桩身完整性高应变动测法[详细]

1、高应变动测法,高应变动测法是用重锤冲击桩顶，使桩土产生足够的相对位移，以充分激发桩周土阻力和桩端支承力，通过分别安装在桩身两侧的力和加速度传感器接收量测力和桩、土系统响应信号，从而计算并分析桩身结构完整性和单桩竖向承载力。,高应变试验方法： （1）动力打桩公式法： 量测打桩最终贯入度，锤重和锤落高。用它估算单桩极限承载力。 （2）波动方程分析法（smith法）： 量测最终贯入度，锤重、落高和设定桩、土、垫层一系列参数。用它预测单桩极限承载力；打桩拉、压应力和沉桩能力分析。 （3）波动方程半经验解析法（case法）： 量测桩顶力和速度（加速度信号积分）时程波形。可估算单桩极限承载力和桩身结构完整

2、性作出评价。,（4）波形拟合法： 量测桩顶力和速度时程波形。可判定单桩极限承载力，评价桩身结构完整性，估计桩侧与桩端土阻力分布和摸拟静载荷试验的Q-S曲线。 （5）静动试桩法： 量测桩顶力和位移时间程波形，可判定单桩极限承载力。 目前采用较多的CASE法，波形拟合法较为广泛。,一、现场检测技术 1、锤头 锤头形状制作按建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2003）中，对锤重和锤形选择以强制性条文的形式作为严格规定，锤头材质均匀，形状对称，锤底平整，高径（宽）比不得小于1，采用铸铁或铸钢制作。锤高、宽比一般2：1或1.5：1。,2、起重设备 锤头起吊一般用支架或汽吊、钩机。 支架：必须注意支架导

3、向轨润滑预防支架轨道磨擦过大而产生高频横波和纵波，横波沿垂锤轴向往返传播，纵波沿重锤轴向传播，在力曲线上表现为从重锤冲击前到之后，使力曲线始终存在一个高频复杂的振动波干扰。 汽吊及钩机：锤的轴心线与桩的轴心要重合，如稍偏心，出现产生偏心力，两边对称的力和加速度传感器得不到大小相同信号，并且有可能产生机械振动干扰、出现力曲线上存在高频信号干扰。,3、桩垫 桩垫是影响实测波形重要因素：其作用有二个：一是使锤击力分布均匀、调整锤击过程的持续时间，将锤击能量更有效地往桩顶传递。二是缓冲锤体的冲击力，使打桩压应力不超过容许值。选用材料有胶合板、薄木板，特制的布垫或纸垫；还可以标准细砂找平（厚度10-30

4、mm为好）,4、桩头处理 对于混凝土灌注桩先凿掉桩顶部的破碎层和软弱浮浆层，桩头顶面平整、桩头中轴线与桩身上部的中轴线应重合，桩头主筋应全部直至桩顶混凝土保护层之下，各主筋应在同一高度，距桩顶1倍桩径范围内，用厚度35mm钢板围裹或距桩顶1.5倍桩径范围内设置箍筋，间距不大于100mm，桩顶设置钢筋网片2-3层，间距60100mm，桩头混凝土强度等级比桩身混凝土提高12级，且不低于C30，桩头侧点处截面尺寸与原桩截面尺寸一致。预制桩桩对不受损，可以使用。,5、传感器安装 按国家标准建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2003）附F有关要求。 （1）传感器必须安装在离桩顶23倍桩径位置，对于大直

5、径桩，传感器与桩顶之间距离可适当减少，但不得小于1倍桩径。如遇到桩身截面突变处，要避开，尺量桩身截面一致处为好。避开桩顶附近复杂的应力应变状态。 （2）传感器必须对称安装在桩两侧面，应变与加速度传感器的中心应位于同一水平线上，应变和加速度传感器之间大于80mm。传感器的中心轴应桩中心轴保持平衡。 （3）各传感器的安装面材质应均匀，密实、平整、并与桩轴线平行，否则应采用磨光机打磨平整。 （4）传感器安装使用螺栓的钻孔与桩侧表面垂直，牢固。不能由于锤击振动引起松动或接触不良、尤其力传感器位置有良好的平整面。 （5）安装完毕后，检查应变传感器紧贴程度是否松动，对其初始应变值进行监视，保证锤击时可测轴

