高应变检测技术2016

高应变检测技术主讲人：关磊天津市大地海陆岩土工程技术开发有限公司2016年6月提纲1、高应变的基本理论2、检测系统3、现场检测4、检测数据分析与判定5、检测实例与波形汇编6、高应变的若干问题1、高应变的基本理论1.1高应变的基本概念1.2应力波在桩中传播的基本规律1.3承载力计算1.4完整性系数计算1、高应变的基本理论1.1高应变的基本概念1、高应变的基本理论高应变定义高应变检测的目的高应变的历史发展（1）高应变定义1.1高应变的基本概念用重锤冲击桩顶，实测桩顶附近或桩顶部的速度和力时程曲线，通过波动理论分析，对单桩竖向抗压承载力和桩身完整性进行判定的检测方法。PWRWRvi1.1高应变的基本概念（2）概念中的几个要点1.1高应变的基本概念用重锤冲击桩顶，实测桩顶附近或桩顶部的速度和力时程曲线，通过波动理论分析，对单桩竖向抗压承载力和桩身完整性进行判定的检测方法。概念中的几个要点：重锤实测速度和力信号波动理论分析承载力和桩身完整性1.1高应变的基本概念重锤什么是重锤重锤大小重锤作用1.1高应变的基本概念有一定质量（重量）形状规整能够冲击桩顶产生冲击力1.1高应变的基本概念合适的锤重应该是冲击桩顶时，可以产生足够的能量，把桩打动，而又不破坏桩。把桩打动，两层意思，一是桩产生相对位移；一是激发出足够的土阻力。对于嵌岩桩、扩底桩等桩型，冲击桩顶产生物理意义的位移非常困难，桩顶打坏也不一定能打动，这时候能够激发出足够的反力即土阻力（包括桩侧和桩端，主要是桩端）就可以了。1.1高应变的基本概念重锤冲击桩顶的作用是产生冲击力，施加在桩顶。桩受到冲击力后，向下运动会受到桩周土对桩阻力。也就是说：重锤冲击桩顶后桩身受力会增加两个力，一个是锤对桩的冲击力，一个是土对桩的阻力。1.1高应变的基本概念1.1高应变的基本概念概念中的几个要点：重锤实测速度和力信号波动理论分析承载力和桩身完整性1.1高应变的基本概念为什么实测速度和力信号PWRWRvi1.1高应变的基本概念前面讲过重锤冲击桩顶产生冲击力，桩在冲击力作用下向下运动会受到土的阻力。土阻力就是桩的承载力了。承载力检测的目的就是测量到这个土阻力的大小。1.1高应变的基本概念PF静F静=R侧+R端R侧R端F静=1000kN桩看作是弹性体，受到外力后桩身发生压缩，可以用单元块和连接弹簧来表示。假设最大加载1000kN，加载稳定后，桩身受力左图所示，包括桩顶荷载、桩侧土阻力和桩端土阻力，这是受力是平衡的。所有弹簧处于压缩状态，单元块是静止不动的。R侧R端1.1高应变的基本概念选取任意一段桩身，在上下断面安装传感器测量上下断面的内力值，这两个值由于桩身侧面土阻力的存在，上断面内力值大于下断面内力值，两者之差就是该段桩身的桩侧土阻力，这就是桩身内力法测量桩周土阻力的原理。静载试验时，每级荷载是恒定的，每级加载时间相对桩身压缩变形所用时间大得多，进行受力分析时可以忽略加载过程的分析。F静tmin1.1高应变的基本概念PF动R侧R端F动R侧R端F动tmsFmax=1000kN高应变检测重锤冲击桩顶时，冲击力不是一个恒值是一个变量，如上图所示，而且冲击作用时间极短，大约几个毫秒就完成。冲击力作用时间相对整个桩身压缩变形所用时间要小得多。1.1高应变的基本概念F动R侧R端在某一单元块受到冲击力的瞬间，还未运动时，弹簧不受力，随着单元块的运动，弹簧开始压缩受力，并将冲击力向下一单元块传导。在冲击力作用下，单元块运动速度不断增加。而弹簧的压缩反力随着位移增加也不断增加，直到与冲击力相同，然后弹簧不再压缩开始反弹，单元块速度为零并开始反向运动。1.1高应变的基本概念F动R侧单元块的运动，受作用于单元块的合力决定。对任意单元块，受到的力有上一单元块通过弹簧传来的冲击力、下方弹簧压缩后的反力和桩侧土的摩阻力。这些力的合力决定了单元块的运动形式，反过来通过测量单元块的运动形式可以求解单元块的受力情况。