桩基高应变检测技术讲义（237页图文丰富）

1、高应变检测技术主讲人：关磊天津市大地海陆岩土工程技术开发有限公司2016年6月提纲1、高应变的基本理论2、检测系统3、现场检测4、检测数据分析与判定5、检测实例与波形汇编6、高应变的若干问题1、高应变的基本理论 1.1 高应变的基本概念 1.2 应力波在桩中传播的基本规律 1.3 承载力计算 1.4 完整性系数计算1、高应变的基本理论 1.1 高应变的基本概念 1、高应变的基本理论高应变定义高应变检测的目的高应变的历史发展 （1）高应变定义1.1 高应变的基本概念 用重锤冲击桩顶，实测桩顶附近或桩顶部的速度和力时程曲线，通过波动理论分析，对单桩竖向抗压承载力和桩身完整性进行判定的检测方法。PW

2、RWR vi1.1 高应变的基本概念（2）概念中的几个要点1.1 高应变的基本概念 用重锤冲击桩顶，实测桩顶附近或桩顶部的速度和力时程曲线，通过波动理论分析，对单桩竖向抗压承载力和桩身完整性进行判定的检测方法。概念中的几个要点：重锤实测速度和力信号波动理论分析承载力和桩身完整性 1.1 高应变的基本概念重锤什么是重锤重锤大小重锤作用1.1 高应变的基本概念有一定质量（重量） 形状规整能够冲击桩顶产生冲击力1.1 高应变的基本概念 合适的锤重应该是冲击桩顶时，可以产生足够的能量，把桩打动，而又不破坏桩。 把桩打动，两层意思，一是桩产生相对位移；一是激发出足够的土阻力。 对于嵌岩桩、扩底桩等桩型，

3、冲击桩顶产生物理意义的位移非常困难，桩顶打坏也不一定能打动，这时候能够激发出足够的反力即土阻力（包括桩侧和桩端，主要是桩端）就可以了。1.1 高应变的基本概念 重锤冲击桩顶的作用是产生冲击力，施加在桩顶。 桩受到冲击力后，向下运动会受到桩周土对桩阻力。 也就是说：重锤冲击桩顶后桩身受力会增加两个力，一个是锤对桩的冲击力，一个是土对桩的阻力。1.1 高应变的基本概念1.1 高应变的基本概念概念中的几个要点：重锤实测速度和力信号波动理论分析承载力和桩身完整性 1.1 高应变的基本概念为什么实测速度和力信号PWRWR vi1.1 高应变的基本概念 前面讲过重锤冲击桩顶产生冲击力，桩在冲击力作用下向下

4、运动会受到土的阻力。土阻力就是桩的承载力了。承载力检测的目的就是测量到这个土阻力的大小。1.1 高应变的基本概念P F静 F静=R侧+R端R侧R端 F静=1000kN 桩看作是弹性体，受到外力后桩身发生压缩，可以用单元块和连接弹簧来表示。假设最大加载1000kN，加载稳定后，桩身受力左图所示，包括桩顶荷载、桩侧土阻力和桩端土阻力，这是受力是平衡的。所有弹簧处于压缩状态，单元块是静止不动的。R侧R端1.1 高应变的基本概念选取任意一段桩身，在上下断面安装传感器测量上下断面的内力值，这两个值由于桩身侧面土阻力的存在，上断面内力值大于下断面内力值，两者之差就是该段桩身的桩侧土阻力，这就是桩身内力法测

5、量桩周土阻力的原理。静载试验时，每级荷载是恒定的，每级加载时间相对桩身压缩变形所用时间大得多，进行受力分析时可以忽略加载过程的分析。F静tmin1.1 高应变的基本概念P F动 R侧R端 F动 R侧R端F动tmsFmax=1000kN高应变检测重锤冲击桩顶时，冲击力不是一个恒值是一个变量，如上图所示，而且冲击作用时间极短，大约几个毫秒就完成。冲击力作用时间相对整个桩身压缩变形所用时间要小得多。1.1 高应变的基本概念 F动 R侧R端 在某一单元块受到冲击力的瞬间，还未运动时，弹簧不受力，随着单元块的运动，弹簧开始压缩受力，并将冲击力向下一单元块传导。 在冲击力作用下，单元块运动速度不断增加。而

6、弹簧的压缩反力随着位移增加也不断增加，直到与冲击力相同，然后弹簧不再压缩开始反弹，单元块速度为零并开始反向运动。1.1 高应变的基本概念 F动 R侧 单元块的运动，受作用于单元块的合力决定。 对任意单元块，受到的力有上一单元块通过弹簧传来的冲击力、下方弹簧压缩后的反力和桩侧土的摩阻力。 这些力的合力决定了单元块的运动形式，反过来通过测量单元块的运动形式可以求解单元块的受力情况。1.1 高应变的基本概念 F动 R侧R端 相邻单元块靠弹簧连接，通过弹簧将冲击力向下传递，通过测量弹簧的形变变化，就可以计算出该位置的桩身内力大小。 比较相邻弹簧的内力，即可知道相邻弹簧间单元块的桩周侧阻力。 测量所有弹

7、簧的内力，理论上即可得到整个桩周土阻力。1.1 高应变的基本概念 高应变检测时，通过安装在桩身的加速度传感器测量质点也就是单元块的运动状态。通过测量两个质点之间的形变状况测量桩身内力的变化状态。并相应绘制速度和力的时程曲线。 这里测量的是安装传感器位置的质点运动和力的变化状况，也就是该位置质点的振动曲线。1.1 高应变的基本概念 桩身质点在受到瞬间的冲击力后，开始振动，并通过相邻的质点将振动沿着桩身传播，形成应力波。 质点振动不但受冲击力影响，还受土阻力影响、下部桩身质点振动向上传播的影响，按照到达的时间即可绘制出质点振动时程曲线。上图。1.1 高应变的基本概念概念中的几个要点：重锤实测速度和

