岩土工程原位测试之基桩动荷载.pdf

夺第7章7.1 概述7.2 反射波法7.3 Case法内容1a,7.1概述一.桩的动测法发展历史桩的动力测试技术已有100多年的历史。最早的动测方法是在 能量守恒原理的基础上，利用牛顿碰撞定律，根据打桩时测得的 贯入度来推算桩的极限承载力。近代的动测技术以应力波理论为基础。我国自20世纪70年代开始研究桩的动力测试技术，近年来发 展很快。2二.桩的动测法分类现有的各种动力测试方法依据其激发能量对于桩身的影响而 划分为高应变和低应变两大类，其中得到广泛应用的属于高应变 的代表性方法有CAPWAPC法（实测曲线拟合法）和CASE法；属于低应变的代表性方法有反射波法、机械阻抗法、声波透射法 和动力参数法等，其中声波透射法并不需要对桩身进行激振，但 习惯上仍将其归于低应变动力测试法。本章仅讲述低应变动力测试法中的反射波法和高应变动力测 试法中的CASE法。37.2反射波法RA一.试验方法和设备反射波法（也称为应力波反射法）的现场测试如图7-1所示。对完整的测试分析过程可以描述如下：用手锤（或力棒）在桩 头施加一瞬态冲击力尸（t）,激发的应力波沿桩身传播，同时利用 设置在桩顶的加速度传感器或速度传感器接收初始信号和由桩 阻抗变化的截面或桩底产生的反射信号，经信号处理仪器滤波、放大后传至计算机得到时程曲线（称为波形），最后分析者利 用分析软件对所记录的带有桩身质量信息的波形进行处理和分 析，并结合有关地质资料和施工记录作出对桩的完整性的判断。土手锤桩分析仪传感器图71反射波法的现场测试示意5反射波法使用的设备包括激振设备（手锤或力棒）、信号采集 设备（加速度传感器或速度传感器）和信号采集分析仪。激振设备的作用是产生振动信号。一般地，手锤产生的信号频 率较高，可用于检测短、小桩或桩身的浅部缺陷；力棒的重量和棒 头可调，增加力棒的重量和使用软质棒头（如尼龙、橡胶）可产生 低频信号，可用于检测长、大桩和测试桩底信号。激振的部位宜位 于桩的中心，但对于大桩也可变换位置以确定缺陷的平面位置。激 振的地点应打磨平整，以消除桩顶杂波的影响。另外，力棒激振时 应保持棒身竖直，手锤激振时锤底面要平，以保持力的作用线竖直。6a,采集信号的传感器一般用黄油或凡士林粘贴在桩顶距桩中心2/3 半径处（注意避开钢筋笼的影响）的平整处，注意粘贴处要平整，否则要用砂轮磨平。粘贴剂不可太厚，但要保证传感器粘贴牢靠且 不要直接与桩顶接触。需要时可变换传感器的位置或同时安装两只 传感器。信号采集分析仪用于测试过程的控制、反射信号的过滤、放大、分析和输出。测试过程中应注意连线应牢固可靠，线路全部连接好 后才能开机。二.基本测试原理与波形分析1.广义波阻抗及波阻抗界面设桩身某段为一分析单元，其桩身介质密度、弹模、弹性 波波速、截面面积分别用p、E、C/表示，则令Z=pCA=EA/C(7-1)称Z为广义波阻抗。波阻抗的物理含义为：F=ZV式中，尸为波阵面所受的力，P为波阵面的质点振动速度。当桩身的几何尺寸或材料的物理性质发生变化时，则相应 的p、E、C、/发生变化，其变化发生处称为波阻抗界面。界面 上下的波阻抗比值为称为波阻抗比。Z?P 2c 2 Al(7-2)82.应力波在阻抗界面处的反射与透射设一维平面应力波沿桩身传播，当到 达某一与传播方向垂直的波阻抗界面(图 7-2)时。根据应力波理论，由连续性条件 和牛顿第三定律有匕+腺=%(7-3)Ax(7+(7r)=A2(tt(7-4)z 尸qGA4=0。2A2图7-2应力波的反射与透射式中，K。分别表示质点振动的速度和产生的应力，下标I、R、T分别表示入射波、反射波和透射波。由波阻抗的物理含义可写出：%=-Z%/=-P1G%速度向下为正，此时产生压应力，故式中有一负号。