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高应变检测技术高应变检测技术杨永波杨永波中国科学院武汉岩土力学研究所中国科学院武汉岩土力学研究所武汉中科智创岩土技术有限公司武汉中科智创岩土技术有限公司2009.52009.511前言前言22基本理论基本理论33现场测试技术现场测试技术44波形分析波形分析55现场测试过程中可能出现的问题现场测试过程中可能出现的问题66理论上存在的问题及误差来源分析理论上存在的问题及误差来源分析77高应变测试目前存在的问题高应变测试目前存在的问题88曲线拟合法简介曲线拟合法简介目录11前言前言什么是高应变法基桩检测：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，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冲击脉冲在沿桩身向下传播的过程中使桩桩——土产生足够的相对位移，以激发桩周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。土阻力和桩端支承力的一种动力检测方法。11前言前言高应变法检测目的：高应变法检测目的：⑴⑴判定单桩竖向承载力是否满足设计要求。判定单桩竖向承载力是否满足设计要求。⑵⑵检测桩身缺陷及位置，判定桩身完整性类别。检测桩身缺陷及位置，判定桩身完整性类别。⑶⑶分析桩侧和桩端阻力。分析桩侧和桩端阻力。11前言前言高应变法适用范围高应变法适用范围：：检测基桩竖向承载力和完整性检测基桩竖向承载力和完整性检测预制桩打入时的桩身应力和锤击能量传递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。比，为沉桩工艺参数及桩长选择提供依据。进行灌注桩承载力检测时，应有现场实测经验和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本地区相近条件可靠验证资料¾¾国外高应变技术发展概况国外高应变技术发展概况发展历史发展历史：：19601960年年smithsmith““打桩分析的波动方程法打桩分析的波动方程法””19651965年美国的年美国的GobleGoble教授提出教授提出CASECASE法法19741974年年GobleGoble提出了计算机曲线拟合提出了计算机曲线拟合CAPWAPCAPWAP法法8080年代年代RauscheRausche提出了更接近桩土实际状态的提出了更接近桩土实际状态的连续杆件模型连续杆件模型capwapccapwapc拟合法拟合法国外高应变技术发展概况国外高应变技术发展概况国外试验规范情况：国外试验规范情况：19831983年年ISSMFEISSMFE把高应变法作为推荐方法把高应变法作为推荐方法19891989年美国年美国ASTMASTM公布了公布了《《高应变动力试桩标准试验高应变动力试桩标准试验方法方法》》19871987年加拿大规定桩承载力可由高应变法确定年加拿大规定桩承载力可由高应变法确定19881988年英国土木工程师协会编制的年英国土木工程师协会编制的《《桩工规范桩工规范》》中中规定了桩基可用高应变动测法规定了桩基可用高应变动测法¾¾我国高应变技术的发展概况我国高应变技术的发展概况8080年代中后其从美国和瑞典引进仪器和相关技术，并进行年代中后其从美国和瑞典引进仪器和相关技术，并进行消化吸收和研究。消化吸收和研究。19861986年，中国科学院武汉岩土力学研究所开发出第一台年，中国科学院武汉岩土力学研究所开发出第一台RSMRSM动测仪动测仪19891989年家工程质量监督检验中心颁布了年家工程质量监督检验中心颁布了《《高应变动力试高应变动力试桩国法暂行规定桩国法暂行规定》》19971997年行标年行标JGJ106JGJ106--9797《《基桩高应变动力检测规程基桩高应变动力检测规程》》实实施施20032003年国家行业标准年国家行业标准《《建筑基桩检测技术规范建筑基桩检测技术规范》》(JGJ(JGJ106106--2003)2003)颁布执行颁布执行高应变方法的发展概况高应变方法的发展概况自19世纪人们开始采用打桩公式计算桩基承载力以来，这种方法包括：（1）打桩公式法，用于预制桩施工时的同步测试，采用刚体碰撞过程中的动量与能量守恒原理，打桩公式法以工程新闻公式和海利打桩公式最为流行。（2）锤击贯入法，简称锤贯法，曾在我国许多地方得到应用，仿照静载荷试验法获得动态打击力与相应沉降之间的曲线。通过动静对比系数计算静承载力，也有人采用波动方程法和经验公式法计算承载力。高应变方法的发展概况高应变方法的发展概况（3）Smith波动方程法，设桩为一维弹性桩，桩土间符合牛顿粘性体和理想弹塑性体模型，将锤、冲击块、锤垫、桩等离散化为一系列单元，编程求解离散系统的差分方程组，得到打桩反应曲线，根据实测贯入度，考虑土的吸着系数，求得桩的极限承载力。（4）波动方程半经验解析解法，也称CASE法，根据应力波理论，可同时分析桩身完整性和桩土系数承载力（5）波动方程拟合法，即CAPWAP法，是目前广泛应用的一种较合理的方法。（6）静动法（Statnamic），其意义在于延长冲击力作用时间（～100ms），使之更接近一静载试验状态。高应变方法的发展概况高应变方法的发展概况目前，在我国应用范围最广泛的高应变分目前，在我国应用范围最广泛的高应变分析方法采用析方法采用CASECASE法和实测曲线拟合法。法和实测曲线拟合法。