高应变教学讲解课件

高应变课件高应变课件高应变课件高应变动力试桩的试验与分析方法1．13“技术支持服务”指本合同附件三和四中规定的在合同设备和合同材料和合同产品的制造、检验、调试、操作和其它有关职能方面由转让方向合同工厂人员提供的技术咨询和技术指导。高应变课件高应变课件高应变课件高应变动力试桩的试验与分析方法高应变动力试桩的试验与分析方法高应变动力试桩的试验与分析方法高应变动力试桩的试验与分析方法1．概述2．高应变动力试桩原理3．高应变动力试桩现场检测技术4．测试数据的分析与判定5．工程实例6．对高应变动力试桩现状的几点意见高应变动力试桩的试验与分析方法1．概述2．高应变动力试桩原理1．概述1．1发展历史1)起源于动力打桩公式（打入式预制桩、钢桩）桩锤为刚体、牛顿刚体碰撞理论、能量和动量守恒定理测试桩的贯入度、回弹量、锤的落高、回跳高度结合与锤或土有关的经验系数，预测或评价单桩承载力2)实际桩为弹性体，当锤击力脉冲较小，桩长较长时，桩身中将有纵向振动波传播1960年，Smith的桩锤-桩-土系统的集中质量法差分求解波动方程1．概述1．1发展历史1)起源于动力打桩公式（打入式预制桩受测试技术和计算技术发展水平限制，应力波理论在桩基工程中的实际应用比应力波理论的出现晚一个世纪上一世纪80年代，基于波动方程（连续模型）的高应变法（瑞典、美国），PDA方法1．2试验与分析方法测试锤击过程中桩头附近（边界）的速度信号（先测加速度，再通过积分获得）和力信号（实际测试应变，再换算为力）进一步换算为上行波、和下行力波再进一步分析获得桩土参数，得到桩的承载力和完整性评价受测试技术和计算技术发展水平限制，应力波理论在桩基工程中的实1．3主要功能1)试打桩和打桩监控（静载试验不具备此功能）2)检测基桩的竖向抗压承载力和桩身完整性当初，主要用于打入式预制桩、钢桩引入我国后推广到灌注桩（钻孔灌注桩和沉管灌注桩），分析精度较低监测预制桩打入时的桩身应力和锤击能量传递比，为沉桩工艺参数及桩长选择提供依据1．3主要功能1)试打桩和打桩监控（静载试验不具备此功能）1．4主要优缺点主要优点是快速提供单桩承载力（与静载试验相比）检测面较宽（与静载试验相比）主要缺点是准确度较低（与静载试验相比）对分析人员要求较高（与静载试验相比）CASE法具有很强的实时测量分析功能1．4主要优缺点主要优点是快速提供单桩承载力（与静载试验1．5适用范围

（1）高应变法动力试桩只能作为检验性试桩（校核单桩承载力是否满足设计要求），不能作为设计性试桩（为设计提供单桩承载力依据）（2）用于灌注桩时，应具有现场实测和本地相近条件下的可靠对比验证资料。（3）大直径扩底桩和Qs曲线具有缓变型特征的大直径灌注桩不宜采用。1．5适用范围（1）高应变法动力试桩只能作为检验性试桩（2．高应变动力试桩原理桩的粘弹性模型桩土体系弹塑性模型2．1一维波动方程及其解答2．2应力波的反射和透射2．3基于一维波动理论的桩-土相互作用的数值解模型2．4CASE法计算桩承载力2．5桩身完整性分析2．6打桩拉应力测量2．7实测曲线拟合法判定单桩承载力2．高应变动力试桩原理桩的粘弹性模型桩土体系弹塑性模型2．1一维波动方程及其解答2．1．1杆的纵向波动方程两边对x微分得单元动平衡方程定义可得

2．1一维波动方程及其解答2．1．1杆的纵向波动方程两边对2．1．2行波法解波动方程行波法通解Wd和Wu为任意函数Wd下行波，沿x轴独立正向传播Wu上行波，沿x轴独立负向传播2．1．2行波法解波动方程行波法通解Wd和Wu为任意函数作变换分别求Wd对x和t的偏导数符号u、v、a以向下为正，桩身轴力F、应力、应变以受压为正

