桩身完整性高应变动测法

高应变动测法

高应变动测法是用重锤冲击桩顶，使桩—土产生足够的相对位移，以充分激发桩周土阻力和桩端支承力，通过分别安装在桩身两侧的力和加速度传感器接收量测力和桩、土系统响应信号，从而计算并分析桩身结构完整性和单桩竖向承载力。高应变试验方法：（1）动力打桩公式法：量测打桩最终贯入度，锤重和锤落高。用它估算单桩极限承载力。（2）波动方程分析法（smith法）：量测最终贯入度，锤重、落高和设定桩、土、垫层一系列参数。用它预测单桩极限承载力；打桩拉、压应力和沉桩能力分析。（3）波动方程半经验解析法（case法）：量测桩顶力和速度（加速度信号积分）时程波形。可估算单桩极限承载力和桩身结构完整性作出评价。（4）波形拟合法：量测桩顶力和速度时程波形。可判定单桩极限承载力，评价桩身结构完整性，估计桩侧与桩端土阻力分布和摸拟静载荷试验的Q-S曲线。（5）静—动试桩法：量测桩顶力和位移时间程波形，可判定单桩极限承载力。目前采用较多的CASE法，波形拟合法较为广泛。一、现场检测技术

1、锤头锤头形状制作按《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2003）中，对锤重和锤形选择以强制性条文的形式作为严格规定，锤头材质均匀，形状对称，锤底平整，高径（宽）比不得小于1，采用铸铁或铸钢制作。锤高、宽比一般2：1或1.5：1。2、起重设备锤头起吊一般用支架或汽吊、钩机。支架：必须注意支架导向轨润滑预防支架轨道磨擦过大而产生高频横波和纵波，横波沿垂锤轴向往返传播，纵波沿重锤轴向传播，在力曲线上表现为从重锤冲击前到之后，使力曲线始终存在一个高频复杂的振动波干扰。汽吊及钩机：锤的轴心线与桩的轴心要重合，如稍偏心，出现产生偏心力，两边对称的力和加速度传感器得不到大小相同信号，并且有可能产生机械振动干扰、出现力曲线上存在高频信号干扰。3、桩垫桩垫是影响实测波形重要因素：其作用有二个：一是使锤击力分布均匀、调整锤击过程的持续时间，将锤击能量更有效地往桩顶传递。二是缓冲锤体的冲击力，使打桩压应力不超过容许值。选用材料有胶合板、薄木板，特制的布垫或纸垫；还可以标准细砂找平（厚度10-30mm为好）4、桩头处理对于混凝土灌注桩先凿掉桩顶部的破碎层和软弱浮浆层，桩头顶面平整、桩头中轴线与桩身上部的中轴线应重合，桩头主筋应全部直至桩顶混凝土保护层之下，各主筋应在同一高度，距桩顶1倍桩径范围内，用厚度3～5mm钢板围裹或距桩顶1.5倍桩径范围内设置箍筋，间距不大于100mm，桩顶设置钢筋网片2-3层，间距60~100mm，桩头混凝土强度等级比桩身混凝土提高1～2级，且不低于C30，桩头侧点处截面尺寸与原桩截面尺寸一致。预制桩桩对不受损，可以使用。5、传感器安装按国家标准《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2003）附F有关要求。（1）传感器必须安装在离桩顶2—3倍桩径位置，对于大直径桩，传感器与桩顶之间距离可适当减少，但不得小于1倍桩径。如遇到桩身截面突变处，要避开，尺量桩身截面一致处为好。避开桩顶附近复杂的应力应变状态。（2）传感器必须对称安装在桩两侧面，应变与加速度传感器的中心应位于同一水平线上，应变和加速度传感器之间大于80mm。传感器的中心轴应桩中心轴保持平衡。（3）各传感器的安装面材质应均匀，密实、平整、并与桩轴线平行，否则应采用磨光机打磨平整。（4）传感器安装使用螺栓的钻孔与桩侧表面垂直，牢固。