高应变法基桩检测|基础讲解

高应变法基桩检测|基础讲解

1、现场试验数据处理

1.1  什么是高应变法基桩检测

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。

1.2  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

1.3  高应变法适用范围

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

1.4  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）。

2、高应变法基本理论

2.1 桩的基本假定

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

2.2 基本概念和基本关系式

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 /ρ其中：c-波速 E-弹性模量 ρ-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 =σ*c/E

质点的速度与应变的关系:   V =ε*c

4、桩身力学阻抗Z （归一） Z = ∣F/V∣= EA/c =ρcA    即：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Ｚ，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Ｚ这一参量经过换算计算得到的。

2.3 高应变法的波动力学基础

1、一维波动方程

∂2u/∂t2 = c2∂2u/∂x2 - R/(ρ•A)     (2－1)

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(2－1)式的通解为： 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↑

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）

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

2.4 应力波在桩端传播特征

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. 3  桩身阻抗变化时的应力波传播规律

1、F1↑=[(Z2-Z1)/(Z2+Z1)]F1↓（反射波）

2、F2↓=[2Z2]/(Z2+Z1)]F1↓   （透射波）

3、当Z2>Z1,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Z2<Z1,即入射波由阻抗大的截面向阻抗小的截面传播时，反射波改变符号，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. 4  应力波对高应变动力试桩实测曲线的影响

1、上下行波对测试曲线的影响：

⑴  在Ｆ－Ｖ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。

⑵  在Ｆ－Ｖ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。

⑶  在Ｆ－Ｖ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：

⑴ 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。

⑵ 阻抗增大将产生上行的压力波，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。

⑶ 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：

⑴ 作用深度为x(0≤x<L)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

⑵ 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(t1≤t<t1+2L/c），力和速度曲线的分离程度正好等于所受的土阻力。