可得关系式

由式可得称为波阻抗同样可得作变换分别求Wd对x和t的偏导数符号u、v、a以向下为正，桩由关系式可得由关系式可得2．2应力波的反射和透射应力从波阻抗Z1的介质入射至波阻抗Z2的介质界面上将产生反射波和透射波用脚标I、R和T分别代表入射、反射和透射界面处的力波和速度波分解为入射、反射和透射三种波阻抗界面图反射系数透射系数记完整性系数则有2．2应力波的反射和透射应力从波阻抗Z1的介质入射至波

讨论：1）透射波总是与入射波同号2）=1反射系数，透射系数应力波不受任何阻碍地沿杆正向传播3）>1波从小阻抗介质传入大阻抗介质反射系数反射力波与入射力波同号反射速度波与入射速度波异号相当于刚性固端反射，此时有力幅度增加一倍，速度为零透射力波的幅度大于入射力波阻抗界面图讨论：1）透射波总是与入射波同号2）=1反4）<1波从大阻抗介质传入小阻抗介质反射系数

反射力波与入射力波异号反射速度波与入射速度波同号透射力波的幅度小于入射力波相当于自由端反射，此时有

力幅度为零，速度为增加一倍阻抗界面图4）<1波从大阻抗介质传入小阻抗介质反射系数反射力波2．4CASE法计算桩承载力采用凯司法判定桩承载力，应符合下列规定：1只限于中、小直径桩。2桩身材质、截面应基本均匀。3阻尼系数宜根据同条件下静载试验结果校核，或应在己取得相近条件下可靠对比资料后，采用实测曲线拟合法确定Jc值，拟合计算的桩数不应少于检测总桩数的30%，且不应少于3根。4在同一场地、地质条件相近和桩型及其截面积相同情况下，Jc值的极差不宜大于平均值的30%。《建筑基桩检测技术规范》（JGJ1062003）2．4CASE法计算桩承载力采用凯司法判定桩承载力，应符合Case法的基本假定1桩身阻抗基本恒定。2动阻力只与桩底质点运动速度成正比，即全部动阻力集中于桩端。3土阻力在时刻t2=t1+2L/c已充分发挥较适用于摩擦型的中、小直径预制桩和截面较均匀的灌注桩。唯一未知数阻尼系数Jc定义为仅与桩端土性有关，一般遵循随上中细粒含量增加阻尼系数增大的规律。Case法的基本假定1桩身阻抗基本恒定。2动阻力只与1)阻力波阻力波示意图t=x/c时刻,深度x处的土阻力Rx被激发Rx/2的压力波影响于2x/c时刻反射回桩顶，它将使桩顶力曲线上升Rx/2

同时使速度曲线下降Rx/(2Z)两曲线的差值增加为结论：时程曲线的2x/c时刻，力曲线与速度曲线之间的差值代表了应力波从桩顶下行至x深度的过程中所受到的所有土阻力之和(包括动阻力)2）打桩总阻力估算公式（包括动阻力）记初始速度曲线第一峰的时刻为t1Case法的原理1)阻力波阻力波示意图t=x/c时刻,深度x处的土阻力R

