1、高應(yīng)變動(dòng)測法,張義俊,高應(yīng)變動(dòng)測法是用重錘沖擊樁頂，使樁土產(chǎn)生足夠的相對(duì)位移，以充分激發(fā)樁周土阻力和樁端支承力，通過分別安裝在樁身兩側(cè)的力和加速度傳感器接收量測力和樁、土系統(tǒng)響應(yīng)信號(hào)，從而計(jì)算并分析樁身結(jié)構(gòu)完整性和單樁豎向承載力。,高應(yīng)變試驗(yàn)方法： （1）動(dòng)力打樁公式法： 量測打樁最終貫入度，錘重和錘落高。用它估算單樁極限承載力。 （2）波動(dòng)方程分析法（smith法）： 量測最終貫入度，錘重、落高和設(shè)定樁、土、墊層一系列參數(shù)。用它預(yù)測單樁極限承載力；打樁拉、壓應(yīng)力和沉樁能力分析。 （3）波動(dòng)方程半經(jīng)驗(yàn)解析法（case法）： 量測樁頂力和速度（加速度信號(hào)積分）時(shí)程波形?？晒浪銌螛稑O限承載力和樁身

2、結(jié)構(gòu)完整性作出評(píng)價(jià)。,（4）波形擬合法： 量測樁頂力和速度時(shí)程波形?？膳卸▎螛稑O限承載力，評(píng)價(jià)樁身結(jié)構(gòu)完整性，估計(jì)樁側(cè)與樁端土阻力分布和摸擬靜載荷試驗(yàn)的Q-S曲線。 （5）靜動(dòng)試樁法： 量測樁頂力和位移時(shí)間程波形，可判定單樁極限承載力。 目前采用較多的CASE法，波形擬合法較為廣泛。,一、現(xiàn)場檢測技術(shù) 1、錘頭 錘頭形狀制作按建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范（JGJ106-2003）中，對(duì)錘重和錘形選擇以強(qiáng)制性條文的形式作為嚴(yán)格規(guī)定，錘頭材質(zhì)均勻，形狀對(duì)稱，錘底平整，高徑（寬）比不得小于1，采用鑄鐵或鑄鋼制作。錘高、寬比一般2：1或1.5：1。,2、起重設(shè)備 錘頭起吊一般用支架或汽吊、鉤機(jī)。 支架：必須注

3、意支架導(dǎo)向軌潤滑預(yù)防支架軌道磨擦過大而產(chǎn)生高頻橫波和縱波，橫波沿垂錘軸向往返傳播，縱波沿重錘軸向傳播，在力曲線上表現(xiàn)為從重錘沖擊前到之后，使力曲線始終存在一個(gè)高頻復(fù)雜的振動(dòng)波干擾。 汽吊及鉤機(jī)：錘的軸心線與樁的軸心要重合，如稍偏心，出現(xiàn)產(chǎn)生偏心力，兩邊對(duì)稱的力和加速度傳感器得不到大小相同信號(hào)，并且有可能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)干擾、出現(xiàn)力曲線上存在高頻信號(hào)干擾。,3、樁墊 樁墊是影響實(shí)測波形重要因素：其作用有二個(gè)：一是使錘擊力分布均勻、調(diào)整錘擊過程的持續(xù)時(shí)間，將錘擊能量更有效地往樁頂傳遞。二是緩沖錘體的沖擊力，使打樁壓應(yīng)力不超過容許值。選用材料有膠合板、薄木板，特制的布?jí)|或紙墊；還可以標(biāo)準(zhǔn)細(xì)砂找平（厚度1