类似有：Or=P1G 腺 2c2%9代入式（74）,得臼C/1（匕一腺）9c出/（7-5）联立式（7-3）和（7-5）,求得V=-FVX（7-6a）VnTVx 7-6b）式中1 77F=一 称为反射系数（7-7a）1+n7=:_ 称为透射系数（77b）1+n式（76）是反射波法中利用反射波与入射波的速度量的相位 关系进行分析的重要关系式。10a,3.桩身不同状况下应力波速度量的反射、透射与入射的关系(1)桩身完好，桩底支承条件一般此时，仅在桩底存在界面，速度波沿桩身的传播情况如图7-3 所示。图7-3桩身完好时的波传播过程图7-4完好桩的测试波形114 因为PiG4qc/2，所以=4打21,代入式（7-7）15F0）由式（7-6）可知，在桩底处，速度量的反射波与入射波同号，体现在PG）时程曲线上，则为波峰位于中线的同一侧（同向）。典型的完好桩的实测波形如图7-4 o由图7-3、图7-4分析可得激振信号从触发到返回桩顶所需的时 间小纵波波速。、桩长，三者之间的关系为r-2L（7-8）式（7-8）即为反射波法中判断桩长或求解波速的关系式。在式（7-8）的应用上，应已知。或，之中的一个，当二者都未知时，有 无穷个解，因此实用中常常利用统计的方法或其他实验的方法来假 定C或根据施工记录来假定，以达到近似求解的目的。12(2)桩身截面积变化1)4处桩截面减小。如图7-5,可知在4处有n=Zt/Z2=AX!A可得F0。于是有：腺与匕同号，而唳恒与匕同号。典型的波 形如图7-6所示。假定。为已知，则桩长和桩截面减小的位置可以确 定如下：图7-5截面减小时的波传播过程图7-6截面减小时的测试波形13夺L=；。22)L1处截面增大。如图7-7,可知在4处n=Z1/Z2=A1/A20o可得结论：截面积增大处，腺与匕反号，而0 恒与匕同号。典型的波形如图7-8所示。桩长和桩截面变化的位置可 以确定如下：图7-7截面变大时的波传播过程图7-8截面变大时的测试波形142(3)桩身断裂1)桩身在4处完全断开。如图79,Z2相当于空气的波阻抗，有Z20,于是得n=Z1/Z2=4/4 一 oo由式(7-7)得F=-l,T=0代入式(7-6a)和(7-6b),可得腺=匕，腺=0即应力波在断开处发生全反射，由于透射波为零，故应力波仅 在上部多次反射而到不了桩底。典型的实测曲线如图7-10所示。断裂的位置可按下式确定：L=；。1=g c(G _1)=；C&-*)=乙图7-10断桩的测试波形V16a,2）桩身在4处局部断裂（裂纹）。如图711,典型（t）曲 线如图712。4处反射信号与L处（桩底）反射信号的强弱，随着裂纹的严重程度而不同。17（4）桩身局部缩径、夹泥、离析三种情况及相应的应力波传递过程示意于图7-13中，图7-14是 实测波形。对此三种情况可分析如下：图7-13桩身局部缩径、夹泥、离析时的波传播过程1）缩径：%=42=421，b0。所以：腺与匕同号，/与/同号。n2=Z2/Zt=A2/AAQO所以：腺与匕反号，/与匕同号。2）夹泥和离析:Z Py C 1 0202 iHi -1,r i-一C（，2实际上，由于，2处的反射信号在返回桩顶时又经过处的反射 与透射，故能量较与处的一次反射弱，一般较难分辩。当缺陷严重时，桩底的反射信号也较弱。另外，以上三种缺陷的的进一步鉴别可根据：根据地质报告和施工记录以及桩型区分；根据波形的光滑与毛糙情况区分；根据波速区分。（5）桩底扩大头如图715所示。典型的测试曲线如图716。图7-15有扩大头时的波传播过程21(6)桩底嵌岩或坚硬持力层如图7-17。1)Z”,nl9/与匕反号，实测波形如图718。2)ZrZ2,F-0,5接近为零，此时桩底基本不产生反射信号，反映在波形图上，则看不见桩底反射信号。图7-17嵌岩桩的波传播过程图7-18嵌岩桩的测试波形22a,3.弹性波在传播过程中的衰减弹性波在混凝土介质内传播的过程中，其峰值不断衰减，引起 弹性波峰值衰减的原因很多，主要是：1）几何扩散。