岩海高应变会议

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1、 以诚为本，用户至上 演讲主题： 主讲人： 武汉岩海工程技术有限公司 Rocksea 目录页 前言 1 高应变试验理论2 现场试验3 数据处理4 PART.01 前言 武汉岩海 1 高应变法试桩是一种用重锤冲击桩 顶，冲击脉冲在沿桩身向下传播的过程中 使桩土产生足够的相对位移，以激发桩 周土阻力和桩端支承力的一种动力检测方 法。 1.1 什么是高应变法基桩检测 武汉岩海 1.2 高应法检测目的 （1）判定单桩竖向承载力是否满足设计要求。 （2）检测桩身缺陷及位置，判定桩身完整性类别。 （3）分析桩侧和桩端阻力。 （4） 打桩监控 （5） 桩身锤击应力状态及其分布-压应力和拉应力 （6） 桩身锤

2、击能量传递比-桩锤实际传递给桩的能量 （7） 承载力时间恢复系数-初打试验与复打试验 目前主要用途：确定单桩竖向承载力能否满足设计要求 2 1、检测基桩竖向承载力和完整性 2、检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 择提供依据。 3、进行灌注桩承载力检测时，应有现场 实测经验和本地区相近条件可靠验证资 料 1.3 高应变法适用范围 武汉岩海 1.4 高应法技术发展现状 目前，在我国应用范围最广泛的高应变分析方法 采用CASE法和实测曲线拟合法（CCWAPC法）。 主要动测仪器有： （1）武汉岩海工程技术开发公司的RS系列基桩 动测仪 （2）美国桩基动力公司的PDA

3、 系列打桩分析仪 PART.02 高应变理论 武汉岩海 3 2.1 桩的基本假定 2.2 基本概念和基本关系式，何种情况下需要对高 应变结果进行验证 2.3 高应变动力试桩的波动力学基础 2.4 应力波对试桩实测曲线的影响 2.5 高应变动力试桩的桩土模型 2.6 高应变动力试桩的凯司法(CASE法) 2.7 高应变动力试桩法确定桩身完整性(法) 2.8 打桩过程中的桩身应力 2.9 锤击能量与打桩系统效率 2 高应变法基本理论 武汉岩海 4 1、高应变动力试桩在原理上就被简化为一维线性波 动力学问题 2、假定桩身材料是均匀的和各向同性的 3、假定桩是线弹性杆件 4、假定桩是一维杆件 5、假定

4、纵波的波长比杆的横截面尺寸大得多 6、假定破坏只发生在桩土界面 2.1 桩的基本假定 武汉岩海 5 应力波波速C与质点速度V: 1、应力波波速c是杆的材料性质的函数。其物理意义是应力波在杆身中的传播速度。 c2 = E / 其中：c-波速 E-弹性模量 -材料密度 2、“应力波波速”就是压缩区（或拉伸区）沿杆运动速度；而“质点速度”就是应力波经 过时杆上质点的运动速度。 3、质点速度与应力应变的关系 质点的速度与力的关系: V = F*C/E*A 质点的速度与应力的关系: V =*c/E 质点的速度与应变的关系: V =*c 4、桩身力学阻抗Z （归一） Z = F/V= EA/c =cA 即

5、：F= ZV 在描述应力波现象时，把实测的速度曲线乘以相应的桩身阻抗，该曲线将保 持速度的变化规律而按一定的比例转换为 力的单位，在同一坐标系中可以直接对比 该曲线与实测的力曲线之间的关系，这将大大方便我们的观察与分析。此外，下行 波和上行波的时程曲线也是用这一参量经过换 算计算得到的。 2.2 基本概念和基本关系式 武汉岩海 6 1、一维波动方程 2u/t2 = c22u/x2 - R/(A) (21) 式中：u是杆上x处在t时刻的轴向位移，它是纵向坐标和时间两个变量的函数 。上式中左边的偏微分是杆上质点的加速度，右边的偏微分是杆上质点的应变 2、下行波和上行波 一维波动方程(21)式的通解

