《高应变讲义》PPT课件.ppt

培 训 内 容,PDA基桩高应变动力检测关键技术及曲线拟合 基桩无损试验技术全面解决方案,PDA 基桩高应变动力检测技术,韩 亮 欧美大地仪器设备有限公司 部门经理 岩泰高新技术顾问有限公司 总经理,提纲,高应变动力检测基础知识 高应变动力检测现场操作 实测数据分析 数据解释及计算 CASE法 CAPWAP法 实例分析,基础知识,基本概念 桩的基础知识 基本试验过程,桩基类型,钢桩 H型 钢管桩 (端部开口或闭口) 混凝土桩 ( 预应力或常规的钢筋混凝土桩 ) 木桩 复合桩 沿桩长均匀材质 (充填混凝土管桩) 沿桩长不均匀材质 钻孔桩和螺旋钻孔桩,基本概念,应力波概念及基础知识 应力波 振动与波动 反射波 波阻抗 反射系数 自由端和固定端反射波 基本假定：一维、弹性、连续、杆,应力波概念和基础知识,一均匀弹性直杆的一端（如左端）受到锤击作用，使直杆左边质点向右，直杆最左边一层产生压缩弹性力阻拦从左边跑来的质点，并给予跟最左边一层相邻的右边质点以朝左的速度。因此变形将在最左边的一层中消失，而在紧挨着的右边一层中产生，这样杆最左端受到的扰动就由近及远向右边传播过去。这种扰动传播现象称为应力波。 扰动引起介质质点运动方向与应力波的传播方向一致，称为纵波-压缩扰动和拉伸扰动。 介质质点运动方向与应力波的传播方向垂直，称为横波-剪切扰动。 介质质点纵向运动和横向运动耦合起来的应力波-表面波。,波动与振动,在波动过程中，沿波传播方向，后一被扰动的质点的振动相位总是滞后于相邻的前一个被扰动的质点，这是波动的一个重要特征。如果介质所有质点振动相位都相同，则为全部质点作整体的振动，而不是波动。波动过程中介质中各个质点都只在各自平衡位置附近作振动，它们并不随波动过程传到远处，被传播的只是扰动状态，而不是振动的质点。因此波动与振动密切相关，但两者是两种不同物质运动形式，不可混为一谈,反射波,波阻抗 Z=AC=EA/C 其中：A横截面积 质量密度 E弹性模量 C平均波速 阻抗的变化是反射波的基础和前提,反射波,应力波在阻抗变化界面上反射 根据连续条件，界面两侧质点速度相等 Vi+Vr=Vt 根据牛顿第二定律，界面两侧应力相等 i+r=t 通过推导，可得r=R i Vr=-RVi 反射系数 R=（1-n）/（1+n） n=Z1/Z2 当n1即Z1Z2时，R为负，反射波引起的质点速度与入射波引起质点速度同号，反射波应力与入射波应力异号； 当n1即Z1Z2时，R为正，反射波引起的质点速度与入射波引起质点速度异号，反射波应力与入射波应力同号；,自由端 R = 0,冲击作用产生,向下传播的压缩波 (+F = +Zv),自由端受到的力为零,自由端反射向上传播的拉伸波 (-F = +Zv),自由端 +F -F = 0 v +v = +2 v 桩端向下运动，2L/c时刻拉动桩顶向下,+F +v (向下),-F +v (向下),极端状态1-两端自由,F v,+F +v,-F +v,桩底力为零，桩顶和桩底速度加倍,极端状态1-两端自由,固定端 R 2F,冲击作用产生,向下传播的压缩波 (+F = +Zv),固定端运动速度为零,产生上行的压缩波 (+F = -Zv),固定端 +F +F = +2 F +v -v = 0,+F +v,+F -v (向上),极端状态2-一端固定一端自由,+F +v,+F -v (向上),固定端速度为零，桩底和桩顶力加倍,极端状态2-一端固定一端自由,静载试验,堆载反力,锚桩反力,测试系统要求：灵活、小型化 不同的桩基类型 不同的桩基尺寸 需要运输至现场,在瞬态荷载作用下，使桩土体系产生一定的塑性变形，其应变水平大于或等于静载试验的动力试桩称为基桩高应变动力试桩。 距离桩顶一定距离对称安装力传感器和加速度传感器，量测并记录桩土系统的动力作用响应信号。