低應(yīng)變測樁方法及技巧

1、低應(yīng)變測樁方法及技巧1.基本原理和假設(shè)將樁視為一維彈性桿件，當(dāng)樁頂受到一瞬態(tài)激勱（脈沖力）時，由樁頭激發(fā)產(chǎn)生的彈性波沿樁身往下傳播。當(dāng)遇到樁身阻抗z(z= ac)變化界面時，要產(chǎn)生反射和透射。彈性波在樁身內(nèi)傳播遇到樁身阻抗界面時是垂直入射和反射的。假定樁界面上段的阻抗為z，下段的阻抗為z，且不考慮樁周土阻力的影響。根據(jù)樁在界面上位移和速度的連續(xù)條件，力與應(yīng)力和位移的關(guān)系，可推導(dǎo)出在樁身阻抗變化處的反射系數(shù)rf關(guān)系式：式中：rf反射系數(shù)；z、z分別為樁身材料上、下界面的廣義波阻抗；、a、c分別為樁身材料的質(zhì)量密度、樁身截面積及應(yīng)力波速。根據(jù)反射系數(shù)rf的正、負(fù)來確定樁身阻抗的變化情況：當(dāng)rf0時

2、，反射波與入射波同相位，表示樁身界面阻抗由大變小，如縮徑、離析、斷樁及樁底反射等；反之，rf0時，反射波與入射波反相位，表示樁身界面阻抗由小變大，如擴(kuò)徑、端承樁樁底反射情況。樁截面完整性系數(shù)可用基樁上、下界面的阻抗z、z之比來表示：以樁身結(jié)完整性系數(shù)的辦法來評價樁的缺陷程度，對樁身結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行分類評價。在一些地方被認(rèn)為是一種可用的方法。其具體做法將樁身反射波與入射波振幅之比值、計算完整性系數(shù)，來確定樁的類別。但筆者認(rèn)為仍是一種定性而不能定量的方法，因為，這種入射、反射波的幅值影響因素較多，如傳感器的阻尼系數(shù)，缺陷在樁身不同深度、缺陷斷面的變化率等等，都對缺陷反射的幅值有限大影響。樁身缺陷性質(zhì)

3、和位置這是評價樁身完整性的重要依據(jù)，知道樁身缺陷的性質(zhì)及嚴(yán)重程度，就可以分析樁身的結(jié)構(gòu)強度能否承受樁上部荷載的要求。缺陷的位置以摩擦樁的載力不夠，淺部影響大，深部的影響不大，但淺部容易作接樁形曲線的分析，可以判斷樁身缺陷的性質(zhì)并估計嚴(yán)重程度，同時可以推斷缺陷的位置。所以，反射波法能較好的評價樁身的完整性。樁身缺陷離樁頂?shù)奈恢每砂聪率接嬎悖篶式中：t 樁頂與樁身缺陷反射波達(dá)到的時間差；取該工地五根以上正常樁的平均波速。 如何判定應(yīng)力波反射波形的優(yōu)劣?應(yīng)力波反射法所采集的較好波形應(yīng)該是:1多次錘擊的波形重復(fù)性好z(2)波形真實反映樁的實際情況,完好樁樁底反射明確;(3)波形光滑,不應(yīng)含毛刺或振蕩波

4、形;(4)波形最終回歸基線。 什么是測樁盲區(qū)?當(dāng)樁頂受到錘擊或敲擊時,其錘擊能量在樁土系統(tǒng)中沿深度傳遞過程為波動,下行的壓力波遇到樁身阻抗有變化和樁側(cè)阻力都要產(chǎn)生上行的應(yīng)力反射波。樁頂受點振源錘擊擾動后,最后形成的波動區(qū),靠近樁頂部分形成半球面波,傳播不滿足平面假定。同時下行的壓力波和上行的阻力波、樁身阻抗變化反射波比較,占有絕對優(yōu)勢,下行壓力波往往掩蓋了上行波,使得反映樁身缺陷或擴(kuò)頸的上行波不易識別。樁頂部呈現(xiàn)這種現(xiàn)象的區(qū)段稱為盲區(qū)。盲區(qū)范圍一般離樁頂l-l.5d(d樁徑范圍內(nèi)。有哪些原因不易檢測到樁身缺陷和如何解決?除了存在測檢盲區(qū)外,不易檢測到樁身缺陷的原因還有:i、由波長公式:a=ct

