发桩身结构完整整性打桩监控桩身锤击应力力状态及其分分布---压应力和拉应应力桩身锤击能量量传递比---桩锤实际传递递给桩的能量量承载力时间恢恢复系数---初打试验与复复打试验◆主要目的：承承载力单桩竖竖向承载力TT+∆t∆L=c∆tε=δ/∆L=v∆t/c∆tε=v/cσ=Eε=vE/cF=σA=EAε=vEA/cF=vEA/cδ=v∆t

应变的比例性性或FT1和VT1成比例对于下行波ε=v/c对于上行波ε=-v/cFT1=VT1xEA/c桩身阻抗““EA/c”=ρcA=““Z”下行波F={F+ZV}/2上行波F={F-ZV}/2F=F+FV=V+VZV=ZV+ZVZV=F-FF=ZvF=-Zv———WU-------WD桩身中任意点点的力和速度度

都是上行行波和下行波波的叠加自由端+F+v-F+v易打阶段力接近零固定端+F+v+F-v难打打阶阶段段易打打阶阶段段难打打阶阶段段下行行波波=(F+Zv)/2=WD上行行波波=(F-Zv)/2=WUF=WD+WUV=(WD-WU)/Z冲击击作作用用下行行压压力力波波(+F=+Zv)激发发的的土土阻阻力力(R)结果果下下行行拉拉力力波波和和上上行行压压力力波波，，数数值值均均为为R/2+F=R/2vup