4、0-30mm為好）,4、樁頭處理 對(duì)于混凝土灌注樁先鑿掉樁頂部的破碎層和軟弱浮漿層，樁頭頂面平整、樁頭中軸線與樁身上部的中軸線應(yīng)重合，樁頭主筋應(yīng)全部直至樁頂混凝土保護(hù)層之下，各主筋應(yīng)在同一高度，距樁頂1倍樁徑范圍內(nèi)，用厚度35mm鋼板圍裹或距樁頂1.5倍樁徑范圍內(nèi)設(shè)置箍筋，間距不大于100mm，樁頂設(shè)置鋼筋網(wǎng)片2-3層，間距60100mm，樁頭混凝土強(qiáng)度等級(jí)比樁身混凝土提高12級(jí)，且不低于C30，樁頭側(cè)點(diǎn)處截面尺寸與原樁截面尺寸一致。預(yù)制樁樁對(duì)不受損，可以使用。,5、傳感器安裝 按國家標(biāo)準(zhǔn)建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范（JGJ106-2003）附F有關(guān)要求。 （1）傳感器必須安裝在離樁頂23倍樁徑位置，

5、對(duì)于大直徑樁，傳感器與樁頂之間距離可適當(dāng)減少，但不得小于1倍樁徑。如遇到樁身截面突變處，要避開，尺量樁身截面一致處為好。避開樁頂附近復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。 （2）傳感器必須對(duì)稱安裝在樁兩側(cè)面，應(yīng)變與加速度傳感器的中心應(yīng)位于同一水平線上，應(yīng)變和加速度傳感器之間大于80mm。傳感器的中心軸應(yīng)樁中心軸保持平衡。 （3）各傳感器的安裝面材質(zhì)應(yīng)均勻，密實(shí)、平整、并與樁軸線平行，否則應(yīng)采用磨光機(jī)打磨平整。 （4）傳感器安裝使用螺栓的鉆孔與樁側(cè)表面垂直，牢固。不能由于錘擊振動(dòng)引起松動(dòng)或接觸不良、尤其力傳感器位置有良好的平整面。 （5）安裝完畢后，檢查應(yīng)變傳感器緊貼程度是否松動(dòng)，對(duì)其初始應(yīng)變值進(jìn)行監(jiān)視，保證錘擊

6、時(shí)可測軸向變形余量?；炷翗洞笥?1000；鋼樁大于+1500。,6、測試參數(shù)選取 測試前對(duì)設(shè)定相當(dāng)重要，要認(rèn)真結(jié)合儀器使用動(dòng)能要求進(jìn)行設(shè)定選取。 （1）采樣時(shí)間間隔50200，信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)不少于1024點(diǎn)； （2）傳感器的設(shè)定值按計(jì)量檢定結(jié)果設(shè)定； （3）測點(diǎn)處的樁截面尺寸按實(shí)際測量確定，波速，質(zhì)量密度和彈性模量設(shè)定； （4）測點(diǎn)以下的樁長和截面積按設(shè)計(jì)文件或施工記錄提供數(shù)據(jù)設(shè)定。,樁身材料彈性模量按公式計(jì)算 E=2 E樁身材料彈性模量（KPa） 樁身應(yīng)力波傳播速度（m/s） 樁身材料質(zhì)量密度（t/m3） 7、儀器工作狀態(tài)檢查。 在正式試驗(yàn)之前，檢查儀器是否正常工作狀態(tài)，對(duì)已連接好的各種傳感

7、器核驗(yàn)，對(duì)檢測儀進(jìn)行儀器自檢，并觀測量測系統(tǒng)置于正常。,8、錘擊擇選 按國家標(biāo)準(zhǔn)建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范（JGJ106-2003）中附錄條文進(jìn)行，具體大致如下： 對(duì)于摩擦樁或端承摩擦樁，錘重一般為單樁極限承載力的1%，但摩擦端承樁的錘重還要大些，才有可能把樁打一定的貫入度。 錘高大小是影響峰值和樁頂速度的重要因素。落高過小，能量不足；落高過大，力峰值過大，易擊碎樁頂。一般的落高1.0-2.0m之間，最高不應(yīng)大于2.5m，最好重錘低打。 選擇錘重和落高要使樁貫入度不小于2.5mm，但也不要大于10mm。貫入度過小、土強(qiáng)度發(fā)揮不充分，貫入度太大不滿足波動(dòng)理論、實(shí)測波形失真 。 對(duì)于嵌巖樁，在選用錘重和

