低应变检测省培训-孙雪峰课件

基桩低应变检测厦门市工程检测中心有限公司孙雪峰基桩低应变检测一低应变概念二理论基础三仪器设备四现场检测五结果分析一低应变概念1低应变法：采用低能量瞬态或稳态激振方式在桩顶激振，实测桩顶部的速度时程曲线或速度导纳曲线，通过波动理论分析或频域分析，对桩身完整性进行判定的检测方法。低应变方法：动力参数法、锤击灌入试桩法、水电效应法、机械阻抗法、共振法、反射波法。低应变桩身应变量：一般小于0.01‰，桩-土系统处于弹性状态。一低应变概念桩身完整性：①桩身截面尺寸相对变化②桩身材料密实性③桩身材料连续性。桩身缺陷：使桩身完整性恶化，在一定程度上引起桩身结构强度和耐久性降低的桩身断裂、裂缝、夹泥（杂物）、空洞、蜂窝、松散等现象的统称。桩身缺陷指标：位置、类型（性质）和程度。二理论基础测试原理：在桩身顶部进行竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗差异的界面(如桩底、断桩和严重离析等部位）或桩身截面积变化（如缩径或扩径）部位，将产生反射波。经接收放大、滤波和数据处理，可识别来自不同部位的反射信息，从而判定桩身完整性情况。二理论基础一维线弹性杆件模型（材质均匀、截面恒定、弹性杆面积A弹模E密度ρ波速c）理论基础是一维波动理论σσ+dxxxdxu222221tucxu二理论基础桩截面变化情况桩截面变化处平衡相容条件：1位移连续条件2力连续条件3速度连续条件4应力应变关系Z1↓↓Fb↑↓↓Z2↑VbVaFaVcFc二理论基础公式1E＝ρC2公式2Z＝EA/C＝ρCA公式3F＝±Zv公式4v＝±cεv：质点运动速度，注意和c不同c：波速ρ：密度A：截面积E：弹性模量Z：声阻抗F：截面力ε：应变±：对应下、上行波二理论基础a=Z2/Z1反射波力Fb＝Fa(a-1)/(a+1)透射波力Fc=Fa*2a/(a+1)反射波速度vb=-va(a-1)/(a+1)透射波速度vc=va*2/(a+1)二理论基础a＝1，则不存在突变，也无反射波。a＞1时，相当于扩径，为反相反射。a＜1时，相当于缩径，为同相反射。a为无穷大，相当于固定端，反射波使固定端处力值加倍，速度为零。a为0，相当于自由端，反射波使自由端处速度值加倍，力值为零。二理论基础低应变法适用范围1受检桩的长细比、瞬态激励脉冲有效高频分量的波长与桩的横向尺寸之比均宜大于5；对薄壁钢管桩和类似于H型钢桩的异型桩，低应变方法不适用。2不能给出桩身纵向裂缝、较深部缺陷方位3低应变法对桩身缺陷程度只作定性判定4一般不区分缺陷类型5测不到桩底反射信号，无法判定整根桩的完整性。应通过现场试验，依据能否识别桩底反射信号，确定该方法是否适用。二理论基础例题：1已知密度ρ、波速c、截面积A，求弹模E，阻抗Z2已知波速c、振动频率f，求波长λ。3已知力脉冲宽度Tp，波速c，求特征波长。4透射波、反射波计算5对砼桩而言，波速和质点振动速度相比哪个大？三仪器设备在检定期内使用环境条件符合设备要求（包括温度、湿度、电磁干扰等）三仪器设备动测仪：应在《基桩动测仪》JG/T3055－19992级标准以上：采样频率：≥20kHzA/D转换：≥12位采样点数：≥1024频率响应：3～3000Hz内幅频误差≤±5％，2～5000Hz内幅频误差≤±10％幅值非线性：≤5％传感器安装谐振频率：≥10kHz三仪器设备传感器：将非电量转化为电量，指标：灵敏度，线性度，频响，迟滞，重复性等一般采用压电式加速度传感器压电传感器优点：体积小、重量轻、结构坚固、频带宽、稳定性好、适应场合广三仪器设备激振设备：瞬态激振设备：手锤和力棒脉冲宽窄：锤越重，锤头或锤垫材料越软，力脉冲作用时间越长，表现为宽脉冲，反之则为窄脉冲。