8、力信号波动理论分析承载力和桩身完整性 1.1 高应变的基本概念 F动 R侧R端 桩身所有质点在空间上的运动规律，以机械波形式来表现，为纵波。其运动可以用波动理论来分析。 纵波将质点的振动在介质内传播，不同介质的接触面质点振动会发生变化，并将这种变化反向传播，形成反射波。1.1 高应变的基本概念概念中的几个要点：重锤实测速度和力信号波动理论分析承载力和桩身完整性 1.1 高应变的基本概念 F动 R侧R端 质点振动会受到桩周土阻力影响，分析这种影响的大小，即可得到桩的承载力。 介质发生变化，质点振动也会发生变化，那么当桩身出现缺陷、截面大小变化均会产生振动形成反射波，测量并分析这种反射波，即可得到

9、桩身的质量变化情况。1.1 高应变的基本概念 以上介绍了高应变的概念。通过对其概念的分析，我们已经简单了解高应变检测的基本原理。 高应变是通过测量质点的运动（实际上是直接测量加速度，然后积分得到速度）、桩身的应变变化（力）来分析桩的承载力和完整性，因为测量的数据是测量对象在动力作用下（冲击力）的运动形态，因此称为动力检测或动测。1.1 高应变的基本概念 判定单桩竖向承载力是否满足设计要求。（主要目的） 检测桩身缺陷及位置，判定桩身完整性类别。 分析桩侧和桩端阻力。 进行打桩监控。（3）高应变检测目的 1.1 高应变的基本概念 1.2 应力波在桩中传播的基本规律 1.3 承载力计算 1.4 完整

10、性系数计算 1、高应变的基本理论1.2 应力波在桩中传播的基本规律1.2 应力波在桩中传播的基本规律应力波基本概念桩与一维应力波一维应力波的传播特性土阻力引发的应力波 （1）应力波基本概念振动和波动应力波的产生应力波的分类应力波的传播1.2 应力波在桩中传播的基本规律 机械振动：物体（质点）或系统在平衡位置附近以某种方式进行的往复运动。质点速度是指单位时间里质点在其平衡点附近运动时的位移变化量；或：质点在其平衡点附近往复运动的速度。一般只有几cm/s。 波动：机械振动在连续介质中的传播过程。应力波波速是指单位时间内振动传播的距离；或：应力波沿杆件传播的运动速度。一般会达到几千m/s。 1.2

11、应力波在桩中传播的基本规律 扰动在介质中由近及远的传播即是应力波。波动只是振动状态（振动相位）的传播。连续介质中各个质点仅在它们各自的平衡位置附近振动，并没有随振动的传播而流动。 扰动与未扰动的分界面称为波阵面 扰动的传播速度称为波速 引起应力波的外载荷为动载荷。动载荷是随时间变化而发生变化的载荷1.2 应力波在桩中传播的基本规律 按照波的生成区域划分按照波的生成区域，可分为体波和面波。体波能够在介质内部任何部位传播，面波只能沿介质的表面传播。 按照体波的振动形态划分按照体波的振动形态可分为纵波和横波。纵波是一种伸缩运动，质点振动方向和波的前进方向相同；横波是一种剪切运动，质点振动方向和波前推

12、进方向垂直。1.2 应力波在桩中传播的基本规律 根据波阵面的几何形状分类根据波阵面的几何形状，应力波可分为平面波、柱面波和球面波。一般认为，平面波的波源是平面载荷，柱面波的波源是线载荷，而球面波的波源是点载荷。 根据波动方程的自变量个数分类根据描述应力波波动方程的自变量个数，应力波可分为一维应力波、二维应力波和三维应力波。1.2 应力波在桩中传播的基本规律应力波的传播具有反射、透射、散射、叠加、弥散（衰减）等特性。（1） 折射、反射、透射： 应力波由一种介质进入另一种介质时，传播方向发生改变的现象称为折射。 当应力波传播到两种介质的阻抗变化分界面时，一部分从界面返回，形成反射波；另一部分穿越界

13、面进入到另一种介质，形成透射（折射）波。1.2 应力波在桩中传播的基本规律（2）叠加： 两列波相遇后，仍然保持他们各自的特性（频率、波长、振幅、震动方向等）不变，并按照原来的方向继续前进，好象没有遇到过其它波一样。 在相遇区域内，形成波的叠加。任一点的振动为两列波单独存在时在该点所引起的振动位移的矢量和。1.2 应力波在桩中传播的基本规律 （2）桩与一维应力波高应变基本假定一维应力波1.2 应力波在桩中传播的基本规律假定桩身材料是均匀的和各向同性的 假定桩是线弹性杆件 假定桩是一维杆件 假定纵波的波长比杆的横截面尺寸大得多 假定破坏只发生在桩土界面 高应变动力试桩在原理上就被简化为一维线性波动

14、力学问题。 高应变的基本假设1.2 应力波在桩中传播的基本规律 杆截面在变形过程中保持为平面，沿轴向只有均布的轴向应力。从而使各运动参量都只是X和t的函数，问题化为一维问题。 将材料的本构关系限于应变率无关理论，即认为应力只是应变的单值函数，不计入应变率对应力的影响，于是根据虎克定律，材料的本构关系可写为 一维应力波1.2 应力波在桩中传播的基本规律一维杆件的波动方程胡克定律、牛顿第二定律1.2 应力波在桩中传播的基本规律一维杆件应力波波动方程 C应力波在杆件中传播的一维波速。 1.2 应力波在桩中传播的基本规律波阻抗杆件横截面所受内力增量与质点运动速度增量之比。（或质点运动速度变化一个单位速

15、度（1m/s）所需的力。） Z=dF/dv =Ad/dv = AEd/dv =EA/C Z = c A ：密度；c：波速；A：杆件横截面积。 波阻抗Z 大小由材料性质所决定。1.2 应力波在桩中传播的基本规律 泊松比：杆件横向应变与纵向应变的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。 弹性模量：杆件纵向应力与纵向应变的比值，也叫杨氏模量。一维弹性杆件服从虎克定律，即变形与受力成正比1.2 应力波在桩中传播的基本规律质点速度与应力应变的关系 质点的速度与力的关系： V = Fc/EA 质点的速度与应力的关系：V =c/E 质点的速度与应变的关系：V =c1.2 应力波在桩中传播的基

