低应变动测原理

马克生博士/副教授注册岩土工程师

太原理工大学

低应变动测1第一部分低应变动测原理与应力波理论一、概述（一）基本概念动力试桩—1、在桩顶给桩作用—竖向动态力，动态力可以瞬态冲击力或稳态激振力。2、用不同功能的传感器可以在桩顶量测不同的动力响应信号（如位移、速度、加速度）3、借助一维波动理论通过对信号的时域分析，频域分析或传递函数分析可以进行桩身结构完整性和单桩承载力的评价。动力响应—桩土系统对动态力作用的反应。2动力试桩的分类：高应变法：0.01%~0.001%（桩土之间发生一定的塑性位移，2~3mm）{用于评价承载力，完整性}。

低应变法：<0.00001%（桩土之间发生一定的弹性位移，用于评价完整性）说明：低应变法用于承载力评价：理论依据不充分，动刚法为经验法（基桩低应变动力检测规程（JGJ/T93--95）规定），可用机械阻抗法和动参数推算单桩承载力）3一点的应变：一点的应力：低应变法的类别：应力波反射法，机械阻抗法{稳态激振法，瞬态激振法}，动参数法，水电效应法，球击法，火箭激振法。目前，绝大多数的单位采用的方法是应力波反射法。应力波反射法----采用瞬态冲击方式，通过实测桩顶加速度或速度响应时域曲线，籍一维波动理论分析来判定基桩的桩身完整性。4速度响应时域曲线（瞬态时域分析）→速度幅频曲线→导纳曲线（瞬态机械阻抗法（动刚度））→导纳曲线（稳态机械阻抗法）理论上忽略截断和泄漏误差，时域分析与频域分析殊途同归（角度不同{波动理论，振动理论}）结果完全相同）实际分析时以时域分析为主，频域分析便于排除高频干扰波的影响5速度响应时域曲线（瞬态时域分析）→速度幅频曲线→导纳曲线（瞬态机械阻抗法（动刚度））→导纳曲线（稳态机械阻抗法）理论上忽略截断和泄漏误差，时域分析与频域分析殊途同归（角度不同{波动理论，振动理论}）结果完全相同）时域分析与频域分析的关系：实际分析时以时域分析为主，频域分析便于排除高频干扰波的影响6桩身完整性—反映桩身截面尺寸相对变化，桩身材料密实性和连续性的综合定性指标。说明：（1）连续性包含了桩长不够的情况（2）截面尺寸相对变化的相对衡量尺度—根据设计桩径并针对不同成桩工艺的桩型按施工验收规范考虑桩径的允许负偏差桩身缺陷—使桩身完整性恶化，在一定程度上引起桩身结构强度和耐久性降低的桩身断裂、裂缝、夹泥、空洞、蜂窝、松散等现象的统称。目前在我国桩基检测的相关规范中，桩身完整性抽检的方法:高应变动测法、低应变动测法、钻芯法、声波透射法.7（二）、动力试桩与静力试桩的根本区别荷载性质和加荷载速率不同静力试桩：加荷缓慢，加速度和惯性效应可忽略，桩土静力平衡，Q-S一一对应动力试桩：加荷快，（冲击力一般10—20ms），应力波频谱成分和持续时间有关，具体与桩土动力响应与桩土固有动力特性，扰动源的强度等有关。加速度高（400—600g），惯性效应和材料粘性性质要考虑，桩土动力响应与时间有关。8（三）静动试桩法的功能区别：静力试桩：强度和变形结果可靠为设计提供依据可用于检验性试桩和设计性试桩动力试桩：桩身完整性和土的承载力结果可靠性差用于检验性试桩设计性试桩--目的是为设计者提供设计依据和确定工程桩的施工工艺试验对象—专门制作的试验桩程序:制作试验桩→设计性试桩→设计工程桩→施工工程桩检验性试桩—目的检验工程桩单桩承载力是否满足设计要求和桩身结构完整性情况试验对象—工程桩程序:工程桩设计→工程桩施工→检验性试桩9（四）动力试桩的优点：（与静力试桩相比）（1）仪器设备轻便检测速度快和费用较低静力试桩：堆载法：堆载重量为最大加载量的120%锚桩法：设备重量为最大加载量的5~10%动力试桩：高应变：锤重为单桩极限承载力的1~1.5%低应变：锤重5—12磅，几百克—几十千克静力试桩：2—5天/根高应变：4—6根/天低应变：>30根/天（2）可检测桩身结构完整性另外还可监测打桩应力，测试垫层特性，预分析沉桩能力，区分破坏模式是土的破坏还是桩身结构的破坏。