不能由于锤击振动引起松动或接触不良、尤其力传感器位置有良好的平整面。（5）安装完毕后，检查应变传感器紧贴程度是否松动，对其初始应变值进行监视，保证锤击时可测轴向变形余量。混凝土桩大于+1000με；钢桩大于+1500με。6、测试参数选取测试前对设定相当重要，要认真结合仪器使用动能要求进行设定选取。（1）采样时间间隔50～200μѕ，信号采样点数不少于1024点；（2）传感器的设定值按计量检定结果设定；（3）测点处的桩截面尺寸按实际测量确定，波速，质量密度和弹性模量设定；（4）测点以下的桩长和截面积按设计文件或施工记录提供数据设定。

桩身材料弹弹性模量按按公式计算算E=ρ·с2E—桩身材料弹弹性模量（（KPa）с—桩身应力波波传播速度度（m/s）ρ—桩身材料质质量密度（（t/m3）7、仪器工作作状态检查查。在正式试验验之前，检检查仪器是是否正常工工作状态，，对已连接接好的各种种传感器核核验，对检检测仪进行行仪器自检检，并观测测量测系统统置于正常常。8、锤击择选选按国家标准准《建筑基桩检检测技术规规范》（JGJ106-2003）中附录条条文进行，，具体大致致如下：对于摩擦桩桩或端承摩摩擦桩，锤锤重一般为为单桩极限限承载力的的1%，但摩擦端端承桩的锤锤重还要大大些，才有有可能把桩桩打一定的的贯入度。。锤高大小是是影响峰值值和桩顶速速度的重要要因素。落落高过小，，能量不足足；落高过过大，力峰峰值过大，，易击碎桩桩顶。一般般的落高1.0-2.0m之间，最高高不应大于于2.5m，最好重锤锤低打。选择锤重和和落高要使使桩贯入度度不小于2.5mm，但也不要要大于10mm。贯入度过过小、土强强度发挥不不充分，贯贯入度太大大不满足波波动理论、、实测波形形失真。。对于嵌岩桩桩，在选用用锤重和落落高时要注注意不能把把嵌固段打打动，否则则嵌固力不不能恢复大大大降低桩桩承载力。。9、检测时应应及时检查查采集数据据的质量。。高应变动测测用重锤冲冲击，当每每对受检桩桩记录冲击击有效锤击击信号后检检查所采集集信号进行行观察分析析，发现测测试曲线采采集不理想想，应认真真检查桩头头、传感器器有无异常常。一般出出现较多异异常原因：：①传感器安安装处混凝凝土开裂或或出现严重重塑性变形形使力曲线线最终未归归零；②严重锤击击偏心，两两侧力信号号幅值相差差超过1倍；③触变效应应的影响、、预制桩在在多次锤击击下承载力力下降；④四通道测测试数据不不全。10、现场测曲曲线判断。。（1）力传感器器未上紧，，波形产生生自振；（2）波形信号号不回零，，表明靠近近测点附近近混凝土有有塑性变形形；（3）波形峰值值处力大于于速度，表表明靠近测测点附近桩桩身有扩颈颈或垫层和和桩相连；；（4）波形峰值值处速度大大于力，表表明靠近测测点附近桩桩身桩相连连。（5）波形峰值值处速度大大于力，力力波不回零零，表明测测点附近桩桩身有裂缝缝，或传感感器安在新新接桩头上上，接头连连接没有做做好。一般正常F和ZV曲线：①波形没有有明显的高高频杂波信信号干扰；；②两组F和ZV时程波形最最终回归零零值；③两组F和ZV时程波形的的峰值前应应重合，峰峰值后两者者协调；④F曲线一般为为正值、因因为在桩顶顶附近应力力为压力；；⑤在桩底反反射信号出出现前、ZV曲线应在F曲线的下方方，它差值值的一半等等于对应时时刻接受到到的阻力值值；⑥由加速度度信号积分分得到的位位移曲线一一般是先急急剧上升，，接着突然然下降，下下降到最小小值后又缓缓缓上升，，最后稳定定在一条水水平线上。。二、CASE法CASE数学模型CASE法的数学模模型较为简简单，只考考虑桩和桩桩周土的简简化模型。。