基樁動力檢測高應(yīng)變檢測技術(shù)

1、基樁動力檢測高應(yīng)變檢測技術(shù)第一節(jié)基本原理一、若干基本概念高應(yīng)變動力試樁的基本理論是一維波動方程，為方便分析，將樁看作一根截面積，材料均相同的“無限長彈性桿”。設(shè)桿的單位體積的質(zhì)量為p，桿長為I，截面積為A，材料 彈性模為E。在外加軸向力的作用下，桿的縱向振動位移u（x、t）是縱向坐標和時間兩個變量的函數(shù)。（一）一維波動方程經(jīng)過力學與數(shù)學的推導， 可將上過桿的縱向振動用二階編 微分方程來描述：2 2整理得桿縱向振的微分方程為? 丄琴（4-1）ex2C2撫2考慮樁周土作用的完整樁縱向振動（或波動）方程-2 ._2A諾 /k-AE（4-2）:t4:x（二）縱波波速C上式中的C為桿的縱向振動波沿桿的傳

2、播速度，可以理解為應(yīng)力波在樁身中的傳播速度，即樁基測試界道常所說的波速，它的單位為m/s，混凝土樁的正常波速約30004000m/s之間（三）質(zhì)點運動速度V傳遞波動的物質(zhì)稱為介質(zhì)， 介質(zhì)的運動隨時間的變化稱為 振動；整個介質(zhì)隨空間、時間的運動變化情況，則稱為波動。 在應(yīng)力波作用下，樁身產(chǎn)生運動。其質(zhì)點的振動速度V取決于應(yīng)力的大小和介質(zhì)的特性。位移(；/E) c dt廠-=-= 火c =-時間dtE匸c（四）樁的阻抗Z由一維波動理論可知，樁阻抗是其橫截面積、材料密度 和彈性模量的函數(shù)。也可表達為F=ZVZ為樁的阻抗（單位為N S/m）E為樁的彈性摸量（單位為Mm2）A為樁的橫截面積（單位為m2）

3、(4-3)作用響應(yīng)F （錘擊力）V（質(zhì)點速度）二EA/CCA(4-4)，為樁的質(zhì)量密度（單位為Kg/m3）（五）應(yīng)力波的反射與透射當應(yīng)力波在桿件內(nèi)傳播時，如果桿件的阻抗有變化時，即桿件的E、A、中任一項或幾項有變化而使阻抗產(chǎn)生改變 的，應(yīng)力波即產(chǎn)生反射與透射。 如分別以ci表示入射波，二r表示反射波，G 表示透射波，且遵照壓力為（+）拉力為（-），速度以朝向X軸正向為（+），朝向X軸負向為（-）的符號（六）行波理論（七）土的總阻力六、七部分詳見樁的動測新技術(shù)（基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動態(tài)診斷）中的相關(guān)內(nèi)容。二、凱斯（Case）法波動方程法一般指完全使用波動方程解的計算機程序在 給定的錘、 墊、 樁、土的參數(shù)變

4、化范圍內(nèi)通過程序的參數(shù)分 析功能迅速繪制出多組理論承載，即以規(guī)則，根據(jù)Z2-Z1二r =-:iVr =Z2 -Z1（4-5）（4-6）Z1 Z2Vi縱坐標為不同的設(shè)定 樁周土總靜阻力值，橫坐標為假定參數(shù)計算所得的打入阻力（每擊貫入度的倒數(shù)）。每組曲線的某些參數(shù)（視要求而定） 為設(shè)定值，其余變量相應(yīng)便形成一組曲線。確定承載力時樁 的最終貫入度及錘的落高為實測，其余參數(shù)參照取用。因此 從各組曲線中選出相應(yīng)的承載曲線便可由打入阻力反查總 靜阻力。如還有動靜載對比試驗數(shù)據(jù)則更可作相應(yīng)修正。顯 然這種方法對某一地區(qū)的固定施工場地有一定的適用性也 極方便，因為對土質(zhì)、錘的效率、墊層耗能狀況等都是熟悉 而穩(wěn)

5、定的，易于掌握。波動方程法更多的用途是對大型打樁 工程的沉樁能力分析與預(yù)測。在純粹的工程樁承載力事后控 測中很少應(yīng)用。樁基測試技術(shù)中所稱的Case法是美國樁基動力學公司提 出的一種測定樁的靜極限承載力的一種簡便方法。該法只在 引用應(yīng)力波行波理論及激發(fā)土阻力所產(chǎn)生的上、下行波概念 方面與波動方程法一致。Case法理論要點（一）Case法的基本假定為了簡化問題，Case采用了下述假定：（1） 樁看作一維桿體，樁身等阻抗，即截面不變、樁身材質(zhì)均勻且無明顯缺陷；（2） 只考慮樁底的動阻尼，忽略樁身周圍的動阻尼；（3） 應(yīng)力波在傳播過程中沒有能量耗散和信號畸變；（4） 在（匕ti+4L/C）時段內(nèi)樁側(cè)各

