高应变概论

实测曲线拟合法法分析 （CAPWAPC 法）
• 拟合法才是高应变动测的正规分析方法； • 拟合法需要 “拟合软件”，人机交互分析； • 拟合法的模型： — 桩身模型 — 土对桩的作用模型 — 波动过程的差分计算 • 拟合分析的过程是用（试算法）解方程的 过程；寻找合理的近似解。
桩身模型
• • • • • • 表现为阻抗变化 桩身分段：约 1m 左右一段、等时分段。 内阻尼 松动（或裂隙） 附着质量（或土塞） 阻抗增大与减小对曲线影响的灵敏度不同
一维应力波
• • • • • • • 下行压力波（受压为正，向下为正）。 土阻力引发的上行压力波； 阻抗引发的上行波； 桩顶附近的杂波。 桩底附近的特殊性。 F~ZV 曲线 上行波与下行波
下行波（WaveDown）
1 F ( F ZV ) 2
——锤击作用于桩顶，产生下行压力波。 ——上行的压力波，在自由桩顶的反射产生下行拉力波。
上行波（WaveUp）
1 F ( F ZV ) 2
——土阻力作用产生的上行压力波
——桩身阻抗变化产生的上行波。
桩顶、桩底、阻抗变化
• Z=F/V
计算图式
• 波的传播
2L/c
t
L
动测曲线的现场判别
kN
ms
2 Am cm m m g
Fm m Em Am m Am c m
参数设置
• • • • • • • 桩长、波速 检测截面的波速Cm、平均波速Ca 重度r（容重、质量密度ρ） 传感器安装截面的面积 弹性模量和阻抗的计算 CASE阻尼系数 Jc 选择信号采集后的回显参数
CASE法分析
• • • • • • 桩身是一根一维弹性杆，全桩阻抗恒定； 土阻力产生的上行波早于桩底反射； 静阻力采用刚塑性模型（恒为极限值）； 动阻力采用粘滞阻尼模型,只作用于桩底； ……散逸、损耗等忽略不计； 不能满足简化假定时，Jc （CASE 阻尼系 数），实际上成为经验系数。
总阻力公式(Case-Goble 公式)
1 1 Rz (t1 ) ( Fmt1 ZVmt 1 ) ( Fmt 2 ZVmt 2 ) 2 2
阻尼系数法(RSP)静阻力计算
(1 J c ) (1 J c ) RSP ( Fmt1 ZVmt1 ) ( Fmt 2 ZVmt 2 ) 2 2
加速度传感器
• • • • • 压电晶体－顺压电效应（piezoelectric effect） 传感器结构 频率响应问题 高阻抗输出问题 积分常数
• 安装 • 设置灵敏度系数（标定常数）
Байду номын сангаас
工具式应变环（传感器）
• • • • • 电阻应变片 电桥 (Wheatstone bridge) 桥压 量程 静标动用
• 对所谓 “经验” 的看法
拟合法结果的报告
• • • • • • 满足设计要求 极限承载力与极限岩土阻力 模拟Q～S曲线 桩身阻抗分布图与完整性 桩身有缺陷的桩 安全度
检测方案设计的概念
• • • • 多次锤击的调度策略 综合信息分析与判断 打入桩收锤阶段监控数据的分析 高应变与JGJ106－2003《建筑基桩检测技 术规范》 • 打桩监控与WEAP分析 • WEAP分析与桩的设计
•
• • • • • •
参考文献
• 1、《桩基工程质量的诊断技术》—方法、 原理及应用实例 • 2、《PDC－CMP′高应变动力试桩实测曲 线拟合分析软件· —· 用户手册》
高应变法检测技术
• • • • • 1．高应变法检测承载力的原理； 2．高应变法现场检测技术及注意事项； 3．实测曲线拟合法分析技术； 4．高应变法测试桩身完整性实例及分析； 5．高应变法测试单桩承载力实例及分析。
• 高应变法是动载荷试验；
• 冲击下的桩身瞬时动应变峰值 要和静载荷实验至极限承载力 时的静应变值大体相当。
t0
tz
Δt=2·(tp-t0)≈4~6ms ≈0.004~0.006s
百倍动力放大是什么意思？
重锤冲击下的桩头
• 阻抗的概念
F EA Z · cA V c
• 应力波的传播与桩身应力、应变
v c E
高应变试验目的和做法
• 以动态（快速）加荷激发的动态阻力推算 出静载荷下的静阻力。 • 极限承载力与极限岩土阻力。 • 独立的目的：了解桩土相互作用的机理。 • 与位移有关的岩土阻力（静阻力）。 • 与运动速度有关的岩土阻力（阻尼力或动 阻力）。 • 加载与卸载。
锤击充分的判断
• • • • • 锤重标准 贯入度标准 桩顶速度（应力）标准 桩顶回弹时刻标准 桩底土阻力反射标准
• 重锤低击原则
锤击安全性限制
