岩土工程原位测试之基桩动荷

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1、1,岩土工程原位测试技术,第7章 基桩动荷载试验,2,第7章 内 容,7.1 概述 7.2 反射波法 7.3 Case法,3,7.1 概 述,一桩的动测法发展历史 桩的动力测试技术已有100多年的历史。最早的动测方法是在能量守恒原理的基础上，利用牛顿碰撞定律，根据打桩时测得的贯入度来推算桩的极限承载力。 近代的动测技术以应力波理论为基础。 我国自20世纪70年代开始研究桩的动力测试技术，近年来发展很快。,4,二桩的动测法分类 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；

2、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。 本章仅讲述低应变动力测试法中的反射波法和高应变动力测试法中的CASE法。,5,7.2 反射波法,一试验方法和设备 反射波法（也称为应力波反射法）的现场测试如图7-1所示。对完整的测试分析过程可以描述如下：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

3、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。,6,图7-1 反射波法的现场测试示意,7,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，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

4、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。,8,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。,9,二基本测试原理与波形分析 1广义波阻抗及波阻抗界面 设桩身某段为一分析单元，其桩身介质密度、弹模、弹性波波速、截面面积分别用、E、C、A表示，则令 Z=CA=E

5、A/C （7-1） 称Z为广义波阻抗。波阻抗的物理含义为： F=ZV 式中，F为波阵面所受的力，V为波阵面的质点振动速度。 当桩身的几何尺寸或材料的物理性质发生变化时，则相应的、E、C、A发生变化，其变化发生处称为波阻抗界面。界面上下的波阻抗比值为 （7-2） 称n为波阻抗比。,10,2应力波在阻抗界面处的反射与透射 设一维平面应力波沿桩身传播，当到达某一与传播方向垂直的波阻抗界面（图7-2）时。根据应力波理论，由连续性条件和牛顿第三定律有 VI+VR=VT （7-3） A1（I+R）=A2T （7-4）,式中，V、分别表示质点振动的速度和产生的应力，下标I、R、T分别表示入射波、反射波和透射

6、波。 由波阻抗的物理含义可写出：I=-ZVI/A=-1C1VI 速度向下为正，此时产生压应力，故式中有一负号。 类似有： R=1C1 VR T=-2C2VT,11,代入式（7-4），得 1C1A1（VIVR）=2C2A2VT （7-5） 联立式（7-3）和（7-5），求得 VR=FVI （7-6a） VT=nTVI 7-6b） 式中,称为反射系数 （7-7a） 称为透射系数 （7-7b） 式（7-6）是反射波法中利用反射波与入射波的速度量的相位关系进行分析的重要关系式。,12,3桩身不同状况下应力波速度量的反射、透射与入射的关系 （1）桩身完好，桩底支承条件一般 此时，仅在桩底存在界面，速度波

7、沿桩身的传播情况如图7-3所示。,13,因为1C1A12C2A2，所以n= Z1/Z21，代入式（7-7）得 F0） 由式（7-6）可知，在桩底处，速度量的反射波与入射波同号，体现在V（t）时程曲线上，则为波峰位于中线的同一侧（同向）。典型的完好桩的实测波形如图7-4。 由图7-3、图7-4分析可得激振信号从触发到返回桩顶所需的时间t1、纵波波速C、桩长L三者之间的关系为 （7-8）,式（7-8）即为反射波法中判断桩长或求解波速的关系式。在式（7-8）的应用上，应已知C或L之中的一个，当二者都未知时，有无穷个解，因此实用中常常利用统计的方法或其他实验的方法来假定C或根据施工记录来假定L，以达到

8、近似求解的目的。,14,（2）桩身截面积变化 1）Ll处桩截面减小。如图7-5，可知在Ll处有 n= Z1/Z2= A1/A21 可得F0。于是有：VR与VI同号，而VT恒与VI同号。典型的波形如图7-6所示。假定C为已知，则桩长和桩截面减小的位置可以确定如下：,15,2）Ll处截面增大。如图7-7，可知在Ll处 n= Z1/Z2= A1/A20。可得结论：截面积增大处，VR与VI反号，而VT恒与VI同号。典型的波形如图7-8所示。桩长和桩截面变化的位置可以确定如下：,16,（3）桩身断裂 1）桩身在L1处完全断开。如图7-9，Z2相当于空气的波阻抗，有Z20，于是得 n= Z1/Z2= A1

9、/A2 由式（7-7）得 F=1，T=0 代入式（7-6a）和（7-6b），可得 VR=VI ，VT=0 即应力波在断开处发生全反射，由于透射波为零，故应力波仅在上部多次反射而到不了桩底。 典型的实测曲线如图7-10所示。断裂的位置可按下式确定：,17,18,2）桩身在L1处局部断裂（裂纹）。如图7-11，典型V（t）曲线如图7-12。Ll处反射信号与L处（桩底）反射信号的强弱，随着裂纹的严重程度而不同。,19,（4）桩身局部缩径、夹泥、离析 三种情况及相应的应力波传递过程示意于图7-13中，图7-14是实测波形。对此三种情况可分析如下：,1）缩径：n1= Z1/Z2= A1/A21，F0。所