（1）把桩假定定为均匀连连续的一维维杆，并且且物理参数数在测试的的时间内是是不变化的的，称为时时不变。（2）土的模型型①试桩时认认为桩、土土界面发生生破坏，桩桩的承载力力为桩的支支承能力。。②实测总阻阻力近似看看成静阻力力和动阻力力两部分组组成。R总=R静+R动静阻力RS简化为理想想刚塑性模模型，即当当土中应力力达某一数数值后，不不随变形增增加而增加加，忽略弹弹性变形（（图a）,于是R(Z)=Ru动阻力Rd简化为与桩桩的运动速速度成线性性关系的粘粘滞阻尼模模型，用一一个阻尼表表示（图b）:Rd=J(z)·V（z)式中：J(Z)—深度Z处桩侧土粘粘滞阻尼系系数（kN·s/m），为直线线斜率。V(Z)—深度Z处桩身运动动速度（m/s）动力试桩实实际用的是是smith阻尼系数和和case阻尼系数：：当用smith阻尼系数时时，Rd=JS(Z)·Ru(Z)·V(Z)当用case阻尼系数时时，Rd=JC(Z)·Z·V(Z)式中：JC(Z）—case阻尼系数是是无量纲参参数Z—桩身阻抗（（kN·s/m）对上述case法数学模型型成立，用用case法分析方法法分析，把把试桩看成成三条基本本假定：①桩身是等等效阻抗的的（Z=ρсАА），Z沿桩身不变变。该假定定对钢桩，，预制桩和和预应力管管桩在桩身身无缺陷性性况下基本本适用；而而灌注桩断断面是不均均匀，桩身身即使无任任何缺陷也也难以达到到，在该假假定条件下下，实测信信号除了土土阻力和桩桩底信号的的反射波外外，设有任任何阻抗变变化的反射射波。②动阻力集集中在桩底底，忽略桩桩侧动阻力力。③忽略应力力波在传播播过程的能能量损耗，，包括桩身身中内阻尼尼损耗向桩桩周土的逸逸散。在该该假定条件件下，应力力波传播过过程没有波波形畸变和和幅值的变变化。Case法单桩承载载力确定：：Case法动测试桩桩，在有足足够能量锤锤击桩顶时时，可以激激发出桩周周土阻力，，实测桩顶顶附近的力力和速度程程波形。由波动方程程和行波理理论可推导导得到case法单单桩桩极极限限承承载载力力公公式式：：Rn=R－JC(2Ft－R)R=1/2[F(t1)＋F(t2)＋Z/2(V1－V2)]式中中:Rn—单桩桩极极限限承承载载力力R—打入入总总阻阻力力F(t1)、V(t1)—t1时刻刻力力和和速速度度值值F(t2)、V(t2)—t2时刻刻桩桩顶顶反反射射处处的的力力和和速速度度值值。。t1时刻刻可可取取在在第第一一峰峰值值，，第第二二峰峰值值或或最最大大峰峰值值处处。。三三种种取取法法一一般般情情况况其其结结果果相相差差不不大大，，如如果果有有明明显显差差别别、、应应选选择择提提供供最最大大静静阻阻力力的的位位置置。。t2为桩桩底底反反射射点点位位置置，，(t1+2L/c)t1和t2确定定后后，，在在波波形形上上F(t1)、F(t2)、V(t1)、V(t2)都有有桩桩身身阻阻抗抗Z可根根据据桩桩径径和和波波速速计计算算得得到到：：case阻尼尼系系数数JC可由由静静、、动动对对比比结结果果反反算算求求得得或或经经验验取取值值。。一般般case阻尼尼系系数数通通过过大大量量静静、、动动对对数数据据各各土土层层取取值值范范围围：：凭经经验验选选取取case阻尼尼系系数数要要慎慎重重，，望望大大家家大大量量进进行行静静动动对对比比试试验验资资料料，，建建立立地地方方case阻尼尼系系数数。。Case法分分析析有有多多种种方方法法：：阻尼尼系系数数法法（（RSP）,最大大阻阻尼尼力力法法（（RMX）,卸载载法法RSU,自动动法法（（RAU）。。