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1、华中科技大学 硕士学位论文 桩土相互作用时基桩导纳曲线的仿真分析 姓名：刘重庆 申请学位级别：硕士 专业：岩土工程 指导教师：王雪峰 20070330 I 摘 要 摘 要 在基桩完整性检测中，人们常采用时域分析法对实测信号进行分析处理，在很 多情况下，由于测试条件、测试技术等方面的原因，单纯的时域分析法难以满足工 程检测的需要，在这种情况下就有必要引入频域分析作为时域分析的补充。机械阻 抗法是一种以频域分析为主的低应变检测方法。其中稳态机械阻抗法是在桩顶施加 一个幅值恒定、频率变化的简谐激振力，以一定的频率间隔在试验频率范围内逐个 频率激振，以获取桩顶的速度导纳曲线，此方法具有诸多优点，如单频
2、激振力集中、 谐波失真小、频率带宽控制方便、测试精度高，因此易于识别桩的动力特性，已在 工程中得到了广泛的应用。 本文采用了一种简化的桩土动力模型，利用 ANSYS 软件的谐响应分析功能， 得到了完整桩和单一缺陷桩的速度导纳曲线，分析了桩周土体及缺陷程度对速度导 纳曲线（基频、基桩嵌固系数、谐振峰频差、峰谷差值）的影响。 鉴于动刚度作为机械阻抗法的一个重要分析指标在检测工程中被错误使用的情 况时有发生，本文就桩身尺寸、桩周土、桩身弹性模量、缺陷、特性频率点 M f 对基 桩动刚度的影响进行了单因素分析。 因为本文所采用的计算模型考虑了桩周土的作用，所以文中所得结论对频域分 析在基桩完整性及承载
3、力检测与分析方面的应用具有较强的指导意义。 关键词关键词：机械阻抗法 导纳曲线 动刚度 缺陷 II Abstract Abstract In the foundation pile integrality detecting, the time domain analytical method is usually adopted to analysis process field measured signals. In most cases, due to factors such as test condition, testing technology and so forth, th
4、e single time domain analytical method can hardly meet the need of engineering detection. Therefore, in this case, frequency domain analysis is necessary to be introduced as complementarity. The mechanical impedance method is one of the low strain testing methods mainly based on frequency domain ana
5、lysis. among which the stable mechanical impedance method is the one apply an exciting force of amplitude constancy and frequency variation on the pile, and induce vibration of the pile in a test frequency coverage with a acceptant frequency space in order to obtain the velocity admittance curve of
6、the pile. It has many advantages as follows: 1) it centralizes in single frequency exciting force; 2) it has small probability in harmonic distortion; 3) it is easy to control the frequency bandwidth; 4) the test accuracy is very high. As a result of so many advantages, it is easy to recognize the d
7、ynamic characters of the pile, and it has already been widely applied in project. In this paper a simplified pile-soil dynamic model is adopted and we get the velocity admittance curves of sound piles and single detective piles through the function of harmonic response analysis in the ANSYS software
8、. It also analyzes the influence of the clay around the pile and the defect degree on the velocity admittance curve (including fundamental frequency, foundation pile partial fixing coefficient, resonance peak frequency difference and peak valley difference), and it makes comparative analysis on the
9、impact of both damping and stiffness factor of the soil around the piles on the velocity admittance curve. In view of the error use of dynamic stiffness as an important analysis indicator in the detection engineering occurs again and again, this thesis makes single factor analysis of III the impact
10、of the pile dimension, surrounding soils, pile elastic modulus, defect and characteristic frequency point M f on foundation pile dynamic stiffness. As the effect of soil around the piles is considered in the calculation model of this paper, the conclusion of this paper directs value in the testing a
11、pplication of stable mechanical impedance method. Key words：Mechanical impedance method Admittance curves Dynamic stiffness Defects 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年
12、 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪 论 1 绪 论 1.1 引言 1.1 引言 由于桩能将上部结构的荷载传到深层稳定的土层上去
13、，从而大大的减少基础的 沉降和建筑物的不均匀沉降，所以，桩基础在地震区、湿陷性黄土地区、软土地区、 膨胀土地区以及冻土地区等都得到广泛应用，而且实践证明它是一种极为有效、安 全可靠的基础形式。 目前高层建筑、桥梁、海洋平台、核电站诸多工程结构均采用深桩基础。 基础对工程结构的重要性是众所周知的。预制桩在打入过程中，冲击能量过大可能 会引起桩身的破裂或折断。另一方面，由于各种机械成孔的灌注桩被迅速大量地推 广应用，不仅给其承载力的确定带来新的问题，如大直径灌注桩，承载力达数千吨， 很难用传统的静载试验来确定；而且许多机械成孔的灌注桩常出现缩颈、断裂、夹 泥、沉渣等质量问题。以往人们多采用静载试验
14、的方法来检验桩的质量，但这种方 法存在很多不足之处，在实际检测中静载试验的抽检率通常只有 1%1 。而动测技术 具有费用低、快速、轻便等优点，可以对试桩之外的工程桩的施工质量进行为数较 多的检查，以便及时采取相应措施，减少工程事故的发生率。 1.2 基桩动测技术在国内外的发展和应用概况 1.2 基桩动测技术在国内外的发展和应用概况 桩的动测已有 100 多年的历史，可以说，动力试桩技术的发展始于动力打桩公 式。这些公式（包括修正公式）已有百余个，它们大多是根据刚体碰撞理论、能量 和动量守恒原理，针对各种不同的桩型、锤型结合各地经验建立起来的。较早的动 力测桩方法是由 Hiley A 于 193
15、0 年研究成功的打桩公式法，它是通过建立锤击(动 荷载)与贯入度的关系式来确定桩的承载力的。 虽然早在 19 世纪中叶人们已开始对弹性波在固体介质中的传播现象进行了研 2 究， 但是一直到 1931 年才有人意识到打桩问题也是波传播问题2 ， 冲击能量是以波 动形式传至桩底，因此可用一维波动方程来描述。 1932 年福克斯（Fox E. N.）作了许多简化假定后，对打桩过程进行了粗略的分 析，得出了用于打桩分析的波动方程解答3。 1936 年 Kanschin A. A.和 Plutalow A. A.在第一届国际土力学岩土工程大会上发 表一篇文章，基于弹性波动理论提出新的打桩分析方程4。 1
16、960 年，史密斯（Smith E. A.）提出锤-桩-土系统的集中质量法差分求解模型5， 建立了目前高应变动力检测数值计算方法的雏形，为应力波在基桩动测中的应用奠 定了基础。 60 年代法国 Paquet Jean 针对低应变应力波反射法检测桩的完整性做了些前期工 作，研究涉及频域，于 1974 年申请频域应力波分析法专利，后将频域分析运用到锤 击脉冲响应中。 机械阻抗法在 20 世纪 70 年代初取得了初步进展6-8, 英国的 Davis A. G.和 Dunn C. S.在大量试验和研究的基础上发表了“桩的非破坏性振动试验”一文， 对机械阻抗法的原理、检测系统、检测及分析方法作了系统的阐述。 1970 年，美国 G. .G .Goble 发表了“关于桩承载力的动测研究”9 ，1972 年， 美国 Case 技术学院(现为 Case Western Reserve 大学) 由 Goble 领导的研究小组进行 了桩基应力波检测测量技术和理论分析的系统的研