16、本规律（3）一维应力波的传播特性 下行波和上行波 一维波动方程的达朗贝尔通解为： u(x,t) = f(x-ct) + g(x+ct)解由两部分组成，分别代表两个行波，其传播速度均为c而传播方向相反，在竖向的桩身中传播时通常称为下行波和上行波。根据波动理论，一个任意位移波和与它对应的应力波在杆中的传播仅仅随时间以波速c沿正反方向移动而其形状保持不变。1.2 应力波在桩中传播的基本规律 压力波与拉力波 按照对质点振动的作用，将应力波分为压力波和拉力波，压力波到达时，质点起始运动方向与压力波传播方向一致，对下一质点施加压力；拉力波到达时，质点起始运动方向与拉力波传播方向相反，对下一质点施加拉力。

17、材料力学里规定，压正拉负，即压力为正，拉力为负。1.2 应力波在桩中传播的基本规律 桩基检测中截面速度的正负 应力波为压力波时，波前的质点或截面受后方质点或截面的压力，将产生向前的运动趋势，即与应力波的传播方向一致。 应力波为拉力波时，波前的质点或截面受后方质点或截面的拉力，将产生向后的运动趋势，即与应力波的传播方向相反。1.2 应力波在桩中传播的基本规律 桩基检测中截面速度的正负 在桩基检测中，习惯取向下为一维坐标X的正向，因此截面运动速度V向下为正，向上为负。 当下行波为压力波时，截面的运动方向向下，即产生正的速度；反之下行的拉力波则将截面产生向上的运动，即负的运动速度。 当上行波为压力波

18、时，截面的运动方向向上，即负的速度；反之上行的拉力波，截面的运动速度为正。1.2 应力波在桩中传播的基本规律在下行波中，质点运动的速度方向与所受力方向始终相同，且有F = Zv。在上行波中，质点运动的速度方向与所受力方向始终相反，且有F = -Zv 。在高应变中，存在着：下行压力波、下行拉力波、上行压力波和上行拉力波四种运动形式波。无论是下行压力波还是下行拉力波，都符合F= Zv关系；无论是上行压力波还是上行拉力波，都符合F = - Zv 关系。 上下行波的计算公式1.2 应力波在桩中传播的基本规律下行力波 F= Z v 上行力波 F= -Z v 一般情况下，在桩身任一位置截面上量测到的质点运

19、动速度和力都是下行波和上行波叠加的结果： vm = v+ v Fm = F+ F v= (vm+ Fm/Z)/2 F= (Fm+ Z vm)/2 v= (vm- Fm/Z)/2 F= (Fm- Z vm)/2 上下行波的计算公式1.2 应力波在桩中传播的基本规律F=Zv下行波F=-Zv上行波F = F+ Fv = v+ vF=(F+Zv)F=(F-Zv) 上下行波的计算公式1.2 应力波在桩中传播的基本规律 一维应力波的反射与透射 如果杆件内存在变阻抗的界面，应力波将在此发生反射和透射。Z1Z2X变阻抗界面F1F2F1 右图，界面上下阻抗分别为Z1和Z2，当初始下行波F1到达该界面时，产生反射

20、波F1和透射波F2。根据界面里的平衡条件，有： F1 + F2=F1根据界面里的连续条件，界面上下速度相等有： V1 +V1 =V21.2 应力波在桩中传播的基本规律分别推导出反射波和透射波公式：（反射波）（透射波）Z1Z2XF1F2F1（反射波）（透射波）1.2 应力波在桩中传播的基本规律反射波力的符号取决于界面上下阻抗的变化：Z2Z1时，反射波与初始下行波同号；Z2Z1时，反射波与初始下行波反号；Z2Z1时，反射波与初始下行波同号。透射波的速度永远与初始下行波同号。结论：当桩身存在阻抗减小截面（缺陷）时，应力波在该截面产生的反射波即上行波，其速度为与初始下行波相同，即与桩顶冲击波相同；当桩

21、身存在阻抗增加截面（扩径），则相反。 1.2 应力波在桩中传播的基本规律杆底即桩底的反射当桩端为自由端时，其边界条件是受力为零。F = F+ F=0F = -F 【上下行波的关系】-Zv = -（Zv） v =vv = v+ v= 2v 结论：应力波到达自由端后，将产生一个幅值相同、符号相反的反射波，即入射压力波产生拉力反射波，入射拉力波产生压力反射波。在杆端由于波的叠加，使杆端质点运动速度增加一倍 1.2 应力波在桩中传播的基本规律桩端为固定端时，其边界条件是速度为零。 V= V+V=0 v = -v- F /Z = -（F /Z）【上下行波的关系】 F =F F = F+F= 2F 结论：

22、应力波到达固定端后，将产生一个与入射波相同的反射波，即入射压力波产生压力反射波，入射拉力波产生拉力反射波。在杆端由于波的叠加，使端部反力增加一倍。 1.2 应力波在桩中传播的基本规律当桩端约束介与自由端与固定端之间时 实际工程中大多处于这种状态。 持力层对桩端的作用用一个弹塑性弹簧并联一个粘壶来模拟。 弹簧的弹塑性与桩身材料特性、几何尺寸及桩端岩土体的力学特性相关。1.2 应力波在桩中传播的基本规律结论：下行压力波（运动速度向下）遇自由端反射为上行拉力波（运动速度向下），端点力为零，质点速度加倍。下行压力波（运动速度向下）遇固定端反射为上行压力波（运动速度向上），端点质点速度为零，力加倍。下行

23、拉力波（运动速度向上）遇自由端反射为上行压力波（运动速度向上），端点质点速度加倍。下行拉力波（运动速度向上）遇固定端反射为上行拉力波（运动速度向下），端点质点速度为零。1.2 应力波在桩中传播的基本规律 一维应力波的叠加 当两个波同时到达截面时，该截面的质点运动将是这两个波的代数和。 对于上下行波相遇时，截面的作用力F将等于向下行波各自作用力F和F的代数和；截面的运动速度V等于上下行波V和V的代数和。 F=F+F V=V+V 但是离开该截面后，上下行波仍维持原来力和速度大小继续传播。例如对于下行压力波到达自由桩底后，其桩底速度加倍，力为零，但是产生的上行波离开桩底在桩身内传播时，桩身内截面的速