5、=一式中k一應(yīng)力波波長;c一波速;它、f-激振脈沖力寬和激振力頻率。激振力頻率f小,波長k長,當(dāng)波長大于樁身缺陷深度時,不產(chǎn)生波動現(xiàn)象,將測不到樁身缺陷的反射波。因此測淺層缺陷時應(yīng)提高入射波頻率f,使波長入減小。例如用小錘甚至修鐘表的小挪頭敲擊。e、樁身和樁側(cè)土阻尼影響,樁身和樁側(cè)土阻尼對應(yīng)力波有衰減作用,阻尼大,衰減快,不易看到缺陷或樁底反射;混凝土強度高、齡期長的比強度低、齡期短的樁易看到樁底反射;同樣土層,灌注樁比預(yù)制代人樁側(cè)阻力和樁底土剛度小,易看到樁底反射。所以對長樁或側(cè)阻大的樁,應(yīng)加大錘擊能量和降低激振力頻率。e對于特長樁,如樁長大于60m的樁,低應(yīng)變法已難于檢測,可改用高應(yīng)變法檢

6、測。用應(yīng)力波反射法檢測大直徑樁應(yīng)注意哪些問題?樁動測技術(shù)是建立在一維應(yīng)力波理論基礎(chǔ)上,并作了平截面假定,應(yīng)力波反射法也不例外;但是小錘敲擊,樁頂面近似點振源,樁頂附近,樁各截面每一質(zhì)點的運動速度并不一致,尤其是大直徑樁。這種三維效應(yīng)更為嚴(yán)重。因此,不同振源部位和傳感器安裝在不同位置將產(chǎn)生不同測試結(jié)果。1968年學(xué)者r.d.wwwds的研究成果表明,敲擊應(yīng)力波在半元限體介質(zhì)中傳播時,瑞利波能量占67%;剪切波占26%;壓縮波占7%。同時,壓縮波衰減最快,剪切波次之,瑞利波最慢。當(dāng)小錘在樁頂面中心點敲擊時,各種波將傳播至樁周邊緣并產(chǎn)生反射。壓縮波傳至樁周,只有部分能量反射回樁頂中心,質(zhì)點運動速度為

7、水平向的且能量很小,對頂面質(zhì)點縱向運動影響小。剪切波將從樁周產(chǎn)生全反射,能量占的比例較大,將使測試信號產(chǎn)生一定的高頻成分。瑞利波也有很大一部分能量從周邊反射,同時衰減慢,也將使測試信號產(chǎn)生高頻成分。因而大直徑樁的高頻干擾是剪切波和瑞利波地樁中心和周邊來回反射而形成的二種高頻波的精合。這種高頻干擾波會掩蓋樁身反射波,尤其較微弱的樁底反射。根據(jù)理論計算,在距樁中心2/3倍半徑處,這種高頻干擾最小。所以,應(yīng)力波反射法檢測大直徑樁時,在樁中心點敲擊,量測響應(yīng)傳感器安裝在2/3半徑處是最理想的。另外,對大直徑樁,當(dāng)敲擊力脈沖過窄,也易產(chǎn)生高頻干擾信號。圖8一14為直徑1.0m,長度10m的樁,敲擊力脈沖