1.1高应变的基本概念F动R侧R端相邻单元块靠弹簧连接，通过弹簧将冲击力向下传递，通过测量弹簧的形变变化，就可以计算出该位置的桩身内力大小。比较相邻弹簧的内力，即可知道相邻弹簧间单元块的桩周侧阻力。测量所有弹簧的内力，理论上即可得到整个桩周土阻力。1.1高应变的基本概念高应变检测时，通过安装在桩身的加速度传感器测量质点也就是单元块的运动状态。通过测量两个质点之间的形变状况测量桩身内力的变化状态。并相应绘制速度和力的时程曲线。这里测量的是安装传感器位置的质点运动和力的变化状况，也就是该位置质点的振动曲线。1.1高应变的基本概念桩身质点在受到瞬间的冲击力后，开始振动，并通过相邻的质点将振动沿着桩身传播，形成应力波。质点振动不但受冲击力影响，还受土阻力影响、下部桩身质点振动向上传播的影响，按照到达的时间即可绘制出质点振动时程曲线。上图。1.1高应变的基本概念概念中的几个要点：重锤实测速度和力信号波动理论分析承载力和桩身完整性1.1高应变的基本概念F动R侧R端桩身所有质点在空间上的运动规律，以机械波形式来表现，为纵波。其运动可以用波动理论来分析。纵波将质点的振动在介质内传播，不同介质的接触面质点振动会发生变化，并将这种变化反向传播，形成反射波。1.1高应变的基本概念概念中的几个要点：重锤实测速度和力信号波动理论分析承载力和桩身完整性1.1高应变的基本概念F动R侧R端质点振动会受到桩周土阻力影响，分析这种影响的大小，即可得到桩的承载力。介质发生变化，质点振动也会发生变化，那么当桩身出现缺陷、截面大小变化均会产生振动形成反射波，测量并分析这种反射波，即可得到桩身的质量变化情况。1.1高应变的基本概念以上介绍了高应变的概念。通过对其概念的分析，我们已经简单了解高应变检测的基本原理。高应变是通过测量质点的运动（实际上是直接测量加速度，然后积分得到速度）、桩身的应变变化（力）来分析桩的承载力和完整性，因为测量的数据是测量对象在动力作用下（冲击力）的运动形态，因此称为动力检测或动测。1.1高应变的基本概念①判定单桩竖向承载力是否满足设计要求。（主要目的）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进行打桩监控。（3）高应变检测目的1.1高应变的基本概念1.2应力波在桩中传播的基本规律1.3承载力计算1.4完整性系数计算1、高应变的基本理论1.2应力波在桩中传播的基本规律1.2应力波在桩中传播的基本规律应力波基本概念桩与一维应力波一维应力波的传播特性土阻力引发的应力波（1）应力波基本概念振动和波动应力波的产生应力波的分类应力波的传播1.2应力波在桩中传播的基本规律机械振动：物体（质点）或系统在平衡位置附近以某种方式进行的往复运动。质点速度是指单位时间里质点在其平衡点附近运动时的位移变化量；或：质点在其平衡点附近往复运动的速度。一般只有几cm/s。波动：机械振动在连续介质中的传播过程。应力波波速是指单位时间内振动传播的距离；或：应力波沿杆件传播的运动速度。一般会达到几千m/s。1.2应力波在桩中传播的基本规律扰动在介质中由近及远的传播即是应力波。波动只是振动状态（振动相位）的传播。连续介质中各个质点仅在它们各自的平衡位置附近振动，并没有随振动的传播而流动。扰动与未扰动的分界面称为波阵面扰动的传播速度称为波速引起应力波的外载荷为动载荷。动载荷是随时间变化而发生变化的载荷1.2应力波在桩中传播的基本规律按照波的生成区域划分按照波的生成区域，可分为体波和面波。体波能够在介质内部任何部位传播，面波只能沿介质的表面传播。按照体波的振动形态划分按照体波的振动形态可分为纵波和横波。纵波是一种伸缩运动，质点振动方向和波的前进方向相同；横波是一种剪切运动，质点振动方向和波前推进方向垂直。1.2应力波在桩中传播的基本规律根据波阵面的几何形状分类根据波阵面的几何形状，应力波可分为平面波、柱面波和球面波。