２２高应变法基本理论高应变法基本理论桩的基本假定桩的基本假定基本概念和基本关系式基本概念和基本关系式高应变动力试桩的波动力学基础高应变动力试桩的波动力学基础应力波对试桩实测曲线的影响应力波对试桩实测曲线的影响高应变动力试桩的桩土模型高应变动力试桩的桩土模型高应变动力试桩的凯司法高应变动力试桩的凯司法(CASE(CASE法法))高应变动力试桩法确定桩身完整性高应变动力试桩法确定桩身完整性((ββ法法))打桩过程中的桩身应力打桩过程中的桩身应力¾¾桩的基本假定桩的基本假定高应变动力试桩在原理上就被简化为一维线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：性波动力学问题：假定桩身材料是均匀的和各向同性的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线弹性杆件假定桩是一维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假定破坏只发生在桩土界面¾¾基本概念和基本关系式基本概念和基本关系式应力波波速与质点速度应力波波速与质点速度FFdLdLCC22=E/=E/ρρdLdL==CC××dtdtCC--波速波速EE--弹性模量弹性模量ρρ--材料密度材料密度应力波波速应力波波速cc是杆的材料性质的函数。其物理意义就是是杆的材料性质的函数。其物理意义就是应力波在杆身中的传播速度。通俗地讲，应力波在杆身中的传播速度。通俗地讲，““应力波波速应力波波速””就是压缩区（或拉伸区）沿杆运动速度；而就是压缩区（或拉伸区）沿杆运动速度；而““质点速度质点速度””就是应力波经过时杆上质点的运动速度。就是应力波经过时杆上质点的运动速度。质点运动速度质点运动速度FFdLdL=c=cdtdtdtdt：受到冲击之后的微小时段：受到冲击之后的微小时段质点速度：v=δ/dt质点速度：质点速度：v=v=δδ//dtdtδδ……由于桩身压缩由于桩身压缩dLdL，桩身，桩身质点产生的微小位移质点产生的微小位移桩身应变桩身应变FFdLdL=c=cdtdt应变,ε=δ/dL应变应变,,εε==δδ//dLdLδδ=v=vdtdt由于桩身压缩由于桩身压缩dLdL，桩身，桩身质点产生的微小位移，质点产生的微小位移，从而使质点产生速度从而使质点产生速度VVF=v(EA/c)=Zv力和速度是成比例的F=v(EA/c)=ZvF=v(EA/c)=Zv力和速度是成比例的力和速度是成比例的桩身应力桩身应力FFdLdL在压缩区桩身应力:σ=F/AA：为桩身截面积在压缩区桩身应力在压缩区桩身应力::σσ=F/A=F/AAA：为桩身截面积：为桩身截面积¾¾基本概念和基本关系式基本概念和基本关系式质点速度与应力应变的关系质点速度与应力应变的关系质点的速度与力的关系质点的速度与力的关系V=Fc/EAV=Fc/EA质点的速度与应力的关系质点的速度与应力的关系V=V=σσc/Ec/E质点的速度与应变的关系质点的速度与应变的关系V=V=εεcc¾¾基本概念和基本关系式基本概念和基本关系式桩身力学阻抗桩身力学阻抗ZZZ=Z=∣∣F/VF/V∣∣=EA/c==EA/c=ρρcAcAZ=Z=ρρcAcA[L/L][L/L]=Mc/L=Mc/L在描述应力波现象时，把实测的速度曲线乘以相应的桩身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。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。换算计算得到的。¾¾高应变法的波动力学基础高应变法的波动力学基础一维波动方程一维波动方程∂∂22u/u/∂∂tt22=c=c22∂∂22u/u/∂∂xx22--R/(R/(ρρ••AA))式中：式中：uu是杆上是杆上xx处在处在tt时刻的轴向位移，时刻的轴向位移，它是纵向坐标和时间两个变量的函数。上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，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。右边的偏微分是杆上质点的应变。应力波在杆中的传播规律及基本概念应力波在杆中的传播规律及基本概念下行波和上行波下行波和上行波一维波动方程的通解为：一维波动方程的通解为：u(x,tu(x,t)=)=f(xf(x--ct)+ct)+g(x+ctg(x+ct))解由两部分组成，分别代表两个行波，其传解由两部分组成，分别代表两个行波，其传播速度均为播速度均为cc而传播方向相反，在竖向的桩身中而传播方向相反，在竖向的桩身中传播时通常称为下行波和上行波。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的应力波在杆中的传播仅仅随时间以波速cc沿正沿正反方向移动而其形状保持不变。反方向移动而其形状保持不变。下行波与上行波下行波与上行波下行波与上行波下行波下行波桩顶桩顶桩底桩底力力++质点速度质点速度++VV--力力--质点速度质点速度--TT--C+C+V+V+下行波下行波F+,V+F+,V+FF--,V,V--((符号相同符号相同))下行波与上行波下行波与上行波下行波与上行波上行波上行波((反射反射))桩顶桩顶桩底桩底VV质点速度质点速度--力力++VV质点速度质点速度++力力--CCTT上行波上行波F+,VF+,V--FF--,V+,V+((符号相反符号相反))V+V+下行波和上行波下行波和上行波下行力波下行力波FF↓↓=Zv=Zv↓↓上行力波上行力波FF↑↑==--ZvZv↑↑一般情况下，在桩身任一位置截面上量一般情况下，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：行波叠加的结果：v=vv=v↓↓+v+v↑↑F=FF=F↓↓+F+F↑↑FÐ=ZvÐFFÐÐ==ZvZvÐÐ下行波下行波FÏ=-ZvÏFFÏÏ==--ZvZvÏÏ上行波上行波F=F=FFÐÐ++FFÏÏv=v=vvÐÐ++vvÏÏFÐ=½(F+Zv)FFÐÐ==½½(F+Zv)(F+Zv)下行波下行波FÏ=½(F-Zv)FFÏÏ==½½(F