8、落高時(shí)要注意不能把嵌固段打動(dòng)，否則嵌固力不能恢復(fù)大大降低樁承載力。,9、檢測時(shí)應(yīng)及時(shí)檢查采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。 高應(yīng)變動(dòng)測用重錘沖擊，當(dāng)每對(duì)受檢樁記錄沖擊有效錘擊信號(hào)后檢查所采集信號(hào)進(jìn)行觀察分析，發(fā)現(xiàn)測試曲線采集不理想，應(yīng)認(rèn)真檢查樁頭、傳感器有無異常。一般出現(xiàn)較多異常原因： 傳感器安裝處混凝土開裂或出現(xiàn)嚴(yán)重塑性變形使力曲線最終未歸零； 嚴(yán)重錘擊偏心，兩側(cè)力信號(hào)幅值相差超過1倍； 觸變效應(yīng)的影響、預(yù)制樁在多次錘擊下承載力下降； 四通道測試數(shù)據(jù)不全。,10、現(xiàn)場測曲線判斷。 （1）力傳感器未上緊，波形產(chǎn)生自振；,（2）波形信號(hào)不回零，表明靠近測點(diǎn)附近混凝土有塑性變形；,（3）波形峰值處力大于速度，表明靠

9、近測點(diǎn)附近樁身有擴(kuò)頸或墊層和樁相連；,（4）波形峰值處速度大于力，表明靠近測點(diǎn)附近樁身樁相連。,（5）波形峰值處速度大于力，力波不回零，表明測點(diǎn)附近樁身有裂縫，或傳感器安在新接樁頭上，接頭連接沒有做好。,一般正常F和ZV曲線： 波形沒有明顯的高頻雜波信號(hào)干擾； 兩組F和ZV時(shí)程波形最終回歸零值； 兩組F和ZV時(shí)程波形的峰值前應(yīng)重合，峰值后兩者協(xié)調(diào)； F曲線一般為正值、因?yàn)樵跇俄敻浇鼞?yīng)力為壓力； 在樁底反射信號(hào)出現(xiàn)前、ZV曲線應(yīng)在F曲線的下方，它差值的一半等于對(duì)應(yīng)時(shí)刻接受到的阻力值； 由加速度信號(hào)積分得到的位移曲線一般是先急劇上升，接著突然下降，下降到最小值后又緩緩上升，最后穩(wěn)定在一條水平線上。

10、,二、CASE法 CASE數(shù)學(xué)模型 CASE法的數(shù)學(xué)模型較為簡單，只考慮樁和樁周土的簡化模型。 （1）把樁假定為均勻連續(xù)的一維桿，并且物理參數(shù)在測試的時(shí)間內(nèi)是不變化的，稱為時(shí)不變。 （2）土的模型 試樁時(shí)認(rèn)為樁、土界面發(fā)生破壞，樁的承載力為樁的支承能力。 實(shí)測總阻力近似看成靜阻力和動(dòng)阻力兩部分組成。 R總=R靜+R動(dòng),靜阻力RS簡化為理想剛塑性模型，即當(dāng)土中應(yīng)力達(dá)某一數(shù)值后，不隨變形增加而增加，忽略彈性變形（圖a）,于是 R(Z)=Ru 動(dòng)阻力Rd簡化為與樁的運(yùn)動(dòng)速度成線性關(guān)系的粘滯阻尼模型，用一個(gè)阻尼表示（圖b）: Rd=J(z)V（z) 式中：J(Z)深度Z處樁側(cè)土粘滯阻尼系數(shù)（kNs/m