3）凯司承载力计算方法考虑静阻力发挥程度的影响去除土阻尼的影响正确选择t1时刻，使RT中所包含的静阻力充分发挥最大阻力修正法（RSM法）对于桩先于2L／c回弹，造成桩中上部土阻力Rx卸载，需做出修正卸载修正法阻力波示意图3）凯司承载力计算方法考虑静阻力发挥程度的影响去除土阻尼的4)试验中，桩周土应出现塑性变形，即桩出现永久贯入度，使土极限阻力充分发挥；否则不能得到桩的极限承载力。5)应有一个休止时间使土体强度恢复，通过复打确定桩的承载力。4)试验中，桩周土应出现塑性变形，即桩出现永久贯入度，使土2．5桩身完整性分析实测信号中于2L／c之前看到上行的拉力波，一定是由桩身阻抗的减小所引起定义桩身完整性系数可得上式对等截面桩桩顶下的第一个缺陷程度计算才严格成立完整性分析示意图桩身完整性分类表对于预制桩的接头裂缝或桩身水平裂缝的宽度可采用下式估算2．5桩身完整性分析实测信号中于2L／c之前看到上行的拉力2．6打桩拉应力测量打桩拉应力示意图打桩引起的桩身破坏形式：—锤击压应力过大、锤击偏心造成桩头破坏—桩端碰到基岩、密实卵砾石层，桩端反射压力与下行的压力波在桩端附近叠加，锤击压应力过大造成桩身下部破坏—拉应力引起的桩身破坏混凝土的抗拉强度一般在其抗压强度的1／10以下，不容忽视2．6打桩拉应力测量打桩拉应力示意图打桩引起的桩身破坏形式锤击时的桩顶压力波在t1+2L／c时到达桩底并反射，假如桩侧、桩端土阻力很小（符合打桩实际情况）则反射波是拉力波，其值等于并于2L／c返回桩顶打桩拉应力分析：反射的拉力波在上行途中与渐弱的下行压力波尾部叠加，就会在桩身某一部位出现净的拉应力搜寻桩身最大拉应力的表达式打桩拉应力示意图锤击时的桩顶压力波在t1+2L／c时到达桩底并反射，假如桩侧拉应力引起的桩身破坏一般先在桩身产生细微的水平环状裂缝反复锤击时，在裂缝边缘的最小曲率半径处，应力集中现象最显著，在此应力集中处先产生局部抗压破坏，最后导致桩身断裂有些被打断的桩，表面上看是抗压破坏为证实桩是否是因拉应力引起的破坏，可观察断裂处附近是否还存在其他水平裂缝打桩拉应力示意图拉应力引起的桩身破坏一般先在桩身产生细微的水平环状裂缝反复2．7实测曲线拟合法判定单桩承载力实测曲线拟合法是通过波动方程数值计算，反演确定桩和土的力学模型及其参数值其过程为：假定各桩单元的桩和土力学模型及其模型参数利用实测的速度(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，反算桩顶的力(或速度、下行波、上行波)曲线若计算的曲线与实测曲线不吻合，说明假设的模型或其参数不合理，调整模型及参数再行计算直至计算曲线与实测曲线(以及贯入度的计算值与实测值)的吻合程度良好且不易进一步改善为止2．7实测曲线拟合法判定单桩承载力实测曲线拟合法是通过波3．高应变动力试桩现场检测技术3．1高应变法仪器设备3．2休止时间3．3检测前的现场准备工作3．4测试参数设定3．5检查和确认仪器、设备的工作状态3．6重锤低击3．7检查采集数据质量3．8关于贯入度的合适范围3．高应变动力试桩现场检测技术3．1高应变法仪器设备3．23．1高应变法仪器设备3．1．1高应变锤击设备建筑基桩检测技术规范（JGJ106—2003）规定：1）锤击设备宜具有稳固的导向装置；打桩机械或类似的装置（导杆式柴油锤除外）都可作为锤击设备。2）高应变检测用重锤应材质均匀、形状对称、锤底平整。高径（宽）比不得小于1，并采用铸铁或铸钢制作。当采取自由落锤安装加速度传感器的方式实测锤机力时，重锤应整体铸造。且高径（宽）比应在1.0～1.5范围内。3）进行高应变承载力检测时，锤的重量应大于预估单桩极限承载力的1.0%～1.5%，混凝土桩的桩径大于600mm或桩长大于30m时取高值。3．1高应变法仪器设备3．1．1高应变锤击设备建筑基桩检3．1．2传感器（1）应变式力传感器实测应变一般在1000以内