,高应变试验,打桩监控试验,由实测应变 ( )得到力F F (t) = E A (t) 由实测加速度得到速度V V (t) = a(t) dt,基桩动测,F -Z.V,试验目的,单桩竖向极限承载力 保证（或试验）承载力-未充分激发 桩身结构完整性 打桩监控 桩身锤击应力状态及其分布-压应力和拉应力 桩身锤击能量传递比-桩锤实际传递给桩的能量 承载力时间恢复系数-初打试验与复打试验 主要目的：承载力单桩竖向承载力,波动传播,桩顶,桩底,波动传播,下行波,桩顶,桩底,下行波 F+, V+ ( F-, V- ) (同号) F = Zv,波动传播,上行波（反射）,桩顶,桩底,上行波 F+, V- F-, V+ (反号) F = - Zv,T,T + t, = / L = v t / c t, = v / c, = E = v E / c,F = A = EA = v EA / c F = v EA / c,应变的比例性或FT1和VT1成比例 对于下行波 = v / c 对于上行波 = - v / c FT1 = VT1 x EA/c 桩身阻抗 “EA/c” = c A = “Z”,下行波 F = （F + ZV）/ 2 上行波 F =（F ZV）/ 2,F = F + F V = V + V ZV = ZV + ZV ZV = F - F,F = Zv F = -Zv,WU -WD,桩身中任意点的力和速度 都是上行波和下行波的叠加,+F +v,-F +v,易打阶段,+F +v,+F -v,难打阶段,易打阶段,难打阶段,下行波 = ( F + Zv ) / 2 = WD 上行波 = ( F - Zv ) / 2 = WU F = WD + WU V = ( WD - WU) / Z,冲击作用,下行压力波 (+F = +Zv),激发的土阻力 (R),结果下行拉力波和上行压力波，数值均为R/2,R,R,+F +v,“固结”,高应变现场试验,打桩监控试验,高应变动力检测,试验仪器,PDA包括两种类型：PAK和PAL PAL-PAL-L和PAL-R,采集及分析软件,PDA-W CAPWAP,试验准备-桩头处理,打入桩-一般无需特殊处理 灌注桩-需制作桩帽 桩帽截面尺寸与原桩身相同，高度一般12D 去除桩顶软弱混凝土，露出新鲜砼面并凿平； 将所有主筋接至顶端，各主筋处于同一高度； 使用钢板护筒，顶部设置3层钢筋网片，间距100mm；网片下每隔100mm设置箍筋； 混凝土强度等级比原桩身至少提高1个等级且不低于C30。,传感器安装,对称且同一检测截面 垂直安装 加速度传感器极性,至少2个应变传感器，补偿偏心影响 沿轴中心对称安装 若要评价两个方向的偏心情况，需要4个应变传感器,使用膨胀螺栓和量板钻孔固定应力环加速度计，两传感器间距510cm,压电式PE加速度传感器 通常坚固耐用 用于一般情况 (混凝土桩或钢桩) 压阻式PR加速度传感器 用于钢对钢的冲击 (也可用于混凝土桩),PE加速度传感器具有高共振频率，而无阻尼 PR加速度传感器具有低共振频率，带有阻尼,加速度传感器,桩顶下2 倍桩径处,传感器安装需要注意,远离非均匀处 (如接桩、焊接处或面积变化处; 最好在其下大于1 D) 避免安装至“裂缝”处 (缝隙会产生错误的应变读数) 处于地面或水面以上 接头处于水面以上 复合桩（如充填混凝土管桩）是否需要切割窗口,对于摩擦桩来讲，锤重最低为Qu的1% 一般为Qu的1.52% 锤垫厚度一般约50mm（胶合板为佳） 根据实测应力情况控制落高，不能出现有破坏性的应力；重锤低击原则,锤重、锤垫及落高,CT,交流电干扰-使用直流电供电,V1 安装倾斜降低幅值,数据采集时传感器安装对信号的影响,平均的力成比例且合理，2个力传感器可以补偿较大的偏心,锤击过程如果对中不好会产生严重的偏心,即使大的偏心，两道速度曲线一致性很好,两道速度曲线一般重合性较好,桩身参数 (传感器位置) 面积 “直径” (传感器位置和周长) 测点下桩长 材料参数 质量密度 SP 弹性模量 EM 平均波速 WS EM = c2 = (SP / g) WS2 (注意单位!) 