8、寬度為0.5ms和lorns的二種理論計算反射波波形比較。顯然,窄脈沖力高頻干擾大得多。所以檢測大直徑樁,應(yīng)該用尼龍頭或加大錘墊厚度增大敲擊力脈沖寬度,減小高頻干擾信號影響。 圖814不同敲擊力脈沖寬度的高頻干擾用低應(yīng)變法檢測樁身結(jié)構(gòu)完整性時如何把握激振技術(shù)?低應(yīng)變法檢測樁身結(jié)構(gòu)完整性,首先應(yīng)進(jìn)行樁頂處理,鑿去浮漿層至新鮮混凝土,平整樁頂,安裝激振器或敲擊點的樁中心部位和安裝量測響應(yīng)傳感器位置要磨削平整光滑,避免激振時傳感器產(chǎn)生寄生共振。穩(wěn)態(tài)激振的激振器安裝,若是半剛性懸掛式的,一定要注意粘貼在樁頂面中心的鋼板保持水平;若采用柔性懸掛式,所用的吊掛橡皮繩要有足夠的彈性和強度,如用自行車內(nèi)胎等。

9、瞬態(tài)激振和應(yīng)力波反射法即使同一根樁,同一型號測樁儀,但不同人檢測都可能得到形態(tài)完全兩樣的波形。其中把握激振技術(shù)是重要環(huán)節(jié),要特別注意的有以下三點:i、敲擊力要集中、鉛直,使振動模式單一。采用力棒或自由落錘,激振能量的可控性和信號重復(fù)性都比用錘敲擊效果好。e、激振能量要適當(dāng),激振能量以能看到樁底反射的前提下盡量小,使樁周參加振動的土體盡量少,以減少對波形干擾。樁身阻抗比樁周土阻抗大得多,激振能量除在樁身中傳播外,部分被樁周土吸收擴(kuò)散,好土吸收能量多,差土吸收能量少,所以土愈好,樁愈長,要用大錘敲擊,土愈差,樁愈短,用小錘敲擊即可.e、敲擊脈沖力寬度要適中,為了滿足一維桿波動理論,脈沖力寬度應(yīng)滿足

10、下式：5/c式中一脈沖力寬度;d一樁直徑c一應(yīng)力波傳播波速。 要得到較明顯的樁底反射,不同樁長可采用不同的脈沖力寬度。一般土層情況,樁長10m以下，r0.71.0ms；樁長1020ms，r1.02.0ms；樁長2030ms，r23.0ms；樁長大于30m；r34ms。假如應(yīng)力波反射法得到的波形要做頻譜分析,脈沖力寬應(yīng)掌握在使譜圖上出現(xiàn)23階諧振頻率,這樣才能得到兩個頻差。應(yīng)力波反射法產(chǎn)生振蕩波形的原因是什么?有哪些消除方法?應(yīng)力波反射法測樁產(chǎn)生的振蕩波形有傳感器本身特性、電源50hz干擾、敲擊振源、傳感器安裝和樁身淺部缺陷等原因引起的。a.有的傳感器頻響較窄,例如38hz地震檢波器由于安裝條件

11、不同,在830hz一1700hz左右有一諧振峰。因而易使測樁波形產(chǎn)生指數(shù)衰減振蕩?？蓳Q用高阻尼、短余振傳感器加以解決。b.電源50hz干擾有可能從電源輸入端或信號輸入端感應(yīng)進(jìn)去。前者可將電源插頭反向安裝或電源插頭輸入端引一根地線得到解決;后者可以將測樁儀接地或不使信號線與潮濕地面接觸或改用直流電源得到解決。c.傳感器安裝離敲擊點太近也容易產(chǎn)生振蕩波形,傳感器安裝最理想位置在距樁中心2/3半徑處,安裝傳感器的粘接劑彈性太好或太厚或安裝不牢靠都易產(chǎn)生寄生振蕩,可以改變粘接條件得以解決。d.加速度傳感器高頻響應(yīng)特性好,在不加濾波情況下敲擊脈沖力寬度又較窄時,波形都可能有振蕩信號存在。當(dāng)把加速度積分成

