高应变检测培训

建筑工程地基基础测试技术主讲人:王奎华浙江大学建筑工程学院教授、博导浙江大学土木工程测试中心总工程师联系电话：[phone]E-mail：[e-mail]（高应变检测）一、检测方法简介•1、概念：高应变动力检测是通过重锤锤击桩顶，使桩土系统产生一定的塑性动态位移，并同时测量桩顶附近应变和加速度响应，并借此分析桩的结构完整性和竖向极限承载力的一种动态检测方法。•2、检测目的•1）、监测预制桩或钢桩的打桩应力，为选择合适的沉桩工艺和确定桩型、桩长提供参考；•2）、判断桩身完整性；•3）、分析估算桩的单桩竖向极限承载力。第一节:高应变检测概况3、检测方法分类：现行规范认可方法其他分类方法：•三、检测基本流程1、检测前准备工作•1）、桩头加固处理•2）、准备锤击和配套设备•3）、仪器准备（包括定期标定），仪器功能检查•2、现场检测•1）、传感器安装调试；•2）、锤击设备起吊和锤击•3）、仪器参数设定和信号采集：检测信号的现场评估，如采集到合格信号则可结束测试。•3、检测结果分析及报告编写•1）、数据的预处理；•2）、采用凯司法或波形拟合法进行分析，打印分析结果；•3）、编写报告。检测示意图第一步桩头加固处理第二步安装传感器（一）第二步安装传感器（二）第二步安装传感器（三）第三步准备锤击设备（一）第三步准备锤击设备（二）第四步锤击并采集信号第五步拟合分析（一）第二节:高应变检测原理1、基本方程：022222xuctuEC一维弹性纵波在桩身中的传播速度。u桩身质点的振动位移。在不考虑土影响情况下，当桩长L远大于桩径时，锤击产生的应力波近似一维传播分别为空间和时间坐标。xt—、一维波动理论及波动方程)(),()(),(,0,0022222xtxtuxtxuRxtxuctutt先求得特征方程为0)(22cdtdx特征线为1kctx1kctx根据特征线作变量变换,ctxctx方程改写为02u当杆件上分布有初始变形：和初始速度：）（xφ）（x2、一维杆件波动定解问题的行波解法02u022222xuctuctxctxuuxu22222222uuuxuuuctu222222222uuuctu（B）（C）（A）推导具体过程如下：（B）、（C）代入（A）复合函数求导02u)(*Fu)()()()(),(*GFGdFu)()(),(ctxGctxFtxu此即为原方程的通解。函数F，G具体形式，由初值条件确定：)()0,(xxu)()()(xxGxF)()0,(xxut)()]()([xxGxFadkxGxFaxx0)()]()([其中为任意一点，而k为积分常数，0x（初始位移）（初始速度）)()()(xxGxFaCdaxGxFxx0)(1)()(aCdaxxFxx2)(21)(21)(0aCdaxxGxx2)(21)(21)(0daatxatxtxuatxatx)(212)()(),(达朗贝尔公式oy时当0t)(xFyx时当tttc0ttt对于0xtctcxx0:峰值移到）（0xF似乎波以速度C向右行走，故称“行波”3、一维杆件的行波特征）（0xF0:峰值xx位置0表示以速度C向下行进的波，称“下行波”表示以速度C向上行进的波，称“上行波”上面两种行波都是位移波对桩而言，取下图坐标，此时表示用u表示用u下行的速度波：FctctxFtuv）（下行的力波：FEAxctxFEAxuEAp）（vZvACvcEAp下行的力波和速度波的关系为：0表示用u上行的速度波：GctctxGtuv）（上行的力波：GEAxctxGEAxuEAp）（vZvACvcEAp上行的力波和速度波的关系为：结论：杆件（桩）中的一维波动（振动）可以分解为两个传播方向相反，但传播速度相同的两列独立的“行波”，波形由初始条件决定。4、波在杆件端部的反射情况（1）、固定端的反射1）、速度波：由于杆件固定端不能有位移，因此总速度也必须为零，所以（入射）（反射）vv0vv即固定端对速度波产生一个大小相等，符号相反的反射2）、力波：利用固定端总速度为零及速度波与力波关系得0vvvZp和0ZpZp（入射）（反射）pp即固定端对力波产生一个大小相等，符号相同的反射（2）、自由端的反射1）、力波：由于杆件自由端不受力，因此总力波为零，所以（入射）（反射）pp0pp即固定端对力波产生一个大小相等，符号相反的反射2）、速度波：利用自由端总力波为零及速度波与力波关系得0ppvZp0zvzv（入射）（反射）vv即自由端对速度波产生一个大小相等，符号相同的反射5、波在杆件阻抗变化界面处的反射、透射情况波从Z1入射到Z2Z1Z2ACZ根据界面两侧速度波连续和力波平衡条件可得透射入射反射透射入射反射PPPVVV上行上行下行下行VZFVZF透射入射反射透射入射反射VZVZVZVVV211联解得：入射透射入射反射VZZZVVZZZZV21221212入射透射入射反射FZZZFFZZZZF211211226、界面反射判据：入射透射入射反射VZZZVVZZZZV21221212同向与），当缩径时（入射反射VVZZ21Z1Z2反向与），当扩径时（入射反射VVZZ217、杆件（桩）顶部的速度响应曲线--反射波法判据（1）、均质杆件（完整桩）顶部的速度响应曲线+2v+2v结论：下端为自由