入土桩长 LP （用于CAPWAP分析） 均匀桩身或非均匀桩身-桩身阻抗变化,现场试验输入参数,一般桩身材料参数,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 无清晰的桩底反射位置,VT1 x Z = 6.62 x 141.6 = 937 FT1 = 1014 Z新 = Z老 x 937 / 1014 = 130.8,解决办法: 根据经验（或其他桩或EOD）定义WS,桩号、工程名 、复打和初打日期 锤击信息，如锤重、落高 所需的承载力 (极限值还是设计值) 打入桩的垂直或倾斜情况 工程地质情况，如土层性质、分层及其力学性质 目测桩身材质情况 施工或测试中的一些不寻常情况 静载试验结果及日期 锤击数或每击贯入度,数据采集时应记录如下信息，便于以后计算分析,实测数据问题一般出自下列方面 传感器问题 电缆问题 传感器安装问题 桩身存在严重缺陷 传感器标定系数问题 判断问题,数据质量,如何发现问题? 各锤击信号之间曲线一致性差 曲线比例性差 标定系数? 平均波速? ( = v/c ) 非均匀桩身? 传感器靠近地面附近? 使用柴油锤? (预燃作用) 起跳时间长? (桩垫太软) 计算结果不合理 观察PDA“警告”信息并浏览每一道信号,比例性?,Proportional ?,数据质量,数据质量,F2应力传感器松动,加速度传感器松动,第二道加速度！,数据质量,V2道数据问题,比例不好,比例好,发现问题后需要作如下工作： 替换传感器 替换电缆 修理有缺陷的传感器和电缆 正确安装传感器 螺栓松动 沿桩中轴线对齐 使用2个应力传感器补偿偏心影响 加速度传感器方向,小结,实测数据分析,1. 选择记录遵循 比例性好 无电子或机械噪音 经两次积分得到的最终每击贯入度接近实测贯入度且最终速度曲线为零 力曲线最终为零 上升时间短 2. 对于高土阻力的情况（每击贯入度小于3mm/击），选择高能量/高打击力的记录；对于低土阻力的情况（每击贯入度大于8mm/击），选择低能量/低打击力的记录,选择记录-解释数据时须选择质量好的数据,检查每一道信号: 适度的偏心 OK 两道速度一般一致性非常好,确保输入参数正确(LE, AR ),WS错误 (3800 m/s) 比例性? 起跳时间?,WS正确 (3300 m/s),对混凝土桩来讲，波速和弹性模量非常重要,Wrong WS (3800 m/s),Correct WS (3300 m/s),实际测量的是2L/c时间 若已知L, 可计算c 若已知c, 可计算L 若拉伸反射清晰，可估算 桩长（由假设的c） 缺陷位置(由 c) 土阻力分布 (以第一起跳点为参考),CSX 259 MPa EMX 18.4 T-m,CSX 186 MPa EMX 9.8 T-m,桩底反射 不清晰,桩底反射 清晰,选择打击力和能量更高的记录,WS 3911 m/s BN 3,WS 3911 m/s BN 2045,使用 或 调整 WC,WC 3556 m/s BN 2045,3911 m/s,波速是变化的,倒数第二锤信号: 比例性: OK 最终贯入度: 不太好,最后一锤信号: 比例性：OK 最终贯入度： OK 能量：OK,R,R / 2,上行波,提供Rs分布信息斜率越大表明单位侧摩阻力越大,上行波,单位摩阻力分布,数据解释,CASE法 CASE技术学院Goble教授等人经过十多年研究，以行波理论为基础推导出一系列计算公式，用于确定打入桩（或符合或接近假设条件的钻孔桩）承载力；同时现场打桩监控试验时可同时得到桩身完整性变化、桩身应力变化和锤击能量传递等计算结果 CAPWAP法 实测波形拟合法假定桩土力学模型及其参数，利用实测桩顶（附近检测截面质点）的速度（或力、上行波、下行波）曲线作为输入边界条件，数值求解波动方程，计算桩顶（附近检测截面质点）的力（或速度、下行波、上行波）曲线。如果计算的曲线与实测的曲线不吻合，即假设的桩土模型或其参数不合理，然后根据具体情况调整模型及参数重新计算，直到计算曲线与实测曲线吻合。