11、），為直線斜率。 V(Z)深度Z處樁身運(yùn)動(dòng)速度（m/s）,動(dòng)力試樁實(shí)際用的是smith阻尼系數(shù)和case阻尼系數(shù)： 當(dāng)用smith阻尼系數(shù)時(shí)，Rd=JS(Z)Ru(Z)V(Z) 當(dāng)用case阻尼系數(shù)時(shí)，Rd=JC(Z)ZV(Z) 式中：JC(Z）case阻尼系數(shù)是無量綱參數(shù) Z樁身阻抗（kNs/m） 對(duì)上述case法數(shù)學(xué)模型成立，用case法分析方法分析，把試樁看成三條基本假定： 樁身是等效阻抗的（Z=），Z沿樁身不變。該假定對(duì)鋼樁，預(yù)制樁和預(yù)應(yīng)力管樁在樁身無缺陷性況下基本適用；而灌注樁斷面是不均勻，樁身即使無任何缺陷也難以達(dá)到，在該假定條件下，實(shí)測信號(hào)除了土阻力和樁底信號(hào)的反射波外，設(shè)有任何

12、阻抗變化的反射波。 動(dòng)阻力集中在樁底，忽略樁側(cè)動(dòng)阻力。 忽略應(yīng)力波在傳播過程的能量損耗，包括樁身中內(nèi)阻尼損耗向樁周土的逸散。在該假定條件下，應(yīng)力波傳播過程沒有波形畸變和幅值的變化。,Case法單樁承載力確定： Case法動(dòng)測試樁，在有足夠能量錘擊樁頂時(shí)，可以激發(fā)出樁周土阻力，實(shí)測樁頂附近的力和速度程波形。,由波動(dòng)方程和行波理論可推導(dǎo)得到case法單樁極限承載力公式： Rn=RJC(2FtR) R=1/2F(t1)F(t2)Z/2(V1V2) 式中: Rn單樁極限承載力 R打入總阻力 F(t1)、V(t1)t1時(shí)刻力和速度值 F(t2)、V(t2)t2時(shí)刻樁頂反射處的力和速度值。 t1時(shí)刻可取在

13、第一峰值，第二峰值或最大峰值處。三種取法一般情況其結(jié)果相差不大，如果有明顯差別、應(yīng)選擇提供最大靜阻力的位置。 t2為樁底反射點(diǎn)位置，(t1+2L/c) t1和t2確定后，在波形上F(t1)、F(t2)、V(t1)、V(t2)都有樁身阻抗Z可根據(jù)樁徑和波速計(jì)算得到：case阻尼系數(shù)JC可由靜、動(dòng)對(duì)比結(jié)果反算求得或經(jīng)驗(yàn)取值。,一般case阻尼系數(shù)通過大量靜、動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)各土層取值范圍： 憑經(jīng)驗(yàn)選取case阻尼系數(shù)要慎重，望大家大量進(jìn)行靜動(dòng)對(duì)比試驗(yàn)資料，建立地方case阻尼系數(shù)。 Case法分析有多種方法： 阻尼系數(shù)法（RSP）,最大阻尼力法（RMX）,卸載法RSU,自動(dòng)法（RAU）。 但case法推算

14、基本準(zhǔn)確，最好采用其它方法進(jìn)行計(jì)算。,三、波形擬合法： 波形擬合評(píng)價(jià)單樁極限承載力，目前認(rèn)為是最先進(jìn)技術(shù)，它具多解性，無唯一解。在擬合過程可調(diào)整的參數(shù)有側(cè)阻，端阻，最大彈性位，土阻尼系數(shù)，樁截面積，波速和混凝土彈性模量等，改變以土任何一個(gè)參數(shù)都可能使某些單元段計(jì)算波形和實(shí)測波形吻合。 1、波形擬合基本原理 波形擬合現(xiàn)場測試和數(shù)據(jù)采集與case法完全一樣，得到的是兩根實(shí)測波形F(t)和V(t)。實(shí)測波形包含有樁身阻抗變化和土阻力（樁承載力）信號(hào)。 把樁劃分若干分段（單元），假定各分段的樁、土參數(shù)。如樁身阻抗、土的阻力及沿樁身分布，最大彈限QK和阻尼系數(shù)JS或JC等。用實(shí)測的波形速度或力，作為已知