（3）对工程桩进行普查:容易发现工程桩中的整体施工质量，便于更好的保证工程质量，可为静力试验桩的选择提供依据（4）波形拟合法不仅可得到单桩承载力，还可进行桩侧阻力分布和桩端阻力值的估计10二、一维波动方程的建立与求解1、桩的动测技术是以一维波动方程为理论基础的，当给桩顶不论是振动或锤击等激励时，都以应力波形式沿桩身传递，传递过程的分析是以一维波动方程为数学模型的。模型：假设桩为等截面均质无限长线弹性杆件（无阻尼作用），四周无侧阻力作用，顶端受到撞击，杆截面在变形后保持平面：均质：密度为ρ线弹性：弹性模量为E虎克定律：等截面：面积A平截面假定：11沿z方向的位移为u(z)，则杆中任一截面z处取一长度为dz的微分单元：微分单元的不平衡力为由微分单元力的平衡得：令得式中c—应力波沿杆身传播速度,12上式为一维波动方程，是二阶微分方程，高应变动力试桩和低应变的应力波反射法是对它进行波动解，振动解用于低应变的稳态机械阻抗法。132、波动与振动的概念波动—受扰动源的激发而产生并通过介质传递的运动（扰动），它携带着扰动源的信息又包含介质本身的特性。一根半无限长杆，顶部质点受扰动后，要偏离原来平衡位置进入运动状态，由于质点相对位置的变化，使得扰动质点同周围质点间产生附加弹性力，周围质点受到影响进入运动状态，这种作用依次传递下去形成波动。这种扰动随时间的发展会沿无限杆一直传播下去。振动---对于物体尺寸相对较小（小于波长），扰动到边界时，将产生来回反射，从而使整体呈现出象刚体一样在平衡位置附近的周期性的振荡(物体中的各个质点运动状态差异可忽略)。联系：由介质的弹性和惯性两个基本因素决定，有了弹性和惯性的存在，系统的能量得以保持和传递。143、一维波动方程的波动解假定任何扰动可以分解为两个反向行波的叠加：式中：—下行波；—上行波假定扰动只有下行波，即对于特定时刻t1特定位置z处扰动：对于特定时刻特定位置z处扰动：对于特定时刻特定位置处扰动：即t1时刻的扰动经过后沿着z轴正向移动了一个距离。另外，z2处所经历的扰动过程将完全重复z1处所经历的扰动过程，只是时间推迟了。同理上行波的分析过程类似。154、一维波动方程的振动解由一维波动方程：由分离变量法，令，得：式中W为杆纵向振动的固有圆频率，C1、C2由初始条件决定，C3、C4由边界条件决定.165、应力波沿细长杆的传播（杆截面轴力F与质点运动速度V的关系）设下行波为入射波则结合得结合得结合得结合得同理：上行波式中：Z—杆力学阻抗V—质点运动速度E—杆材料弹性模量p—杆材料质量密度C—波速A—杆截面面积—应变17质点运动速度V与波速C高应变法测桩，一般V=1.0～3.0m/s;低应变法测桩，一般V=10m/s;钢桩波速C=5120m/s;混凝土桩波速C=3000～5000m/s;-218当压力波传播至杆下端，假设杆端为自由端，无约束条件下，根据力的平衡条件知杆端自由：F=Fd+Fu=0Fd=-Fu结合下行波上行波得Vd=VuV=Vd+Vu=2Vd即：杆端力为0，质点速度加倍由力平衡条件：上行波与下行波性质相反从自由端反射回去的上行波为拉力波上行波与下行波相位相同注：下标d表示下行波，下标u表示上行波19当压力波传播至杆下端，假设杆端为固定端，根据力的边界条件知杆端固定：V=Vd+Vu=0Vd=-Vu结合下行波上行波得Vd=VuF=Fd+Fu=2Fd即：杆端质点运动速度为0，力加倍由力平衡条件：上行波与下行波性质相同从自由端反射回去的上行波为压力波上行波与下行波相位相反注：下标d表示下行波，下标u表示上行波201、求自由杆一端受激励后，其另一端在不同时刻的速度。已知自由杆的杆长18m，应力波波速C=3600m/s，于受激励一端测得速度波形为半正弦，幅值V=2m/s，t=0.5ms时刻达到峰值，据此推算出杆的另一端在2.0ms,5.0ms,5.5ms和7.0ms时的速度值。三、例题：21解：速度波从一端传至杆另一端时间为：=5.0ms速度波传至杆另一端时刻为：5+0.5=5.5ms当t=2.0ms,5.0ms时，杆另一端v=0（速度波还未到达杆另一端）当t=5.5ms时，V=4m/s，（杆的自