,CASE法承载力计算基本假设条件,Rs=RT-Rd 桩身等阻抗（截面积和材质均匀，无明显缺陷） 动阻力主要集中于桩端，桩侧无动阻力（即桩侧不考虑阻尼影响） 刚-塑性土（静）阻力模型 应力波在传播过程中，只考虑土阻力的影响,CASE承载力-阻尼系数法RSP RS (t) = (1 - Jc) WD1 + (1 + Jc) WU2 RS (t) = (1 - Jc) (FT1 + ZVT1)/2 + (1 + Jc) (FT2 - ZVT2)/2 T2 = T1 + 2L/C,Jc阻尼系数,砂砾,0.3,0.4,砂土,0.4,0.5,粘土,0.7,1.0,粉土,0.5,0.7,颗粒大小减小,阻尼系数增加,Jc阻尼系数的确定- RSP受Jc影响很大,经验地根据桩端土的颗粒大小确定 根据CAPWAP结果或静载试验结果确定 Rs = (SLT or CW) = Rt - Jc (2 WD1 - Rt ) Jc = Rt - Rs / 2 WD1 - Rt ,阻抗均匀的中小型桩,CASE承载力-最大阻力法 RMX,RX5,RP5,RMX 对阻尼系数J不敏感,端阻比重大的端承桩或端阻需较大位移高弹限的大直径桩；刚塑性土模型不成立，向右移动t1找出Rs最大值； Jc系数由0.4到1.0 选择高值，结果偏于保守,CASE承载力-卸载补偿法RSU 考虑了“早期卸载”,出现卸载，将其一半添加给RT 以补偿由于提前卸载造成RT减小,如果速度在2L/c前为负,则上部土阻力可能早期卸载 ，可使用卸载法,长摩擦桩,CASE承载力-自动法RAU和RA2,在桩端质点运动速度为零时，动阻力为零，有两种与Jc取值无关的承载力计算方法，即RAU法和RA2法。 RAU法适用于桩侧阻力较小的情况，在RMX法中已指出，桩顶位移的最大值滞后于速度的最大值的时间为tu,0，同理可推知桩端位移最大值也会滞后于桩端最大速度，在桩端速度变为零的时刻，RAU法计算出的土阻力显然包含了端阻力的全部信息，因此RAU法适宜于端承型桩。 RA2法适用于摩擦桩，当桩端速度为零时，显然端阻力得以充分激发，但桩身中上部可能土阻力已卸荷，RAU计算的承载力自然是桩上部土御荷后某一时刻的值，显然小于土的极限阻力，因此对摩擦型桩，特别是桩侧摩阻力较大的桩，RAU法是偏于保守的。为此，Goble等人针对具有一定摩阻力的桩提出另一种自动计算承载力的方法RA2。,CASE法的局限性, 假设条件苛刻且桩土模型理想化，与工程桩 实际差别较大，计算结果的可靠性降低 Case法阻尼系数Jc为地区性经验系数，物理意义不明确，取值的人为因素较多，需要通过动、静对比试验来确定。 桩身阻抗有较大变化时，CASE法无法考虑，严重影响计算结果。 Case法不能将桩侧摩阻力与桩端承力分开，且不能得到桩侧摩阻力分布。,CAPWAP法 CAse Pile Wave Analysis Program CAPWAP 自从1969年诞生 自1974年开始计算机自动拟合 交互式拟合 自1988年开始自动拟合和交互式拟合,1 建立桩模型及假设土模型(R桩侧和R桩端),R桩侧,R桩端,5 返回步骤2,4 调整R桩侧和R桩端,3 计算Fc实测的Fm进行比较,2 使用一条实测曲线(如速度vm)计算另一条曲线（如力Fc）,vm,Fc,Fm,第一次拟合 (差),最终拟合结果 (好),参数调整, 实际上是一迭代计算过程,CAPWAP 拟合可由计算机 以完全自动方式完成,CAPWAP桩身模型,Zi-1,Zi+1,Zi,Li,划分成一系列均匀的桩段，通常约为1m长,t =Li/ci,所有桩段的应力波旅行时间t相同 (一般约0.2 0.25 ms),对每一桩段来讲，桩身阻抗Zi = EiAi/ci ，ci波速,CAPWAP土模型,桩侧土模型 桩端土模型 辐射阻尼模型,土模型,土段长度 2 m,弹簧(静阻力模型) 阻尼壶 (动阻力模型),桩段长度 1 m,Ri=Rdi+Rsi,mt,Rui, qi,Rt, qt,Ji,JT,JSK,JBT,mPL,桩侧阻力,tG,ms,RNs,RNs-1,土阻力模型,mt,Rui, qi,Rt, qt,Ji,JT,JSK,JBT,mPL,桩侧阻力,tG,ms,RNs,RNs-1,CAPWAP 土阻力模型,mt,Rui, qi,Rt, qt,Ji,JT,JSK,JBT,mPL,桩侧阻力,tG,ms,RNs,RNs-1,CAPWAP 土阻力模型,通常 不用,桩侧土静阻力模型,Sk,Rk,卸载水平 UNld（Ruk）,最大卸 载弹限 