基桩动力检测高应变检测技术基本原理

1、基桩动力检测高应变检测技术基本原理 一、若干基本概念高应变动力试桩的基本理论是一维波动方程，为方便分析，将桩看作一根截面积，材料均相同的“无限长弹性杆”。设杆的单位体积的质量为，杆长为l，截面积为A，材料弹性模为E。在外加轴向力的作用下，杆的纵向振动位移（x、t）是纵向坐标和时间两个变量的函数。（一） 一维波动方程经过力学与数学的推导，可将上过杆的纵向振动用二阶编微分方程来描述：整理得杆纵向振的微分方程为 （4-1）考虑桩周土作用的完整桩纵向振动（或波动）方程 （4-2）（二） 纵波波速C上式中的C为杆的纵向振动波沿杆的传播速度，可以理解为应力波在桩身中的传播速度，即桩基测试界道常所说的波速，

2、它的单位为m/s，混凝土桩的正常波速约30004000m/s之间（三） 质点运动速度V传递波动的物质称为介质，介质的运动随时间的变化称为振动；整个介质随空间、时间的运动变化情况，则称为波动。在应力波作用下，桩身产生运动。其质点的振动速度V取决于应力的大小和介质的特性。 （4-3）（四） 桩的阻抗Z 由一维波动理论可知，桩阻抗是其横截面积、材料密度和弹性模量的函数。 （4-4） 也可表达为F=ZV Z为桩的阻抗（单位为NS/m） E为桩的弹性摸量（单位为N/m2） A为桩的横截面积（单位为m2） 为桩的质量密度（单位为Kg/m3）（五） 应力波的反射与透射 当应力波在杆件内传播时，如果杆件的阻抗

3、有变化时，即杆件的E、A、中任一项或几项有变化而使阻抗产生改变的，应力波即产生反射与透射。如分别以表示入射波，表示反射波，表示透射波，且遵照压力为（+）拉力为（-），速度以朝向X轴正向为（+），朝向X轴负向为（-）的符号规则，根据力的平衡条件可得： （4-5）由质点速度的连续条件可得 （4-6）最终可得出： （4-7）（六） 行波理论（七） 土的总阻力 六、七部分详见桩的动测新技术（基础结构动态诊断）中的相关内容。 二、凯斯（Case）法波动方程法一般指完全使用波动方程解的计算机程序在给定的锤、垫、桩、土的参数变化范围内通过程序的参数分析功能迅速绘制出多组理论承载，即以纵坐标为不同的设定桩周土

4、总静阻力值，横坐标为假定参数计算所得的打入阻力（每击贯入度的倒数）。每组曲线的某些参数（视要求而定）为设定值，其余变量相应便形成一组曲线。确定承载力时桩的最终贯入度及锤的落高为实测，其余参数参照取用。因此从各组曲线中选出相应的承载曲线便可由打入阻力反查总静阻力。如还有动静载对比试验数据则更可作相应修正。显然这种方法对某一地区的固定施工场地有一定的适用性也极方便，因为对土质、锤的效率、垫层耗能状况等都是熟悉而稳定的，易于掌握。波动方程法更多的用途是对大型打桩工程的沉桩能力分析与预测。在纯粹的工程桩承载力事后控测中很少应用。桩基测试技术中所称的 Case法是美国桩基动力学公司提出的一种测定桩的静极

5、限承载力的一种简便方法。该法只在引用应力波行波理论及激发土阻力所产生的上、下行波概念方面与波动方程法一致。Case法理论要点（一） Case法的基本假定为了简化问题，Case采用了下述假定：（1）桩看作一维杆体，桩身等阻抗，即截面不变、桩身材质均匀且无明显缺陷；（2）只考虑桩底的动阻尼，忽略桩身周围的动阻尼；（3）应力波在传播过程中没有能量耗散和信号畸变；（4）在（tltl+4L/C）时段内桩侧各点的摩阻力不变。（二） Case法基本公式阻尼系数法基于上述假定，Case法导出，在锤的冲击下，岩土对桩的实际总阻力Rt为： （4-8）我们的希望的是岩土对桩的静阻力，所以必须从总阻力Rt中扣除由于桩

6、身在土中运动而受到的附加阻力Rd，根据第二点假设，桩侧动阻力可不予考虑，Case法假定桩尖动阻力与桩尖的运动速度Vb成正比，令Jc为比例常数，经推导得： （4-9）式中：Rt桩对土的实际总阻力；Rsp阻尼系数法所确定的桩的静阻力（即桩的极限垂直承载力）；Jc桩尖土层的凯斯系数，其取值与桩尖岩土颗粒粗细有关，高勃尔建议如表4.1取值；P1、V1t1时刻（或应力波初始峰值时刻）实测的力值、速度值；P2、V2t2时刻（t2=t1+2L/c即来自桩底反射波时刻）实测的力值、速度值；Z桩身阻抗，为P（密度）、c（波速）、A（截面积）的乘积。表4.1 PDI公司推荐的Jc值土质纯砂粉砂粉土亚粘土粘土Jc0