24、度和力仍然是原来大小，但是力的符号相反。1.2 应力波在桩中传播的基本规律 一维应力波的叠加对于同向而行的应力波，即同为下行波或上行波，截面的作用力和速度也符合这个关系。 F=F1+F2 V=V1+V2离开该截面后，由于应力波的传播速度只与介质有关，因此两个行波仍合并一起继续传播。1.2 应力波在桩中传播的基本规律 （4）土阻力引发的应力波 在桩顶施加足够大的冲击力，桩身势必向下运动，桩周土将会对桩产生向上的阻力R。 任意截面的R作用于该截面，将产生一个向上的压力波F1，一个向下的拉力波F2，而随着这两个波的截面运动速度都是负的。RF1F2上行波R下行波上段桩身下段桩身1.2 应力波在桩中传播

25、的基本规律RF1F2上行波R下行波上段桩身下段桩身截面上下连续： V1=V2根据F=ZV，则有： F2=-F1为满足力平衡条件： R=F1-F2 故：F1=R/2 F2=-R/2 F1将作为上行波返回桩顶，F2作为下行波与桩身内其它下行波一起向下运动。1.2 应力波在桩中传播的基本规律小结一下：下行波： 初始冲击波 桩侧土阻力下行波 上行波： 桩侧土阻力上行波 桩底土阻力下行波 桩底反射上行波 桩身反射上行波土阻力截面变阻抗截面初始冲击波上行土阻力波下行土阻力波上行桩底土阻力波上行反射波上行桩底反射波1.2 应力波在桩中传播的基本规律我们把沿桩身向下传播的应力波叫做下行波，向上传播的应力波叫上

26、行波。显而易见，我们采用重锤或打桩锤冲击桩顶产生的应力波是向下传播的，就是下行波。而下行波在传播过程中产生反射波是向上传播的，就是上行波。下行波、上行波1.2 应力波在桩中传播的基本规律下行波上行波上行波为0力和速度未分开力和速度分开力和速度合拢上行波升高上行波降低1.2 应力波在桩中传播的基本规律 (1)在Fv图中，凡是下行波都将使两条曲线同向平移，原有距离保持不变；凡是上行波则都将使两者反向平移，互相靠拢或互相分离 (2)在FV图中,如果只有下行波作用，F(t)曲线和Zv(t)曲线将保持比例 (3)在FV图中，F(t)曲线和Zv(t)曲线的相对移动直接反映了上行波的作用。1.2 应力波在桩

27、中传播的基本规律 土阻力在实测曲线上将为两根实测曲线的分离，使力曲线高出速度曲线，高出的幅度正好等于所受的土阻力RRR / 21.2 应力波在桩中传播的基本规律 1.1 高应变的基本概念 1.2 应力波在桩中传播的基本规律 1.3 承载力计算 1.4 完整性系数计算1.3 承载力计算1.3 承载力计算 凯斯法 实测曲线拟合法1.3 承载力计算1.3 承载力计算CASE法的近似假定 桩身阻抗恒定，即桩身截面不变，桩身材质均匀且无明显的缺陷。 只考虑桩底的动阻尼，忽略桩侧土的动阻尼，而且静阻力始终保持恒定。 应力波在传播过程中没有能量耗散和信号畸变。 在（t1t1+4l/c）时段内桩侧各点的摩阻力

28、不变。 （1）Case法的基本假定1.3 承载力计算一维、均质、等截面、连续的线弹性，基本不考虑桩身缺陷影响，应变与质点速度之间满足协调方程。局限：桩身自阻尼衰减没有考虑承载力分析时，桩身缺陷没有考虑，所以缺陷桩误差更大桩身塑性没有考虑，低强度桩、力信号过大时存在问题锤击偏心时存在问题传感器过上存在问题（2）桩的力学模型1.3 承载力计算 桩侧土的静阻力模型 桩侧土的静阻力模型为理想刚塑性模型 理想刚塑性静阻力模型的意义为：桩侧土静阻力一经激发即达到极限，且不随桩土之间的相对位移的变化而变化 RsiRsuiUi桩侧土的动阻力模型CASE法忽略桩侧土的动阻力。（3）桩侧土的力学模型1.3 承载力

29、计算问题:弹性阶段即位移初始增加阶段被忽略，加载起始阶段即认为已达到极限承载力状态，导致了极限承载力曲线上零值也是极限承载力的谬误。要求：位移取值足够大，使得极限承载力出现平坦段、达到拟理想刚塑性状态才可以正确应用要求有更大的打击力和动位移 （3）桩侧土的力学模型1.3 承载力计算 桩端土的静阻力模型 桩端土的静阻力模型为理想刚塑性模型RsiRsuiUi（4）桩端土的力学模型1.3 承载力计算 桩端土的动阻力模型 CASE法的桩端土的动阻力模型采用线性粘滞阻尼模型（4）桩端土的力学模型1.3 承载力计算优点：动阻力与桩身质点运动无关，解耦承载力计算，得到解析解 指标：CASE阻尼系数，虽与持力

30、层塑性指数有关，但更多的已演变成一个与动静对比相关的系数了 问题：动阻力与桩身广义波阻抗相关，却与桩底的无关须确保桩侧动阻力较小，桩侧须光滑、等截面，须有足够位移持力层和桩侧土层须相差较大仅考虑了牛顿粘性体模型，没有考虑惯性力等的影响 （4）桩端土的力学模型1.3 承载力计算在t1时刻，只有下行波F(t1)在t2=t1+2L/c时刻，上行波F(t2)的数据中包含以下成分： 锤击产生的初始下行压力波在桩底反射产生的上行拉力波，由于波在传播中幅值保持不变，该项为-F(t1)。 全部上行的桩侧压缩阻力波的总和，即R侧/2。 全部下行的桩侧拉伸阻力波经桩底反射后转变为上行的压缩波，其值亦为R侧/2。