CSkn（QSkn）,最大加 载弹限 QSkn,极限 静阻力 Ruk,重加载水平 LSkn（Ruk）,Ksk,us,Ru,s,Rs,弹限, qs,桩侧土静阻力模型,Ru,n UN = -Ru,n/Ru,s,卸载弹限, qs cs,Rs,Rs,ut,Ru,t,Rt,弹限, qt,桩端静阻力模型,卸载弹限 qt ct,桩底土隙: tg,动阻力模型: Rd = Jv v Rd = JCase Z v = JSmith Ru v,桩段速度 v,阻尼系数转换公式: JSmith = Jv /Ru JCase = Jv /Z JSmith = JCase Z / Ru,Rd,V,CAPWAP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 桩端卸载弹限系数,1 桩侧卸载水平 + 1桩端土塞 + 1桩端土隙,1 桩端阻尼选择 + 4 辐射阻尼模型参数,未知数总共：3 NS + 13,如一根长度20m的桩，则总共有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,未知数总共：NS + 8,对于入土长度20m的桩: 18个未知数,拟合收敛标准,各土层侧阻力及阻力分布符合岩土工程合理范围 拟合质量 四个时段 MQ=Fc-Fm/ Fp 锤击数拟合 计算的锤击数与现场实测的锤击数进行比较,推荐的拟合过程,1. 数据输入: 选择正确的实测记录 2. 数据调整（通常自动完成） 3. 建造桩模型（通常自动完成） 4. 运行自动CAPWAP拟合 5. 检查并调整土阻力分布 6. 检查阻尼参数 7. 检查计算的锤击数 8. 找到最好的拟合质量对应的计算结果 9. 输出结果,对于大多数土来讲，单位侧摩阻小于 200 kPa 拟合每击贯入度(如果“每击贯入度差” 1 mm，将会影响结果) QT (+TG) 8 mm / blow )时不用SK,CAPWAP “准则”,CAPWAP实例,第一次拟合分析,输入 F 拟合 F,输入 F 拟合 v or,输入 v 拟合 F or,上行波拟合,RU = 782 kips RT = 68 kips JS/JT = .05/.15 s/ft (JCS/JCT = .75/.22) QS/QT = .10/.12”,RU = 782 kips RT = 400 kips (提高桩端阻力),RU = 782 kips RT = 600 kips,RU = 782 kips RT = 705 kips JS/JT = .45/.02 s/ft (JCS/JCT = .75/.22) QS/QT = .10/.12”,上行波拟合,RU/RT = 782/705 kips JS/JT = .45/.02 s/ft (JCS/JCT = .75/.22) QS/QT = .10/.12”,RU/RT = 782/705 kips JS/JT = .30/.05 s/ft (JCS/JCT = .50/.76),RU/RT = 782/702 kips JS/JT = .29/.05 s/ft (JCS/JCT = .50/.76) (调整土阻力分布),Prev.,上行波拟合,RU/RT = 765/686 kips JS/JT = .28/.06 s/ft (JCS/JCT = .48/.82),RU/RT = 782/702 kips JS/JT = .29/.05 s/ft (JCS/JCT = .50/.76),RU/RT = 765/686 kips JS/JT = .26/.07 s/ft (JCS/JCT = .44/.97) QS/QT = .06/.12” 卸载参数,可见：比较好的拟合结果,图形输出,数据表输出,数据表输出,Case法结果,附加表,CAPWAP需要注意的问题,信号选择：复打试验的最初一、二锤，采集质量要高。获取高质量的、能客观反映桩土力学性状的测试信号是做好高应变动力试桩的关键环节。 桩、土参数的选择：参考工程地质资料，均匀场地上参数取值的均衡性，符合工程常识，选择的土模型与工程