7、.10.150.150.250.250.40.40.70.71.0（三） 关于Case法的几点说明（1）Case法公式确实很简单，（4-9）式中未知数仅为Jc,其它为实测值，在现场只要输入Jc值，即可得预测承载力值；（2）根据基本假定，符合条件的桩为初打阶段的打入桩，这时Jc值为桩尖土层的Case阻尼系数。实际上，Jc值正是高勃尔根据120根打入桩动静对比结果总结出来的。（3）应该说，对复打阶段的预制桩、对静压桩、对桩侧动阻力比较明显的灌注桩、对挖孔桩，均无法和假设条件完全一致，这时Jc值变成了一个没有明确物理意义的经验系数，综合反映试桩各个方面的特定条件。（4）Case法有一定适用范围，对短

8、桩（桩长与桩径之比较小），对扩底桩、对桩身截面变化较复杂或桩身存在较严重缺陷的桩，因基本不符合Case法假设前提，一般来说不适宜用Case法，而应该用Capwapc（曲线拟合法）或静载法解决。经过以上的讨论，我们可以看出，对大部分桩，动静对比求取Jc值除反映桩尖土的颗粒粗细程度外，还包括了试桩与Case法假设前提背离程度的影响。换句话说，Jc值除和桩尖土有关外，还与桩周土、不同桩类型有关。所以说Jc值 具地区性，不同地区均需要作动静对比，求取不同桩型、不同桩径大小、不同地质条件下桩的凯斯系数，其道理就在这。上述第（4）点所提到的各种桩，因试桩条件与假设前提背离程度太大，Jc值的求取当然就很困难

9、了，所以，就不适宜用Case法。（四） 国内对Case系数的选择多年来，我国不少应用单位对Case法进行了有益的探索，提出了适用本地区情况的Jc值，修改了PDI公司的给定值，这里给出了几组有代表性的Jc值。（1）国家建筑质量检测中心颁布的高应变动力试桩法暂行规定（1989）给定的Jc值，实际上该表的内容和高勃尔所推荐的一致：表4.2 国家建筑工程质量检测中心推荐的Jc值桩类土类别砂粉砂粉土亚粘土粘土Jc（建议值）10.150.150.250.250.40.40.70.71.0（2）山东省地区Jc值取值范围：表4.3 山东省地区Jc值持力层强风化粉细砂粉土轻亚粘土亚粘土粘土Jc值0.050.10

10、.10.250.250.40.250.450.40.70.51.0（3）广东省建筑科研设计所提出的Jc值取值范围：表4.4 广东省建筑科研设计所的Jc值持力层强风化砾砂粉砂粉土粉质粘土粘土Jc值0.050.10.10.150.150.250.250.40.40.70.71.0三、 实测曲线拟合法实测曲线拟合法中典型的代表是Capwapc法，是高应变动力试桩中较为常用的方法，是以波动方程解为基础的方法。主要是将理论计算所得力波F（t）与速度波V(t)。通过调整土阻力大小与分布及各参数值来与实测力波与速度波拟合以提供承载力。Capwapc采用连续杆件模型，将桩身分成NP个（桩身及传感位置的桩材弹模

11、、波速等）弹性杆件单元，每个单元长度大约为1m，桩身模型中包含桩材性质、波阻抗、桩身裂隙、材料阻尼等参数。将土分成NS（一般取NS=1/2NP）个单元，模型中除了最大静阻力Ru，最大弹性变形Q及阻尼系数Jc三个基本参数外，还增加了卸载时的弹性变形、卸载水平、重新加载水平、桩端与岩土间空隙、桩端附加质量（土塞）、残余应力及能量耗散（幅射阻尼）等选项。在多数情况下，桩周土单元的Q值和Jc值可取相同值，桩身阻抗是恒定的，故一般情况下共有Ns+19个未知数。Capwapc分析方法的思路是根据实测的应力的速度曲线中，选一条曲线进行相应的波动计算，将求得的另一条计算曲线与实测曲线相比较拟合。也可以通过应力

12、和速度曲线求解上行波和下行波相拟合进行，即从上行波曲线（或下行波曲线）出发，对各种参数进行设定，计算出下行波（或上行波）曲线，把计算结果和相应的实测曲线进行比较，根据对比的差值，自动修改数学模型，再进行下一次的计算拟合，如此把复进行，直至达到拟合效果满意（拟合指数Match Quality10）为止，才能最终确定符合实际桩土体系的各种参数，但必须指出最终设定的各种参数应基本符合桩周土的分布规律。可见这种算法是以实测值作为客观标准来反演桩土参数。经过多次拟合，最终得到桩身剖面形状、土参数分布（如土阻沿桩身分布）和根据桩土参数进行静力分析模拟出的静荷载一沉降曲线。此外，由于求解是对整个波动过程进行

