岩土工程原位测试之基桩动荷载ppt课件

1、岩土工程原位测试技术岩土工程原位测试技术第第7章基桩动荷载实验章基桩动荷载实验第第7章内章内 容容7.1概述概述7.2反射波法反射波法7.3Case法法7.1概概 述述一桩的动测法开展历史一桩的动测法开展历史桩的动力测试技术已有桩的动力测试技术已有100多年的历史。最早的动测方法是在多年的历史。最早的动测方法是在能量守恒原理的根底上，利用牛顿碰撞定律，根据打桩时测得的能量守恒原理的根底上，利用牛顿碰撞定律，根据打桩时测得的贯入度来推算桩的极限承载力。贯入度来推算桩的极限承载力。 近代的动测技术以应力波实际为根底。近代的动测技术以应力波实际为根底。 我国自我国自20世纪世纪70年代开场研讨桩的动

2、力测试技术，近年来开年代开场研讨桩的动力测试技术，近年来开展很快。展很快。 二桩的动测法分类二桩的动测法分类现有的各种动力测试方法根据其激发能量对于桩身的影响而现有的各种动力测试方法根据其激发能量对于桩身的影响而划分为高应变和低应变两大类，其中得到广泛运用的属于高应变划分为高应变和低应变两大类，其中得到广泛运用的属于高应变的代表性方法有的代表性方法有CAPWAPC法实测曲线拟合法和法实测曲线拟合法和CASE法；法；属于低应变的代表性方法有反射波法、机械阻抗法、声波透射法属于低应变的代表性方法有反射波法、机械阻抗法、声波透射法和动力参数法等，其中声波透射法并不需求对桩身进展激振，但和动力参数法等

3、，其中声波透射法并不需求对桩身进展激振，但习惯上仍将其归于低应变动力测试法。习惯上仍将其归于低应变动力测试法。本章仅讲述低应变动力测试法中的反射波法和高应变动力测本章仅讲述低应变动力测试法中的反射波法和高应变动力测试法中的试法中的CASE法。法。 7.2反射波法反射波法一实验方法和设备一实验方法和设备反射波法也称为应力波反射法的现场测试如图反射波法也称为应力波反射法的现场测试如图7-1所示。所示。对完好的测试分析过程可以描画如下：用手锤或力棒在桩对完好的测试分析过程可以描画如下：用手锤或力棒在桩头施加一瞬态冲击力头施加一瞬态冲击力F(t)，激发的应力波沿桩身传播，同时利用，激发的应力波沿桩身传

4、播，同时利用设置在桩顶的加速度传感器或速度传感器接纳初始信号和由桩设置在桩顶的加速度传感器或速度传感器接纳初始信号和由桩阻抗变化的截面或桩底产生的反射信号，经信号处置仪器滤波、阻抗变化的截面或桩底产生的反射信号，经信号处置仪器滤波、放大后传至计算机得到时程曲线称为波形，最后分析者利放大后传至计算机得到时程曲线称为波形，最后分析者利用分析软件对所记录的带有桩身质量信息的波形进展处置和分用分析软件对所记录的带有桩身质量信息的波形进展处置和分析，并结合有关地质资料和施工记录作出对桩的完好性的判别。析，并结合有关地质资料和施工记录作出对桩的完好性的判别。图图7-1 反射波法的现场测试表示反射波法的现场

5、测试表示手 锤F(t)传 感 器桩土分 析 仪反射波法运用的设备包括激振设备手锤或力棒、信号采集反射波法运用的设备包括激振设备手锤或力棒、信号采集设备加速度传感器或速度传感器和信号采集分析仪。设备加速度传感器或速度传感器和信号采集分析仪。激振设备的作用是产生振动信号。普通地，手锤产生的信号频激振设备的作用是产生振动信号。普通地，手锤产生的信号频率较高，可用于检测短、小桩或桩身的浅部缺陷；力棒的分量和棒率较高，可用于检测短、小桩或桩身的浅部缺陷；力棒的分量和棒头可调，添加力棒的分量和运用软质棒头如尼龙、橡胶可产生头可调，添加力棒的分量和运用软质棒头如尼龙、橡胶可产生低频信号，可用于检测长、大桩和

6、测试桩底信号。激振的部位宜位低频信号，可用于检测长、大桩和测试桩底信号。激振的部位宜位于桩的中心，但对于大桩也可变换位置以确定缺陷的平面位置。激于桩的中心，但对于大桩也可变换位置以确定缺陷的平面位置。激振的地点应打磨平整，以消除桩顶杂波的影响。另外，力棒激振时振的地点应打磨平整，以消除桩顶杂波的影响。另外，力棒激振时应坚持棒身竖直，手锤激振时锤底面要平，以坚持力的作用线竖直。应坚持棒身竖直，手锤激振时锤底面要平，以坚持力的作用线竖直。采集信号的传感器普通用黄油或凡士林粘贴在桩顶距桩中心采集信号的传感器普通用黄油或凡士林粘贴在桩顶距桩中心2/3半径处留意避开钢筋笼的影响的平整处，留意粘贴处要平整

7、，半径处留意避开钢筋笼的影响的平整处，留意粘贴处要平整，否那么要用砂轮磨平。粘贴剂不可太厚，但要保证传感器粘贴牢靠否那么要用砂轮磨平。粘贴剂不可太厚，但要保证传感器粘贴牢靠且不要直接与桩顶接触。需求时可变换传感器的位置或同时安装两且不要直接与桩顶接触。需求时可变换传感器的位置或同时安装两只传感器。只传感器。信号采集分析仪用于测试过程的控制、反射信号的过滤、放大、信号采集分析仪用于测试过程的控制、反射信号的过滤、放大、分析和输出。测试过程中应留意连线应结实可靠，线路全部衔接好分析和输出。测试过程中应留意连线应结实可靠，线路全部衔接好后才干开机。后才干开机。二根本测试原理与波形分析二根本测试原理与

