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1、第九讲 其他岩土体原位测试技术(二),岩土工程测试 原理及技术 讲义,9.5.1概述,建筑物修建在场地地基上，地震时会随着场地一起振动，因此随着场地类别的不同，建筑物所承受的地震作用也就不同。亦即建筑物所承受的地震作用受场地情况影响很大。 因此建筑抗震设计时，需要知道建筑场地的类别。 建筑抗震规范(GB-50011-2010)第10.4.2条：建筑场地的类别划分，应以土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度为准。,9.5波速试验,9.5.1概述,抗规第4.1.6条：建筑的场地类别，应根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度按表4.1.6划分为四类，其中I类分为I0、I1两个亚类。当有可靠的剪切波速和覆盖层
2、厚度且其值处于表4.1.6所列场地类别的分界线附近时，应允许按插值方法确定地震作用计算所用的特征周期。,9.5波速试验,9.5.1概述,9.5波速试验,9.5.1概述,因此，在提供岩土工程勘察报告时，在地震区必须提供建筑场地的场地类别。而要得到建筑场地类别，就需要知道建筑场地的剪切波速。 建筑场地的剪切波速一般通过在工程现场使用波速试验，得到弹性波在岩土层中的传播速度。 波速测试适用于测定各类岩土体的压缩波、剪切波或瑞利波的波速，可根据任务要求，采用单孔法、跨孔法或面波法。,9.5波速试验,9.5.1概述,如前面的岩土工程勘察实例中的3#和5#孔，就是波速测试孔。,9.5波速试验,9.5.1概
3、述,波速测试包含用单孔法和跨孔法测试压缩波与剪切波波速，以及用面波法测试瑞利波波速。测得的波速值可应用于下列情况： (1)计算地基的动弹性模量、动剪切模量和动泊松比； (2)场地土的类型划分和场地土层的地震反应分析； (3)在地基勘察中，配合其它测试方法综合评价场地土的工程力学性质。,9.5波速试验,9.5.2试验设备和方法,试验设备一般包含激振系统、信号接收系统(传感器)和信号处理系统。 测试方法不同，使用的仪器设备也各不相同。,9.5波速试验,单孔法测试时，剪切波振源应采用锤和上压重物的木板，压缩波振源宜采用锤和金属板。 单孔法是在一个钻孔中分土层进行检测，故又称检层法，因为只需一个钻孔，
4、方法简便，在实测中用得较多，但精度低于跨孔法。单孔法的现场测试情况如下页图所示。 单孔法的测试孔应垂直 。,一.单孔法,9.5波速试验,9.5.2试验设备和方法,一.单孔法,9.5波速试验,9.5.2试验设备和方法,二.跨孔法,跨孔法测试时，剪切波振源宜采用剪切波锤，也可采用标准贯入试验装置，压缩波振源宜采用电火花或爆炸等。剪切波锤可以在钻孔壁上激振，这种振源能量大，传播距离远，但操作较复杂。 跨孔法有双孔和三孔等距方法，以三孔等距法用得较多。跨孔法测试精度高，可以达到较深的测试深度，因而应用也比较普遍，但该法成本高，操作也比较复杂。三孔法是在测试场地上钻三个具有一定间隔的测试孔，选择其中的一
5、个孔为振源孔，另外两个相邻的钻孔内放置接收检波器，如下页图。,9.5波速试验,9.5.2试验设备和方法,跨孔法的测试场地宜平坦，测试孔宜布置在一条直线上。测试孔的间距在土层中宜取25m，在岩层中宜取815m；测试时，应根据工程情况及地质分层，沿深度方向每隔12m布置一个测点。 钻孔时应注意保持井孔垂直，并宜用泥浆护壁或下套管，套管壁与孔壁应紧密接触。测试时，振源与接收孔内的传感器应设置在同一水平面。,9.5波速试验,9.5.2试验设备和方法,二.跨孔法,9.5波速试验,9.5.2试验设备和方法,二.跨孔法,9.5波速试验,9.5.2试验设备和方法,三.面波法,跨瑞利波是在介质表面传播的波，其能
6、量从介质表面以指数规律沿深度衰减，大部份在一个波长的厚度内通过，因此在地表测得的面波波速反映了该深度范围内土的性质，而用不同的测试频率就可以获得不同深度土层的动参数。 面波法有两类测试方式，一是从频率域特性出发，通过变化激振频率进行量测称为稳态法；另一种从时间域特性出发，瞬态激发采集宽频面波，这种方法操作容易，但是资料处理复杂。,9.5波速试验,9.5.2试验设备和方法,三.面波法,9.5波速试验,9.5.2试验设备和方法,四.其他仪器,9.5.3剪切波速的确定,确定压缩波或剪切波从振源到达测点的时间时，应符合下列规定： (1)确定压缩波的时间，应采用竖向传感器记录的波形； (2)确定剪切波的
7、时间，应采用水平传感器记录的波形。 由于三分量检波器中有两个水平检波器，可得到两张水平分量记录，应选最佳接收的记录进行整理。,9.5波速试验,一.单孔法,9.5.3剪切波速的确定,压缩波或剪切波从振源到达测点的时间，应按下列公式进行斜距校正： T=KTL 时距曲线图的绘制，应以深度H为纵坐标，时间T为横坐标。波速层的划分，应结合地质情况，按时距曲线上具有不同斜率的折线段确定。每一波速层的压缩波波速或剪切波波速，应按下式计算：,9.5波速试验,9.5.3剪切波速的确定,确定压缩波或剪切波从振源到达测点的时间时，应符合下列规定： (1)确定压缩波的时间，应采用竖向传感器记录的波形； (2)确定剪切
