高应变检测(CASE法)

高应变基桩动力检测中国科学院武汉岩土力学研究所智能仪器室网址:@whrsm.ac.cn电话:[phone]第一章基本概念及检测原理第二章检测系统第三章现场检测技术第四章实测波形汇编高应变基桩承载力检测目录第一章基本概念及检测原理目录第一节概述第二节基本假设第三节基本理论第四节CASE法的检测原理第一章基本概念及检测原理概述所谓高应变动力试桩法，广义上讲，是指所有能使桩土间产生永久变形（或较大动位移）的动力检测桩基承载力的方法，无庸置言，这类方法要求给桩土系统施加较大能量的瞬时荷载，以保证桩土间产生一定的相对位移。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。第一章基本概念及检测原理概述（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。第一章基本概念及检测原理概述CASE法和CAPWAP法，是目前最常用的两种高应变动力试桩方法，也是狭义的高应变动力试桩法。第一章基本概念及检测原理基本假定四个基本假定：(1)桩是一个时不变的系统，即桩的基本特性在测试所涉及的时间内可以看作是固定不变的。(2)桩是一个线性系统，即桩在总体上是弹性的，所有的输入和输出都可以简单叠加，这个假定并不妨碍我们在桩身的局部环节上采用某些办法来考虑其非弹性性状。(3)桩是一个一维的杆件，即桩身每个截面上的应力应变都是均匀的，可以用它的平均应力应变来加以描述而不必研究其在桩身截面上的分布。第一章基本概念及检测原理基本假定(4)破坏发生在桩土界面，可以只把桩身取作隔离体来进行波动计算，桩周土的影响都以作用于桩侧和桩端的力来取代而参加计算。如果破坏发生在桩周土的土体内部，则把部分土体看作是桩身上的附加质量。在上述假定下，我们的问题在原理上被简化为一维的线性波动力学问题。第一章基本概念及检测原理基本理论应力波的作用规律及其基本描述当应力波沿着一根弹性杆件传播时，在杆件上可以同时从两个不同的角度观察到它的作用：一是杆件的每个截面都将产生轴向运动，产生相应的位移u(x,t)，速度v(x,t)和加速a(x,t)；二是每个截面都将受某个轴向力F(x,t)的作用。产生相应的应力(,)xt和应变(,)xt。我们把桩身受压（不论是内力、应力还是应变）看作是正的，而把桩身受拉看作是负的；把向下的运动（不论是位移、速度还是加速度）看作是正的，而把向上的运动看作是负的。第一章基本概念及检测原理基本理论如果我们在桩身某个截面上分别安装应变式传感器和加速度计，我们将独立地测得桩身该截面的力F(t)和运动速度v(t)，在高应变试验中，由于桩顶不可避免地处于不均匀的应力应变状态中，同时也由于施加锤击的需要，传感器的安装截面照例要选择在距离桩顶不少于1-2倍桩径处，为了方便，这个截面以后将简称为“检测截面”，有时也称之为“截面M”。应力应变和运动速度是同一个应力波在桩身中传播的表现，两者之间必然有着某种内在的联系。第一章基本概念及检测原理基本理论由于应力波的影响而产生的截面运动第一章基本概念及检测原理基本理论分析一下一个下行的应力波在传播过程中所产生运动速度和应力应变之间的关系，上图所示的一个桩段，假设在某个时刻在其上表面受到一个锤击力的作用，产生一个压力波向下传播，经过一个微小的时段t之后，压力波从其上表面行进至某一深度，使L桩长范围内受到其作用而产生变形。与此同时，上表面将产生正的运动速度v并产生正的位移u，有Lctuvt因此，影响段的应变应为：uvtLct得vc第一章基本概念及检测原理基本理论即然是一维弹性杆件，应力与应变之间将遵循虎克定律mE，代入公式得到下行波作用下应力和速度之间的关系式：mEvc对于上行波来说，上述公式将相差一个负号，即mEvc这两个公式说明，任何一个应力波在弹性杆件中的某个截面中所产生的应力和运动速度之间，在数值上将始终保持一定的正比关系，由于弹性模量mE和弹性波速c都是介质材料的参数，应力和速度之间的比例关系仅仅和杆件的材料特性有关。有了应力和速度的关系，就直接可以得出内力和速度的关系：()()()()mmmtAEAFtZvtvtc第一章基本概念及检测原理基本理论故可以得到高应变的重要公式第一章基本概念及检测原理基本理论用符号Wd(t)和Wu(t)来分别代表下行波和上行波，其单位仍是力的单位。上式可改写为以下两个式子：()()dWtZvt()()uWtZvt这个公式说明了应力波的基本作用规律，由此可以得到一个重要推论是；如果我们在描述应力波现象时，把实侧得到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照一定的比例转换为力的单位，如果这时把它和实测的力画出一个坐标体系中，我们就可以直接对比两者的关系，这将大大方便我们的观察。在实测中，这已成为一种默认和惯例。第一章基本概念及检测原理基本理论在经过实测获得了某个截面M的内力Fm（t）和速度Vm（t）之后，根据上述的关系式，我们可以直接通过计算而求得通过该截面的下行和上行波的时程曲线。假设在某个桩身截面处，有下行波Wd(t)和上行波Wu(t)相遇，则由公式可知，两者带给该截面的运动速度将分别是Wd(t)/Z和-Wu(t)/Z。根据叠加原理，截面的总的内力和运动速度将分别为：()()()duFtWtWt()()()duWtWtvtZZ联立求解，得到：1()[()()]2dWtFtZvt1()[()()]2uWtFtZvt第一章基本概念及检测原理基本理论几个重要的推论：(1)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；凡是上行波则都将使两者反向平移，互相靠拢或互相分离．