31、桩端阻力的上行波R端。 （5）总阻力公式1.3 承载力计算在t2=t1+2L/c时刻，就有如下等式成立F(t2)=R侧/2+R侧/2+R端-F(t1) =R侧+R端-F(t1)F(t2)=Rt-F(t1) （把R总记为Rt）则有Rt=F(t1)+ F(t2)F(t1)=1/2（F(t1)+ZV(t1)）F(t2)=1/2（F(t2)-ZV(t2)）则有Rt=1/2（F(t1)+ZV(t1)）+ 1/2（F(t2)-ZV(t2)）1.3 承载力计算桩周土体的总阻力可看作静阻力和动阻力之和： Rt=Rs+RdRt：总阻力 Rs：静阻力 Rd：动阻力，包括桩侧和桩端（6）阻尼系数法（RSP）承载力公

32、式土的动阻力模型采用的是线形粘滞模型，即 Rd = JvVt(t) Jv为粘阻尼系数。引入无量纲的阻尼系数Jc （Jc为CASE阻尼系数），则： Rd = Jc Z Vt(t) Vt（t）：桩端运动速度1.3 承载力计算影响桩端处质点的运动速度Vt 的因素有：（设桩端自由）由向下传播的锤击压力F(t1)在桩尖处所激发产生的质点运动总速度Vt1 为： Vt1 = 2 F(t1)/Z由向下传播的拉力(桩侧土阻力)- Rzc/2 在桩尖处所激发产生的质点运动总速度Vt2 为： Vt2 = -2R 侧/2/Z = -R 侧/Z 由向上传播的压力（桩端土阻力）R 端在桩尖处所激发产生的质点运动总速度Vt

33、3 为： Vt3 = - R 端/Z将三部分进行叠加，则有： Vt = Vt1+Vt2+V t3= 2 F(t1) R 侧R 端 / Z= 2 F(t1) R t /Z1.3 承载力计算Rs = RtRd= RtJc2 F(t1)Rt= (1+Jc)RtJc F(t1)+ZV(t1) 整理得：Rs = (1-Jc)F(t1)+ZV(t1)/2+ (1+Jc)F(t1+2L/C)-ZV(t1+2L/C)/2 变量：t1，L/c，Jc阻尼系数法一般是选取FZV实测曲线中速度峰值所对应的时刻为t1 时刻。一般意义上使用，积累的经验最为丰富（桩长适中，端阻力占比例不大的摩擦桩）（6）阻尼系数法（RSP

34、）承载力公式1.3 承载力计算 RSP法固定选取第一峰值t1时刻作为计算起始，但往往速度达到峰值时，位移不一定达到峰值，也就是位移峰值比速度峰值要滞后一定时间。 静阻力作为位移的函数，按照RPS法计算承载力势必损失相当部分晚到的土阻力，造成检测结果偏低。 显然端阻力较大的桩或者端阻力的充分发挥需要桩端位移较大时（如大直径）按照RSP计算承载力偏保守。 此时我们需要将两个计算时刻向后整体移动，找到最大值。这就是最大阻力法，即RMX法。 计算都是通过软件自动完成。1.3 承载力计算（7）最大阻力法（RMX）承载力公式t1为变量：计算土的静阻力中，t1 时刻的选择可以是任意的。在保持2L/C时间段长

35、度不变的情况下，t1 时刻选择从速度峰值相对应的时刻向后延时，不断进行计算，其中最大的静土阻力就是RMX。经验表明：由最大土阻力法计算所得承载力偏高。适用于：上升时间短或土的弹限值大，土阻力来不及充分发挥的情形。（端承桩或端阻力充分发挥需较大位移）1.3 承载力计算最大阻力修正法1.3 承载力计算摩擦端承桩需要RMX修正摩擦桩不需要RMX修正1.3 承载力计算桩身的上部就有可能早于2L/C 时刻产生向上的反弹运动，作用在这些桩段上的土阻力因而将反方向加到桩身上。 长桩。当锤击力波下行到桩身下部时，上部某质点由锤击力产生的向下运动速度已经很小，若此时上行的R侧/2较大，与该位置剩余的锤击力叠加，

36、会使该质点的V0。 难以贯入的桩。由于桩难以贯入，由锤击力产生桩身质点的运动速度本来就比较小，而一般来说桩侧土阻力会比较大。当锤击力波下行到桩身下部时，较大的上行的R侧/2，与该位置剩余的锤击力叠加，会使该质点的V0。（8）卸载法（RSU）承载力公式1.3 承载力计算（8）卸载法（RSU）承载力公式适用于：长桩，考虑了卸载效应1.3 承载力计算L/c是变量：最小阻力法RMN：固定起始时刻t，变动t+2L/C寻找最小承载力。适用于桩底反射不明显，桩身缺陷存在使桩底反射滞后或桩极易被打动，可避免高估承载力。 （9）最小阻力法（RMN）承载力公式1.3 承载力计算自动法：在桩尖质点运动速度为0时，动

37、阻力也为0，此时有两种与J无关的承载力计算方法，RAU和RA2。 RAU适用于桩侧阻力很小的情况，比较适合于端承桩 RA2：适用于桩侧阻力适中的场合。1.3 承载力计算阻尼系数法RSP：一般意义上使用，积累的经验最为丰富;单击贯入度在67mm的情况。最大阻力法RMX：上升时间短或土的弹限值大，土阻力来不及充分发挥的情形。最小阻力法RMN：桩底不明显时，更偏安全；适用于桩身存在缺陷，桩底反射滞后，单击贯入度较大。卸载法RSU：长桩，考虑了阻力的卸载效应。端承桩自动计算值RAU：短桩、端承桩（桩底速度为零时对应的值）摩擦桩自动计算公式RA2：摩擦桩，据说与拟合值接近（10）各种方法的适用范围1.3