但case法推推算算基基本本准准确确，，最最好好采采用用其其它它方方法法进进行行计计算算。。三、、波波形形拟拟合合法法：：波形形拟拟合合评评价价单单桩桩极极限限承承载载力力，，目目前前认认为为是是最最先先进进技技术术，，它它具具多多解解性性，，无无唯唯一一解解。。在在拟拟合合过过程程可可调调整整的的参参数数有有侧侧阻阻，，端端阻阻，，最最大大弹弹性性位位，，土土阻阻尼尼系系数数，，桩桩截截面面积积，，波波速速和和混混凝凝土土弹弹性性模模量量等等，，改改变变以以土土任任何何一一个个参参数数都都可可能能使使某某些些单单元元段段计计算算波波形形和和实实测测波波形形吻吻合合。。1、波波形形拟拟合合基基本本原原理理波形形拟拟合合现现场场测测试试和和数数据据采采集集与与case法完完全全一一样样，，得得到到的的是是两两根根实实测测波波形形F(t)和V(t)。实实测测波波形形包包含含有有桩桩身身阻阻抗抗变变化化和和土土阻阻力力（（桩桩承承载载力力））信信号号。。把桩桩划划分分若若干干分分段段（（单单元元）），，假假定定各各分分段段的的桩桩、、土土参参数数。。如如桩桩身身阻阻抗抗、、土土的的阻阻力力及及沿沿桩桩身身分分布布，，最最大大弹弹限限QK和阻阻尼尼系系数数JS或JC等。。用用实实测测的的波波形形速速度度或或力力，，作作为为已已知知边边界界条条件件进进行行波波动动程程序序计计算算，，求求得得力力或或速速度度波波形形。。也也就就是是用用计计算算波波形形法法拟拟合合实实测测波波形形，，两两者者进进行行比比较较，，直直到到两两者者吻吻合合程程序序达达到到满满意意为为止止。。从从而而得得到到单单根根限限承承载载力力，，桩桩侧侧阻阻力力分分布布，，计计算算的的荷荷载载－－沉沉降降曲曲线线（（Q－S曲线）和桩身身结构完整性性。波形拟合过程程反复迭代计计算过程（框框图），要得得到各分离单单元的速度响响应曲线，可可以解波动方方程得到各单单元的力曲线线FC。将计算的曲曲线FC和实测的力曲曲线Fm进行比较，并并调整各单元元参数值得FC和Fm良好吻合。认认为对桩、土土参数假定实实际情况接近近，即为试验验所得需要结结果。2、波形拟合法法的数学模型型。波形拟合法的的数学模型分分为桩身和土土的模型（1）桩身模型波形拟合法采采用“连续”，把桩看作连连续的、不变变的，线性的的和一维的弹弹性杆件。把把桩划分为Np分段长度保持持应力波在通通过每个分段段时所需的时时间相等，分分段本身阻抗抗是恒定的，，但各分段阻阻抗可以不同同。桩身内阻阻尼引起应力力波的衰减可可用衰减率模模拟。有的计计算软件，还还可考虑裂缝缝在受力过程程中的闭合张张开程度，局局部不密实的的混凝土应力力—应变的非线性性关系问题。。（2）土模型波形拟合法将将土简化为理理想弹塑性模模型模型。（a）、(b)是桩侧阻和桩桩端阻的静阻阻力模型。当当土位移Qkm小于最大弹性性位移Qk时、应力应变变呈线性关系系，一旦位移移达到最大弹弹性位移Qk值，应力不再再随应变增加加而增加，土土进入塑性状状态。Rk(z)=(u(z)/Qk)Ruk(u(z)≤Qk)Rk(z)=Ruk(u(z)=Qk)式中：Ruk—桩在Z深度处土的极极限静阻力（（mm）Qk—土的最大弹性性位移（mm）u(z)—深度Z处土位移(mm)实际土是弹塑塑物质，应力力应变关系实实际上是非线线性关系。加加载和卸载过过程表现出不不同性质，以以上的模型是是很近似。当当桩受锤击后后，桩身除向向下运动（加加载过程）外外，还可产生生回弹（卸载载过程），所所以计算程序序除了有加载载弹限Qk（最大弹性位位移），还给给定卸载弹限限Qkm（卸载最大弹弹性位移）参参数，在相同同极限阻力条条件下，Qkm＜Qk。