6、向变形余量。混凝土桩大于+1000；钢桩大于+1500。,6、测试参数选取 测试前对设定相当重要，要认真结合仪器使用动能要求进行设定选取。 （1）采样时间间隔50200，信号采样点数不少于1024点； （2）传感器的设定值按计量检定结果设定； （3）测点处的桩截面尺寸按实际测量确定，波速，质量密度和弹性模量设定； （4）测点以下的桩长和截面积按设计文件或施工记录提供数据设定。,桩身材料弹性模量按公式计算 E=2 E桩身材料弹性模量（KPa） 桩身应力波传播速度（m/s） 桩身材料质量密度（t/m3） 7、仪器工作状态检查。 在正式试验之前，检查仪器是否正常工作状态，对已连接好的各种传感器核验，

7、对检测仪进行仪器自检，并观测量测系统置于正常。,8、锤击择选 按国家标准建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2003）中附录条文进行，具体大致如下： 对于摩擦桩或端承摩擦桩，锤重一般为单桩极限承载力的1%，但摩擦端承桩的锤重还要大些，才有可能把桩打一定的贯入度。 锤高大小是影响峰值和桩顶速度的重要因素。落高过小，能量不足；落高过大，力峰值过大，易击碎桩顶。一般的落高1.0-2.0m之间，最高不应大于2.5m，最好重锤低打。 选择锤重和落高要使桩贯入度不小于2.5mm，但也不要大于10mm。贯入度过小、土强度发挥不充分，贯入度太大不满足波动理论、实测波形失真 。 对于嵌岩桩，在选用锤重和落高时要

8、注意不能把嵌固段打动，否则嵌固力不能恢复大大降低桩承载力。,9、检测时应及时检查采集数据的质量。 高应变动测用重锤冲击，当每对受检桩记录冲击有效锤击信号后检查所采集信号进行观察分析，发现测试曲线采集不理想，应认真检查桩头、传感器有无异常。一般出现较多异常原因： 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； 严重锤击偏心，两侧力信号幅值相差超过1倍； 触变效应的影响、预制桩在多次锤击下承载力下降； 四通道测试数据不全。,10、现场测曲线判断。 （1）力传感器未上紧，波形产生自振；,（2）波形信号不回零，表明靠近测点附近混凝土有塑性变形；,（3）波形峰值处力大于速度，表明靠近测点附

9、近桩身有扩颈或垫层和桩相连；,（4）波形峰值处速度大于力，表明靠近测点附近桩身桩相连。,（5）波形峰值处速度大于力，力波不回零，表明测点附近桩身有裂缝，或传感器安在新接桩头上，接头连接没有做好。,一般正常F和ZV曲线： 波形没有明显的高频杂波信号干扰； 两组F和ZV时程波形最终回归零值； 两组F和ZV时程波形的峰值前应重合，峰值后两者协调； F曲线一般为正值、因为在桩顶附近应力为压力； 在桩底反射信号出现前、ZV曲线应在F曲线的下方，它差值的一半等于对应时刻接受到的阻力值； 由加速度信号积分得到的位移曲线一般是先急剧上升，接着突然下降，下降到最小值后又缓缓上升，最后稳定在一条水平线上。,二、C

10、ASE法 CASE数学模型 CASE法的数学模型较为简单，只考虑桩和桩周土的简化模型。 （1）把桩假定为均匀连续的一维杆，并且物理参数在测试的时间内是不变化的，称为时不变。 （2）土的模型 试桩时认为桩、土界面发生破坏，桩的承载力为桩的支承能力。 实测总阻力近似看成静阻力和动阻力两部分组成。 R总=R静+R动,静阻力RS简化为理想刚塑性模型，即当土中应力达某一数值后，不随变形增加而增加，忽略弹性变形（图a）,于是 R(Z)=Ru 动阻力Rd简化为与桩的运动速度成线性关系的粘滞阻尼模型，用一个阻尼表示（图b）: Rd=J(z)V（z) 式中：J(Z)深度Z处桩侧土粘滞阻尼系数（kNs/m），为直

11、线斜率。 V(Z)深度Z处桩身运动速度（m/s）,动力试桩实际用的是smith阻尼系数和case阻尼系数： 当用smith阻尼系数时，Rd=JS(Z)Ru(Z)V(Z) 当用case阻尼系数时，Rd=JC(Z)ZV(Z) 式中：JC(Z）case阻尼系数是无量纲参数 Z桩身阻抗（kNs/m） 对上述case法数学模型成立，用case法分析方法分析，把试桩看成三条基本假定： 桩身是等效阻抗的（Z=），Z沿桩身不变。该假定对钢桩，预制桩和预应力管桩在桩身无缺陷性况下基本适用；而灌注桩断面是不均匀，桩身即使无任何缺陷也难以达到，在该假定条件下，实测信号除了土阻力和桩底信号的反射波外，设有任何阻抗变化