38、 承载力计算（11）实测曲线拟合法 由于CASE法对桩土体系进行了一系列的假定，而实际应用中常常得不到满足，误差较大，甚至会导致错误的结论，因此Goble等人发展了CAPWAP法，即实测曲线拟合法。 由于CASE法对桩土体系进行了一系列的假定，而实际应用中常常得不到满足，误差较大，甚至会导致错误的结论，因此Goble等人发展了CAPWAP法，即实测曲线拟合法。CAse Pile Wave Anaysis ProgramCAPWAP1.3 承载力计算1 分别建立桩侧和桩端的桩土模型RshaftRtoe 5 继续计算比较4 调整桩土模型参数3 比较计算曲线 Fc 和实测曲线 Fm 2 计算出一条曲

39、线 FcvmFcFm不断重复直到得到满意的拟合结果实测曲线拟合法1.3 承载力计算卸 载 参 数总阻力、分层阻力分布阻 尼弹 限个 别 的 参 数Read PDA的实测值：检查数据质量Set U 建立桩模型：假定阻力参数分析：确定拟合质量Ri OK？Ji OK？Qi OK？拟合 OK？绘图打印结果实测曲线拟合法流程图1.3 承载力计算1.3 承载力计算1.3 承载力计算1.3 承载力计算 1.1 高应变的基本概念 1.2 应力波在桩中传播的基本规律 1.3 承载力计算 1.4 完整性系数计算1.4 完整性系数计算1.4 完整性系数计算对于等截面均匀桩，只有桩底反射能形成上行拉伸波，且一定是在2

40、L/c时刻到达桩顶实测信号中2L/c之前看到上行拉伸波，一定是由于桩身阻抗减小引起。当没有土阻力影响时，只有下行波：Z1Z2（1）无土阻力时的完整性系数1.4 完整性系数计算当有土阻力时Z1Z2t1对等截面桩顶下第一个缺陷才算严格成立。（2）有土阻力时的完整性系数1.4 完整性系数计算截面的完整性系数为Z1 （2）有土阻力时的完整性系数2 检测系统 2 检测系统 2.1 检测仪器 2.2 传感器 2.3 检测对象 2.4 锤击设备2.1 检测仪器（1）基本要求检测仪器的主要技术性能指标不应低于现行行业标准基桩动测仪JG/T 3055规定的2 级标准。 高应变法检测仪器属于法定计量设备：生产厂家

41、必须具备生产许可证。检测仪器能通过计量部门检定具备防尘、防潮、防震性能适应恶劣条件（温度变化、防水等）2.1 检测仪器武汉中岩科技有限公司生产的RSM系列仪器武汉岩海工程技术有限公司生产的RS系列仪器美国桩基动力学公司（PDI）生产的PAK型和PAL型打桩分析仪 （2）常见仪器2.2 传感器应变环F=EA=AC2（1）测力传感器2.2 传感器（2）测速度传感器加速度计ZV=ACadt量程：混凝土桩10002000g钢桩 30005000g选择原则：选择的量程大于预估最大冲击加速度的1倍以上2.3 检测对象检测对象本方法适用于检测基桩的竖向抗压承载力和桩身完整性；监测预制桩打入时的桩身应力和锤击

42、能量传递比，为沉桩工艺参数及桩长选择提供依据。对于大直径扩底桩和Q-S 曲线具有缓变型特征的大直径灌注桩，不宜采用本方法进行竖向抗压承载力检测。 进行灌注桩的竖向抗压承载力检测时，应具有现场实测经验和本地区相近条件下的可靠对比验证资料。 理解：混凝土灌注桩、预制桩、钢管桩、组合桩等刚性桩2.4 锤击设备（1）规范对形状的要求JGJ 106建筑基桩检测技术规范规定：重锤应该形状对称，高径（宽）比不得小于1。当采取落锤上安装加速度传感器的方式实测锤击力时，重锤的高径（宽）比应在1.01.5范围内。 2.4 锤击设备选择锤重应考虑以下因素： 所测承载力及桩的承载性状的影响。承载力越大，锤越重；承载力

43、构成中端阻力占的比例越大，则要求锤越重。 桩径的影响。桩径越大，桩本身的惯性越大，锤与桩匹锤提配能力下降，要求锤越重。此外，桩径的增大也会增大土的弹限，导致对锤重的要求增加。 桩长的影响。桩越长，应力波在传播过程中的衰减越大，桩中下部及端阻力就越难激发，因而要求的锤重越重。（3）锤重选择应该考虑的因素2.4 锤击设备 岩土弹限的影响。桩侧、桩端土的弹性极限较大。土的弹限越大，意味着激发岩土阻力所需的桩土相对位移越大，要求锤重越重。 桩垫的影响。桩垫的选择应是保证充分激发岩土阻力前提下，尽量选择较软的桩垫。 提倡“重锤低击”。“轻锤高击”虽然可以提高锤击能量，但常会打碎桩头。高应变试桩应大力提倡

44、“重锤低击”。（3）锤重选择应该考虑的因素2.4 锤击设备（4）常见的锤击设备锤击设备可以采用筒式柴油锤、液压锤、蒸汽锤等具有导向装置的打桩机械，但不得采用导杆式柴油锤、振动锤。（JGJ &TB）打桩机械或类似的装置均可作为锤击设备。（JTJ）激振宜采用由铸铁或铸钢整体制作而成的自由落锤。（JTG）锤击设备分两类：预制桩打桩机械和自由落锤2.4 锤击设备导杆式柴油锤： 导杆式柴油锤的冲击荷载上升时间过于缓慢，容易造成速度响应信号失真。（4）常见的锤击设备2.4 锤击设备3 现场检测 3 现场检测 3.1 检测准备工作 3.2 现场检测 3.3 现场相关问题分析3.1 检测准备工作（1）资料收集

45、 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 锤击数或每击贯入度3.1 检测准备工作（2）检测时间确认灌注桩：混凝土龄期，休止时间的确认凝土强度达到28天龄期或同条件养护试块达到设计强度（灌注桩)。考虑时间效应，砂土7天，粉土10天，非饱和粘性土15天，饱和粘性土25天；泥浆护壁灌注桩，宜适当延长休止时间。预制桩：初打，复打钢管桩：初打，复打3.1 检测准备工作时间效应说明：（1）打入桩施工时，由于挤土和振动影响，使饱和土的孔隙水压