锤头材料依软硬不同依次为：钢、铝、尼龙、硬塑料、聚四氟乙烯、硬橡胶等。锤垫：一般用1～2mm厚薄层加筋或不加筋橡胶带。稳态激振设备：主要由电磁式激振器、信号发生器、功率放大器和悬挂装置等组成。要求激振器出力在5～1500Hz频率范围内恒定，常用的电磁激振器出力为100N或200N，有条件时可选用出力400～600N的激振器。思考：激振能量大小影响衰减快慢？影响传播远近？三仪器设备钟形力脉冲及其频谱fH≈2000/TpTp:力脉冲宽度力脉冲频谱fH:高端截止频率思考：铁锤、尼龙锤、硬橡胶锤力信号频谱哪个最宽？四现场检测抽样规则与抽检数量：A）柱下三桩或三桩以下承台抽检桩数不得少于1根；B）30％且不得少于20根；一般项目20％且不少于10根;C）地下水位以上终孔且持力层通过核验的人工挖孔桩、单节混凝土预制桩，不少于总桩数的10％且不应少于10根。四现场检测检测时间：混凝土强度大于设计强度的70％且不低于15MPa思考：预制桩休止时间？四现场检测1桩头处理受检桩桩顶的混凝土质量、截面尺寸应与桩身设计条件基本等同。灌注桩应凿去桩顶浮浆或松散、破损部分，并露出坚硬的混凝土表面桩顶表面应平整干净且无积水；应将敲击点和响应测量传感器安装点部位磨平；妨碍正常测试的桩顶外露主筋应割掉。对于预应力管桩，法兰盘与桩身混凝土之间结合不紧密时，应采用电锯将桩头锯平。如对测试有影响，桩头应与混凝土承台或垫层断开四现场检测桩头处理四现场检测SiteDBPile26AThuJan28,2010f:3srV7.43500[m/s]exp:2000.751.52.2533.754.55.2566.757.5[m]SiteDBPile26AAThuFeb04,2010f:3srV7.43500[m/s]exp:1000.751.52.2533.754.55.2566.757.5[m]有浮浆敲除浮浆四现场检测承台影响四现场检测激振设备选择：应通过现场试验选择不同材质的锤头或锤垫，以获得低频宽脉冲或高频窄脉冲。宜用宽脉冲获取桩底或桩身下部缺陷反射信号，宜用窄脉冲获取桩身上部缺陷反射信号。目的：控制激励脉冲的宽窄以获得清晰的桩身阻抗变化反射或桩底反射，同时又不明显产生波形失真或高频干扰；获得较大的信号动态范围而不超载。思考：宽脉冲测深部缺陷－－能量大，低频衰减慢四现场检测传感器安装及激振点选择：传感器用耦合剂粘结时，粘结层应尽可能薄；必要时可采用冲击钻打孔安装方式，但传感器底安装面应与桩顶面紧密接触。激振以及传感器安装均应沿桩的轴线方向。实心桩的激振点位置应选择在桩中心，测量传感器安装位置宜为距桩中心2/3半径处；空心桩的激振点与测量传感器安装位置宜在同一水平面上，且与桩中心连线形成的夹角宜为90°，激振点和测量传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。四锤击点和安装点示意图RRR23实心桩空心桩传感器安装点激振锤击点四现场检测特征波速：C20：3200C25：3600C30～C35：3800C40以上：3800以上PHC管桩（C80）：4000左右钢桩：5120四现场检测信号采集和筛选：根据桩径大小，桩心对称布置2～4个检测点；每个检测点记录的有效信号数不宜少于3个。时域信号2L/c后延5ms，幅频信号频率上限不小于2000Hz。检查判断实测信号是否反映桩身完整性特征。不同检测点及多次实测时域信号一致性较差，应分析原因，增加检测点数量。各条测试曲线反应应基本一致，有助于对桩身缺陷的准确把握和判断。信号不应失真和产生零漂，信号幅值不应超过测量系统的量程。