12、速度信號,再加上濾波,可以得到不振蕩的較好波形。但這樣做有可能將小缺陷漏判。e.假如排除以上原因后,波形還有振蕩,就有可能是樁身淺部缺陷的多次反射。、用力錘做震源傳感器接收反射波。對于混凝土樁基這樣較長的被測體，若用一個換能器作為發(fā)射另一個換能器做接收，根本無法推定較深缺陷的類型及其在樁身中的位置，我們通常采用反射波法。其原理是彈性固體內(nèi)應(yīng)力波的傳播理論，當(dāng)樁的長、徑比很大時，可將其視為一維介質(zhì)，從樁頂以手錘激發(fā)一彈性波，此波動將沿樁的軸線向下傳播，當(dāng)其波動到達(dá)樁底的波阻抗界面時即向上反射。如果樁身存在破損(如斷裂、離析、夾泥、縮徑、蜂窩及不均勻等缺陷)，亦會形成波阻差異，從而在這些破損界面上

13、產(chǎn)生反射。反射波被安裝在樁頂?shù)膫鞲衅鹘邮詹⒂涗浽诮邮諆x器上，通過對反射波的初至、振幅及相位分析，可得出樁身的聲波平均傳播速度(強度)，缺陷程度及深度位置?，F(xiàn)場檢測過程：平整、清理被測樁樁頭，被測樁應(yīng)鑿去浮漿，切除外露的主鋼筋。以黃油偶合固定傳感器于樁頂；初進(jìn)現(xiàn)場，首先檢查儀器工作狀況；對首根樁進(jìn)行多次反復(fù)觀測，以確定最佳激振方式和接收條件。錘擊點保持于樁頭中心部位,傳感器應(yīng)穩(wěn)固的安裝在樁頭上。對于樁徑較大的樁可安置兩個或多個傳感器。當(dāng)隨機(jī)干擾信號較大時，可采用信號增強方式，進(jìn)行多次重復(fù)激振與接收。為提高檢測的分辨率，應(yīng)使用小能量激振，并選用高質(zhì)量截止頻率的傳感器和放大器。判斷樁身淺部缺陷，可同

14、時采用橫向激振和水平速度型傳感器接收，進(jìn)行輔助判定。每一根被檢測的單樁應(yīng)進(jìn)行二次及以上重復(fù)檢測。出現(xiàn)異常波形應(yīng)在現(xiàn)場及時研究，排除影響測試的不良因素后再重復(fù)測試。重復(fù)測試的波形與原波形應(yīng)具有相似性。檢測數(shù)據(jù)的處理與判定：應(yīng)依據(jù)波列圖中的入射波和反射波的波形、相位、振幅、頻率及波的到達(dá)時間等特征，推定單樁的完整性。樁身混凝土的波速vp、樁身缺陷的深度l可分別按下列公式計算：vp2l/trl=vpmtr其中l(wèi)樁身全長；tr樁低反射波的到達(dá)時間；tr-樁身缺陷部位反射波的到達(dá)時間；vpm同一工地內(nèi)多根已測合格樁樁身縱波速度的平均值。反射波波形規(guī)則，波列清晰，樁底反射波明顯，易于讀取反射波到達(dá)時間，及

15、樁身混凝土平均速度較高的樁為完整性好的樁。反射波到達(dá)時間小于樁底反射波到達(dá)時間；且振幅較大，往往出現(xiàn)多次反射，難以觀測到樁底反射波的樁，系樁身斷裂。樁身混凝土嚴(yán)重離隙時，其波速較低，反射波幅減少，頻率降低?？s徑與擴(kuò)徑的部位可按反射歷時進(jìn)行估算，類型可按相位特征進(jìn)行判別。當(dāng)有多處缺陷時，將記錄到多個相互干涉的反射波組，形成復(fù)雜波列。此時應(yīng)仔細(xì)分析，并應(yīng)結(jié)合工程地質(zhì)資料、施工原始記錄進(jìn)行綜合判斷。樁體淺部斷裂是定性評價，可通過橫向激振比較同類樁橫向振動特征之間的差異進(jìn)行輔助判斷。在上述時域分析的基礎(chǔ)上，尚可采用頻譜分析技術(shù)，利用振幅譜進(jìn)行輔助判斷。樁身混凝土的強度等級可依據(jù)波速來估計。波速與混凝土