13、的，因而还能给出桩身任一深度处的动力学和运动学参量随时间的变化，应该注意到：参数选取是否合理与分析人员素质与经验的丰富程度有很大关系，所得拟合效果因人而异。因此，尽管拟合法的标准唯一，但实际上解并非唯一，只可能将不同的解控制在一定的变异范围内。Capwapc的具体原理请见桩基动测新技术基础桩结构动态诊断中的有关章节，图4.1 初打时CAPWAP C分析结果图3.2 复打时CAPWAP C分析结果（a）计算力波曲线与实测曲线的拟合 （b）桩侧摩阻力分布 四、高应动力试桩法检验桩身完整性（一） 桩身缺损和裂缝由锤所产生的压力波向下传播，在桩侧摩阻力或桩截面突然增大处都会产生一个压力回波（反射波），

14、这一反射波返回到桩顶时，将使桩顶处的力增加，使速度减小。掌握这一基本概念就可在实测的力波曲线和速度波曲线中，根据两者的相对变化关系来判断桩身的各种情况。图4.3 现场实测波形如图4.4所示，当速度波幅值突然增加且力值突然减小时（图中ta时刻），说明图4.4 桩身缺损诊断传感器接收到了一拉力回波，根据收到拉力回波的时刻就可以估计出该回波产生的位置，即桩身缺损使声阻抗变小的位置，缺陷的损坏程度用损坏截面的声阻抗值Z2与正常截面的场阻抗值Z1的比值来描述，通常称为桩身截面的完整性指标： （4-10） 由式前述理论可知，当截面变化时，下行波的入射压力波与反射的拉力波之间的比值为 (4-11)由tx时刻

15、两曲线的差值，可算出缺损截面以上土摩阻力R (4-12)式中，tx表示波经过缺损处再反射到传感器的时刻。由值即可判断该面上缺损的程度。高勃尔提出了一个鉴别标准，见表4.5表4.5 桩身缺损鉴别标准损坏程度损坏程度1.00.81.0完好轻微损坏0.60.80.8时）,劳契和高勃尔建议了一个估算裂缝宽度的近似公式: （4-13）图4.5 裂缝宽度估算如图4.5,从发现异常回波的时刻起,在速度波曲线上作一条与F波曲线平行的假想的速度波曲线(F-R)/Z,这条假想的速度波曲线与实测速度波曲线两次相交的时刻为t1、t2，积分式（4-13）就是假想的速度波曲线与实测速度波曲线所围成的阴景部分面积。图4.5

16、是一根73.15m长的端承桩，在8.75ms处收到异常回波，裂缝位置大约在传感器下17m处，因0.8 ，所以在异常回波后还能测到桩尖回波，由式（4-13）算得裂缝的宽度约为1.12mm。（二） 桩身材料整体质量检查 从应力波在桩身中的传播速度，可判断桩身混凝土的整体质量。从波形曲线上桩尖所产生的拉力回波收到的时间2L/C和桩长L就可推算出波速C值。（1） 声速与强度 混凝土强度（R）和声波在混凝土中的传播速度（C），一般来说，混凝土强度越高，则其声速越快。其理由是，混凝土强度与弹性模量有相关性，弹性模量高的混凝土其强度也高。另外，弹性模量与声速的平方又具有比例关系，因此混凝土强度和声速之间亦应

17、有相关性。实际上，混凝土的密实性、孔隙率与声速有关，密实性愈低（即孔隙率大）的混凝土其声速也低、孔隙率大的混凝土强度也低。桩基测试中所使用的声速就是借鉴了以上的经验相关关系，但还有所不同，由于桩侧土的影响，声速值比同等强度的结构物偏低。（2） 检验步骤：、桩身结构完整性评价时，宜对信号先作下列定性检查：、观察连续锤击情况下，缺陷的扩大或逐步闭合的情况。（3） 桩身结构完整性可用实测曲线拟合法评价：、拟合时所选用的桩土参数应在岩土工程的合理范围之内；、根据桩的成桩工艺，拟合时可采用桩身阻抗拟合或桩身裂隙（包括预制桩的接桩缝隙）拟合。（4） 对于等截面桩，桩身结构完整性可用法评价。表4.6 桩身结

18、构完整性评价值评价=1.0完好桩0.81.0轻微缺陷桩0.80.8明显缺陷桩0.6严重缺陷或断桩上表是建筑基桩检测技术规范（JGJ1062003）中推荐中。目前的仪器，已可以自动显示计算出的桩顶下第一缺陷的值和位置。 五、高应变动测适用范围工程桩是否合格除桩身完整性外，其主要依据还是承载力。在建筑桩基技术规范JGJ 94-94中规定可以用来检测基桩承载力的方法是单桩静载荷试验和可靠的动力测试。规范中规定，对于一级建筑物和复杂的二级建筑物桩基，如果在设计阶段未曾做过静载荷试验，在工程验收阶段就必须做静载荷试验；对于做过静载荷试验的一级建筑物、不复杂的二级建筑物以及三级建筑物桩基，则可以采用可靠的动测法检测其承载力。随着社会经济的发展，建筑物的桩基类型也多种多样，一些实践表明有些桩与一维应力波理论有关桩身的基本假定相差较大，这里将基本假定列出，供大家参考：桩是一个时间不变的系统，即桩的基本特性在测试所涉及的时间内可以看作是固定不变的；桩是一个线性系统，即桩在总体上是弹性的，所有的输入和输出都可以简单叠加；（在桩身的局部环节可以考虑其非线性性状）