=-R/2Z-F=R/2vdown=-R/2ZRR+F=R/2vup

=-R/2Z-F=R/2vdown=-R/2ZF=+R/2V.Z=-R/2R初打复打-1天(粘土)+F+v“固固结结””RR/2上行行波波提供供Rs分布布信信息息斜斜率率越越大大表表明明单单位位侧侧摩摩阻阻力力越越大大上行行波波单位位摩摩阻阻力力分分布布2现场场试试验验试验验仪仪器器PDA包括括两两种种类类型型：：PAK和PALPAL---PAL-L和PAL-R采集集及及分分析析软软件件PDA-WCAPWAP试验验准准备备---桩头头处处理理打入桩---一般无需特特殊处理灌注桩---需制作桩帽帽桩帽截面尺尺寸与原桩桩身相同，，高度一般般1~2D去除桩顶软软弱混凝土土，露出新新鲜砼面并并凿平；将所有主筋筋接至顶端端，各主筋筋处于同一一高度；使用钢板护护筒，顶部部设置3层钢筋网片片，间距100mm；网片下每每隔100mm设置箍筋；；混凝土强度度等级比原原桩身至少少提高1个等级且不不低于C30。传感器安装装对称且同一一检测截面面垂直安装加速度传感感器极性至少2个应变传感感器，补偿偿偏心影响响沿轴中心对对称安装若要评价两两个方向的的偏心情况况，需要4个应变传感感器使用膨胀螺螺栓和量板板钻孔固定定应力环加加速度计，，两传感器器间距5~10cm加速度传感感器压电式PE加速度传感感器通常坚固耐耐用用于一般情情况(混凝土桩或或钢桩)压阻式PR加速度传感感器用于钢对钢钢的冲击(也可用于混混凝土桩)PE加速度传感感器具有高高共振频率率，而无阻阻尼PR加速度传感感器具有低低共振频率率，带有阻阻尼将传感器放放到桩顶附附近桩顶下2倍桩径处传感器安装装需要注意意远离非均匀匀处(如接桩、焊焊接处或面面积变化处处;最好在其下下大于1D)避免安装至至“裂缝”处(缝隙会产生生错误的应应变读数)处于地面或或水面以上上接头处于水水面以上复合桩（如如充填混凝凝土管桩））是否需要要切割窗口口对于摩擦桩桩来讲，锤锤重最低为为Qu的1%一般为Qu的1.5~2%锤垫厚度一一般约50mm（胶合板为为佳）根据实测应应力情况控控制落高，，不能出现现有破坏性性的应力；；重锤低击击原则锤重、锤垫垫及落高CT交流电干扰扰---使用直流电电供电数据采集时时传感器安安装对信号号的影响V1安装倾斜降降低幅值平均的力成成比例且合合理，2个力传感器器可以补偿偿较大的偏偏心锤击过程如如果对中不不好会产生生严重的偏偏心两道速度曲曲线一般重重合性较好好即使大的偏偏心，两道道速度曲线线一致性很很好现场试验输输入参数桩身参数(传感器位置置)面积“直径”(传感器位置置和周长)测点下桩长长材料参数质量密度SP弹性模量EM平均波速WSEM=ρc2=(SP/g)WS2(注意单位!)入土桩长LP（用于CAPWAP分析）均匀桩身或或非均匀桩桩身---桩身阻抗变变化一般桩身材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-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桩底反射位位置VT1xZ=6.62x141.6=937FT1=1014Z新=Z老x937/1014=130.8解决办法:根据经验（（或其他桩桩或EOD）定义WS桩号、工程程名、复打和初初打日期锤击信息，，如锤重、、落高所需的承载载力(极限值还是是设计值)打入桩的垂垂直或倾斜斜情况工程地质情情况，如土土层性质、、分层及其其力学性质质目测桩身材材质情况施工或测试中的一一些不寻常常情况静载试验结结果及日期期锤击数或每每击贯入度度数据采集时时应记录如如下信息，，便于以后后计算分析析实测数据问问题一般出出自下列方方面传感器问题题电缆问题传感器器安装装问题题桩身存存在严严重缺缺陷传感器器标定定系数数问题题判断问问题数据质质量主要问题如何发发现问问题?各锤击击信号号之间间曲线线一致致性差差曲线比比例性性差标定系系数?平均波波速?(ε=v/c)非均匀匀桩身身?传感器器靠近近地面面附近近?使用柴柴油锤锤?(预燃作作用)起跳时时间长长?(桩垫太太软)计算结结果不不合理理观察PDA““警告”信信息并浏浏览每一一道信号号比例性?Proportional?F2应力传感感器松动动加速度传传感器松松动F1道出现异常，传感器或电缆有问题V2道数据问问题比例不好好比例好如何解决决问题?替换传感感器替换电缆缆修理有缺缺陷的传传感器和和电缆正确安装装传感器器螺栓松动动沿桩中轴轴线对齐齐使用2个应力传传感器补补偿偏心心影响加速度传传感器方方向小结3数据解释释1.选择记录录遵循比例性好好无电子或或机械噪噪音经两次积积分得到到的最终终每击贯贯入度接接近实测测贯入度度且最终终速度曲曲线为零零力曲线最终终为零上升升时时间间短短2.对于于高高土土阻阻力力的的情情况况（（每每击击贯贯入入度度小小于于3mm/击）），，选选择择高高能能量量/高打打击击力力的的记记录录；；对对于于低低土土阻阻力力的的情情况况（（每每击击贯贯入入度度大大于于8mm/击）），，选选择择低低能能量量/低打打击击力力的的记记录录记录录选选择择---解释释数数据据质质量量好好的的数数据据检查查每每一一道道信信号号:适度度的的偏偏心心OK两道道速速度度一一般般一一致致性性非非常常好好确保保输输入入参参数数正正确确(LE,AR..)WS错误误(3800m/s)比例例性性?