16、抗壓強度的換算系數(shù)，應(yīng)通過對混凝土試件的波速測定和抗壓強度對比試驗確定。c、低應(yīng)變法測樁技術(shù)敲擊力力譜成份對檢測樁身缺陷有什么影響?樁身材料有一定阻尼以及樁周土存在側(cè)摩阻力,應(yīng)力波沿樁身傳播過程將產(chǎn)生衰減,衰減快慢除和樁、土阻尼有關(guān)外,還和應(yīng)力波頻率成份密切相關(guān),頻率高衰減快,頻率低衰減慢。振動振幅隨距離的增加,一般是按指數(shù)衰減規(guī)律而變化的,即a=ame-ax5一24)式中a一一振帽;x一一與振源距離;a一一衰減系數(shù)。衰減系數(shù)a和頻率的關(guān)系為:a=n1f+n2f2+nsf45一25式中n1、n3一-均由材料特性所決定的系數(shù)。所以,當(dāng)檢測樁身深層缺陷時,脈沖力持續(xù)時間要長些,這樣力譜的低頻成份豐

17、富,頻率低,傳播深度深,這樣才能看到缺陷位置的反射波。例如:可用尼龍等錘頭敲擊。當(dāng)要檢測樁身淺層缺陷時,脈沖力持續(xù)時間要短,力譜高頻成份豐富,這樣波長小,判斷缺陷位置精度高。例如對于高樁頂數(shù)+厘米位置的缺陷,可用修鐘表的小頭等小質(zhì)量錘敲擊,產(chǎn)生高頻激振力,可以較好地激發(fā)出淺層缺陷信號。具體操作 固定傳感器于樁頂;初進(jìn)現(xiàn)場,首先檢查儀器工作狀況;又才首根樁進(jìn)行多次反復(fù)觀測,以確定最佳激振方式和接收條件。錘擊點保持于樁頭中心部位,傳感器應(yīng)穩(wěn)固的安裝在樁頭上。對于樁徑大于350mm的樁可安置兩個或多個傳感器。當(dāng)隨機(jī)干擾信號較大時,可采用信號增強方式,進(jìn)行多次重復(fù)激振與接收。為提高檢測的分辨率,應(yīng)使用

18、小能量激振,并選用高質(zhì)量截止頻率的傳感器和放大器。判斷樁身淺部缺陷,可同時采用橫向激振和水平速度型傳感器接收,進(jìn)行輔助判定。每一根被檢測的單樁應(yīng)進(jìn)行二次及以上重復(fù)檢測。出現(xiàn)異常波形應(yīng)在現(xiàn)場及時研究,排除影響測試的不良因素后再重復(fù)測試。重復(fù)測試的波形與原波形應(yīng)具有相似性。檢測數(shù)據(jù)的處理與判定:應(yīng)依據(jù)波列圖中的人射波和反射波的波形、相位、振帽、頻率及潑的到達(dá)時間等特征,推定單樁的完整性。樁身混凝土的波速vp、樁身缺陷的深度lf可分別按下列公式計算:vp=2l/tr lf=vpmtrf其中l(wèi)一樁身全長;tr一樁低反射波的到達(dá)時間;tr,一樁身缺陷部位反射波的到達(dá)時間;vpm一同一工地內(nèi)多根已測合格樁樁身縱波速度的平均值。反射波波形規(guī)則,波列清晰,樁底反射波明顯,易于讀取反射波到達(dá)時間,及樁身混凝土平均速度較高的樁為完整性好的樁。反射波到達(dá)時間小于樁底反射波到達(dá)時間;且振幅較大,往往