应去除场地周边环境电磁干扰、耦合剂、导线、桩头处理对曲线不一致的影响四现场检测ΔT=2L/cV(mm/s)t(ms)5Δf300f(Hz)060090012001500完整桩时域曲线完整桩频域曲线四现场检测频域分析：信号频率上限，由采样定理：fmax＝1/（2Δt）采样时间：T＝nΔt频率分辨率：Δf＝1/（nΔt）Δt：采样时间间隔n：采样点数时域精度要求：采样频率≥20kHz，而频域为提高分辨率一般≤4kHz四现场检测例题已知采样频率f和采样点数n，求频域分辨率。五结果分析信号后处理：选择合适的波速、滤波、放大系数选择能够反应桩身缺陷的波形五结果分析ΔT=2L/cΔtx=2x/cV(mm/s)t(ms)4Δf3Δf'V(mm/s)30060090012001500f(Hz)0缺陷位置x＝cΔt/2x＝c/(2Δf’）五结果分析场地波速平均值：cm＝Σci/n桩身波速：ci＝2L/ΔT,ci=2LΔf条件：1Ⅰ类桩2n≥53|ci－cm|/cm≤5％五结果分析例题：已知某场地6根Ⅰ类桩桩身波速分别为3200，3300，……，求场地平均波速。五结果分析第一种情况、第二种情况Δf＝f2－f1＝c/2L机械阻抗法曲线x轴为频率，纵轴υ＝速度V/力F无限柔性地基无限刚性地基五结果分析1实际情况Δf≈c/2L2实际情况0＜f0＜c/4L3由f0判定持力层情况，接近c/4L则持力层较好。机械阻抗法曲线x轴为频率，纵轴υ＝速度V/力FPmaxQmin五结果分析由速度导纳曲线：导纳理论计算值：Nc＝1/（ρcmA）实测导纳几何平均值：Nm＝（PmaxQmin）0.5动刚度：Kd＝2πfm/(|v/F|)mCm:桩身波速平均值Pmax、Qmin：导纳曲线上谐振波峰最大值、谐振波谷最小值fm、(|v/F|)m：导纳曲线上起始近似直线段上任一频率值及相应的导纳值。判断：完整桩，Nm约等于Nc，Kd值正常；缺陷桩，Nm大于Nc，Kd值低；扩径桩，Nm小于Nc，Kd值高。五结果分析例题：已知某桩桩长，波速，第一共振频率（一阶基频），试判定持力层情况。结果分析桩身完整性判定：Ⅰ类：完整Ⅱ类：轻度缺陷Ⅲ类：明显缺陷Ⅳ类：严重缺陷如何正确判定缺陷程度，特别是缺陷十分明显时，如何区分是Ⅲ类桩还是Ⅳ类桩，应仔细对照桩型、地质条件、施工情况结合当地经验综合分析判断。同时，还应结合基础和上部结构型式对桩的承载安全性要求，考虑桩身承载力不足引发桩身结构破坏的可能性，进行缺陷类别划分，不宜单凭测试信号定论。五结果分析完整严重缺陷轻度缺陷五结果分析桩身阻抗多变：如果能测到明显的桩底或桩深部缺陷反射，则桩身上部的缺陷一般不可能属于很明显或严重的缺陷五结果分析桩身阻抗渐变：对于混凝土灌注桩，采用时域信号分析时应区分桩身截面渐变后恢复至原桩径并在该阻抗突变处的一次反射，或扩径突变处的二次反射。五结果分析对于嵌岩桩，桩底时域反射信号为单一反射波且与锤击脉冲信号同向时，应采取其他方法核验桩端嵌岩情况。五结果分析出现下列情况之一，桩身完整性判定宜结合其他检测方法进行：实测信号复杂，无规律，无法对其进行准确评价。桩身截面渐变或多变，且变化幅度较大的混凝土灌注桩。五结果分析桩身浅部严重缺陷：大振幅、低频宽幅大摆动五结果分析测试盲区：桩身浅部缺陷不易识别和定位，桩顶呈现这种现象的区段成为盲区。一般在距桩顶1～1.5倍桩径范围内。盲区问题相当于纵向尺寸效应问题。当脉冲波长较长时，理论计算结果表明浅部缺陷段波动性状不明显，无法用一维理论缺陷定位准则进行准确缺陷定位。一维应力波理论是在杆横向尺寸影响忽略背景下建立的，并没有排除浅部有严重缺陷的情况，不存在不符合和不适用问题。谢谢！