12、的反射波。 动阻力集中在桩底，忽略桩侧动阻力。 忽略应力波在传播过程的能量损耗，包括桩身中内阻尼损耗向桩周土的逸散。在该假定条件下，应力波传播过程没有波形畸变和幅值的变化。,Case法单桩承载力确定： Case法动测试桩，在有足够能量锤击桩顶时，可以激发出桩周土阻力，实测桩顶附近的力和速度程波形。,由波动方程和行波理论可推导得到case法单桩极限承载力公式： Rn=RJC(2FtR) R=1/2F(t1)F(t2)Z/2(V1V2) 式中: Rn单桩极限承载力 R打入总阻力 F(t1)、V(t1)t1时刻力和速度值 F(t2)、V(t2)t2时刻桩顶反射处的力和速度值。 t1时刻可取在第一峰值

13、，第二峰值或最大峰值处。三种取法一般情况其结果相差不大，如果有明显差别、应选择提供最大静阻力的位置。 t2为桩底反射点位置，(t1+2L/c) t1和t2确定后，在波形上F(t1)、F(t2)、V(t1)、V(t2)都有桩身阻抗Z可根据桩径和波速计算得到：case阻尼系数JC可由静、动对比结果反算求得或经验取值。,一般case阻尼系数通过大量静、动对数据各土层取值范围： 凭经验选取case阻尼系数要慎重，望大家大量进行静动对比试验资料，建立地方case阻尼系数。 Case法分析有多种方法： 阻尼系数法（RSP）,最大阻尼力法（RMX）,卸载法RSU,自动法（RAU）。 但case法推算基本准确

14、，最好采用其它方法进行计算。,三、波形拟合法： 波形拟合评价单桩极限承载力，目前认为是最先进技术，它具多解性，无唯一解。在拟合过程可调整的参数有侧阻，端阻，最大弹性位，土阻尼系数，桩截面积，波速和混凝土弹性模量等，改变以土任何一个参数都可能使某些单元段计算波形和实测波形吻合。 1、波形拟合基本原理 波形拟合现场测试和数据采集与case法完全一样，得到的是两根实测波形F(t)和V(t)。实测波形包含有桩身阻抗变化和土阻力（桩承载力）信号。 把桩划分若干分段（单元），假定各分段的桩、土参数。如桩身阻抗、土的阻力及沿桩身分布，最大弹限QK和阻尼系数JS或JC等。用实测的波形速度或力，作为已知边界条件

15、进行波动程序计算，求得力或速度波形。也就是用计算波形法拟合实测波形，两者进行比较，直到两者吻合程序达到满意为止。从而得到单根限承载力，桩侧阻力分布，计算的荷载沉降曲线（QS曲线）和桩身结构完整性。,波形拟合过程反复迭代计算过程（框图），要得到各分离单元的速度响应曲线，可以解波动方程得到各单元的力曲线FC。将计算的曲线FC和实测的力曲线Fm进行比较，并调整各单元参数值得FC和Fm良好吻合。认为对桩、土参数假定实际情况接近，即为试验所得需要结果。,2、波形拟合法的数学模型。 波形拟合法的数学模型分为桩身和土的模型 （1）桩身模型 波形拟合法采用“连续”，把桩看作连续的、不变的，线性的和一维的弹性杆

16、件。把桩划分为Np分段长度保持应力波在通过每个分段时所需的时间相等，分段本身阻抗是恒定的，但各分段阻抗可以不同。桩身内阻尼引起应力波的衰减可用衰减率模拟。有的计算软件，还可考虑裂缝在受力过程中的闭合张开程度，局部不密实的混凝土应力应变的非线性关系问题。,（2）土模型 波形拟合法将土简化为理想弹塑性模型模型。,（a）、(b)是桩侧阻和桩端阻的静阻力模型。当土位移Qkm小于最大弹性位移Qk时、应力应变呈线性关系，一旦位移达到最大弹性位移Qk值，应力不再随应变增加而增加，土进入塑性状态。 Rk(z)=(u(z)/Qk) Ruk (u(z)Qk) Rk(z)=Ruk (u(z)=Qk) 式中：Ruk桩