桩身上、下运运动有可能反反复多次，所所以条件考虑虑了反复加载载程度（重加加载水平）RL和RLt参数。桩出现回弹，，局部单元向向上运动，桩桩侧开始卸载载，当桩土相相对位移出现现负值时，侧侧阻方向下（（卸载水平））。桩尖静阻力模模型中图b，由于桩尖不不能受拉，不不存在卸载水水平，灌注桩桩桩底有可能能存在沉渣或或虚土，预制制桩由于打桩桩挤土效应会会使桩上抬，，桩尖产生缝缝隙。故分析析中设置“土隙”参数GAP。3、波形拟合法法计算要考虑虑主要参数波形拟合法中中，为了使计计算波形和实实测波形吻合合，优先调整整的参数是各各分段单元的的侧阻力Rsk，桩侧土阻尼尼系数JC,最大弹性位移移Qk和桩端阻力Rut，桩端土最大大弹性位移Qt、桩尖土阻尼尼系数Jct。①调整土阻力力Ruk、Rut当某分段单元元的侧阻Ruk增加，该分段段单元往后计计算力波形Fc(t)一起升高；桩桩端土阻力Rut增加，2L/C处及其后Fc(t)波形一起升高高、而对2L/C以前分段单元元无影响。桩桩侧Ruk增加，使计算算贯入度减少少。②调整阻尼系系数JC和JCt动阻力大小和和运动速度，，阻尼系数成成正比，某单单元桩侧或桩桩尖土阻尼系系数JC和JCt增加，相应的的Fc(t)波形上升，反反之Fc(t)下降。阻尼系系数过低会使使计算Fc(t)波形后段产生生低频振荡。。桩头土阻尼尼系数增加会会使计算的贯贯入度减小。。阻尼系数JC值一般在0.01～2间变化。③调整土的加载载最大弹性位位移Qk当调整个别分分段单元的Qk值时，对计算算力波形影响响不大，连续续调整许多分分段单元Qk值才对Fc(t)有显著影响。。当Qk值增加时，使使Fc(t)波形逆时针方方向转动，即即上部分段单单元Fc(t)波形下降，下下部分段单元元Fc(t)上升。当Qk值减少时，使使Fc(t)波形顺时针方方向转动，即即上部分段单单元Fc(t)波形上升，下下部分段单元元Fc(t)下降。当桩底土Qkm值减小，会引引起桩底土的的快速加卸载载，使2L/C处Fc(t)波形上升，稍稍后Fc(t)波形下降。桩底土Qkm减小，使计算算贯入度增大大。无论是桩桩侧或桩底土土，其最大弹弹性位移值一一般都在1～10mm之间变化。4、波形拟合法法的桩阻抗变变化。桩身阻抗Z=ρсА=E·A/C,当改变桩截面面积A或混凝土弹性性模量E或应力波速C都可使桩身阻阻抗变化。①桩身截面积积变化：当某某分段单元截截面积增大，，对应单元的的计算力波形形Fc(t)上，而下一单单元相对上单单元为缩颈，，因此往下单单元Fc(t)，波形下降；；桩尖位置截截面积增大，，对Fc(t)影响较大，使使桩尖单元Fc(t)上升。②桩身裂隙的的影响：预制制桩桩身裂缝缝，灌注桩桩桩身断桩，可可以加上裂隙隙模拟，下行行压缩波遇到到裂隙要反射射上行拉力波波，裂隙上面面单元使计算算力波Fc(t)下降，裂隙下下面单元Fc(t)上升。③土隙CAP的影响：对灌灌注桩桩底可可沉渣或虚土土存在，预制制桩由于挤土土效应，地表表面土上升，，使桩上抬，，桩尖形成土土隙，拟合程程序增加上土土隙，使端阻阻力发挥迟后后，影响端阻阻力充分发挥挥，减小土隙隙，使2L/C前分段单元计计算力波形Fc(t)上升，2L/C后局部Fc(t)波形下降。④土塞的影响响：开口钢管管桩或开预应应力管桩，打打桩过程有部部分土涌入管管内，动力试试桩时，这部部分土体成为为外加质量，，从而产生不不可忽略的惯惯性力，加上上土塞，使2L/C前数个单元计计算力波形Fc(t)