机械阻抗法ppt课件

1、第二章 机械阻抗法,1.什么是机械阻抗法？,机械阻抗法：通过测定施加给桩的激励（输入）函数和桩的动态响应函数（输出），来识别桩的性态的一种动态方法。,2.什么是“阻抗”呢？,阻抗源于“电学”，机械阻抗定义为作用力与输出之比,对结构施加的力,结构在该力作用下的响应,机械导纳：机械阻抗的倒数V/F 导纳曲线：是机械阻抗法应用的主要判断曲线，即“根据桩的导纳随频率变化的曲线”来判断桩的质量。,将机械阻抗原理用于检验桩的完整性始于20世纪60年代，首先由法国的CEBTP（房屋建筑和市政工程试验中心）提出，于70年代后期引入中国并逐渐验机和推广，经过近30年的研究和发展，机械阻抗技术已经成为一项成熟的桩

2、质量检测技术，并获得我国国家技术鉴定委员会的通过。,1,机械阻抗的物理模型,计算桩的导纳曲线与频率之间的关系,边界条件的区分,1.自由桩底基础无限大柔性基础,，,2,2.自由桩底基础无限钢性基础,当桩基础在上述两者之间时，导纳曲线的第一个谐振频率应出现在上述两种情况之间：,，,，,无限长桩的零阶频率为：,3,桩的动刚度：,导纳曲线低频部分的斜率即为桩的动刚度,测量出导纳曲线两个谐振峰之间的频差即可由下式计算出桩长,v波数，即波长的倒数,相波速：,4,完整桩导纳曲线,该桩为缺陷桩（如：劣质混凝土、离析等）f1结合桩长，可计算纵波速度平均值，桩的缺陷可由f2计算,桩身断面沿深度逐渐扩大的桩，曲线幅

3、值随频率增大而增大,桩身沿深度逐渐减少，曲线幅度随频率增加而减少,5,测试结果的数据分析与整理,1.桩的测量长度,c0整个工地上完好桩的波速平均值,6,2.导纳的几何平均值值：,P：导纳曲线的极大值（峰值）； Q：导纳曲线的极小值（谷值）；,3.导纳曲线的理论值（m/KNs）：,A：桩的横截面积,4.完整桩的桩身纵波波速,：两个谐振峰之间的频差,5.桩的动刚度,7,8,1. 单自由度系统的导纳（传递函数）分析,当激振频率较底时，桩体以刚体运动为主，不妨设单自由度模型中m表示桩身质量、k为刚度、c为阻尼，f（t）为激励力，设桩顶产生的位移为u，则有：,将激励和响应换成复数表示,二阶微分方程变为：

4、,9,速度阻抗为,速度导纳为复变函数，研究的重点是其幅值、相位、实部和虚部函数和激励频率的关系,幅值与实部函数为,10,当激振频率远远小于共振频率n时，上面根号中的前两项与第三项相比，可以略去，则速度导纳为：,弹簧动刚度k用kd表示，则：,说明：弹簧动刚度是速度导纳曲线低频段斜率的倒数，由于过原点的切线难以取准，因此实际测量中计算公式为：,11,导纳曲线初始直线段上任意一点频率（Hz）,V桩顶质点速度 F桩顶激振力,导纳曲线初始直线段上任意一点导纳,12,虚部函数为：,相位函数为：,式中：,导纳曲线特性： （1）当激振频率等于零时，幅值曲线通过原点； （2）图中初始直线斜率的倒数为结构系统的动

5、刚度Kd； （3）图中a、b两点为系统的半功率点，（ a b）/2; （4）从相位图中可以看出：当达到谐振时，激励力与速度响应的相位差为0 （5）从半功率带宽可以附带判断桩周土粘质阻尼的性状,13,2. 高频激振下桩土体系的分析,分析的基础：桩体纵向振动的一维波动方程。先假设桩土振动为无阻尼自由振动，将桩周土的综合支撑作用用一个作用于桩底的支撑刚度，进行分析。,带入波动方程,振型解,14,边界条件,求得边界条件常数,，,桩顶的位移和速度为：,15,(1)当k趋于零时，相当于无限软土层，有：,有两种解：,第一阶频率出现在f1=c/2l处，各高阶谐振频率频差相等，由此得到桩完整性导纳诊断的一个十分

6、重要的公式：,16,（2）当k趋于无限大时，为无限大刚度（嵌于坚硬岩石）,，,17,若令,桩周土越密、桩越长，导纳曲线的峰值、谷值之差越小，实际导纳曲线如虚线所示； 基频范围为：,18,19,评估单桩的极限承载力：,埋设于土中的基桩，其桩侧土和桩端都要分担一定比例的荷载，因此基桩的总刚度等于桩身的总刚度加上桩侧土的刚度和桩端土阻力提供的刚度。用机械阻抗法得到的刚度实际上桩土体系的综合刚度。 主要采用低频段的信息，将整个导纳曲线上各点的动刚度计算出来，然后除以动静测试刚度的对比系数，将动测刚度转换成静测刚度，最后再乘以桩的容许沉降量，得到单桩的容许承载力。,20,计算公式,桩的动静刚度对比系数，