波阵面在介质中不论以什么形式（球面波、柱 面波或平面波）传播，均将随距离增加而逐渐扩大，单位面积上的 能量则愈来愈小。2）吸收衰减。由于固体材料的粘滞性及颗粒之间的摩擦以及 弥散效应等，使振动的能量转化为其它能量，导致弹性波能量衰减。3）桩身完整性的影响。由于桩身含有程度不等和大小不一的缺陷：裂隙、孔洞、夹层等，造成物性上的不连续和不均匀，导致 波动能量更大的衰减。23a,4.混凝土的强度及其弹性波速混凝土是由水泥、砂、碎石组成的混合材料。当原材料、配合 比、制作工艺、养护条件、龄期和混凝土的含水率不同时，其强度 和弹性波速均不一样。影响波速的主要因素有：1）原材料的影响。水泥浆硬化体的弹性波速较低，一般在 4km/s以下；常用的砂和碎石的弹性波速较高，通常都在5km/s以上。混凝土是水泥浆胶结砂和碎石而成，其波速多在30004500m/s的范 围内。2）碎石的矿物成分、粒径和用量的影响。不同矿物形成的碎 石的弹性波速是不同的。在混凝土中，石子的粒径越大、用量越多，在相同强度的前提下混凝土的弹性波速越高。243）养护方式的影响。根据室内试验的结果，混凝土的强度和弹性波波速之间有较好 的相关性。下述公式可供参考。q=4.18e49c（7-9）式中4为混凝土的标准抗压强度（MPa）,。为混凝土的纵波 波速（km/s）o上式的统计样本容量=30,相关系数产0.9869。25RA7.3 CASE 法一.试验设备和方法1.方法简述桩的高应变动力测试是采用瞬态激振方式使试桩产生高应 力应变状态，以考验桩土体系在接近极限状态时的工作性能，从而对桩的承载力和完整性作出评价的一种现场测试方法。测 试方法可简述如下：（1）用动态的竖向冲击荷载在桩顶激振。（2）采集桩顶附近桩身截面上的轴向应变和桩身运动速度（或加速度）的时程曲线，再用一维波动方程进行分析，推算 桩周土对桩的阻力分布（包括静阻力和动阻力）（实测曲线拟 合法）或直接推求桩的极限承载力（CASE法）。CASE法是高应变测试法中的一种，其主要特点是方法简单、涉及参数少、分析过程快捷，因而能很快得出测试结果。其缺 点则在于假设过粗、参数不易把握、测试结果近似度较差等。故就其总体而言适合于现场粗判以及在有对比资料和充分的地 区经验时的测试工作，中华人民共和国行业标准建筑基桩检 测技术规范JGJ106-2003中对CASE法的使用做出了严格的限 制。2.试验设备(1)传感器。实测中通常采用应变传感器测定桩顶力，用 加速度传感器测定桩顶的质点加速度，经积分后转换为速度量。通常采用工具式应变传感器和压电晶体式加速度计。27(2)整机系统。在国际上有代表性的整机系统是美国桩基 动力公司的PDA、瑞典桩基开发公司的PID、和荷兰富国公司的 产品。国内生产的仪器一般同时包含了高、低应变测试方法，其中CASE法软件作为仪器的基本配置，而CAPWAPC法(国内 称为实测曲线拟合法)的软件通常需要另行购买。仪器在收到信号后，一般都要经过一次低通滤波处理，去 除现场高频杂波的干扰，并对信号进行平滑处理。目前CASE法 的分析计算都还只是在时域内进行，所以对低通滤波器的性能 要求不高。为了提高分析的可靠性和精度，一般都将传感器采集的模 拟信号转换成数字信号，即进行A/D转换。A/D转换时希望有足 够大的采样频率，以保证信号的峰值不会因采样的缘故而有明 显的降低。采样时对每一波形曲线取512个点或1024个点。每次锤击信号中所保存信号的历时都很短，大约为 50100ms。打桩施工时各次锤击的时间间隔不大，最小只有 0.5s（每分钟120锤）。因此仪器在A/D转换时必须具有自动触 发取样功能和在每次取样前的自动清零功能。PDA和PID系统都 利用所采集的信号本身来进行触发，而且都采用了 预触发 的形式。29二.基本测试原理1.