8、波形分析1广义波阻抗及波阻抗界面广义波阻抗及波阻抗界面设桩身某段为一分析单元，其桩身介质密度、弹模、弹性设桩身某段为一分析单元，其桩身介质密度、弹模、弹性波波速、截面面积分别用波波速、截面面积分别用、E、C、A表示，那么令表示，那么令Z=CA=EA/C 7-1称称Z为广义波阻抗。波阻抗的物理含义为：为广义波阻抗。波阻抗的物理含义为：F=ZV式中，式中，F为波阵面所受的力，为波阵面所受的力，V为波阵面的质点振动速度。为波阵面的质点振动速度。当桩身的几何尺寸或资料的物理性质发生变化时，那么相当桩身的几何尺寸或资料的物理性质发生变化时，那么相应的应的、E、C、A发生变化，其变化发生处称为波阻抗界面。

9、发生变化，其变化发生处称为波阻抗界面。界面上下的波阻抗比值为界面上下的波阻抗比值为 7-2称称n为波阻抗比。为波阻抗比。22211121ACACZZn2应力波在阻抗界面处的反射与透射设一维平面应力波沿桩身传播，当到达某一与传播方向垂直的波阻抗界面图7-2时。根据应力波实际，由延续性条件和牛顿第三定律有VI+VR=VT 7-3A1I+R=A2T 7-4 I R Z1=1C1A1 Z2=2C2A2 T 图 7-2 应力波的反射与透射 式中，式中，V、分别表示质点振动的速度和产生的应力，下标分别表示质点振动的速度和产生的应力，下标I、R、T分别表示入射波、反射波和透射波。分别表示入射波、反射波和透射

10、波。由波阻抗的物理含义可写出：由波阻抗的物理含义可写出：I=-ZVI/A=-1C1VI速度向下为正，此时产生压应力，故式中有一负号。速度向下为正，此时产生压应力，故式中有一负号。类似有：类似有： R=1C1 VR T=-2C2VT代入式7-4，得1C1A1VIVR=2C2A2VT 7-5联立式7-3和7-5，求得VR=FVI 7-6aVT=nTVI 7-6b式中称为反射系数称为反射系数 7-7a 称为透射系数称为透射系数 7-7b式式7-6是反射波法中利用反射波与入射波的速度量的相位是反射波法中利用反射波与入射波的速度量的相位关系进展分析的重要关系式。关系进展分析的重要关系式。nnF11nT1

11、23桩身不同情况下应力波速度量的反射、透射与入射的关系1桩身完好，桩底支承条件普通此时，仅在桩底存在界面，速度波沿桩身的传播情况如图7-3所示。 0 t1 t VI VR Z1 Z2 x VT 图 7-3 桩身完好时的波传播过程 V(t) 0 t t1=2L/C 图7-4 完好桩的测试波形 由于1C1A12C2A2，所以n= Z1/Z21，代入式7-7得F0由式7-6可知，在桩底处，速度量的反射波与入射波同号，表达在Vt时程曲线上，那么为波峰位于中线的同一侧同向。典型的完好桩的实测波形如图7-4。由图7-3、图7-4分析可得激振信号从触发到前往桩顶所需的时间t1、纵波波速C、桩长L三者之间的关

12、系为 7-8式式7-8即为反射波法中判别桩长或求解波速的关系式。在式即为反射波法中判别桩长或求解波速的关系式。在式7-8的运用上，应知的运用上，应知C或或L之中的一个，当二者都未知时，有无之中的一个，当二者都未知时，有无穷个解，因此适用中经常利用统计的方法或其他实验的方法来假定穷个解，因此适用中经常利用统计的方法或其他实验的方法来假定C或根据施工记录来假定或根据施工记录来假定L，以到达近似求解的目的。，以到达近似求解的目的。12tLC 2桩身截面积变化1Ll处桩截面减小。如图7-5，可知在Ll处有n= Z1/Z2= A1/A21可得F0。于是有：VR与VI同号，而VT恒与VI同号。典型的波形如

13、图7-6所示。假定C为知，那么桩长和桩截面减小的位置可以确定如下： V(t) t1 0 t t2 图7-6 截面减小时的测试波形 2Ll处截面增大。如图7-7，可知在Ll处n= Z1/Z2= A1/A20。可得结论：截面积增大处，VR与VI反号，而VT恒与VI同号。典型的波形如图7-8所示。桩长和桩截面变化的位置可以确定如下：1122121CtLCtL V(t) t1 0 t t2 图7-8 截面变大时的测试波形 3桩身断裂1桩身在L1处完全断开。如图7-9，Z2相当于空气的波阻抗，有Z20，于是得n= Z1/Z2= A1/A2由式7-7得F=1，T=0代入式7-6a和7-6b，可得VR=VI

14、 ，VT=0即应力波在断开处发生全反射，由于透射波为零，故应力波仅在上部多次反射而到不了桩底。典型的实测曲线如图7-10所示。断裂的位置可按下式确定：1122121CtLCtL.)(21.)(212111211iittCttCCtL 0 t1 t Z1 VI VR Z2 L1 Z1 x 图 7-9 桩身断裂时的波传播过程 V(t) t1 0 t t t t 图7-10 断桩的测试波形 2桩身在L1处部分断裂裂纹。如图7-11，典型Vt曲线如图7-12。Ll处反射信号与L处桩底反射信号的强弱，随着裂纹的严重程度而不同。 V(t) t1 0 t t2 图7-12 桩身局部断裂时的测试波形 4桩身部