起跳跳时时间间?WS正确(3300m/s)对混混凝凝土土桩桩来来讲讲，，波波速速和和弹弹性性模模量量非非常常重重要要WrongWS(3800m/s)CorrectWS(3300m/s)实际际测测量量的的是是2L/c时间间若已已知知L,可计计算算c若已已知知c,可计计算算L若拉伸反射清清晰，可估算算桩长（由假设设的c）缺陷位置(由c)土阻力分布(以第一起跳点点为参考)最好使用“起跳点-起跳点”法(总是可靠)如果上行波与下行波形状相似，可使用“峰-峰”法确定2L/c选择打击力和和能量更高的的记录CSX259MPaEMX18.4T-mCSX186MPaEMX9.8T-m桩底反射–不清晰桩底反射–清晰波速是变化的的WS3911m/sBN3WS3911m/sBN2045使用或调整WCWC3556m/sBN20453911m/s倒数第二锤信信号:比例性:OK最终贯入度:不太好最后一锤信号号:比例性：OK最终贯入度：：OK能量：OK数据解释方法法CASE法CASE技术学院Goble教授等人经过过十多年研究究，以行波理理论为基础推推导出一系列列计算公式，，用于确定打打入桩（或符符合或接近假假设条件的钻钻孔桩）承载载力；同时现现场打桩监控控试验时可同同时得到桩身身完整性变化化、桩身应力力变化和锤击击能量传递等等计算结果CAPWAP法实测波形拟合合法假定桩土土力学模型及及其参数，利利用实测桩顶顶（附近检测测截面质点））的速度（或或力、上行波波、下行波））曲线作为输输入边界条件件，数值求解解波动方程，，计算桩顶（（附近检测截截面质点）的的力（或速度度、下行波、、上行波）曲曲线。如果计计算的曲线与与实测的曲线线不吻合，即即假设的桩土土模型或其参参数不合理，，然后根据具具体情况调整整模型及参数数重新计算，，直到计算曲曲线与实测曲曲线吻合。CASE法承载力计算算基本假设条条件Rs=RT-Rd桩身等阻抗（（截面积和材材质均匀，无无明显缺陷））动阻力主要集集中于桩端，，桩侧无动阻阻力（即桩侧侧不考虑阻尼尼影响）刚-塑性土（静））阻力模型应力波在传播播过程中，只只考虑土阻力力的影响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/CJc阻尼系数00.20.40.60.81.0砂砾0.30.4砂土0.40.5粘土0.71.0粉土0.50.7颗粒大小减小小阻尼系数增加加Jc阻尼系数的确确定---RSP受Jc影响很大经验地根据桩桩端土的颗粒粒大小确定根据CAPWAP结果或静载试试验结果确定定Rs=(SLTorCW)=Rt-Jc(2WD1-Rt)Jc={Rt-Rs}/{2WD1-Rt}桩端土性砂砾砂土粉土粉质粘土粘土Jc0.1~0.150.15~0.250.25~0.40.4~0.70.7~1.0◆阻抗均匀的中中小型桩CASE承载力---最大阻力法RMXRX5RP5RMX对阻尼系数J不敏感端阻比重大的的端承桩或端端阻需较大位位移高弹限的的大直径桩；；刚塑性土模模型不成立，，向右移动t1找出Rs最大值；Jc系数由0.4到1.0–选择高值，结结果偏于保守守CASE承载力---卸载补偿法RSU考虑了“早期期卸载”出现卸载，将将其一半添加加给RT以补偿由于提提前卸载造成成RT减小如果速度在2L/c前为负,则上部土阻力力可能早期卸卸载，可使使用卸载法长摩擦桩CASE承载力---自动法RAU和RA2在桩端质点点运动速度度为零时，，动阻力为为零，有两两种与Jc取值无关的的承载力计计算方法，，即RAU法和RA2法。RAU法适用于桩桩侧阻力较较小的情况况，在RMX法中已指出出，桩顶位位移的最大大值滞后于于速度的最最大值的时时间为tu,0，同理可推推知桩端位位移最大值值也会滞后后于桩端最最大速度，，在桩端速速度变为零零的时刻，，RAU法计算出的的土阻力显显然包含了了端阻力的的全部信息息，因此RAU法适宜于端端承型桩。。RA2法适用于于摩擦桩桩，当桩桩端速度度为零时时，显然然端阻力力得以充充分激发发，但桩桩身中上上部可能能土阻力力已卸荷荷，RAU计算的承承载力自自然是桩桩上部土土御荷后后某一时时刻的值值，显然然小于土土的极限限阻力，，因此对对摩擦型型桩，特特别是桩桩侧摩阻阻力较大大的桩，，RAU法是偏于于保守的的。CASE法的局限限性●假设设条件苛苛刻且桩桩土模型型理想化化，与工工程桩实实际际差别较较大，计计算结果果的可靠靠性降低低●Case法阻尼系系数Jc为地区性性经验系系数，物物理意义义不明确确，取值值的人为为因素较较多，需需要通过过动、静静对比试试验来确确定。●桩桩身阻阻抗有较较大变化化时，CASE法无法考考虑，严严重影响响计算结结果。●Case法不能将将桩侧摩摩阻力与与桩端承承力分开开，且不不能得到到桩侧摩摩阻力分分布。CAPWAP法CAsePileWaveAnalysisProgramCAPWAP自从1969年诞生自自1974年开始计计算机自自动拟合合交互式拟拟合自1988年开始自自动拟合合和交互互式拟合合1建立桩模模型及假假设土模模型(R桩侧和R桩端)R桩侧R桩端5返回步骤骤24调整R桩侧和R桩端3计算Fc实测的Fm进行比较2使用一条实测测曲线(如速度vm)计算另一条曲曲线（如力Fc）vmFcFm重复计算直到获得满意的拟合结果第一次拟合(差)最终拟合结果果(好)参数调整…..实际上是一迭迭代计算过程程CAPWAP拟合可由计算算机以完全自动方方式完成CAPWAP桩身模型Zi-1Zi+1Zi△Li划分成一系列列均匀的桩段段，通常约为为1m长△t=△Li/ci所有桩段的应应力波旅行时时间△t相同(一般约0.2~0.25ms)对每一一桩段段来讲讲，桩桩身阻阻抗Zi=EiAi/ci，ci波速CAPWAP土模型型桩侧土土模型型桩端土土模型型辐射阻阻尼模模型土模型型土段长长度~2m弹簧(静阻力力模型型)阻尼壶壶(动阻力力模型型)t