端时，桩顶测得的桩尖反射均为与初始激发脉冲同向的反射信号，数值为初始脉冲的两倍1）均质杆件（完整桩）下端为自由端时间t+2v+2v结论：下端为固定端时，奇数次桩尖反射均为与初始激发脉冲反向，偶数次桩尖反射均为与初始激发脉冲同向的反射信号，数值也为初始脉冲的两倍2）均质杆件（完整桩）下端为固定端+2v-2v时间t嵌岩桩的桩底反射特征一次反射二次反射（2）、变截面杆件（变阻抗桩）顶部的速度响应曲线（阻抗减小）结论：截面阻抗从大到小变化时，界面处反射均为与初始激发脉冲同向的反射信号，数值也为初始脉冲的nZZZZ21212时间（阻抗增大-扩径）结论：截面阻抗从小到大变化时，界面处奇数次反射均为与初始激发脉冲反向的反射信号，界面处偶数次反射均为与初始激发脉冲同向的反射信号，数值也为初始脉冲的nZZZZ21212-v-v+v+v-v入射透射入射反射VZZZVVZZZZV21221212（3）、一般缩径桩顶的速度响应曲线（阻抗先减小后恢复正常）二、CASE法检测原理1、基本假定1）、桩身材质、截面均匀的一维弹性杆件；2）、土阻力参数在测试过程中为不随时间变化的常量；3）、桩身动阻力集中于桩底，桩侧土无动阻力，桩尖处的动阻力与桩底质点运动速度呈正比；4）、应力波在桩身内传播没有能量耗散。2、CASE测试分析计算过程注意L取值此时只有下行波应当是2（L+LG）/C应力波在桩尖反射后变为负值上行波，在桩顶再次反射后又变成正值而速度波在自由的桩尖和桩端反射后不改变符号，因此全为正值niGiimCLCXtiRCXtiRtP1)2()22,()2,(21)(先传到桩尖再反射回来，接受时也是上行波近似假设（2）桩侧摩阻力计算t2t1直接代入该公式计算CASE法承载力计算公式CASE法计算公式总结：（1）计算过程中，未考虑桩身截面变化的影响，因此计算公式只适用于桩身截面阻抗均匀的情况；所以该方法不适用于有缺陷的桩，或截面阻抗发生变化的桩；（2）假设桩侧土阻力只有静阻力没有动阻力，且静阻力不随时间变化；因此与实际情况有很大差距；（3）动阻力全部集中于桩底，并用一个凯斯阻尼系数决定，其取值大小将直接影响承载力的分析结果；（4）总体而言，该方法在理论上是非常粗略的，因此必须严格限制其使用条件；三、波形拟合法检测原理（-典型代表CAPWAPC法）1、基本假定(,1)(1,)uupijpij(1,1)(,)ddpijpij用表示时刻，界面结点上侧的上行波，表示界面结点上侧的下行波，表示界面结点下侧的上行波，表示界面结点下侧的下行波。(,)upijj(,)dpiji(,)upiji(,)dpiji111;iiudiiiiZZTiTiZZZZ不难看出，原算法在变量表识上，第一个下标i代表桩单元界面结点，第二个下标j代表时间单元结点，每一个桩单元界面结点只用两个变量分别表示上行力波或下行力波。而实际上对于某个界面结点，由于应力波在通过该界面时可能发生突变，所以界面结点两侧的上行波和下行波分量一般是不同的，因此，首先应当对界面两侧的上下行波进行区分，以便在理解和公式推导时不至于发生歧义ij(,)2(1,1)(1,1)(,)uuududupijTipijTiTipijTiRij(,)2(1,1)(1,1)(,)dddududpijTipijTiTipijTiRij112(1,1)(1,1)(,)(,)(,)(,)(,)(,)dududuiiiipijpijRijpijpijpijpijvijZZZZ(,)(1,1)dupijpij(,)(1,1);uupijpij(,)(,)(,)(,)(,)ududpijpijpijpijRij(,)(,1)(,)(,1)2vijvijsijsijt(,)(,)(,)Rijkisijcivij桩侧土模型其他土模型F2=E.A.应变2F1=E.A.应变1应变1应变2(F1+F2)/2平均力四、检测模式1、截面力的测量计算积分得速度V2积分得速度V1加速度a1加速度a2(V1+V2)/2平均速度V2、截面速度响应的测量计算平均力F平均速度V与波阻抗Z乘积ZVF与时间的函数F-ZV波形3、F-ZV波形的构成FZV（F+ZV）÷2下行波F↓4、下行波的计算FZV（F+ZV）÷2下行波F↓5、上行波的计算FVF×V积分能量6、贯入能量的计算承载力桩尖阻力桩侧阻力静桩尖阻力动桩尖阻力静桩侧阻力动桩侧阻力7、承载力的构成第三节、高应变检测技术要求1、适用范围2、仪器800mm？3、锤击设备多采用吊车、挖土机起吊重锤，无导向设备也不宜太高，否则易倾倒钢板组合锤不符合要求•1预制桩承载力的时间效应应通过复打确定。•2桩顶面应平整，桩顶高度应满足锤击装置的要求，桩锤重心应与桩顶对中，锤击装置架立应垂直。•3对不能承受锤击的桩头应加固处理，混凝土桩的桩头处理按本规范附录B执行。•4传感器的安装应符合本规范附录F的规定。•5桩头顶部应设置桩垫，桩垫可采用10～30mm厚的木板或胶合板等材料。4、检测前的准备工作能否采集到合格信号的关键之一，另外是锤击实际测试中也可采用垫黄砂的方法•1、采样时间间隔宜为50～200μs，信号采样点数不宜少于1024点。•2、传感器的设定值应按计量检定结果设定。•3、自由落锤安装加速度传感器测力时，力