(2)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．(3)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。第一章基本概念及检测原理基本理论桩身阻抗变化在F-v图上的表现（1）阻抗减少将产生上行的拉力波，在达到检测截面时，将引起力值的减少和速度值的增加，即力曲线下移而速度曲线上移。（2）阻抗增大将产生上行的压力波，在到达检测载面时，将引起力值的增大和速度值的减少，即力曲线上移而速度曲线下移。（3）上述反射信号到达检测截面的时间和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和已知的总体平均波速大体确定其所在深度。（4）由于高应变具有较高的捶击能量，应力波一般能够贯穿整个桩长而直达桩端。第一章基本概念及检测原理基本理论典型的桩端变阻抗反射在实测记录上的表现第一章基本概念及检测原理基本理论典型的桩身缺损在实测记录上的表现第一章基本概念及检测原理基本理论应力波沿细长杆传播的结果：下行压力波（运动速度向下）遇自由端反射为上行拉力波（运动速度向下），端点力为零，质点速度加倍。下行压力波（运动速度向下）遇固定端反射为上行压力波（运动速度向上），端点质点速度为零，力加倍。下行拉力波（运动速度向上）遇自由端反射为上行压力波（运动速度向上），端点质点速度加倍。下行拉力波（运动速度向上）遇固定端反射为上行拉力波（运动速度向下），端点质点速度为零。第一章基本概念及检测原理基本理论土阻力所产生的应力波及其在F—V图上的表现应力波在行进过程中将使桩身截面产生运动．如果桩身处在桩周土的包围之中，桩身区段在土中将激发起土的阻力．由于桩身所产生的运动是一种瞬态运动，被它激发出来的土阻力也将是一种动态的作用力，从而在桩身中又激发起次生的应力波由力学平衡条件：R=Wu-Wd得：Wu=R/2Wd=-R/2第一章基本概念及检测原理基本理论第一章基本概念及检测原理基本理论土阻力在实测曲线上将表现为两根实测曲线的分离，使力曲线高出速度曲线，高出的幅度正好等于所受的土阻力R．因此，在这里我们可以得到几个非常重要的推论：(1)在锤击力的作用下，桩身运动将激发土阻力而使桩身受到外加的阻力波作用．(2)土阻力的信号将被检测截面的传感器直接接收到，使得实测曲线中包含了试验时实际激发的土阻力信息．(3)作用于深度为x处的土阻力所产生的上行波将在2x／c时刻到达检测截面．因此，在实测曲线上沿着时间轴将可以在2L／c之前看到分层累加的的土阻力信息。（4）土阻力的作用将首先表现为实测力曲线的上升和实测速度曲线的下降。两者的分离幅度将正好等于所受的土阻力。第一章基本概念及检测原理CASE方法基本模型桩自身：CASE法将桩视为一维、均质、等截面、连续的线弹性，基本不考虑桩身缺陷影响，应变与质点速度之间满足协调方程。局限：桩身自阻尼衰减没有考虑承载力分析时，桩身缺陷没有考虑，所以缺陷桩误差更大桩身塑性没有考虑，低强度桩、力信号过大时存在问题锤击偏心时存在问题传感器过上存在问题第一章基本概念及检测原理CASE方法基本模型桩周土静力模型：CASE法为确保波动方程解耦，得到半经验解析解，不仅将桩侧速度与动阻力分离，而且将桩身位移与静阻力分离，因而假定土的静力模型为理想刚塑性体，桩一运动耦合面即进入塑性状态，且为极限承载力状态问题：弹性阶段即位移初始增加阶段被忽略，加载起始阶段即认为已达到极限承载力状态，导致了极限承载力曲线上零值也是极限承载力的谬误。要求：位移取值足够大，使得极限承载力出现平坦段、达到拟理想刚塑性状态才可以正确应用——要求有更大的打击力和动位移第一章基本概念及检测原理CASE方法基本模型桩周土动力模型：为排除动力试桩过程中土体的动力效应，CASE法假定土的动阻尼全部集中于桩尖，且与桩尖速度和广义波阻抗成正比。优点：动阻力与桩身质点运动无关，解耦承载力计算，得到解析解指标：CASE阻尼系数，虽与持力层塑性指数有关，但更多的已演变成一个与动静对比相关的系数了第一章基本概念及检测原理CASE方法基本模型桩周土动力模型存在的问题：动阻力与桩顶广义波阻抗相关，却与桩底的无关须确保桩侧动阻力较小，桩侧须光滑、等截面，须有足够位移持力层和桩侧土层须相差较大仅考虑了牛顿粘性体模型，没有考虑惯性力等的影响第一章基本概念及检测原理CASE方法承载力等值线不同阻尼的承载力取值桩侧和桩端阻尼对承载力的影响第一章基本概念及检测原理CASE方法CASE法的总阻力公式从t时刻到cLtt2时刻的总阻力为:)(21)(21)(ttttzZVFZVFtR式中)(tRz——锤击下从t到t’进段内实际激发的土对桩的总阻力t——选定的计算时刻t——应力波在桩中传播2L/c，而确定第二计算时刻Z——桩身阻抗从上述公式可见，打桩总阻力的大小是一个随时间而变化的量，和时间的选取有关，所以要求选择好合适的时段。第一章基本概念及检测原理CASE方法凯司法确定承载力的各种实用算法我们实测得到的土阻力Rz近似地看作由两部分叠加而组成，一是土在静载荷试验时所表现的静阻力Rs，二是由于动力作用所产生的附加的动阻力Rd，三者的关系：Rs=Rz-Rd1.阻尼系数法（RSP法）在阻尼系数法中，规定把t1时刻选择在锤击开始阶段速度曲线的峰值处