t

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t

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桩段长长度~1mt

Ri=Rdi+RsimtRui,qiRt,qtJiJTJSKJBTmPL桩侧阻阻力tGmsRNsRNs-1土阻力力模型型mtRui,qiRt,qtJiJTJSKJBTmPL桩侧阻力力tGmsRNsRNs-1CAPWAP土阻力模模型mtRui,qiRt,qtJiJTJSKJBTmPL桩侧阻力力tGmsRNsRNs-1CAPWAP土阻力模模型通常不用桩侧土静静阻力模模型SkRk卸载水平平UNld（Ruk）最大卸载弹限CSkn（QSkn）最大加载弹限QSkn极限静阻力Ruk重加载水水平LSkn（Ruk）KskusRu,sRs弹限,qs桩侧土静静阻力模模型Ru,nUN=-Ru,n/Ru,s卸载弹限限,qscsRsRsutRu,tRt弹限,qt桩端静阻力模模型卸载弹限qtct桩底土隙:tg动阻力模型:Rd=JvvRd=JCaseZv=JSmithRuv桩段速度v阻尼系数转换换公式:JSmith=Jv/RuJCase=Jv/ZJSmith=JCaseZ/RuRdVCAPWAP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桩端卸载弹限限系数1桩侧卸载水平平+1桩端土塞+1桩端土隙1桩端阻尼选择择+4辐射阻尼模型型参数未知数总共：：3NS+13如一根长度20m的桩，则总共共有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桩侧卸载水平平未知数总共：：NS+8对于于入入土土长长度度20m的桩桩:18个未未知知数数拟合合收收敛敛标标准准各土土层层侧侧阻阻力力及及阻阻力力分分布布符符合合岩岩土土工工程程合合理理范范围围拟合合质质量量四个个时时段段MQ=∑∑︱︱Fc-Fm︱︱/Fp锤击击数数拟拟合合计算算的的锤锤击击数数与与现现场场实实测测的的锤锤击击数数进进行行比比较较推荐荐的的拟拟合合过过程程1.数据据输输入入:选择择正正确确的的实实测测记记录录2.数据据调调整整（（通通常常自自动动完完成成））3.建造造桩桩模模型型（（通通常常自自动动完完成成））4.运行行自自动动CAPWAP拟合合5.检查查并并调调整整土土阻阻力力分分布布6.检查查阻阻尼尼参参数数7.检查查计计算算的的锤锤击击数数8.找到到最最好好的的拟拟合合质质量量对对应应的的计计算算结结果果9.输出出结结果果对于于大大多多数数土土来来讲讲，，单单位位侧侧摩摩阻阻Unitfriction<200kPa拟合合每每击击贯贯入入度度(如果果“每击击贯贯入入度度差差”>1mm，将将会会影影响响结结果果)QT(+TG)<Dmax,toeQS<5mm(一般般)SS,ST<1.3s/m(如果果高高于于此此值值，，可可能能需需要要SK模型型)CS,CT-0.3to1.0(CS<3.0，若若使使用用SK模型型)使用用SK特别别用用于于每每击击贯贯入入度度低低的的桩桩、、钻钻孔孔或或螺螺旋旋灌灌注注桩桩当每每击击贯贯入入度度高高(>8mm/blow)时不不用用SKCAPWAP““准则则””CAPWAP实例第一次拟合分分析输入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(提高桩端阻力力)RU=782kipsRT=600kipsRU=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：比较好好的拟合结果果图形输出数据表输出Ji,qi,Ri数据表输出Case法结果附加表CAPWAP需要注意的问问题信号选择：复复打试验的最最初一、二锤锤，采集质量量要高。获取取高质量的、、能客观反映映桩～土力学学性状的测试试信号是做好好高应变动力力试桩的关键键环节。桩、土参数的的选择：参考考工程地质资资料，均匀场场地上参数取取值的均衡性性，符合工程程常识，选择择的土模型与与工程桩的实实际状况相吻吻合，如土塞塞、辐射阻尼尼的使用等。。锤击数拟合，，即拟合实测测的单击贯入入度。必须有足够的的能量，使桩桩土产生足够够的相对位移移。.静力试验必须须到达极限荷荷载，且两种种试验的休止止时间相同。。使两种试验在在尽可能相近近的客观条件件下（桩、土土状况）进行行试验。对地地基承载力起起控制作用的的桩，这种对对比有可比性性，对桩身强强度起控制作作用的桩，这这种比较的可可比性不强（（因为在这种种情况下，动动力试验的理理论模型，破破坏模式与静静载条件下情情况差别较大大）。辐射阻尼的运运用：入岩桩（桩底底与基岩结合合良好），信信号位移小，，曲线尾部呈呈明显振荡（（加速度计计计性能及安装装情况正常））。阻尼系系数异异常（（史密密斯）），超超过正正常取取值。。计算得得到的的承载载力偏偏小，，通过过调节节其它它参数数无法法提高高，动动～静静对比比试验验，静静态荷荷载下下桩的的承载载力高高很多多。