考虑到锤击偏心、安装初变形以及钢桩测试等情况可测最大应变范围不宜小于25003000且相应应变适调仪应具有较大的电阻平衡范围混凝土桩＞±1000με；钢桩：＞±1500με有资料建议3．1．2传感器（1）应变式力传感器实测应变一般在10（2）加速度计（a）内装放大压电式加速度计（b）电荷放大压电式加速度计规范对加速度计的量程未做具体规定建议根据实测经验来合理选择，宜使选择的量程大于预估最大冲击加速度值的一倍以上如对钢桩，宜选择20000～30000m/s2量程的加速度计混凝土桩1000g～2000g；钢桩3000g～5000g有资料建议（2）加速度计（a）内装放大压电式加速度计（b）电荷放大压电3．1．3测桩仪数据采集系统采样时间间隔50～200μs信号采样点1024点应具有保存、显示F、V信号、信号处理和分析的功能数据采集装置的模转换精度不应低于10位通道之间的相位差应小于50s

由于动测仪器的使用环境恶劣，所以仪器的环境性能指标和可靠性也很重要每一年标定一次《基桩高应变动力检测规程》（JGJ106297）3．1．3测桩仪数据采集系统采样时间间隔50～200μs3．1．4精密水准仪用于贯入度量测不宜采用加速度信号二次积分所得位移作为实测贯入度3．1．4精密水准仪用于贯入度量测不宜采用加速度信号二次积3．2休止时间受超孔隙水压力消散速率影响，砂土中桩的承载力恢复随时间增加较快且增幅较小，粘性土中则较慢或很慢且增幅很大地质条件：较深厚的淤泥，淤泥质土以及残积土，厚薄不匀3．2休止时间受超孔隙水压力消散速率影响，砂土中桩的承载力高应变课件3．3检测前的现场准备工作3．3．1桩头加固处理对不能承受锤击的桩头应加固处理—混凝土桩应先凿掉桩顶部的破碎层和软弱混凝土—桩头顶面应平整，桩头中轴线与桩身上部的中轴线应重合—桩头主筋应全部直通至桩顶混凝土保护层之下，各主筋应在同一高度上—距桩顶1倍桩径范围内，宜用厚度为3～5mm的钢板围裹或桩距桩顶1.5倍桩径范围内设置箍筋，间距不宜大于lOOmm。桩顶应设置钢筋网片2～3层，间距60一lOOmm—桩头混凝土强度等级宜比桩身混凝土提高1—2级，且不得低于C30一桩头测点处截面尺寸应与原桩身截面尺寸相同3．3检测前的现场准备工作3．3．1桩头加固处理对不能承3．3．2锤击装置安装为了减小锤击偏心和避免击碎桩头，锤击装置应垂直，锤击应平稳对中3．3．3传感器安装应在距桩顶规定的距离下的合适部位对称安装传感器宜分别对称安装在距桩顶不小于2D的桩侧表面处(D为试桩的直径或边宽)对于大直径桩(特别是大直径灌注桩)允许传感器与桩顶之间的距离适当减小，但不得小于1D传感器不得安装在截面突变处附近传感器安装图3．3．2锤击装置安装为了减小锤击偏心和避免击碎桩头，锤击传感器的中心轴应与桩中心轴保持平行各传感器的安装面材质应均匀、密实、平整，并与桩轴线平行，否则应采用磨光机磨平3．3．4桩垫或锤垫对于自制自由落锤装置桩头顶部应设置桩垫，桩垫可采用1030mm厚的木板或胶合板等材料传感器的中心轴应与桩中心轴保持平行各传感器的安装面材质应均匀3．4测试参数设定采样时间间隔宜为50～200s