一维波动方程将桩身看作为一根一维弹性杆，由应力波理论知，在轴向动 荷载的作用下桩身任一截面的轴向位移可以表示为一维波动方程 强七强=o(7-10)dt2 dx2式中u-桩身截面的轴向位移；c一应力波在桩身中的传播速度，c=7w；E和p分别为桩身材料的弹性模量和质量密度。302.行波理论和CASE法的基本公式(1)上行波和下行波由式(7-10)得到一维波动方程的 通解u=f(x-C/)+g(x+C/)(7-11)式中/()和g()分别代表下行波 和上行波。如果单独研究下行波/,记 下行波的质点运动速度为刈，其值为：夺tVt上行波g(x+。)I$、下行波於-图7-19桩身中的上行波与下行波vl=也三式9=八-。)(-。)=-=(7-12)at这里应注意：秘是表示质点运动的速度而。是波的传播速度,两者是完全不同的概念。下行波产生的应变员为：j=w：一0)=-r(x-=-fox式中的负号表示以压缩变形和压应力为正。下行波产生的力P1为：Pl=E1-AE=-AE-f(7-13)(7-14)令(7-15)由公式(712)、(7-14)和(715)可推得下行波的质点 运动速度以和截面上的内力刊之间存在着一个恒定的关系式：P=Z-v(7-16)同样，对于上行波可以得到：个 dg(x+Ct)和 1=s;=cg dt(7-17)P=e AE=-AEgf(7-18)所以：P=-Z-v(7-19)在一般情况下，桩身上任一截面上测到的质点运 动速度或力叫11触%才煤衰加的缙果。也就是:P=-AE =-AE 年(C-+助+叫=pj+pT(7.20)dx dx dx；(7-21)33如果将实测的质点运动速度和力记作和Pm。则由公式(入 16)、(7-19)(7-21)很容易将各时刻这一截面上的质点速度与力的上行波分量和下行波分量表示出来，得:pJ=：(+zl)(7-22)(7-23)(2)应力波在自由端和固定端的反射 当桩端为自由端时，有边界条件(图7-20)图7-20桩端自由时P=0P=PJ+P t=0(7-24)将公式(716)和(719)代入，得到Z*v Z*v=Q即：v f=v1由式(7-24),有Pt=P(由式(7-20)和式(7-25),有v=v+v=2v(7-25)(7-26)式(7-25)、(7-26)和上式表示当桩端为自由端时，入射 的应力波将产生一个符号相反，幅值相同的反射波，即压力波产 生拉力反射波，拉力波产生压力反射波，而且在杆端处由于波的 叠加，使杆端的质点运动速度增加一倍。当桩端为固定端时,(图7-21)：有边界条件所以:v+v=Q(7-27)V t=v 将式(7-16)和(7-19)28),得：(7-28)代入(7于是:P=P(7-29)图7-21桩端固定时v=0P=P；+Pf=2P上述公式表示当桩端为固定端时,(7-30)入射的应力波将产生一个相同的反射波。在杆端处由于波的叠加使桩端反力增加一倍。(3)桩侧摩阻力的考虑在桩侧面i处有一摩阻力&(/)作用时(图7-22),截面上下的力 和速度分别为户i上侧：匕0.尸2=尸2 J+P2 T叱=r2 l+v2 T 31)R(i)P2kt图7-22桩侧摩阻力的影响卡融处的平衡条件和连续条件为：(7.PPz=R(z)32)V1=V2(7-33)37从式(7-31)(7-33)并考虑到式(7-16)、(7-19),整理后得到:Pi T=p2?+|/?(/)P2(/)(7-34)式(7-34)表示上行波或下行波在通过摩阻力A(/)作用的截面时，其幅值各增减A(/)/2,也可以理解为当应力波通过i截面时,由于A(/)的作用，从i截面开始产生一个向上的压力波和一个向 下的拉力波，叠加于原来的行波中，它们幅值都等于A(/)/2O(4)桩截面发生变化时当桩在某个截面发生突然变化时(图723),声阻抗由“变为Z2,由变截面处的连续条件写出:J+T=舄J+舄T匕 J+V1 T=v2 J+v2 T(7-35)将(7-16)和(7-19)代入(7-35)中的第二式，整理后得：巴TP24=心T一巴J41+&LS9 0-36）Z z z Z解方程组（736）得：P?4=z?