6、點的摩阻力不變。（二）Case法基本公式阻尼系數(shù)法基于上述假定，Case法導出，在錘的沖擊下，巖土對樁的實際總阻力Rt為：Rt =1/2P1 P2Z/2V1 -V2】（4-8）我們的希望的是巖土對樁的靜阻力，所以必須從總阻力Rt中扣除由于樁身在土中運動而受到的附加阻力Rd,根據(jù)第二點假設(shè)，樁側(cè)動阻力可不予考慮，Case法假定樁尖動阻 力與樁尖的運動速度Vb成正比，令Jc為比例常數(shù)，經(jīng)推導 得：Rsp=（1-Jc） （P1 ZV1）/2（V Jc） （2-ZV2）/2（4-9）式中：Rt樁對土的實際總阻力；Rsp阻尼系數(shù)法所確定的樁的靜阻力（即樁的極限垂直承載力）；Jc-樁尖土層的凱斯系數(shù)，其取

7、值與樁尖巖土顆粒粗細有關(guān)，高勃爾建議如表4.1取值；P1、V1t1時刻（或應(yīng)力波初始峰值時刻）實測的力 值、速度值；P2、V2t2時刻（t2=t1+2L/c即來自樁底反射波時刻） 實測的力值、速度值；Z樁身阻抗，為P（密度）、c（波速）、A（截面積） 的乘積。表4.1PDI公司推薦的Jc值土質(zhì)純砂粉砂粉土亞粘土粘土Jc0.10.15 0.150.2 0.250.4 0.40.70.71.05（三）關(guān)于Case法的幾點說明（1）Case法公式確實很簡單，（4-9）式中未知數(shù)僅為Jc,其它為實測值，在現(xiàn)場只要輸入Jc值，即可得預(yù)測承載力值；（2）根據(jù)基本假定，符合條件的樁為初打階段的打入樁，這時J

8、c值為樁尖土層的Case阻尼系數(shù)。實際上，Jc值正是 高勃爾根據(jù)120根打入樁動靜對比結(jié)果總結(jié)出來的。（3）應(yīng)該說，對復打階段的預(yù)制樁、對靜壓樁、對樁側(cè) 動阻力比較明顯的灌注樁、對挖孔樁，均無法和假設(shè)條件完 全一致，這時Jc值變成了一個沒有明確物理意義的經(jīng)驗系 數(shù)，綜合反映試樁各個方面的特定條件。（4）Case法有一定適用范圍，對短樁（樁長與樁徑之比較?。瑢U底樁、對樁身截面變化較復雜或樁身存在較嚴 重缺陷的樁，因基本不符合Case法假設(shè)前提，一般來說不適宜用Case法，而應(yīng)該用Capwapc（曲線擬合法）或靜載法 解決。經(jīng)過以上的討論，我們可以看出，對大部分樁，動靜對比 求取Jc值除反映樁

9、尖土的顆粒粗細程度外，還包括了試樁 與Case法假設(shè)前提背離程度的影響。換句話說，Jc值除和樁尖土有關(guān)外，還與樁周土、不同樁類型有關(guān)。所以說Jc值 具地區(qū)性，不同地區(qū)均需要作動靜對比，求取不同樁型、 不同樁徑大小、不同地質(zhì)條件下樁的凱斯系數(shù)，其道理就在 這。上述第（4）點所提到的各種樁，因試樁條件與假設(shè)前 提背離程度太大，Jc值的求取當然就很困難了，所以，就不 適宜用Case法。（四）國內(nèi)對Case系數(shù)的選擇多年來，我國不少應(yīng)用單位對Case法進行了有益的探索，提出了適用本地區(qū)情況的Jc值，修改了PDI公司的給定值， 這里給出了幾組有代表性的Jc值。(1)國家建筑質(zhì)量檢測中心頒布的高應(yīng)變動力試

10、樁法 暫行規(guī)定(1989)給定的Jc值，實際上該表的內(nèi)容和高勃 爾所推薦的一致：表4.2國家建筑工程質(zhì)量檢測中心推薦的Jc值樁類土類別砂粉砂粉土亞粘土粘土Jc(建議0. 10.1 0.150.2 0.250.4 0.40.70.71.0值)55(2)山東省地區(qū)Jc值取值范圍:表4.3山東省地區(qū)Jc值持力層強風化粉細砂粉土輕亞粘土亞粘土粘土Jc值0.050.0.10.2 0.250.0.250.0.40.70.51.015445（3）廣東省建筑科研設(shè)計所提出的Jc值取值范圍：表4.4廣東省建筑科研設(shè)計所的Jc值持力層強風化礫砂粉砂粉土粉質(zhì)粘土粘土Jc值0.050.0.10.10.150.0.250.0.40.70.71.015254三、實測曲線擬合法實測曲線擬合法中典型的代表是Capwapc法，是高應(yīng)變動力試樁中較為常用的方法，是以波動方程解為基礎(chǔ)的方 法。主要是將理論計算所得力波F（t）與速度波V（t）。通過調(diào)整土阻力大小與分布及各參數(shù)值來與實測力波與速度波 擬合以提供承載力。Capwapc采用連續(xù)桿件模型，將樁身分成NP個（樁身及傳感位置的樁材彈模、波速等）彈性桿件單元，每