15、邊界條件進(jìn)行波動(dòng)程序計(jì)算，求得力或速度波形。也就是用計(jì)算波形法擬合實(shí)測波形，兩者進(jìn)行比較，直到兩者吻合程序達(dá)到滿意為止。從而得到單根限承載力，樁側(cè)阻力分布，計(jì)算的荷載沉降曲線（QS曲線）和樁身結(jié)構(gòu)完整性。,波形擬合過程反復(fù)迭代計(jì)算過程（框圖），要得到各分離單元的速度響應(yīng)曲線，可以解波動(dòng)方程得到各單元的力曲線FC。將計(jì)算的曲線FC和實(shí)測的力曲線Fm進(jìn)行比較，并調(diào)整各單元參數(shù)值得FC和Fm良好吻合。認(rèn)為對(duì)樁、土參數(shù)假定實(shí)際情況接近，即為試驗(yàn)所得需要結(jié)果。,2、波形擬合法的數(shù)學(xué)模型。 波形擬合法的數(shù)學(xué)模型分為樁身和土的模型 （1）樁身模型 波形擬合法采用“連續(xù)”，把樁看作連續(xù)的、不變的，線性的和一維

16、的彈性桿件。把樁劃分為Np分段長度保持應(yīng)力波在通過每個(gè)分段時(shí)所需的時(shí)間相等，分段本身阻抗是恒定的，但各分段阻抗可以不同。樁身內(nèi)阻尼引起應(yīng)力波的衰減可用衰減率模擬。有的計(jì)算軟件，還可考慮裂縫在受力過程中的閉合張開程度，局部不密實(shí)的混凝土應(yīng)力應(yīng)變的非線性關(guān)系問題。,（2）土模型 波形擬合法將土簡化為理想彈塑性模型模型。,（a）、(b)是樁側(cè)阻和樁端阻的靜阻力模型。當(dāng)土位移Qkm小于最大彈性位移Qk時(shí)、應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系，一旦位移達(dá)到最大彈性位移Qk值，應(yīng)力不再隨應(yīng)變增加而增加，土進(jìn)入塑性狀態(tài)。 Rk(z)=(u(z)/Qk) Ruk (u(z)Qk) Rk(z)=Ruk (u(z)=Qk) 式中：

17、Ruk樁在Z深度處土的極限靜阻力（mm） Qk土的最大彈性位移（mm） u(z)深度Z處土位移(mm) 實(shí)際土是彈塑物質(zhì)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系實(shí)際上是非線性關(guān)系。加載和卸載過程表現(xiàn)出不同性質(zhì)，以上的模型是很近似。當(dāng)樁受錘擊后，樁身除向下運(yùn)動(dòng)（加載過程）外，還可產(chǎn)生回彈（卸載過程），所以計(jì)算程序除了有加載彈限Qk（最大彈性位移），還給定卸載彈限Qkm（卸載最大彈性位移）參數(shù)，在相同極限阻力條件下，QkmQk。 樁身上、下運(yùn)動(dòng)有可能反復(fù)多次，所以條件考慮了反復(fù)加載程度（重加載水平）RL和RLt參數(shù)。,樁出現(xiàn)回彈，局部單元向上運(yùn)動(dòng)，樁側(cè)開始卸載，當(dāng)樁土相對(duì)位移出現(xiàn)負(fù)值時(shí)，側(cè)阻方向下（卸載水平）。 樁尖靜阻力