-Zi Zi+z?2Z2 Zi+Z2J+A J+2Z1 p TZ1+Z2 2(7.37)z?.Z 个 Z1+Z2 2_/,_Z1 rVi I i Vi tPi I i A t图7-23桩截面变化的情况39当只有下行波PJ通过变截面时，式（7-37）变为:Z1+Z2舄 J=:A J I Nr 2同样，只有上行波尸2 t传来时，（反射波）（透射波）式（7-37）变为:(7-38)41二*4 T(透射波)Z+z?巴J=冬二巴T(反射波)z1+z2(7-39)公式（7-38）和（7-39）表示，当原有的下行波及上行波P2T通过变截面时，都会分成透射和反射两部分。透射波的性质（拉力波或压力波）保持与入射波一致；反射波的性质根据Z?4项的正负号决定。405)总的土阻力一CASE法的基本公式当锤击力刚作用到桩顶的时候，桩身上仅有向下传播的压缩 波。压缩波以波速。向桩尖方向传播。如把桩看成一根两端自由 的纵向振动杆(即暂不考虑土反力的作用)，这个应力波到达桩 尖后变成一大小、形状相同，仅符号相反的拉力波向上传播。到 达桩顶后又变为压力波再向下传播，不断循环反射。如果在桩顶 附近安装一组传感器，传感器距桩顶的距离为，/距桩尖的距离 为L。桩受锤击后产生压应力波尸(力，P(/)传到传感器位置 时，传感器便可测得信号：v尸mV-z(7-40)%(/)=尸(?)式中的下标m表示是传感器实测的值。41篥纲经过时间2A/C以后，传感器可以测到第一次自桩尖上力映8m 再经过较小的时间间隔”i/C以后，又测到自桩顶返回的波。如 果不考虑能量的耗散，则每隔2（Z+Zx）/C时间间隔以后，传感 器将重复测到上述同样的信号。在任意时刻，传感器接收到的由锤击产生的信号是上述信 号的叠加，于是有：)=P(Z)+P(/-2Z/C)+P(/-2Z/C-2Z1/C)+二小+引+岁-空）+外”岁-空）/j=l L L C y=i L C(7-41)胤】）=尸尸（,+一岁一?）+之尸”岁一?）（742）y=l C C C y=l C C42应该指出，在公式(7-41).(7-42)及以后的公式中对于 函数P(/)及A(，力都隐含着一个约定：即当长0时P(0=0,R(/,力=0(7-43)如果桩身上X=X,处作用有土的谐阻力A(i,力，应力波到 达X,.处就产生一新的应力波向上和向下传播。上行波为幅值等于 R(i,力/2的压力波，在时刻2%/。及2%/C+2AJC时被传感器所 接收，其相应的质点速度与和力也为：噌=15即一2Xi 2L1成)=、(2Xi)+A(i/一2Xi)一；Rg_2Xi 1LXCc c)Cc c)43同样，这一应力波也将在桩身中反复传播，每隔2A/C+2AJC 以后，传感器可以反复接收到这一应力波的信号：球）（，）=_2 j=i2X 2右 2jL 2 LX11 1 I生即,c c c c)碍=空即-号-哈*-修即一 2；=1 C C LN y=l2X71LX 2jL 2jL)c c c c考虑在不同的位置x，x2,X3,，xn处作用有不同的摩阻力招6,力 01,2),对，求和,有：*=-4统加-9-曾-哈+也*-2fL-土牛-哈1/1/=/=L L L/=i j=C C C J(7-44)研，）杳封，中-冷当-汾亿中-展子-利(7-45)44由A（i,力产生的下行波是幅值为A（i,力/2的拉力波，在时刻L/C时和锤击产生的力波一起到达桩尖，经桩尖反射而成 为压力波，在2A/C时被传感器所接收，再经过JC时刻又再次 被传感器所接收：琮）（，）=羔即/+*%+羔即+*（7-46）研，）统，+展券-吸-或即,管-尊;|_z=l 7=1 LLC j=i j=C C（7-47）传感器量测到的速度和力的值是上述三部分叠加的结果：用）+咪）+球）（。