15、分缩径、夹泥、离析三种情况及相应的应力波传送过程表示于图7-13中，图7-14是实测波形。对此三种情况可分析如下：1缩径：缩径：n1= Z1/Z2= A1/A21，F0。所以：。所以：VR与与VI同号，同号，VT与与VI同号。同号。n2= Z2/Z1= A2/A10。所以：。所以：VR与与VI反号，反号，VT与与VI同号。同号。2夹泥和离析： V(t) t1 0 t t2 t3 图 7-14 局部缩径、夹泥、离析时的波形 1, 1112222211211CCnCCZZn所以上述三种情况的VR与VI及VT与VI的关系类似，实测中的波形特征也极为类似。桩长和缺陷位置等特征可根据图7-14确定如下：

16、桩长：缺陷位置：缺陷范围： 实践上，由于实践上，由于L2处的反射信号在前往桩顶时又经过处的反射信号在前往桩顶时又经过L1处的反射处的反射与透射，故能量较与透射，故能量较Ll处的一次反射弱，普通较难分辩。当缺陷严重处的一次反射弱，普通较难分辩。当缺陷严重时，桩底的反射信号也较弱。时，桩底的反射信号也较弱。另外，以上三种缺陷的的进一步鉴别可根据：另外，以上三种缺陷的的进一步鉴别可根据：根据地质报告和施工记录以及桩型区分；根据地质报告和施工记录以及桩型区分；321CtL 1121CtL )(2112ttCL根据波形的光滑与粗糙情况区分；根据波速区分。5桩底扩展头如图7-15所示。典型的测试曲线如图7

17、-16。 0 t1 t2 t VI VR VT x 图 7-15 有扩大头时的波传播过程 V(t) 0 t t1 t2 图7-16 有扩大头时的测试波形 6桩底嵌岩或巩固持力层如图7-17。1Z1Z2，n1，VR与VI反号，实测波形如图7-18。2Z1Z2，n1，F0，VR接近为零，此时桩底根本不产生反射信号，反映在波形图上，那么看不见桩底反射信号。 0 t VI VR Z1 Z2 x 图 7-17 嵌岩桩的波传播过程 V(t) 0 t t 图7-18 嵌岩桩的测试波形 3弹性波在传播过程中的衰减弹性波在混凝土介质内传播的过程中，其峰值不断衰减，引起弹性波峰值衰减的缘由很多，主要是：1几何分散

18、。波阵面在介质中不论以什么方式球面波、柱面波或平面波传播，均将随间隔添加而逐渐扩展，单位面积上的能量那么愈来愈小。 2吸收衰减。由于固体资料的粘滞性及颗粒之间的摩擦以及弥散效应等，使振动的能量转化为其它能量，导致弹性波能量衰减。3桩身完好性的影响。由于桩身含有程度不等和大小不一的缺陷：裂隙、孔洞、夹层等，呵斥物性上的不延续和不均匀，导致动摇能量更大的衰减。4混凝土的强度及其弹性波速混凝土是由水泥、砂、碎石组成的混合资料。当原资料、配合比、制造工艺、养护条件、龄期和混凝土的含水率不同时，其强度和弹性波速均不一样。影响波速的主要要素有：1原资料的影响。水泥浆硬化体的弹性波速较低，普通在4km/s以

19、下；常用的砂和碎石的弹性波速较高，通常都在5km/s以上。混凝土是水泥浆胶结砂和碎石而成，其波速多在30004500m/s的范围内。2碎石的矿物成分、粒径和用量的影响。不同矿物构成的碎石的弹性波速是不同的。在混凝土中，石子的粒径越大、用量越多，在一样强度的前提下混凝土的弹性波速越高。3养护方式的影响。根据室内实验的结果，混凝土的强度和弹性波波速之间有较好的相关性。下述公式可供参考。 7-9式中c为混凝土的规范抗压强度MPa，C为混凝土的纵波波速km/s。上式的统计样本容量n=30，相关系数=0.9869。Cce49. 018. 47.3CASE法法一实验设备和方法一实验设备和方法1方法简述方法

20、简述桩的高应变动力测试是采用瞬态激振方式使试桩产生高应桩的高应变动力测试是采用瞬态激振方式使试桩产生高应力应变形状，以考验桩土体系在接近极限形状时的任务性能，力应变形状，以考验桩土体系在接近极限形状时的任务性能，从而对桩的承载力和完好性作出评价的一种现场测试方法。测从而对桩的承载力和完好性作出评价的一种现场测试方法。测试方法可简述如下：试方法可简述如下：1用动态的竖向冲击荷载在桩顶激振。用动态的竖向冲击荷载在桩顶激振。2采集桩顶附近桩身截面上的轴向应变和桩身运动速度采集桩顶附近桩身截面上的轴向应变和桩身运动速度或加速度的时程曲线，再用一维动摇方程进展分析，推算或加速度的时程曲线，再用一维动摇方

21、程进展分析，推算桩周土对桩的阻力分布包括静阻力和动阻力实测曲线拟桩周土对桩的阻力分布包括静阻力和动阻力实测曲线拟合法或直接推求桩的极限承载力合法或直接推求桩的极限承载力CASE法。法。CASE法是高应变测试法中的一种，其主要特点是方法简单、法是高应变测试法中的一种，其主要特点是方法简单、涉及参数少、分析过程快捷，因此能很快得出测试结果。其缺涉及参数少、分析过程快捷，因此能很快得出测试结果。其缺陷那么在于假设过粗、参数不易把握、测试结果近似度较差等。陷那么在于假设过粗、参数不易把握、测试结果近似度较差等。故就其总体而言适宜于现场粗判以及在有对比资料和充分的地故就其总体而言适宜于现场粗判以及在有对