6、为： u(x,t) = f(x-ct) + g(x+ct) 解由两部分组成，分别代表两个行波，其传播速度均为c而传播方向相反，在竖 向的桩身中传播时通常称为下行波和上行波。 根据波动理论，一个任意位移波和与它对应 的应力波在杆中的传播仅仅 随时间 以波速c沿正反方向移动而其形状保持不变 下行力波 F= Z v 上行力波 F= -Z v 一般情况下，在桩身任一位置截面上量测到的质点运动速度和力都是下行波和上 行波叠加的结果： F = F+ F v = v+ v 2.2 高应变法的波动力学基础 武汉岩海 7 1、试桩时桩两侧力和加速度传感器测的是截面处力（Fm）和 质点运动速度（vm）（实测值）

7、如果已知桩上某截面的力Fm和速度vm，就可以从力Fm和换 算后的质点速度Z*vm分别求得其下行波（两者之和平均值） 和上行波（两者之差一半）。 下行波 F= (Fm+ Z vm)/2 上行波 F= (Fm- Z vm)/2 v= (vm+ Fm/Z)/2 v= (vm- Fm/Z)/2 2.2 高应变法的波动力学基础 武汉岩海 8 1、当桩端为自由端时，其边界条件是受力为零。 v = v+ v= 2v 应力波到达自由端后，将产生一个幅值相同、符号相反的反 射波，即入射压力波产生拉力反射波，入射拉力波产生压力反 射波。在杆端由于波的叠加，使杆端质点运动速度增加一倍 2、桩端为固定端时，其边界条件

8、是速度为零。 F = F+F= 2F 应力波到达固定端后，将产生一个与入射波相同的反射波， 即入射压力波产生压力反射波，入射拉力波产生拉力反射波。 在杆端由于波的叠加，使端部反力增加一倍。 3、当桩端约束介于自由端与固定端之间时 2.2 应力波在桩端传播特征 武汉岩海 9 1、F1=(Z2-Z1)/(Z2+Z1) F1（反射波） 2、F2=2Z2/(Z2+Z1)F1 （透射波） 3、当Z2Z1,即入射波由阻抗小的截面向阻抗大的截面传播 时，反射波与入射波的性质相同，即入射的拉力波产生 反射拉力波，入射的压力波产生反射压力波。 4、当Z2Z1,即入射波由阻抗大的截面向阻抗小的截面传播 时，反射波

9、改变符号，即入射的拉力波产生反射压力波 ，入射的压力波产生反射拉力波。 2.3 桩身阻抗变化时的应力波传播规律 武汉岩海 10 1、上下行波对测试曲线的影响： 、在图中，凡是下行波都将使两条曲线同向平移，原有距离保持不变；凡是 上行波都将使两条曲线反向平移，互相靠拢或互相分离。 、在图中，如果只有下行波作用，F(t)曲线和Z*V(t)曲线将永远保持重合。 、在图中，F(t)曲线和Z*V(t)曲线的相对移动直接反映了上行波的作用。 2、桩身阻抗变化对测试曲线的影响： 、阻抗减小将产生上行的拉力波，在到达检测截面时，将引起力值的减小和速度值 的增大，即力曲线下移而速度曲线上移。 、阻抗增大将产生上

10、行的压力波，在到达检测截面时，将引起力值的增大和速度值 的减小，即力曲线上移而速度曲线下移。 、上述反射信号到达检测截面的时间与变阻抗截面所在深度成正比。可以根据反射 信号在时间轴上的位置确定其所在深度。 3、土阻力所产生的应力波对测试曲线影响： 、作用深度为x(0xL)处的土阻力所产生的上行压力波将在2x/c时刻到达检测截面 。在实测F-V曲线上沿。时间轴将可以在2L/c之前看到分层累加的土阻力信息 、土阻力的作用在F-V曲线上的首先表现为两根实测曲线的分离，即实测力曲线的上 升和实测速度曲线的下降。在2L/c时刻之间(t1tt1+2L/c），力和速度曲线的分离程 度正好等于所受的土阻力。

11、2.4 应力波对高应变动力试桩实测曲线的影响 武汉岩海 11 1、桩的力学模型 CASE法的桩的基本模型是一维等阻抗弹性杆件(桩身某一截面上的各 个质点的受力状态和运动状态都是相同的)，不考虑桩身材料的粘性（ 即应力波在沿桩身传播时桩身材料本身不吸收应力波的能量） 2、桩侧土的力学模型 （1）、桩侧土的静阻力模型 桩侧土的静阻力模型为理想刚塑性模型， 理想刚塑性静阻力模 型的意义为：桩侧土静阻力一经激发即达到极限，且不随桩土之间的 相对位移的变化而变化 。 （2）、桩端土的静阻力模型 桩端土的静阻力模型为理想刚塑性模型，如图2.5.3所示 （3）、桩端土的动阻力模型 CASE法的桩端土的动阻力