7、一般取值：0.92.0；应通过本地区的动静刚度测试对比试验求取，否则应采用保守的值来计算桩的承载力；,桩的容许沉降值（mm），要综合考虑桩型、桩周土性质，施工工艺等参数，最好能用相同场地的静载荷P-S曲线，例如对于深厚软土地区：,大量实际工程表明： 只要桩的动静测试系数选取正确 用控制沉降量的方法 计算单桩的容许沉载力 还是比较稳定的，误差一般在1030左右。,预制桩：1418mm； 钻孔桩：715mm； 钢管桩：2834mm； 预应力混凝土管桩：2432mm；,21,完整桩的判断 （1）桩的计算长度Lm与桩的实际长度相近； （2）导纳几何平均值Nm小于各桩的平均值，并与导纳曲线理论 值Nt接

8、近； （3）桩的动刚度Kd接近各桩的平均值； （4）桩的平均波速3500m/s,有一定范围的额度变化， （5）导纳曲线谱形状特征正常，且能反映桩的振动特性；,缺陷桩的判断（很多种情况） （1）根据f计算的桩长Lm比实际的桩小很多，或者说根本测不出来，对应现象：桩出现严重鼓肚或离析，或者断裂。,分析：桩身有大的缺陷或断裂时，波动只能在桩断裂处以上的范围传播，因而测出的Lm就短，而该值即为缺陷距离桩顶距离；,22,原因：桩身断裂局部扩大，即所谓的鼓肚或桩侧硬土顶入桩内，导致下行波信号的大幅度衰减，使大部分信号反射回来，波的传播基本上在鼓肚的下底面与桩顶之间来回旅行，这样也将导致测出的桩较实际的短。

9、,针对上述两种导致短桩计算结果的测试，需要结合其它参数进一步判断缺陷的种类。,桩的断裂，将导致桩的承载力降低，定值力作用下的导纳值增大，如果测出的Lm偏小，而动刚度Kd小于各种桩平均值较多，导纳值大于各桩的 平均值和理论值较多，那么桩即为断桩；反之，动刚度偏大，导纳测量值Nm就偏小。,最为重要的是：牢固建立基本概念，掌握桩的基本计算过程与信息，结合经验，完全可以对桩的性态进行全部识别。,23,实际桩导纳曲线的主要影响因素,桩周土的影响 桩周土剪切波速对导纳曲线的振荡影响很大，波速越小，导纳峰谷差值越大，振荡剧烈；波速越大，导纳峰谷差值越小，振荡越平稳。波速对导纳曲基频和初始段斜率也有影响，波速

10、增大，基频略有增大，初始段斜率减小（即桩顶动刚度增大），波速对高频段几乎没有什么影响。,24,桩长径比对导纳曲线的影响 长径比越小，导纳峰谷差值越大，导纳曲线振荡剧烈；反之，峰谷差值减小，导纳曲线趋于平缓。 桩身质量对导纳曲线的影响 对断桩、离析、扩径、缩径和鼓肚等情况，应力波在异常截面处，部分信号被反射回来，部分信号继续向下传递，从而形成波峰、波谷参差不齐，峰值频频差不等较明显的曲线。,25,实测导纳曲线的低频段不仅受到刚体振动的一阶频率的影响，还受各阶弹性振动频率的影响，当第二阶频率与第一阶频率靠近，且桩侧土阻尼越大，刚体振动和弹性振动耦合越厉害，对低频段的影响也越大，此时，低频段导纳值比

11、假定为刚体的振动要大，动刚度明显减小。,导纳曲线反映了桩土系统的动力特性和桩本身 形态与桩周土支承条件的状况。正是基于此， 导纳曲线可以作为判断桩基质量的主要依据， 并用导纳曲线识别和分析桩的承载能力，推定 桩的承载力。,26,27,桩长：18m，桩径：0.4m，桩身混凝土强度等级为C20,导纳曲线出现6个谐振峰，一个噪声谱，各有效谐振峰之间的频差基本相等：,f1195-105=90Hz,f2280-195=85Hz,计算得到桩的速度为：3240m/s,实测导纳值为：10.5-e5m/(s.N)；理论值为：10.1-e5m/(s.N),各谐振峰为桩底多次反射，导纳曲线上出现6次桩底反射，是桩周

12、土较软，桩较短的缘故，正常桩,28,桩长：22m，桩径：0.8m,导纳曲线畸变较大，谐振峰值尖峭，导纳测量值Nm大于理论值Nt很多，谐振峰是第一个断裂面的反映,频差为：,利用缺陷距离计算公式：,f为缺陷谐振峰频差,经计算：缺陷长度为4.2m.,试验中，第二个缺陷难以在曲线中反映出来，这是因为振动能量难以传到第一处断裂面以下，导纳曲线上一般只能反映第一处断裂,制作过程中，分别在4.5m和13m处人为设置两个严重桩身断裂，诊断结果：断桩,29,桩长39.2m；桩径0.6m,从导纳曲线的低频段开始就出现有规律的谐振峰，各谐振峰幅值随着频率的升高而上杨，同时各谐振峰之间的频差基本相等：,是一个界面的多