22、比资料和充分的地域阅历时的测试任务，中华人民共和国行业规范域阅历时的测试任务，中华人民共和国行业规范JGJ106-2019中对中对CASE法的运用做出了严厉的限制。法的运用做出了严厉的限制。2实验设备实验设备1传感器。实测中通常采用应变传感器测定桩顶力，用传感器。实测中通常采用应变传感器测定桩顶力，用加速度传感器测定桩顶的质点加速度，经积分后转换为速度量。加速度传感器测定桩顶的质点加速度，经积分后转换为速度量。通常采用工具式应变传感器和压电晶体式加速度计。通常采用工具式应变传感器和压电晶体式加速度计。2整机系统。在国际上有代表性的整机系统是美国桩基整机系统。在国际上有代表性的整机系统是美国桩基

23、动力公司的动力公司的PDA、瑞典桩基开发公司的、瑞典桩基开发公司的PID、和荷兰富国公司的、和荷兰富国公司的产品。国内消费的仪器普通同时包含了高、低应变测试方法，产品。国内消费的仪器普通同时包含了高、低应变测试方法，其中其中CASE法软件作为仪器的根本配置，而法软件作为仪器的根本配置，而CAPWAPC法国内法国内称为实测曲线拟合法的软件通常需求另行购买。称为实测曲线拟合法的软件通常需求另行购买。仪器在收到信号后，普通都要经过一次低通滤波处置，去仪器在收到信号后，普通都要经过一次低通滤波处置，去除现场高频杂波的干扰，并对信号进展平滑处置。目前除现场高频杂波的干扰，并对信号进展平滑处置。目前CAS

24、E法法的分析计算都还只是在时域内进展，所以对低通滤波器的性能的分析计算都还只是在时域内进展，所以对低通滤波器的性能要求不高。要求不高。为了提高分析的可靠性和精度，普通都将传感器采集的模为了提高分析的可靠性和精度，普通都将传感器采集的模拟信号转换成数字信号，即进展拟信号转换成数字信号，即进展A/D转换。转换。A/D转换时希望有足转换时希望有足够大的采样频率，以保证信号的峰值不会因采样的缘故而有明够大的采样频率，以保证信号的峰值不会因采样的缘故而有明显的降低。采样时对每一波形曲线取显的降低。采样时对每一波形曲线取512个点或个点或1024个点。个点。每次锤击信号中所保管信号的历时都很短，大约为每次

25、锤击信号中所保管信号的历时都很短，大约为50100ms。打桩施工时各次锤击的时间间隔不大，最小只需。打桩施工时各次锤击的时间间隔不大，最小只需0.5s每分钟每分钟120锤。因此仪器在锤。因此仪器在A/D转换时必需具有自动触转换时必需具有自动触发取样功能和在每次取样前的自动清零功能。发取样功能和在每次取样前的自动清零功能。PDA和和PID系统都系统都利用所采集的信号本身来进展触发，而且都采用了利用所采集的信号本身来进展触发，而且都采用了预触发预触发的方的方式。式。二根本测试原理二根本测试原理1一维动摇方程一维动摇方程将桩身看作为一根一维弹性杆，由应力波实际知，在轴向动将桩身看作为一根一维弹性杆，

26、由应力波实际知，在轴向动荷载的作用下桩身任一截面的轴向位移可以表示为一维动摇方程荷载的作用下桩身任一截面的轴向位移可以表示为一维动摇方程7-10式中式中 u桩身截面的轴向位移；桩身截面的轴向位移； C应力波在桩身中的传播速度，；应力波在桩身中的传播速度，； E和和分别为桩身体料的弹性模量和质量密度。分别为桩身体料的弹性模量和质量密度。 022222 xuCtu /EC 2行波实际和行波实际和CASE法的根本公式法的根本公式 1上行波和下行波上行波和下行波由式由式7-10得到一维动摇方程的得到一维动摇方程的通解通解u=fx-Ct+gx+Ct 7-11式中式中f和和g分别代表下行波分别代表下行波和

27、上行波。假设单独研讨下行波和上行波。假设单独研讨下行波f ，记，记下行波的质点运动速度为下行波的质点运动速度为v，其值为：，其值为： 图 7-19 桩身中的上行波与下行波 上行波 g(x+ct) 下行波 f(x-ct) 7-12这里应留意：这里应留意：v是表示质点运动的速度而是表示质点运动的速度而C是波的传播速度，是波的传播速度，两者是完全不同的概念。两者是完全不同的概念。 fCCCtxftCtxfv )()()(下行波产生的应变下行波产生的应变为：为：7-13式中的负号表示以紧缩变形和压应力为正。式中的负号表示以紧缩变形和压应力为正。下行波产生的力下行波产生的力P为：为：P=AE=AEf 7

28、-14令令 7-15fCtxfxCtxf )()( CAEZ 由公式由公式7-12、7-14和和7-15可推得下行波的质点可推得下行波的质点运动速度运动速度v和截面上的内力和截面上的内力P之间存在着一个恒定的关系式：之间存在着一个恒定的关系式：P=Zv 7-16 同样，对于上行波可以得到：同样，对于上行波可以得到： 7-17P=AE=AEg 7-18所以：所以：P=Zv 7-19在普通情况下，桩身上任一截面上测到的质点运在普通情况下，桩身上任一截面上测到的质点运动速度或力都是上行波与下行波叠加的结果。也就是：动速度或力都是上行波与下行波叠加的结果。也就是：7-207-21gCtCtxgv )(

29、 vvtctxgtctxftuv)()( PPxctxgxctcfAExuAEP)()(假设将实测的质点运动速度和力记作假设将实测的质点运动速度和力记作vm和和Pm。那么由公式。那么由公式7-16、7-197-21很容易将各时辰这一截面上的质点很容易将各时辰这一截面上的质点速度与力的上行波分量和下行波分量表示出来，得：速度与力的上行波分量和下行波分量表示出来，得： 2应力波在自在端和固定端的反射应力波在自在端和固定端的反射当桩端为自在端时，有边境条件图当桩端为自在端时，有边境条件图7-20P= P+ P=0 7-24 P P 图 7-20 桩端自由时 P=0 7-227-23 ZPvvZPvv