12、模型采用线性粘滞阻尼模型，如图 2.5.4所示。 Rdt =JcZvt 2.5 CASE法 桩的土力学模型 武汉岩海 12 1、CASE法的近似假定 桩身阻抗恒定，即桩身截面不变，桩身材质均匀且无明显的缺陷。 只考虑桩底的动阻尼，忽略桩侧土的动阻尼，而且静阻力始终保持 恒定。 应力波在传播过程中没有能量耗散和信号畸变。 在（t1,t2+4L/c）时段内桩侧各点的摩阻力保持不变。 2、CASE法总阻力公式 设一根阻抗为Z的桩，有效桩长为。如果锤击应力波在t1时刻通过检测 截面，则在i截面（距检测截面距离为x）产生的上行压缩阻力波在t= t1+2x/c时刻到达检测截面。拉伸应力波在t=t1+L/c

13、时刻到达桩底，并以压 缩波的形式向上反射，在t=t1+L/c时刻到达检测截面。土阻力所产生的 应力波在桩身中的传播见图2.6-1所示。 2.6 高应变动力试桩的CASE法（承载力计算） 武汉岩海 13 土阻力示意图 武汉岩海 冲击作用冲击作用 下行压力波下行压力波 (+F = +(+F = +ZvZv) ) 激发的土阻力激发的土阻力 (R)(R) 结果下行拉力波和上行压力结果下行拉力波和上行压力 波，数值均为波，数值均为R/2R/2 +F=R/2+F=R/2 v v upup = -R/2Z = -R/2Z -F=R/2 -F=R/2 v v downdown=-R/2Z =-R/2Z R R

14、x/2 Rx/2 14 实例 武汉岩海 R +F=R/2+F=R/2 v vup up = -R/2Z= -R/2Z -F=R/2 -F=R/2 v v downdown =-R/2Z=-R/2Z 初打 复打 - 1 天 (粘 土) +F +F +v+v 15 锤击作用下沿着桩身的全部侧土阻力所产生的上行应力波必然在t1， t1+2L/c时段内依顺序先后到达检测截面；而侧土阻力所产生的下行应力波 则将伴随锤击应力波一起下行，在桩端产生反射后和端阻力一起于 t2=t1+2L/c时刻到达检测截面。由此可见： 在冲击后的第一个传播周期（t1tt1+2L/c内，检测截面测到的只有上 行的桩侧压缩阻力波

15、Ru(x)： F(tx) = F(t1+2x/c) = Ru(x)= R(x)/2 0xL 即x截面以上桩侧摩阻力R(x)可由上行波信号确定： R(x)= 2F(tx) = F(t1+2x/c)-ZV(t1+2x/c) 0xL 2.6.1 CASE法总阻力公式 武汉岩海 16 在t2=t1+2L/c时刻，上行波F(t2)的数据中包含以下成分： 、锤击产生的初始下行压力波在桩底反射产生的上行拉力 波，由于波在传播中幅值保持不变，该项为-F(t1)。 、全部上行的桩侧压缩阻力波的总和，即Rzc/2。 、全部下行的桩侧拉伸阻力波经桩底反射后转变为上行的 压缩波，其值亦为Rzc/2。 、桩端阻力的上行

16、波Rzd。 第和第项的总和为桩的总侧阻力，第项桩端阻力， 因而这三项之和代表了岩土总阻力t。因此,t2=t1+2L/c时刻的 上行波F(t2)可写为： F(t2) =t- F(t1) 整理后可得著名的Case-Goble公式，也就是CASE法的总阻 力公式： Rt=(F(t1)+Z*v(t1)/2(F(t2)-Z*v(t2)/2 武汉岩海 17 根据高应变动力试桩法的土阻力数学模型和实用假定，可以 把实测得到的土阻力看成是由静阻力Rs和由于动力作用所产 生的附加动阻力Rd两部分组成。即: Rt= Rs + Rd RSP阻尼系数法计算桩承载力。 土的动阻力模型采用的是线形粘滞模型，即 Rd = Jvvb(