13、次反射效应。按已知施工桩长计算得到波速C2Lf239.2205=16072m/s，显然是错误的。 由同一场地另一根完整桩的导纳曲线推算得c3530m/s，假定桩身混凝土波速值为34003600m/s,计算得桩的长度为：8.3m8.8m。,判断：断裂位置在8.38.8m处。验证：从施工单位了解到，该桩灌注到离地表近9m时，导管提出混凝土表明，停浇近3h，形成了二次浇注面和夹泥断裂。断裂桩,30,沉管灌注桩，长4.8m,桩径0.42m.,分析：出现四个谐振峰，由f1计算的波速为：2938m/s,合理，判断为桩底反射。导纳曲线的最高峰出现在高频f3，但是f2与f3相差不大，推断桩身存在缺陷， f3为

14、二次反射所致。由平均频率 406Hz计算缺陷的位置距桩顶的距离为： 3.6m，由于桩底的反射可见，计算可得：Nm1.41-e7m/(sN),仅略大于理论导纳Nt=1.0-e7m/(s.N),判断：在3.6m附近桩存在缩颈，开挖结果证明了判断的正确性。,31,钻孔灌注桩长8.51m,桩径0.8m，混凝土强度等级C20，共有5个谐振峰，平均频率为218Hz。由此计算桩的混凝土波速为3700m/s，第二、第四谐振峰明显偏高，谐振差为745Hz，计算的缺陷距桩顶距离为2.5m附近，为局部扩颈。,经证明：钻孔到2.2m时，孔壁塌陷。,扩颈桩一般能见到桩底反射，但如果扩颈较大或扩颈段较长，对振动信号产生屏

15、蔽作用，使振动能量难以往下传播，则导纳曲线上看不到桩底反射。,判断：扩颈桩,32,锤击沉管灌注桩长10.3m,桩径0.48m,从导纳曲线上，可知频差为340Hz，若取平均波速为3500m/s，计算测量桩长：为5.1m；若取波速为3800m/s，测量桩长为5.6m。实测导纳为6.1-e7m/(sN),理论导纳为6.0-e7m/(sN),两者接近；实测动刚度为532kN/m，比同一场地一般桩高，桩底无反射。,判断：该桩在5.3m处有较大的扩颈。,33,桩头质量较差 浇注混凝土时如果超高不足，桩头混凝土浮浆出现过多，造成该段桩身质量较差，与下部正常混凝土构成一个界面。由于内部应力波尚能穿过该段混凝土

16、，在导纳曲线上不影响桩底反射效应谐振峰的出现，但是它会在尾部出现几个均匀、圆滑、幅值基本相等的谐振峰，这些为桩头以下混凝土质量较差的那一段桩身界面的反射。,某桩实测导纳曲线 前部出现两个谐振峰，为桩底反射，而尾部出现3个谐振峰，频差基本相等：f1350Hz，f2360Hz，平均值为355Hz，计算缺陷距桩顶的位置为：5m。,判断：混凝土质量很差，经开挖验证了这一结果,34,某模型实验桩，长10.4m,各谐振峰幅值相差较大，频差也较大，说明这些有效谐振峰不是来自同一个界面的反射效应，经计算f1=160Hz, f2=340Hz, f3=750Hz，由f1算得的波速为330m/s，这个速度接近该桩C

17、20混凝土的波速值。,在导纳曲线上，f2=360Hz的谐振峰为桩底反射， f3=700Hz、 f4=950Hz的谐振峰是桩身断裂界面的响应，根据上述值，由f2,和f3计算的缺陷分别为：4.89m和2.2m.,该实验桩：在2.2m和5.0m处设置了两个薄的夹层，为多处缺陷,35,导杆式锤击预制方桩：0.30.37m，使用反射波法测得波形曲线,导杆式锤击预制方桩：0.30.37m，使用机械阻抗法测得导纳曲线,反相，阻抗从小到大；桩头浅部出现问题，为问题桩，但是不能判断。,浅部缺陷明显，频差=1028-100=928Hz,场地平均波速为3500m/s，计算得缺陷距离为：1.9m.,36,预制桩长14

18、m，上节5米，下节9米，0.350.359钢筋笼式方桩在四角550400mm角钢焊接，两节之间有520mm的孔隙，填入5mm的钢垫板2块。,平均频差为360Hz，波速设为3600m/s，计算的桩长为5米，与实际一致，但是由于该处断裂，应力波信号无法达到桩底部，因此以下状态不能判断。,37,总结,1. 机械阻抗法，从原理和理论上较为完善，但由于桩底支撑条件、桩断面不规则、上层变化复杂和测试技术等因素的影响，实测与理论导纳曲线差别较大，尤其水下作业成孔灌注桩更为突出，因此，需要丰富的波形分析经验，并要与工程实践相结合，才能准确判断桩的完整性。,2. 桩径比L/D是决定机械阻抗法适用范围的主要因素之一，当L