30、mmmm2121 mmmmZvPPZvPP 2121将公式将公式7-16和和7-19代入，得到代入，得到ZvZv=0即：即： v=v 7-25由式由式7-24，有，有P=P 7-26由式由式7-20和式和式7-25，有，有v=v+v=2v式式7-25、7-26和上式表示当桩端为自在端时，入射和上式表示当桩端为自在端时，入射的应力波将产生一个符号相反，幅值一样的反射波，即压力波产的应力波将产生一个符号相反，幅值一样的反射波，即压力波产生拉力反射波，拉力波产生压力反射波，而且在杆端处由于波的生拉力反射波，拉力波产生压力反射波，而且在杆端处由于波的叠加，使杆端的质点运动速度添加一倍。叠加，使杆端的质

31、点运动速度添加一倍。当桩端为固定端时，有边境条件当桩端为固定端时，有边境条件图图7-21：v+v=0 7-27所以：所以：v=v 7-28将式将式7-16和和7-19代入代入7-28，得：，得：P=P 7-29于是：于是：P= P+ P= 2P 7-30上述公式表示当桩端为固定端时，入射的应力波将产生一个上述公式表示当桩端为固定端时，入射的应力波将产生一个一样的反射波。在杆端处由于波的叠加使桩端反力添加一倍。一样的反射波。在杆端处由于波的叠加使桩端反力添加一倍。 P P P 图 7-21 桩端固定时 v=0 3桩侧摩阻力的思索桩侧摩阻力的思索在桩侧面在桩侧面i处有一摩阻力处有一摩阻力Ri作用时

32、图作用时图7-22，截面上下的力，截面上下的力和速度分别为：和速度分别为：上侧：上侧： 7-31下侧：下侧： 7-32i 截面处的平衡条件和延续条件为：截面处的平衡条件和延续条件为： 7-33 v1 v1 P1 P1 R(i) P2 P2 v2 v2 图 7-22 桩侧摩阻力的影响 111111vvvPPP 222222vvvPPP2121vviRPP ）（从式从式7-317-33并思索到式并思索到式7-16、7-19，整理，整理后得到：后得到： 7-34式式7-34表示上行波或下行波在经过摩阻力表示上行波或下行波在经过摩阻力Ri作用的截作用的截面时，其幅值各增减面时，其幅值各增减Ri/2，也

33、可以了解为当应力波经过，也可以了解为当应力波经过i截面时，截面时，由于由于Ri的作用，从的作用，从i截面开场产生一个向上的压力波和一个向截面开场产生一个向上的压力波和一个向下的拉力波，叠加于原来的行波中，它们幅值都等于下的拉力波，叠加于原来的行波中，它们幅值都等于Ri/2。4桩截面发生变化时桩截面发生变化时当桩在某个截面发生忽然变化时图当桩在某个截面发生忽然变化时图7-23，声阻抗由，声阻抗由Z1变为变为Z2，由变截面处的延续条件写出：，由变截面处的延续条件写出：）（）（iRPPiRPP21211221 7-35将将7-16和和7-19代入代入7-35中的第二式，整理后得：中的第二式，整理后得

34、： 7-36解方程组解方程组7-36得：得：7-37 22112211vvvvPPPP Z1 v1 v1 P1 P1 P2 P2 v2 v2 Z2 图 7-23 桩截面变化的情况 112222111221ZPZPZPZPPPPP 2211212122221112112122PZZZZPZZZPPZZZPZZZZP当只需下行波当只需下行波P1经过变截面时，式经过变截面时，式7-37变为：变为： 7-38同样，只需上行波同样，只需上行波P2传来时，式传来时，式7-37变为：变为： 7-39公式公式7-38和和7-39表示，当原有的下行波表示，当原有的下行波Pl及上行波及上行波P2经过变截面时，都会

35、分成透射和反射两部分。透射波的性质经过变截面时，都会分成透射和反射两部分。透射波的性质拉力波或压力波坚持与入射波一致；反射波的性质根据拉力波或压力波坚持与入射波一致；反射波的性质根据Z2-Zl项的正负号决议。项的正负号决议。 （透透射射波波）（反反射射波波） 121221211212PZZZPPZZZZP（反反射射波波）（透透射射波波） 221122221112PZZZZPPZZZP5总的土阻力总的土阻力CASE法的根本公式法的根本公式当锤击力刚作用到桩顶的时候，桩身上仅有向下传播的紧缩当锤击力刚作用到桩顶的时候，桩身上仅有向下传播的紧缩波。紧缩波以波速波。紧缩波以波速C向桩尖方向传播。如把桩

36、看成一根两端自在向桩尖方向传播。如把桩看成一根两端自在的纵向振动杆即暂不思索土反力的作用，这个应力波到达桩的纵向振动杆即暂不思索土反力的作用，这个应力波到达桩尖后变成一大小、外形一样，仅符号相反的拉力波向上传播。到尖后变成一大小、外形一样，仅符号相反的拉力波向上传播。到达桩顶后又变为压力波再向下传播，不断循环反射。假设在桩顶达桩顶后又变为压力波再向下传播，不断循环反射。假设在桩顶附近安装一组传感器，传感器距桩顶的间隔为附近安装一组传感器，传感器距桩顶的间隔为L1；距桩尖的间；距桩尖的间隔为隔为L。桩受锤击后产生压应力波。桩受锤击后产生压应力波Pt，Pt传到传感器位传到传感器位置时，传感器便可测