8、波的时间，应采用水平传感器记录的波形。,9.5波速试验,二.跨孔法,9.5.3剪切波速的确定,9.5波速试验,由振源到达每个测点的距离，应按测斜数据进行计算。每个测试深度的压缩波波速及剪切波波速，应按下列公式计算。 S=S2-S1,9.5.3剪切波速的确定,瑞利波波速应按下式计算：,9.5波速试验,三.面波法,9.5.4试验成果的应用,抗规第4.1.3条：建土层剪切波速的测量，应符合下列要求： 1.在场地初步勘察阶段，对大面积的同一地质单元，测试土层剪切波速的钻孔数量不宜少于3个。 2.在场地详细勘察阶段，对单幢建筑，测试土层剪切波速的钻孔数量不宜少于2个，测试数据变化较大时，可适量增加；对小
9、区中处于同一地质单元内的密集建筑群，测试土层剪切波速的钻孔数量可适量减少，但每幢高层建筑和大跨空间结构的钻孔数量均不得少于1个。,9.5波速试验,9.5.4试验成果的应用,3.对丁类建筑及丙类建筑中层数不超过10层、高度不超过24m的多层建筑，当无实测剪切波速时，可根据岩土名称和性状，按表4.1.3划分土的类型，再利用当地经验在表4.1.3的剪切波速范围内估算各土层的剪切波速。,9.5波速试验,9.5.4试验成果的应用,9.5波速试验,9.6.1概述,建筑基桩检测技术规范(JGJ 106-2003)第3.1.1条：工程桩应进行单桩承载力和桩身完整性抽样检测。 因工程桩的预期使用功能要通过单桩承
10、载力实现，完整性检测的目的是发现某些可能影响单桩承载力的缺陷，最终仍是为减少安全隐患、可靠判定工程桩承载力服务。 所以，基桩质量检测时，承载力和完整性两项内容密不可分，往往是通过低应变完整性普查找出基桩施工质量问题并得到对整体施工质量的大致估计。,9.6基桩检测,9.6.1概述,基桩检测方法应根据检测目的按下页表3.1.2选择。 表3.1.2所列7种方法是基桩检测中最常用的检测方法。对于冲钻孔、挖孔和沉管灌注桩以及预制桩等桩型，可采用其中多种甚至全部方法进行检测；但对异型桩、组合型桩，表3.1.2中的7种方法就不能完全适用(如高、低应变动测法和声透法)。 因此在具体选择检测方法时，应根据检测目
11、的、内容和要求，结合各检测方法的适用范围和检测能力，考虑设计、地质条件、施工因素和工程重要性等情况确定，不允许超适用范围滥用。同时也要兼顾实施中的经济合理性，即在满足正确评价的前提下，做到快速经济。,9.6基桩检测,9.6.1概述,9.6基桩检测,9.6基桩检测,9.6.1概述,9.6.1概述,上页表3.1.2中，基桩的静载试验与原位测试的静力载荷试验相似，不再详述，重点介绍低应变法和高应变法。 1.低应变法适用于检测混凝土桩的桩身完整性，判定桩身缺陷的程度及位置。 2.高应变法适用于检测基桩的竖向抗压承载力和桩身完整性；监测预制桩打入时的桩身应力和锤击能量传递比，为沉桩工艺参数及桩长选择提供
12、依据。,9.6基桩检测,9.6.1概述,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。,9.6基桩检测,9.6.2低应变反射波法,低应变法，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，这种方法称之为反射波法(或瞬态时域分析法)。采用动测仪器一般都具有傅立叶变换功能，可通过
13、速度幅频曲线辅助分析判定桩身完整性，即所谓瞬态频域分析法。 也有些动测仪器还具备实测锤击力并对其进行傅立叶变换的功能，进而得到导纳曲线，这称之为瞬态机械阻抗法。 采用稳态激振方式直接测得导纳曲线，则称之为稳态机械阻抗法。 上述方法统称为低应变(动测)法。,9.6基桩检测,9.6.2低应变反射波法,低应变法的理论基础以一维线弹性杆件模型为依据。因此受检桩的长细比、瞬态激励脉冲有效高频分量的波长与桩的横向尺寸之比均宜大于5，设计桩身截面宜基本规则。另外，一维理论要求应力波在桩身中传播时平截面假设成立，所以，对薄壁钢管桩和类似于H型钢桩的异型桩，本方法不适用。 低应变法对桩身缺陷程度只做定性判定，尽
14、管利用实测曲线拟合法分析能给出定量的结果，但由于桩的尺寸效应、测试系统的幅频相频响应、高频波的弥散、滤波等造成的实测波形畸变，以及桩侧土阻尼、土阻力和桩身阻尼的耦合影响，曲线拟合法还不能达到精确定量的程度。,9.6基桩检测,对于桩身不同类型的缺陷，低应变测试信号中主要反映出桩身阻抗减小的信息，缺陷性质往往较难区分。例如，混凝土灌注桩出现的缩颈与局部松散、夹泥、空洞等，只凭测试信号就很难区分。因此，对缺陷类型进行判定，应结合地质、施工情况综合分析，或采取钻芯、声波透射等其他方法。,9.6基桩检测,9.6.2低应变反射波法,反射波法(也称为应力波反射法)的现场测试如下页图所示。对完整的测试分析过程
15、可以描述如下： 用手锤(或力棒)在桩头施加一瞬态冲击力F(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。,9.6基桩检测,一.试验方法和设备,9.6.2低应变反射波法,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
16、，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。,9.6基桩检测,9.6.2低应变反射波法,反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。,9.6基桩检测,9.6.2低应变反射波法,9.6基桩检测,9.6.2低应变反射波法,9.6基桩检测,9.6.2低应变反射波法,9.6基桩检测