46、力上升，造成桩周土有效应力下降，桩侧和桩端土阻力降低。经过一段时间后，随着超孔隙水压力消散，桩侧和桩端土阻力得到恢复。（2）打入桩施工时，沉桩过程对桩周土产生扰动，由于土的触变作用，桩侧和桩端土阻力也会降低，土的敏越感度参数越大，降低越多。经过一段时间后，这部分损失的阻力得到恢复。 （2）检测时间确认3.1 检测准备工作土阻力对曲线的影响:上图是打桩刚结束时的高应变检测曲线，力和速度曲线几乎没有分开；下图是桩周土恢复1天后再次进行的高应变检测曲线，力和速度曲线明显分开。这也说明，为什么打入桩打桩结束后必须待桩周土体恢复后进行高应变检测才能得到真实的承载力。初打复打 - 1 天(粘土）“Setu

47、p”摩擦桩3.1 检测准备工作（3）桩头处理预制桩： 预应力混凝土管桩测试时，在条件允许的情况下，尽量选择桩顶带法兰盘的桩进行测试。 若桩头受损，可进行切割处理，将受损段切割掉，但要保证切割面水平平整。3.1 检测准备工作（3）桩头处理混凝土灌注桩：桩头处理尽可能采用接桩方式，即在原桩顶接长1.52.0倍桩径的桩段，这样可以大大改善所采集到的数据的质量。处理方法可参照建筑基桩检测技术规范JGJ 106-2014中附录B“混凝土桩桩头处理”。 3.1 检测准备工作桩头加固 桩头要能承受高能量的冲击。3.2 现场检测 建立工作面（1）桩侧开挖或者周围平整3.2 现场检测（2）传感器安装位置的选择位

48、置位于桩顶以下2D以下，对大直径桩不得小于1D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 确保传感器接头处于水面以上 复合桩（如充填混凝土管桩）是否需要切割窗口3.2 现场检测（3）桩侧打磨3.2 现场检测（4）打孔及膨胀螺栓安装3.2 现场检测（5）导向装置就位（导向架与锤一起的）3.2 现场检测（6）自由落锤就位3.2 现场检测桩垫厚度一般取1030，可根据经验来定。一般采用木板或胶合板等材料。锤重较轻或锤击落距较低时，选用较薄的桩垫；锤重较重或锤击落距较高时，选用较厚的桩垫。桩垫厚度也可根据

49、第一锤的波形加以调整。桩垫尺寸可略大于桩顶截面尺寸。 当检测仅为检验桩的结构完整性时，要减轻锤重，降低落距，减少锤垫厚度，但应能测到明显的桩底反射信号。（6）布置锤垫3.2 现场检测 传感器必须对称安装在桩顶以下桩身两侧，对测试信号平均时方可消除锤击偏心的影响。安装的传感器与桩顶的距离一般不小于2D（D为试桩的直径或边长），对大直径桩不得小于1D，以避开桩顶附近复杂应力关系影响。 安装传感器的桩身表面应平整，且其周围不得有缺损和断面突变。传感器必须牢固安装，安装好的传感器不能在锤击过程中产生相对滑动 。（8）传感器安装3.2 现场检测 力传感器中心与加速度器中心应位于同一水平线上，两者间的距离

50、不应大于80mm。安装好的传感器中心轴应与桩中心轴保持平行。 传感器安装过程中应监测传感器初始变形值。安装好的传感器初始变形值不应超过规定值。 连续测试过程中，如从测试波形中发现传感器松动，如力曲线中出现振荡信号或力曲线不归零，要及时拧紧。如发现传感器损坏，要及时更换。 （8）传感器安装3.2 现场检测（8）传感器安装3.2 现场检测（8）传感器安装图1 灌注桩传感器安装图2 预制桩传感器安装3.2 现场检测（8）传感器安装图2 钢管桩传感器安装图1 PHC管桩传感器安装3.2 现场检测桩身参数 (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 平均波速 弹性

51、模量 EM = c2 (注意单位!)入土桩长 （用于拟合分析） 均匀桩身或非均匀桩身-桩身阻抗变化（9）仪器参数设置3.2 现场检测 传感器参数设定值按计量检定结果设定。 测点处的桩截面尺寸按实际测量确定。实心桩（钻孔灌注桩、预制方桩）桩身截面积实心部分的面积。管桩（钢管桩、预应力钢筋混凝土管桩）桩身截面积就是其壁的面积。（9）仪器参数设置3.2 现场检测 质量密度、弹性模量按桩的设定。 经验法根据以往经验确定传感器截面处桩身材料的波速 C、弹性模量E。 计算法 弹性模量 E 和波速C有公式： E= C2，在实际试验中，一般是先确定了波速C，再计算弹性模量E。目的是为了计算出截面处所受内力。（

52、9）仪器参数设置3.2 现场检测密度弹模波速kg / m3Mpam / s钢桩7850210,0005,123混凝土桩2400255024,000 48,0003,000 4,500木桩650 13007,000 28,0003,000 4,500（9）仪器参数设置3.2 现场检测 平均波速的确定。 一般来说，钢管桩的材料是比较均匀的；但混凝土桩则不然，可能一节混凝土桩桩的上下各个截面处的波速都不一定相等。同样材料，不同长度的桩的平均波速也可能不同。（9）仪器参数设置3.2 现场检测 测点以下桩长和截面积按设计或施工记录提供的数据设定。测点以下桩长指桩头传感器安装点至桩底的桩长，一般不包括桩尖

53、部分。 入土桩长指嵌入土中的桩长，是地面或基坑底面至桩底的桩长。 采样时间间隔宜为50200s。采样时间间隔一般为根据桩长和波速自动计算，有些仪器也可以人为设定。（9）仪器参数设置3.2 现场检测高应变虽为非破坏性试验，但一般不具有多次锤击的条件。应仔细检测:仪器及传感器的连接通过监视(或自检)确认传感器安装好坏可通过敲击加速度确认触发情况（10）仪器状态确认3.2 现场检测（11）提升高度控制规范：最大锤击落距不宜大于2.5m控制落锤高度一般基于以下条件：（1）冲击力不宜过高，否则桩体材料会塑性变形甚至破坏；（2）桩体有一定的沉降位移，确保桩被打动；（3）要求落锤稳定。3.2 现场检测（12