信号采样点数不宜少于1024点应变式力传感器直接测到的是其安装面上的应变，并按下式换算成冲击力测点以下桩长和截面积可采用设计文件或施工记录提供的数据作为设定值桩身材料质量密度应按下表取值3．4测试参数设定采样时间间隔宜为50～200s信号桩身波速可结合本地经验或按同场地同类型已检桩的平均波速初步设定，再根据实测信号确定的波速进行调整初次设定或纵波波速修正后，都应按下式计算或调整桩身材料弹性模量桩身波速可结合本地经验或按同场地同类型已检桩的平均波速初步设3．5检查和确认仪器、设备的工作状态高应变检测虽非破坏性试验，但有时也不具备重复多次的锤击条件因此，每一锤的高应变测试信号都非常宝贵，这就要求检测人员在锤击前能检查和识别仪器的工作状态应确认锤击设备、导向装置、包括传感器和连接电缆在内的仪器系统是否处于正常工作状态3．5检查和确认仪器、设备的工作状态高应变检测虽非破坏性试3．6重锤低击采用自由落锤为锤击设备时，应重锤低击，最大锤击落距不宜大于2.5m落距越高，锤击应力和偏心越大，越容易击碎桩头力脉冲作用持续时间不仅与锤垫有关，主要与锤重有关锤击脉冲越窄，波传播的不均匀性，。即桩身受力和运动的不均匀性(惯性效应)越明显，实测波形中土的动阻力影响加剧，而与位移相关的静土阻力呈明显的分段发挥态势，使承载力的测试分析误差增加“重锤低击”是保障高应变法检测承载力准确性的基本原则3．6重锤低击采用自由落锤为锤击设备时，应重锤低击，最大锤3．7检查采集数据质量检测时应及时检查采集数据的质量有效锤击信号应根据桩顶最大动位移、贯入度以及桩身最大拉、压应力和缺陷程度及其发展情况综合确定动位移、贯入度小可能预示着土阻力发挥不充分检查混凝土桩锤击拉、压应力和缺陷程度大小，以决定是否进一步锤击，以免桩头或桩身受损自由落锤锤击时，锤的落距应由低到高桩身有明显缺陷或缺陷程度加剧，应停止检测3．7检查采集数据质量检测时应及时检查采集数据的质量有效3．8关于贯入度的合适范围承载力检测时宜实测桩的贯入度单击贯入度宜在2～6mm之间这是新编<规范)给出的建议值范围，比过去提出的2．5～10mm有所减少3．8关于贯入度的合适范围承载力检测时宜实测桩的贯入度单4．测试数据的分析与判定4．1分析前信号选取4．2桩身平均波速确定及力信号调整4．3高应变实测力和速度信号第一峰比例失调4．4实测曲线拟合法判定单桩承载力4．5主要土参数对拟合曲线的影响4．测试数据的分析与判定4．1分析前信号选取4．2桩4．1分析前信号选取宜取多击信号中锤击能量较大的击次《建筑基桩检测技术规范》（JGJ1062003）强制性规定出现下列情况之一时，不得作为承载力分析计算的依据：1传感器安处混凝土开裂或出现严重塑性变形使力曲线最终未归零；2严重锤击偏心，两侧力信号幅值相差超过1倍3触变效应的影响，预制桩在多次锤击下承载力下降4四通道测试数据不全4．1分析前信号选取宜取多击信号中锤击能量较大的击次《建4．2桩身平均波速确定及力信号调整可根据下行波波形起升沿的起点到上行波下降沿的起点之间的时差与已知桩长值确定桩底反射信号不明显时，可根据桩长、混凝土波速的合理取值范围以及邻近桩的桩身波速值综合确定当测点处原设定波速改变时，桩身弹性模量应重新计算桩底反射峰变宽或有水平裂缝的桩，不应根据峰与峰间的时差来确定平均波速。桩较短且锤击力波上升缓慢时，可采用低应变法确定平均波速上下行力波示意图4．2桩身平均波速确定及力信号调整可根据下行波波形起升沿4．3高应变实测力和速度信号第一峰比例失调《建筑基桩检测技术规范》（JGJ1062003）规定高应实测的力和速度信号第一峰起始比例失调时，不得进行比例调整在多数情况下，力和速度信号第一峰应基本成比例。以下几种情况下比例失调属于正常：1桩浅部阻抗变化和土阻力影响2采用应变式传感器测力时，测点处混凝土的非线性造成力值明显偏高3锤击力波上升缓慢或桩很短时，土阻力波或桩底反射波的影响随意比例调整均是对实测信号的歪曲，并产生虚假的结果4．