18、模型中圖b，由于樁尖不能受拉，不存在卸載水平，灌注樁樁底有可能存在沉渣或虛土，預(yù)制樁由于打樁擠土效應(yīng)會(huì)使樁上抬，樁尖產(chǎn)生縫隙。故分析中設(shè)置“土隙”參數(shù)GAP。,3、波形擬合法計(jì)算要考慮主要參數(shù) 波形擬合法中，為了使計(jì)算波形和實(shí)測波形吻合，優(yōu)先調(diào)整的參數(shù)是各分段單元的側(cè)阻力Rsk，樁側(cè)土阻尼系數(shù)JC,最大彈性位移Qk和樁端阻力Rut，樁端土最大彈性位移Qt、樁尖土阻尼系數(shù)Jct。 調(diào)整土阻力Ruk、Rut 當(dāng)某分段單元的側(cè)阻Ruk增加，該分段單元往后計(jì)算力波形Fc(t)一起升高；樁端土阻力Rut增加，2L/C處及其后Fc(t)波形一起升高、而對(duì)2L/C以前分段單元無影響。樁側(cè)Ruk增加，使計(jì)算貫

19、入度減少。 調(diào)整阻尼系數(shù)JC和JCt 動(dòng)阻力大小和運(yùn)動(dòng)速度，阻尼系數(shù)成正比，某單元樁側(cè)或樁尖土阻尼系數(shù)JC和JCt增加，相應(yīng)的Fc(t)波形上升，反之Fc(t)下降。阻尼系數(shù)過低會(huì)使計(jì)算Fc(t)波形后段產(chǎn)生低頻振蕩。樁頭土阻尼系數(shù)增加會(huì)使計(jì)算的貫入度減小。阻尼系數(shù)JC值一般在0.012間變化。,調(diào)整土的加載最大彈性位移Qk 當(dāng)調(diào)整個(gè)別分段單元的Qk值時(shí)，對(duì)計(jì)算力波形影響不大，連續(xù)調(diào)整許多分段單元Qk值才對(duì)Fc(t)有顯著影響。 當(dāng)Qk值增加時(shí)，使Fc(t)波形逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，即上部分段單元Fc(t)波形下降，下部分段單元Fc(t)上升。 當(dāng)Qk值減少時(shí)，使Fc(t)波形順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，即上部

20、分段單元Fc(t)波形上升，下部分段單元Fc(t)下降。 當(dāng)樁底土Qkm值減小，會(huì)引起樁底土的快速加卸載，使2L/C處Fc(t)波形上升，稍后Fc(t)波形下降。 樁底土Qkm減小，使計(jì)算貫入度增大。無論是樁側(cè)或樁底土，其最大彈性位移值一般都在110mm之間變化。,4、波形擬合法的樁阻抗變化。 樁身阻抗Z=EA/C,當(dāng)改變樁截面積A或混凝土彈性模量E或應(yīng)力波速C都可使樁身阻抗變化。 樁身截面積變化：當(dāng)某分段單元截面積增大，對(duì)應(yīng)單元的計(jì)算力波形Fc(t)上，而下一單元相對(duì)上單元為縮頸，因此往下單元Fc(t)，波形下降；樁尖位置截面積增大，對(duì)Fc(t)影響較大，使樁尖單元Fc(t)上升。 樁身裂隙

21、的影響：預(yù)制樁樁身裂縫，灌注樁樁身斷樁，可以加上裂隙模擬，下行壓縮波遇到裂隙要反射上行拉力波，裂隙上面單元使計(jì)算力波Fc(t)下降，裂隙下面單元Fc(t)上升。,土隙CAP的影響：對(duì)灌注樁樁底可沉渣或虛土存在，預(yù)制樁由于擠土效應(yīng)，地表面土上升，使樁上抬，樁尖形成土隙，擬合程序增加上土隙，使端阻力發(fā)揮遲后，影響端阻力充分發(fā)揮，減小土隙，使2L/C前分段單元計(jì)算力波形Fc(t)上升，2L/C后局部Fc(t)波形下降。 土塞的影響：開口鋼管樁或開預(yù)應(yīng)力管樁，打樁過程有部分土涌入管內(nèi)，動(dòng)力試樁時(shí)，這部分土體成為外加質(zhì)量，從而產(chǎn)生不可忽略的慣性力，加上土塞，使2L/C前數(shù)個(gè)單元計(jì)算力波形Fc(t)上升，2L/C 往