37、得信号：置时，传感器便可测得信号： 7-40式中的下标式中的下标m表示是传感器实测的值。表示是传感器实测的值。 tPtPZtPtv mm经过时间经过时间2L/C以后，传感器可以测到第一次自桩尖前往的以后，传感器可以测到第一次自桩尖前往的波。再经过较小的时间间隔波。再经过较小的时间间隔2L1/C以后，又测到自桩顶前往的波。以后，又测到自桩顶前往的波。假设不思索能量的耗散，那么每隔假设不思索能量的耗散，那么每隔2L+L1/C时间间隔以后，时间间隔以后，传感器将反复测到上述同样的信号。传感器将反复测到上述同样的信号。在恣意时辰在恣意时辰t，传感器接纳到的由锤击产生的信号是上述信，传感器接纳到的由锤击

38、产生的信号是上述信号的叠加，于是有：号的叠加，于是有： 7-41 7-42 kjkjmCLjCLjtPCLjCLjCLtPtPZCLCLtPCLtPtPZv111111)1()22()222()(1)/2/2()/2()(1 kjkjmCLjCLjtPCLjCLjCLtPtPP11111) 1 ()22()222()(应该指出，在公式应该指出，在公式7-41、7-42及以后的公式中对于及以后的公式中对于函数函数Pt及及Ri，t都隐含着一个商定：即当都隐含着一个商定：即当t0时时Pt=0，Ri，t=0 7-43假设桩身上假设桩身上X=Xi处作用有土的谐阻力处作用有土的谐阻力Ri，t，应力波到，应

39、力波到达达Xi处就产生一新的应力波向上和向下传播。上行波为幅值等于处就产生一新的应力波向上和向下传播。上行波为幅值等于Ri，t/2的压力波，在时辰的压力波，在时辰2Xi/C及及2Xi/C +2L1/C时被传感器时被传感器所接纳，其相应的质点速度所接纳，其相应的质点速度vm和力和力Pm为：为： )22,(21)2,(2111)2(CLCXtiRCXtiRZviim)22,(21)2,(211)2(CLCXtiRCXtiRPiim 同 样 ， 这 一 应 力 波 也 将 在 桩 身 中 反 复 传 播 ， 每 隔同 样 ， 这 一 应 力 波 也 将 在 桩 身 中 反 复 传 播 ， 每 隔2L

40、/C+2L1/C以后，传感器可以反复接纳到这一应力波的信号：以后，传感器可以反复接纳到这一应力波的信号： kjikjimCjLCjLCLCXtiRCjLCjLCXtiRZtv11111)2()2222,(21)222,(211)( kjikjimCjLCjLCLCXtiRCjLCjLCXtiRtP11111)2()2222,(21)222,(21)(思索在不同的位置思索在不同的位置X1，X2，X3，Xn处作用有不同的处作用有不同的摩阻力摩阻力Rii，ti=1,2n，对，对i求和，有：求和，有：7-447-45 nikjinikjimCjLCjLCLCXtiRCjLCjLCXtiRZtv1111

41、111)2()2222,()222,(21)( nikjinikjimCjLCjLCLCXtiRCjLCjLCXtiRtP1111111)2()2222,()222,(21)(由由Ri，t产生的下行波是幅值为产生的下行波是幅值为Ri，t/2的拉力波，的拉力波，在时辰在时辰L/C时和锤击产生的力波一同到达桩尖，经桩尖反射而成时和锤击产生的力波一同到达桩尖，经桩尖反射而成为压力波，在为压力波，在2L/C时被传感器所接纳，再经过时被传感器所接纳，再经过2L1/C时辰又再次时辰又再次被传感器所接纳：被传感器所接纳： 7-46 7-47传感器量测到的速度和力的值是上述三部分叠加的结果：传感器量测到的速度

42、和力的值是上述三部分叠加的结果： 7-48 nikjnikjmCjLCjLtiRCjLCjLCLtiRZtv1111111)3()22,()222,(21)( nikjnikjmCjLCjLtiRCjLCjLCLtiRtP1111111)3()22,()222,(21)()()()()()()()()()3()2()1()3()2()1(tPtPtPtPtvtvtvtvmmmmmmmm 在上述推导过程中，没有思索应力波在传播过程中能量的耗在上述推导过程中，没有思索应力波在传播过程中能量的耗散。故只在最初的散。故只在最初的4L/C或或3L/C时间内与实践情况比较相符。假时间内与实践情况比较相符。

43、假设在设在0t4L/C范围内，任取间隔为范围内，任取间隔为2L/C的两个时辰：的两个时辰：t1= t *， t2= t *+2L/C 7-49测得力和速度的实践值，由公式测得力和速度的实践值，由公式7-41至至7-47可知其可知其应等于：应等于： 7-507-51 niiniimCLCXtiRCXtiRtPZtv111)22*,(21)2*,(21*)(1*)( nininiiniiniiniimCLtiRtiRCLCXtiRCLCXtiRCLCXCLtiRCXCLtiRCLtPtPCLtPZCLtv11111111111)2*,(21*),(21)42*,(21)22*,(21)222*,(

44、21)22*,(21)2*(*)()2*(1)2*(7-527-53由公式由公式7-507-53可以推得：可以推得： 7-54 niiniimCLCXtiRCXtiRtPtP111)22*,(21)2*,(21*)(*)( nininiiniiniiniimCLtiRtiRCLCXtiRCLCXtiRCLCXCLtiRCXCLtiRCLtPtPCLtPCLtP11111111111)2*,(21*),(21)42*,(21)22*,(21)222*,(21)22*,(21)2*(*)()2*()2*( niinimmmmCXCLtiRtiRCLtvZtvZCLtPtP11)22*,(*),()