3高应变实测力和速度信号第一峰比例失调《建筑基桩检4．4实测曲线拟合法判定单桩承载力实测曲线拟合法是通过波动方程数值计算，反演确定桩和土的力学模型及其参数值其过程为：假定各桩单元的桩和土力学模型及其模型参数利用实测的速度(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，反算桩顶的力(或速度、下行波、上行波)曲线若计算的曲线与实测曲线不吻合，说明假设的模型或其参数不合理，调整模型及参数再行计算直至计算曲线与实测曲线(以及贯入度的计算值与实测值)的吻合程度良好且不易进一步改善为止实测曲线拟合实例4．4实测曲线拟合法判定单桩承载力实测曲线拟合法是通过波《建筑基桩检测技术规范》（JGJ1062003）规定:实测曲线拟合实例1)所采用的力学模型应明确合理，桩和土的力学模型应能分别反映桩和土的实际力学性状，模型参数的取值范围应能限定2)拟合分析选用的参数应在岩土工程的合理范围内3)曲线拟合时间段长度在t1+2L/c时刻后延续时间不应小于20ms；对于柴油锤打桩信号，在t1+2L/c时刻后延续时间不应小于30ms。土模型桩模型与位移相关的总静阻力一般会不同程度地滞后于2L／c发挥端承型桩的端阻力发挥所需位移很大时，土阻力发挥将产生严重滞后故规定2L／c后应延时足够的时间，使曲线拟合能包含土阻力响应区段的全部土阻力信息桩土参数建议值《建筑基桩检测技术规范》（JGJ1062003）规定:实5)拟合完成时，土阻力响应区段的计算曲线与实测曲线应吻合，其他区段的曲线应基本吻合6)贯入度的计算值应与实测值接近4)各单元所选用的土的最大弹性位移值不应超过相应桩单元的最大计算位移值为防止土阻力未充分发挥时的承载力外推，设定的sq值不应超过对应单元的最大计算位移值土阻力响应区是指波形上呈现的静土阻力信息较为突出的时间段。所以应特别强调此区段的拟合质量是判断拟合选用参数、特别是sq值是否合理的辅助指标通过合理的加权方式计算总的拟合质量系数，突出其影响实测曲线拟合实例土模型桩模型5)拟合完成时，土阻力响应区段的计算曲线与实测曲线应吻合，4．5主要土参数对拟合曲线的影响(1)静阻力的增减直接影响计算(拟合)力曲线的升降土参数变化对拟合曲线的影响其对计算曲线的影响将滞后出现(2)加载最大弹性变形值sq和减小使土弹簧刚度增加，加载速度加快，即土阻力发挥超前反之，则减弱土弹簧刚度，使土阻力发挥滞后(3)土阻尼的增减作用与静阻力的增减作用相近但它的作用是局部的阻尼增大将使计算曲线趋于平缓，减少计算波形振荡土模型4．5主要土参数对拟合曲线的影响(1)静阻力的增减直接影(4)卸载弹性变形值squ一般以sq值的百分比表示squ值愈小，卸载愈快，造成回弹时段的计算力曲线下降(5)卸载弹性限UNL以RU的百分比表示UNL愈大，计算力曲线就愈往下移它造成的计算力曲线下降要比squ来得晚桩端一般不能承受拉力，所以桩端的UNL值恒为零上述主要土参数的影响都不是孤立的比如：土阻尼的增加限制了桩的位移，从而使静阻力的发挥速率延缓土参数变化对拟合曲线的影响土模型(4)卸载弹性变形值squ一般以sq值的百分比表示squ值5．工程实例例1：由实测的F、V曲线定性判断桩承载力大小根据图中波形分析如下：5．工程实例例1：由实测的F、V曲线定性判断桩承载力大小根高应变课件例2：由实测波形判断波形异常原因a）波形正常b）波形异常，力传感器未上紧，波形震荡c）波形异常，近测点混凝土塑性变形，波形不回零d）F大于V，近测点有扩径或混凝土硬块和桩相连e）V大于F，近测点有缩颈f）V大于F，F同时不回零，近测点有裂缝，或新接桩头和桩身没牢固连接。例2：由实测波形判断波形异常原因a）波形正常b）波形异常，力高应变课件例3：800mm灌注桩桩侧土层依次为粉质黏土、粉土、粉质黏土、黏土、粉质黏土、粉土、细砂、粉质黏土桩端为粉质黏土，桩长21．8m，采用41.5kN重锤根据波形直观判断，该桩属于摩擦型桩，土阻力前期发挥很快，没有承载力