• • • • • • 落高的限制规则 桩垫的选择规则 桩头加固的重要性（做法） 桩顶速度（应力）标准 Vmx=(1~3)m/s 短端承桩的特殊性
• 具体情况具体分析的重要性
以锤击方式提供动荷载
• 锤击桩顶时的速度为：
mgh（势能）
v0 - 2gh
• 锤击结束时的速度为：
h（落距）
(1/2)mv2（动能）
vz 0
锤击脉冲 与 锤击力
tp
（F - mg）dt mv
t0
tz
0
- mvz m 2gh
Ft - mgt m 2gh F 2 h 1 · mg g t F 0.45 1 h mg t
2 m
Z m Vm Vm Am cm m
Am cm m am dt Vm Am cm m g g
检测数据的获得
• • • • • • • 锤（锤体、锤导架、脱钩装置） 锤击（充分、安全，重锤低击） 加速度传感器 应变环 传感器的安装工艺 检测仪器和采集软件（程序） 参数的设置
• 3、Smith阻尼
• 桩侧的JI和桩端的JT
R d J s Ru V
拟合分析要点
• 分析前的数据修正 • 拟合方向 • 拟合质量系数
– 开始～信号的峰值 – 峰值时刻～峰值时刻＋2L／c（桩底） – 桩底～桩底＋(6ms～8ms) – 曲线尾部
拟合分析技巧
• • • • • 正作用还是反作用参数 参数的影响区段 参数的影响特点 手动拟合与自动拟合的运用 参数合理范围的判断
高应变的规范化进程
• • • • • JGJ 106-2003（中国）（89暂行规定、97规范） ASTM D4945-89（美国标准） ISSMFE（国际土力学基础工程学会） EUROCODE7(欧洲地基基础规范) 英国、荷兰、瑞典、德国、澳大利亚、挪威、丹 麦等 （没有 法国、日本） • 巴西、韩国、马来西亚、泰国、南非 • 科威特
土的静阻力模型
• • • • • • • 理想弹塑性模型 总极限阻力RU 桩侧总极限阻力RS 各计算单元的极限阻力RI 各计算单元的临塑位移QI 桩底的极限阻力RT 桩底的临塑位移QT
土的动阻力模型
• 线性的黏滞阻尼模型
• 1、黏滞阻尼 • 2、CASE阻尼
R d J V
R d J c Z V
• 安装（表面处理与选择、预置膨胀螺栓） • 设置灵敏度系数（标定常数）
检测仪器
• • • • • • • JG/T3055-1999 基桩动测仪 采样点数、采样频率与总采样时间 滤波（高通、低通、抗混） 增益（或其他放大倍数） 触发电平与延迟点数 模拟信号与数字信号（A/D变换） 检定（JJG0003－1996、JJG930－1998）
历史回顾
• • • • • • • (1) 动力打桩公式 （桩假定为刚体，依据能量平衡原理产生的一系列方法误差过大） R.D. Chellis 《桩基础》 38个 《工程新闻》编辑 450个 (2) 1931年 D.V. Isaac 指出打桩时发生的波动作用； (3) 1938年 E.N. Fox 将波动方程应用于打桩的分析方法（简化计算，过于简化了）； (4) 1955年 E.A.L. Smith "Impact and Longitudinal Wave Transmission" (5) 1960年 E.A.L. Smith "Pile Driving Analysis by the Wave Equation "，以波动方程进行打桩分 析； (6) 1965年 前后，数学上关于差分计算的进展…… 差分格式和适定性的研究，算法和计算机结合。 （1954，L－X 格式，1960，L－W 格式，1967，《初值问题的差分方法》） (7) 1970年 G.G. Goble CASE 技术学院的主要研究人员，创建 Pile Dynamics, Inc 即 PDI 公司。 (8) 1975年 G.G. Goble et al. Case Western Reserve University, Cleveland, U.S.A. Bearing Capacity of piles from Dynamic Measurements, Final Report. 动测方法确定桩承载力，总结报告。 (9) 1980年 瑞典皇家工程科学院桩基研究委员会 “关于根据试桩方法确定桩基设计安全系数的建 议”：规定采用高应变动力试桩法（随机抽样 25% 作 CASE 法分析且部分作 CAPWAP 分析）时， 设计安全系数可以取 2.0 。 (10) 1989年 美国 公布了 ASTM 标准：D4945 高应变动力试桩的标准试验方法。同年 11 月国家建 筑工程质量监督检验测试中心公布了“高应变动力试桩法暂行规定”。