一般认为，平面波的波源是平面载荷，柱面波的波源是线载荷，而球面波的波源是点载荷。根据波动方程的自变量个数分类根据描述应力波波动方程的自变量个数，应力波可分为一维应力波、二维应力波和三维应力波。1.2应力波在桩中传播的基本规律应力波的传播具有反射、透射、散射、叠加、弥散（衰减）等特性。（1）折射、反射、透射：应力波由一种介质进入另一种介质时，传播方向发生改变的现象称为折射。当应力波传播到两种介质的阻抗变化分界面时，一部分从界面返回，形成反射波；另一部分穿越界面进入到另一种介质，形成透射（折射）波。1.2应力波在桩中传播的基本规律（2）叠加：两列波相遇后，仍然保持他们各自的特性（频率、波长、振幅、震动方向等）不变，并按照原来的方向继续前进，好象没有遇到过其它波一样。在相遇区域内，形成波的叠加。任一点的振动为两列波单独存在时在该点所引起的振动位移的矢量和。1.2应力波在桩中传播的基本规律（2）桩与一维应力波高应变基本假定一维应力波1.2应力波在桩中传播的基本规律假定桩身材料是均匀的和各向同性的假定桩是线弹性杆件假定桩是一维杆件假定纵波的波长比杆的横截面尺寸大得多假定破坏只发生在桩土界面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。高应变的基本假设1.2应力波在桩中传播的基本规律杆截面在变形过程中保持为平面，沿轴向只有均布的轴向应力。从而使各运动参量都只是X和t的函数，问题化为一维问题。将材料的本构关系限于应变率无关理论，即认为应力只是应变的单值函数，不计入应变率对应力的影响，于是根据虎克定律，材料的本构关系可写为一维应力波1.2应力波在桩中传播的基本规律一维杆件的波动方程EuFAAEAEz22122MMuuuuFFAEAEAEdzAEdzzzzz22uFmaAdzt2222uuEzt胡克定律、牛顿第二定律1.2应力波在桩中传播的基本规律一维杆件应力波波动方程C－应力波在杆件中传播的一维波速。1.2应力波在桩中传播的基本规律波阻抗－杆件横截面所受内力增量与质点运动速度增量之比。（或质点运动速度变化一个单位速度（1m/s）所需的力。）Z=dF/dv=A⋅dσ/dv=A⋅Edε/dv=EA/CZ=ρcAρ：密度；c：波速；A：杆件横截面积。波阻抗Z大小由材料性质所决定。1.2应力波在桩中传播的基本规律泊松比：杆件横向应变与纵向应变的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。弹性模量：杆件纵向应力与纵向应变的比值，也叫杨氏模量。一维弹性杆件服从虎克定律，即变形与受力成正比1.2应力波在桩中传播的基本规律质点速度与应力应变的关系质点的速度与力的关系：V=Fc/EA质点的速度与应力的关系：V=σc/E质点的速度与应变的关系：V=εc1.2应力波在桩中传播的基本规律（3）一维应力波的传播特性下行波和上行波一维波动方程的达朗贝尔通解为：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。1.2应力波在桩中传播的基本规律压力波与拉力波按照对质点振动的作用，将应力波分为压力波和拉力波，压力波到达时，质点起始运动方向与压力波传播方向一致，对下一质点施加压力；拉力波到达时，质点起始运动方向与拉力波传播方向相反，对下一质点施加拉力。材料力学里规定，压正拉负，即压力为正，拉力为负。1.2应力波在桩中传播的基本规律桩基检测中截面速度的正负应力波为压力波时，波前的质点或截面受后方质点或截面的压力，将产生向前的运动趋势，即与应力波的传播方向一致。应力波为拉力波时，波前的质点或截面受后方质点或截面的拉力，将产生向后的运动趋势，即与应力波的传播方向相反。1.2应力波在桩中传播的基本规律桩基检测中截面速度的正负在桩基检测中，习惯取向