54、）锤击原则：重锤低击是保障高应变法检测承载力准确性的基本原则。3.2 现场检测锤重越大，桩顶受到的作用力的波形宽，衰减慢，作用时间长，桩周土静阻力激发充分。落距越大，桩顶受到的冲击速度越大，作用时间短，冲击力峰值高，桩身内力大，激发的动阻力大。3.2 现场检测 “重锤低击”的好处 重锤低击可避免“轻锤高击”产生的应力集中，而应力集中容易使桩身材料产生塑性甚至破坏； 重锤低击荷载脉冲作用时间长，且荷载变化缓慢，可以使桩产生较大的沉降位移； 重锤低击，桩体产生的速度较小，速度变化率也较小，因此动阻力的影响较小，可减少动阻尼参数误差对拟合分析影响，提高拟合分析精度； 重锤低击作用可类似静荷载中快速加

55、载及静动法试验。 （12）锤击3.2 现场检测3.2 现场检测（13）贯入度测量宜实测桩的贯入度，单击贯入度宜在26mm之间 桩的贯入度可采用精密水准仪等仪器测定 将打桩机作为锤击设备时，可根据多次锤击下桩的总下沉量来确定单击贯入度。两次积分确定贯入度时，可能存在问题：采集时段短，信号采集结束时桩的运动尚未停止，只有当位移曲线尾部为一水平线时，贯入度才可信。加速度计的质量优劣影响速度曲线的趋势，零漂大和低频响应差时极为明显。3.2 现场检测理想高应变波形信号特点 力和速度的时程一致，上升峰值前二者重合，峰值后二者协调，力曲线应在速度曲线之上（除非桩身有缺陷），两曲线间距离随桩侧土阻力增加而增大

56、，其差值等于相应深度的总阻力值，能真实反映桩周土阻力的实际情况。说明： 灌注桩由于波速的离散性，峰值基本上很难重合（14）信号确认3.2 现场检测 力和速度曲线的时程波形终线归零。位移曲线对时间轴收敛说明： 力信号不归零，或者由于安装压力不足，传力过程中产生相对错动，这时需重新拧紧膨胀螺栓 。由于安装位置的混凝土产生塑性变形或开裂等，这时必须选择适当的位置重新安装传感器 （14）信号确认3.2 现场检测 锤击没有严重偏心，对称的两个力或速度传感器型的测试信号不应相差太大，二组力信号不出现受拉。说明： 无导向装置的情况下，锤击偏心 在锤架底存有淤泥、桩顶无法兰盘的情况下极易造成偏心，此时应先垫实

57、架底，整平桩头，再放上桩垫板，在锤击过程中调整桩垫板高度。 在传感器、电缆间接头松弛时，可能出现一侧力特别小 （14）信号确认3.2 现场检测 波形平滑，无明显高频干扰杂波，对摩擦桩桩底反射明确； 说明：应该特别注意交流电的干扰（14）信号确认3.2 现场检测 有足够的采样长度。保证曲线拟合时间段长度不少于5Lc，并在2Lc时刻后延续时间不小于20ms。说明：规范规定有拟合要求，一定要记录长度足够 （14）信号确认3.2 现场检测 贯入度适中，一般单击贯入度不宜小于2mm，也不宜大于6mm。说明：贯入度小，使检测得到的承载力低于极限值；贯入度过大造成的桩周土挠动大，承载力分析所用力学模型与实际

58、情况相差较大， 与静载试验对比，统计结果离散性很大。实践表明，Dmax（ 最大动位移）仍是可供佐证的主要指标。 （14）信号确认3.2 现场检测3.3 现场相关问题分析 传感器的安装位置与锤击点之间应有足够大的距离 ，应该符合规范的要求。 当传感器安装在离桩顶一定距离，可以避开桩顶附近复杂的应力状态，使所测信号符合一维弹性波的理论要求； 同时也可以避免一旦桩头被打裂而对传感器造成的损坏。 （1）现场注意问题3.3 现场相关问题分析 在桩数较多、多种桩径混杂、单桩极限承载力要求有差别的工地，宜按最大承载力选择锤重。 （1）现场注意问题3.3 现场相关问题分析 检测前基桩应满足一定的休止时间，使桩

59、身混凝土达到足够的强度，桩周土超孔隙水压力消散。 （1）现场注意问题初打复打3.3 现场相关问题分析 脱钩：锤击的一点点偏心，可以导致信号一致性严重恶化，这一点已为大量试验所验证偏心不可大意锤击脱垂的脱钩容易导致偏心； 脱钩以中心脱落的方式为宜（1）现场注意问题3.3 现场相关问题分析滤波的设置对结果有比较大的影响（1）现场注意问题3.3 现场相关问题分析 安全现场安全非常重要，要保证： 远离吊车吊臂 远离导向架 保护传感器及传感器连接线缆（1）现场注意问题3.3 现场相关问题分析 两侧力信号幅值相差过大。 产生的原因： 锤击偏心（无导向架时锤子的晃动；导向架放置不平；桩垫放置不平等） 灵敏度

60、系数设置颠倒控制的目标： 应保证在规范规定的范围之内 保证灵敏度与编号对应上。（2）现场问题排查3.3 现场相关问题分析 加速度信号提前震荡。 产生的原因： 交流干扰（现场使用了交流电，并且没有有效接地）控制的目标： 尽量使用干电池或者有效接地（2）现场问题排查3.3 现场相关问题分析（2）现场问题排查 测试信号震荡厉害 产生的原因： 传感器安装不牢或松动（打孔过大或者打孔倾斜），桩垫使用不当，膨胀螺栓不好，滤波参数设置不合理控制的目标： 侧面打磨平整，选择合适的钻头，打孔距离准确，使用较好的膨胀螺栓，将传感器紧贴桩侧面，设置合理的参数3.3 现场相关问题分析 接收状态时收到连续杂乱信号，或者