5rn （7-48）二%）+研，）+唠45在上述推导过程中，没有考虑应力波在传播过程中能量的耗 散。故只在最初的4L/C或3，/。时间内与实际情况比较相符。假 如在00C 2 C0tW4LIC（7-61）2.桩侧摩阻力当，v2A/C时，式（7-48）的表达式为：1 1?VP-工R（i/一与）Z|_ 2占 C1 n 9 X以（，）=P（一要）/i=l C58夺在这段时间内，桩尖的回波还没有传到传感器位置，传感器 只收到直接来自桩侧各摩阻力的回波，因而由上式很容易得到计 算桩侧总摩阻力的公式：n 9 V/、Yr(-)=以-(7-62)1=1 c我们感兴趣的是每一锤时测到的最大值：n VYr(iLn=MAX 蜃-Z.(7-63)W C Qt2L/CL m m J必须指出，在桩尖附近，部分桩侧摩阻力产生的压力回波将 和桩尖的拉力回波互相抵消，所以由公式(763)求得的桩侧总 摩阻力可能偏小。593.计算公式的修正对于以侧摩阻力为主的摩擦桩，瑞典PID公司认为推求桩的 极限承载力时必须考虑桩侧的动阻尼力的影响，建议将公式（7-61）修正为：Mi=-刀（7-63）式中J2桩侧土的阻尼系数。应当指出：对于在软土中以侧摩阻力为主的桩，由PID公司 的公式预估的承载力值更接近实际，但是这个公式的理论依据并 不充分。对于长桩或难贯入的桩，锤击时桩顶有明显回跳，这说明打 桩时有较强的压力回波。因为压力回波将使桩身的压力增大，而 质点的运动速度将相应减小。当质点的运动速度减到等于或小于 零时，质点开始反向运动。由此引起土阻力回弹卸载。公式(7-55)用于估算桩身上的动、静摩阻力的总和。但如果产生卸载，则由公式(7-55)求出的值是卸载后的实际值，它将小于桩周土 体可能产生的最大总阻力值。测试时，我们感兴趣的是后者。因 此，对于长桩或难贯入的桩公式，由(7-55)求得的A,值应加上 一补偿值。在CASE法中，补偿值的取值方法是很粗略的。高勃 尔等曾建议了一个方法，但其推导是很不严格的。关于此方面的 内容请参见相关书籍。61CASE法的极限承载力计算公式在最初导出时，对 于桩侧摩阻力和以侧摩阻力为主的桩的研究是不充分 的。因此，对于以侧摩阻力为主的桩采用上述几种不 同的计算公式及有关参数时，应尽量通过一系列动静 对比试验，或与CAPWAP法的结果比较以积累地区性 经验。4.参数的取值在CASE法中，需要人为选取的参数是土的阻尼系数人该系数本质上是一种经验修正系数。国外资料的典型数据见表7-1和表7-2。,62夺表7-1 Goble建议的CASE阻尼系数土的类型取值范围建议值砂0.05 0.200.05粉砂和砂质粉土0.15 0.300.15粉土0.20 0.450.30粉质粘土和粘质粉土0.40 0.700.55粘土0.60-1.101.10表7-2瑞典PID公司建议的CASE阻尼系数土的类型取值范围砂0.00 0.15砂质粉土0.15 0.25粉质粘土0.45 0.70粘土0.90 1.2063CASE阻尼系数对计算结果有较大的影响，具体取 值又有很强的地区性和经验性，在实践中应多注意总 结，特别是要积累地区性的动静对比资料，切忌盲目 套用。在建筑基桩检测技术规范JGJ 106-2003中 规定“阻尼系数，值宜根据同条件下静载试验结果校 核，或应在已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人值，拟合计算的桩数不应少于 检测总桩数的30%,并不应少于3根”。五.用CASE法检测桩身质量（略）64a,学习安排按教学计划，下3讲安排自学。学习内容如下：1.第8章“锚杆抗拔试验”，要求：了解试验目的、设备的布置方式、试验方法和过程。2.第9章“基坑的检测与监测”，要求：了解基坑的安全等级与相应的检测项目，各项目的检测方法、容许值与报警值。67