45、2*(*)()2*(*)(假定在所思索的时间内，例如假定在所思索的时间内，例如0t4L/C时各点的摩阻力是时各点的摩阻力是一个不随时间改动的常量，即有：一个不随时间改动的常量，即有：那么，打桩时作用在桩身上的一切摩阻力的总和那么，打桩时作用在桩身上的一切摩阻力的总和RT为：为： 7-55这就是这就是CASE法中最根本的计算公式。经过间隔时间为法中最根本的计算公式。经过间隔时间为2L/C的两次测得的桩顶处的的两次测得的桩顶处的Pm及及vm值就可用公式值就可用公式7-55求出锤击求出锤击过程中作用在桩身上总的土反力值过程中作用在桩身上总的土反力值RT。)(*),()22*,(iRtiRCXCLti

46、Ri )2*(*)(2)2*(*)(21)22*,(*),(*)(11CLtvtvZCLtPtPCXCLtiRtiRtRmmmmniiniT三现场实测要点三现场实测要点1设备的选取设备的选取从从CASE法计算承载力的根本公式中可以看到，要想得到桩法计算承载力的根本公式中可以看到，要想得到桩的阻力，必需测到桩顶处的速度值的阻力，必需测到桩顶处的速度值vmt和力值和力值Pmt。速。速度值的丈量普通可采用速度计或加速度计，但由于速度计的阻尼度值的丈量普通可采用速度计或加速度计，但由于速度计的阻尼及频响范围较难满足要求，因此适用中普通采用加速度计，在测及频响范围较难满足要求，因此适用中普通采用加速度计

47、，在测得加速度后经积分转化为速度值。力的丈量是由应变丈量转化来得加速度后经积分转化为速度值。力的丈量是由应变丈量转化来的，应变测度可采用工具式应变计或应变片。加载方式大多采用的，应变测度可采用工具式应变计或应变片。加载方式大多采用重锤锤击的方法，测试中为了加宽脉冲的宽度，可在桩顶垫一层重锤锤击的方法，测试中为了加宽脉冲的宽度，可在桩顶垫一层砂或夹板类的缓冲物。锤重普通为桩重的砂或夹板类的缓冲物。锤重普通为桩重的1/101/8，对地质情况，对地质情况较好的桩，锤艰苦约为预估承载力的较好的桩，锤艰苦约为预估承载力的1%。另外有人在桩顶采用。另外有人在桩顶采用爆炸的方法来加载，效果如何值得研讨。爆炸

48、的方法来加载，效果如何值得研讨。2现场测试过程现场测试过程1桩头处置。从桩头处置。从CASE法的原理知，要想得到比较理想的法的原理知，要想得到比较理想的结果，必需保证产生一个平面波，这就要求桩顶比较平整，普通桩结果，必需保证产生一个平面波，这就要求桩顶比较平整，普通桩头不需另用水泥沙浆抹平，而只需把桩顶凿得大致平整，然后在桩头不需另用水泥沙浆抹平，而只需把桩顶凿得大致平整，然后在桩顶垫一层砂，再在砂上垫一块钢板或木板。桩顶普通要求显露地面顶垫一层砂，再在砂上垫一块钢板或木板。桩顶普通要求显露地面1.5倍桩径长，以便安装传感器。倍桩径长，以便安装传感器。2加速度计的安装。在桩对称的两侧离桩顶加速

49、度计的安装。在桩对称的两侧离桩顶1.5倍桩径左右倍桩径左右的地方各钻一孔，将膨胀螺栓固定于孔中，再将加速度计固定在膨的地方各钻一孔，将膨胀螺栓固定于孔中，再将加速度计固定在膨胀螺栓上。值得留意的是，加速度传感器必需贴紧桩身，否那么会胀螺栓上。值得留意的是，加速度传感器必需贴紧桩身，否那么会因螺栓的刚度小而引起寄生振荡。因螺栓的刚度小而引起寄生振荡。3工具式应力传感器应力环的安装与加速度计的安装工具式应力传感器应力环的安装与加速度计的安装类似。也可运用应变片。类似。也可运用应变片。4波形的采集与选取。波形的采集与选取。现场安装完成后，应先检查一切联线能否结实可靠。加速度计现场安装完成后，应先检查

50、一切联线能否结实可靠。加速度计的检查可用小锤轻敲加速度计底座，察看采集仪上能否有信号。应的检查可用小锤轻敲加速度计底座，察看采集仪上能否有信号。应变片或应力环的检查可用万用电表量测其电阻。当确信联接无误后，变片或应力环的检查可用万用电表量测其电阻。当确信联接无误后，将仪器调平衡详细方法可参阅仪器运用阐明，然后可以开场现将仪器调平衡详细方法可参阅仪器运用阐明，然后可以开场现场测试。场测试。1现场采集波形。锤击时应留意锤击重心应对准桩的轴线，现场采集波形。锤击时应留意锤击重心应对准桩的轴线，否那么将产生偏心紧缩，同时还能够发生危险。否那么将产生偏心紧缩，同时还能够发生危险。图图7-24是某工程的现

51、场测试情况。是某工程的现场测试情况。图图7-24 某工程的某工程的CASE法现场测试法现场测试2波形的选取。当在现场测得一组数据后，便可以进展计波形的选取。当在现场测得一组数据后，便可以进展计算。然而结果的可信度怎样与测得的波形有很大的关系。什么样算。然而结果的可信度怎样与测得的波形有很大的关系。什么样的波形计算出的结果才是可信的的波形计算出的结果才是可信的?下面的两点将是非常有用的。下面的两点将是非常有用的。 测试所得的加速度和应变曲线将经过计算转化为测试所得的加速度和应变曲线将经过计算转化为Zv曲线曲线和和P曲线，根据行波实际，当桩侧摩阻力未发扬作用时，曲线，根据行波实际，当桩侧摩阻力未发