17、在Z深度处土的极限静阻力（mm） Qk土的最大弹性位移（mm） u(z)深度Z处土位移(mm) 实际土是弹塑物质，应力应变关系实际上是非线性关系。加载和卸载过程表现出不同性质，以上的模型是很近似。当桩受锤击后，桩身除向下运动（加载过程）外，还可产生回弹（卸载过程），所以计算程序除了有加载弹限Qk（最大弹性位移），还给定卸载弹限Qkm（卸载最大弹性位移）参数，在相同极限阻力条件下，QkmQk。 桩身上、下运动有可能反复多次，所以条件考虑了反复加载程度（重加载水平）RL和RLt参数。,桩出现回弹，局部单元向上运动，桩侧开始卸载，当桩土相对位移出现负值时，侧阻方向下（卸载水平）。 桩尖静阻力模型中图

18、b，由于桩尖不能受拉，不存在卸载水平，灌注桩桩底有可能存在沉渣或虚土，预制桩由于打桩挤土效应会使桩上抬，桩尖产生缝隙。故分析中设置“土隙”参数GAP。,3、波形拟合法计算要考虑主要参数 波形拟合法中，为了使计算波形和实测波形吻合，优先调整的参数是各分段单元的侧阻力Rsk，桩侧土阻尼系数JC,最大弹性位移Qk和桩端阻力Rut，桩端土最大弹性位移Qt、桩尖土阻尼系数Jct。 调整土阻力Ruk、Rut 当某分段单元的侧阻Ruk增加，该分段单元往后计算力波形Fc(t)一起升高；桩端土阻力Rut增加，2L/C处及其后Fc(t)波形一起升高、而对2L/C以前分段单元无影响。桩侧Ruk增加，使计算贯入度减少

19、。 调整阻尼系数JC和JCt 动阻力大小和运动速度，阻尼系数成正比，某单元桩侧或桩尖土阻尼系数JC和JCt增加，相应的Fc(t)波形上升，反之Fc(t)下降。阻尼系数过低会使计算Fc(t)波形后段产生低频振荡。桩头土阻尼系数增加会使计算的贯入度减小。阻尼系数JC值一般在0.012间变化。,调整土的加载最大弹性位移Qk 当调整个别分段单元的Qk值时，对计算力波形影响不大，连续调整许多分段单元Qk值才对Fc(t)有显著影响。 当Qk值增加时，使Fc(t)波形逆时针方向转动，即上部分段单元Fc(t)波形下降，下部分段单元Fc(t)上升。 当Qk值减少时，使Fc(t)波形顺时针方向转动，即上部分段单元

20、Fc(t)波形上升，下部分段单元Fc(t)下降。 当桩底土Qkm值减小，会引起桩底土的快速加卸载，使2L/C处Fc(t)波形上升，稍后Fc(t)波形下降。 桩底土Qkm减小，使计算贯入度增大。无论是桩侧或桩底土，其最大弹性位移值一般都在110mm之间变化。,4、波形拟合法的桩阻抗变化。 桩身阻抗Z=EA/C,当改变桩截面积A或混凝土弹性模量E或应力波速C都可使桩身阻抗变化。 桩身截面积变化：当某分段单元截面积增大，对应单元的计算力波形Fc(t)上，而下一单元相对上单元为缩颈，因此往下单元Fc(t)，波形下降；桩尖位置截面积增大，对Fc(t)影响较大，使桩尖单元Fc(t)上升。 桩身裂隙的影响：

21、预制桩桩身裂缝，灌注桩桩身断桩，可以加上裂隙模拟，下行压缩波遇到裂隙要反射上行拉力波，裂隙上面单元使计算力波Fc(t)下降，裂隙下面单元Fc(t)上升。,土隙CAP的影响：对灌注桩桩底可沉渣或虚土存在，预制桩由于挤土效应，地表面土上升，使桩上抬，桩尖形成土隙，拟合程序增加上土隙，使端阻力发挥迟后，影响端阻力充分发挥，减小土隙，使2L/C前分段单元计算力波形Fc(t)上升，2L/C后局部Fc(t)波形下降。 土塞的影响：开口钢管桩或开预应力管桩，打桩过程有部分土涌入管内，动力试桩时，这部分土体成为外加质量，从而产生不可忽略的惯性力，加上土塞，使2L/C前数个单元计算力波形Fc(t)上升，2L/C 往