10、以：VR与VI反号，VT与VI同号。,20,2）夹泥和离析：,21,所以上述三种情况的VR与VI及VT与VI的关系相似，实测中的波形特征也极为类似。桩长和缺陷位置等特征可根据图7-14确定如下： 桩长： 缺陷位置： 缺陷范围：,实际上，由于L2处的反射信号在返回桩顶时又经过L1处的反射与透射，故能量较Ll处的一次反射弱，一般较难分辩。当缺陷严重时，桩底的反射信号也较弱。 另外，以上三种缺陷的的进一步鉴别可根据： 根据地质报告和施工记录以及桩型区分；,22,根据波形的光滑与毛糙情况区分； 根据波速区分。 （5）桩底扩大头 如图7-15所示。典型的测试曲线如图7-16。,23,（6）桩底嵌岩或坚硬

11、持力层 如图7-17。 1）Z1Z2，n1，VR与VI反号，实测波形如图7-18。 2）Z1Z2，n1，F0，VR接近为零，此时桩底基本不产生反射信号，反映在波形图上，则看不见桩底反射信号。,24,3弹性波在传播过程中的衰减 弹性波在混凝土介质内传播的过程中，其峰值不断衰减，引起弹性波峰值衰减的原因很多，主要是： 1）几何扩散。波阵面在介质中不论以什么形式（球面波、柱面波或平面波）传播，均将随距离增加而逐渐扩大，单位面积上的能量则愈来愈小。 2）吸收衰减。由于固体材料的粘滞性及颗粒之间的摩擦以及弥散效应等，使振动的能量转化为其它能量，导致弹性波能量衰减。 3）桩身完整性的影响。由于桩身含有程度

12、不等和大小不一的缺陷：裂隙、孔洞、夹层等，造成物性上的不连续和不均匀，导致波动能量更大的衰减。,25,4混凝土的强度及其弹性波速 混凝土是由水泥、砂、碎石组成的混合材料。当原材料、配合比、制作工艺、养护条件、龄期和混凝土的含水率不同时，其强度和弹性波速均不一样。影响波速的主要因素有： 1）原材料的影响。水泥浆硬化体的弹性波速较低，一般在4km/s以下；常用的砂和碎石的弹性波速较高，通常都在5km/s以上。混凝土是水泥浆胶结砂和碎石而成，其波速多在30004500m/s的范围内。 2）碎石的矿物成分、粒径和用量的影响。不同矿物形成的碎石的弹性波速是不同的。在混凝土中，石子的粒径越大、用量越多，在

13、相同强度的前提下混凝土的弹性波速越高。,26,3）养护方式的影响。 根据室内试验的结果，混凝土的强度和弹性波波速之间有较好的相关性。下述公式可供参考。 （7-9） 式中c为混凝土的标准抗压强度（MPa），C为混凝土的纵波波速（km/s）。上式的统计样本容量n=30，相关系数=0.9869。,27,7.3 CASE法,一试验设备和方法 1方法简述 桩的高应变动力测试是采用瞬态激振方式使试桩产生高应力应变状态，以考验桩土体系在接近极限状态时的工作性能，从而对桩的承载力和完整性作出评价的一种现场测试方法。测试方法可简述如下： （1）用动态的竖向冲击荷载在桩顶激振。 （2）采集桩顶附近桩身截面上的轴向

14、应变和桩身运动速度（或加速度）的时程曲线，再用一维波动方程进行分析，推算桩周土对桩的阻力分布（包括静阻力和动阻力）（实测曲线拟合法）或直接推求桩的极限承载力（CASE法）。,28,CASE法是高应变测试法中的一种，其主要特点是方法简单、涉及参数少、分析过程快捷，因而能很快得出测试结果。其缺点则在于假设过粗、参数不易把握、测试结果近似度较差等。故就其总体而言适合于现场粗判以及在有对比资料和充分的地区经验时的测试工作，中华人民共和国行业标准建筑基桩检测技术规范JGJ106-2003中对CASE法的使用做出了严格的限制。 2试验设备 （1）传感器。实测中通常采用应变传感器测定桩顶力，用加速度传感器测

15、定桩顶的质点加速度，经积分后转换为速度量。 通常采用工具式应变传感器和压电晶体式加速度计。,29,（2）整机系统。在国际上有代表性的整机系统是美国桩基动力公司的PDA、瑞典桩基开发公司的PID、和荷兰富国公司的产品。国内生产的仪器一般同时包含了高、低应变测试方法，其中CASE法软件作为仪器的基本配置，而CAPWAPC法（国内称为实测曲线拟合法）的软件通常需要另行购买。 仪器在收到信号后，一般都要经过一次低通滤波处理，去除现场高频杂波的干扰，并对信号进行平滑处理。目前CASE法的分析计算都还只是在时域内进行，所以对低通滤波器的性能要求不高。 为了提高分析的可靠性和精度，一般都将传感器采集的模拟信

16、号转换成数字信号，即进行A/D转换。A/D转换时希望有足够大的采样频率，以保证信号的峰值不会因采样的缘故而有明显的降低。采样时对每一波形曲线取512个点或1024个点。,30,每次锤击信号中所保存信号的历时都很短，大约为50100ms。打桩施工时各次锤击的时间间隔不大，最小只有0.5s（每分钟120锤）。因此仪器在A/D转换时必须具有自动触发取样功能和在每次取样前的自动清零功能。PDA和PID系统都利用所采集的信号本身来进行触发，而且都采用了预触发的形式。,31,二基本测试原理 1一维波动方程 将桩身看作为一根一维弹性杆，由应力波理论知，在轴向动荷载的作用下桩身任一截面的轴向位移可以表示为一维波