52、扬作用时，P和和Zv在起始段应重合，否那么阐明丈量结果不可靠。图在起始段应重合，否那么阐明丈量结果不可靠。图7-25为典型的为典型的CASE法波形图。法波形图。极限承载力确实定：根据桩的荷载传送机理，只需当桩与极限承载力确实定：根据桩的荷载传送机理，只需当桩与土发生相对运动且到达相当量值时，摩阻力才干充分发扬出来。土发生相对运动且到达相当量值时，摩阻力才干充分发扬出来。实测时普通有两种判别规范，一种是测定桩的永久变形，普实测时普通有两种判别规范，一种是测定桩的永久变形，普通以为，当桩的贯入度到达通以为，当桩的贯入度到达2mm以上时，测得的静阻力值可以以上时，测得的静阻力值可以以为是桩的极限承载

53、力。以为是桩的极限承载力。 P /kN 2L/C P（t）波 Zv（t）波 0 t /ms 2L/C 图图 7-25 典典型型的的 CASE法法测测试试波波形形 另一种判别方法是经过不同的落锤高度，假设桩的静摩阻力另一种判别方法是经过不同的落锤高度，假设桩的静摩阻力已充分发扬，那么添加的锤击能量将转化为桩的运动，也就是假已充分发扬，那么添加的锤击能量将转化为桩的运动，也就是假设不同的落锤高度得到的静阻力值接近，那么这种静阻力值即为设不同的落锤高度得到的静阻力值接近，那么这种静阻力值即为极限承载力。极限承载力。现场实验时即应对测得的波形进展初判，只需当获得的波形现场实验时即应对测得的波形进展初判

54、，只需当获得的波形能满足分析的需求时，才可以终止实验。能满足分析的需求时，才可以终止实验。四用四用CASE法确定桩的极限承载力法确定桩的极限承载力测定桩的静极限承载力是测定桩的静极限承载力是CASE法的主要运用之一。法的主要运用之一。1根本计算公式根本计算公式由公式由公式7-55，在一次锤击时，沿桩身各处所遭到的实践，在一次锤击时，沿桩身各处所遭到的实践土阻力的总和为：土阻力的总和为： ）（）（）（）（）（CLtvtvZCLtPtPtRmmmmT22221从公式的推导可以看到，这一公式之所以会有这样简约的方从公式的推导可以看到，这一公式之所以会有这样简约的方式，主要是利用了波在桩内以式，主要是

55、利用了波在桩内以2L/C为周期的反复传播、叠加的为周期的反复传播、叠加的性质，使公式中的许多项都合并、抵销了。所以在运用这一公式性质，使公式中的许多项都合并、抵销了。所以在运用这一公式时，必需求将时，必需求将2L/C的实践值判别准确。的实践值判别准确。土的总阻力值土的总阻力值RTt包括了土的静阻力包括了土的静阻力Rst和动阻尼和动阻尼力力Rdt，我们感兴趣的是，我们感兴趣的是Rst。目前普遍运用的是阻尼法，它假定动阻尼力全部集中于桩尖，目前普遍运用的是阻尼法，它假定动阻尼力全部集中于桩尖，并与桩尖的质点运动速度成正比，即并与桩尖的质点运动速度成正比，即Rdt=J1vtoet 7-56推导公式推

56、导公式7-42和和7-45时已讨论过，重锤冲击桩顶时时已讨论过，重锤冲击桩顶时所产生的紧缩波将和桩身各截面处的桩侧摩阻力产生的下行波同所产生的紧缩波将和桩身各截面处的桩侧摩阻力产生的下行波同时到达桩尖。到达桩尖时，力波的幅值等于：时到达桩尖。到达桩尖时，力波的幅值等于： 7-57）（）（）（）（tRtPtiRtPPTnitoe21,211 所以桩尖自在端的质点运动速度：所以桩尖自在端的质点运动速度： 7-58作用在桩上的总的土阻力等于静阻力作用在桩上的总的土阻力等于静阻力Rs和动阻尼力和动阻尼力Rd之和：之和：RTt= Rst+ Rdt 7-59将式将式7-55、7-56和和7-58代入代入7

57、-59式，并令式，并令J1= J 1 /Z，得桩的静承载力计算公式：，得桩的静承载力计算公式：7-60式中，式中，J1称为称为CASE阻尼系数。阻尼系数。 ）（）（）（）（）（tRtPZtRtPZZPvtvTTtoetoe 2121222 ）（）（）（）（）（）（）（tRtPJCLtvtvZCLtPtPtRTs 2222211一次锤击过程中曾经到达过的土的最大静反力，即是我们所一次锤击过程中曾经到达过的土的最大静反力，即是我们所求的桩的静极限承载力：求的桩的静极限承载力： ）（）（）（）（）（）（tRtPJCLtvtvZCLtPtPMAXRTs22222110t4L/C 7-612桩侧摩阻力桩

58、侧摩阻力 当当t2 L/C时，式时，式7-48的表达式为：的表达式为： niimniimCXtiRtPtPCXtiRtPZtv112,212,211）（）（）（）（）（）（在这段时间内，桩尖的回波还没有传到传感器位置，传感器在这段时间内，桩尖的回波还没有传到传感器位置，传感器只收到直接来自桩侧各摩阻力的回波，因此由上式很容易得到计只收到直接来自桩侧各摩阻力的回波，因此由上式很容易得到计算桩侧总摩阻力的公式：算桩侧总摩阻力的公式： 7-62我们感兴趣的是每一锤时测到的最大值：我们感兴趣的是每一锤时测到的最大值： 7-63必需指出，在桩尖附近，部分桩侧摩阻力产生的压力回波将必需指出，在桩尖附近，部分桩侧摩阻