高应变测试技术

tr 5ms ，这一段以调整土的阻尼系数为主。
第四时间段以第二时间段的终点作为起点， 区段长度 20ms 左右， 这一区段主要用于修正土的卸载系数， 如卸载时土的最大弹性变形和 土的最大负阻力等。
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图 10
拟合曲线的四个时间区段
拟合质量系数 Er 的计算公式如下：
Er Pc ( j ) Pm ( j ) / Pj ( i =1,2,3,4)
4 i 1
式中的 Pc ( j ) 为计算的桩顶力波， Pm ( j ) 为实测的桩顶力波， Pj 为 实测桩顶冲击力峰值。 从 Er 的计算方法可以看出， 四个区段中以桩端处的权值最重。Er 愈小， 说明拟合曲线与相对应的实测曲线愈接近， 相应的土参数也相 对合理。 由于不同实例曲线拟合程序中考虑拟合质量系数的方法不尽相 同，很难用一个统一的标准衡量拟合曲线的吻合程度，为此《建筑基 桩检测技术规范》 等标准中均未列出具体的拟合质量系数标准。 国内 也有部分地方规程参照 CAPWAPC 程序，规定了混凝土预制桩和钢 管桩的最终拟合质量系数宜小于 3%，混凝土钻孔灌注桩的拟合质量 系数宜小于 5%，并以此作为拟合是否达到要求的标准。 6、主要参数对拟合曲线的影响 下面介绍几个主要土参数对拟合曲线的影响（仅指力波） ； ⑴将某一桩单元处的土阻力增加（或减少） ，会使力的拟合曲线 从该单元往后上抬(或下降)。 图 11 中力拟合曲线在 2 L c 之前偏低， 且
4、拟合法确定承载力
（1）曲线拟合法的特点 a、不要求桩身等阻抗； b、可以考虑桩身内阻尼对应力波衰减的影响； c、假定动阻尼力存在于桩侧和桩端，各单元上土的动阻尼力 与静阻力和桩土相对运动速度成正比：
Rd i J i Rs i V i
J 为 Smith 阻尼系数， 是一个有量纲的系数， 它与 CASE 阻尼系数 不同。 （2）Smith 阻尼系数推荐值 Smith 推 荐 ： 不 分 土 类 ， 桩 侧 桩尖 J p 3J s 0.48 秒 米 。 三航科研所推荐值：
图3 图 4 是一较理想的实测波 形，有较明显的桩端反射波，曲线特征反映出该 桩为一根摩擦型桩。
图4
5
用高应变法检测桩的承载能力以及判别桩身质量， 都是依据实测 波形， 因此波形采集的质量是高应变判别的关键， 各有关规范也都提 出了高应变实测波形的标准，如《建筑基桩检测技术规范》规定了下 列情况的波形不能作为承载力分析计算的依据； ① 力时程曲线最终未归零； ② 锤击严重偏心，两侧力信号幅值相差超过 1 倍； ③ 四通道测试数据不全。 3、CASE 法确定承载力 （1） 不符合 CASE 法的基本假定 CASE 法的基本假定 ①桩为一维弹性杆件，桩身材料不变，截面相等； ②应力波在桩身传递过程中无能量耗散； ③假定锤击时的动土阻力集中在桩尖， 且与桩尖的运动速度成正 比：
c 2L L0 t
（5-16）
图8
按上、下行波确定波速
② 当有明显桩端反射波时，也可以通过速度波起升沿的起点到桩端反射波 起点的时间差，或者是速度波第一峰值到反射波峰值之间的时间差确定（图 9） ：
c 2L L0 t2 t1
（5-17）
图 9 按峰-峰确定波速
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检测单桩极限承载力，选用的锤必须将桩“打动” ，使得桩侧和桩端 的土阻力得以充分发挥。 规范中所规定的锤重都是下限值， 对长桩和 大直径桩应加大锤重，重锤低击一般能得到较理想的结果。 高应变检测的落锤高度也不宜太高， 因为过大的落锤高度会使桩 产生脉冲窄且峰值高的锤击应力波， 容易导致混凝土桩损坏。 一般认 为自由落锤的高度不宜大于 2.5m。 高应变检测专用锤击设备应配置导向装置和自动脱钩装置.，试 验时锤的纵轴线应与桩的纵轴线一致， 锤应平稳下落， 避免出现过大 的偏心锤击。
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5、拟合质量系数
前面提到判别曲线拟合质量的其中一个重要标准是最终的拟合 曲线应与相应的实测曲线基本吻合。 为了有一个 “吻合” 的量的概念， CAPWAPC 程序中采用加权方式计算，得出一个称为拟合质量系数 的值 Er，该方法首先假定土阻力影响区的长度为 2 L c 25ms 左右，然 后将拟合完成时的土阻力影响区分成四个区段（见图 10） 。 时间段 1 从冲击开始到 2 L c 时为止，这一区段的波主要用于修正 桩侧摩阻力的分布情况。 对以侧摩阻力为主的摩擦型长桩， 这一段所 占的比重很大； 时间段 2 是以第一时间段的终点为起点，区段长度为 tr 3ms ，t r 是从冲击波开始到速度峰值之间的时间。 该区段主要用于桩端土阻力 和总土阻力修正； 时间区段 3 仍以第一时间区段的终点为起点，但区段长度为
图 1 波形中的 F-t 波与 V*Z-t 波在起始段不重合， F-t 波出现高 频振荡且尾部未回零，经查是其中一只力传感器固定螺栓松动引起 的，该波形不能用。
图1
4
图 2 中曲线虽无高频振荡， 力曲线也基本回零， 但力与速度和阻 抗乘积的峰值相差过大，且起始段也不重合，属于异常波形。出现这 种现象的原因可能是锤击时桩顶混凝土已开裂或有严重的塑性变形。
Rd J c Z Vb
Rs
1 2L 2 L 1 J c F t1 Z V t1 1 1 J c F t1 Z V t1 2 2 c c
根据上述假定，适合 CASE 法分析的桩，首先要截面相等、材料 相同， 因为当桩身材料阻抗有突变时， 锤击产生的下行波和上行波每 次经过截面变化处都要产生反射和透射，而 CASE 公式中未包含这些 反射和透射信息，因此桩身缺陷越严重，CASE 法计算误差也就越大， 原则上不适合使用 CASE 法。 其次 CASE 法只适用于中、小直径桩，且桩长不宜过长。
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（2） CASE 阻尼系数 J c 是无量纲阻尼系数，与土的类别有关，但又不 限于土性， J c 实际上是一个经验系数，可以通过下述两种方法 得到：
①通过同一根桩（或同一工程中相同边界条件桩）的动、静对比得出； ②通过同一工程中相同边界条件桩的高应变实测曲线拟合得出。
［例］ ：
图5
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图6
8
［例］
③ 若桩端反射波不明显时， 可采用同一种工程中相同条件下 （即
成桩工艺、桩身材质，桩长等）桩的实测波速代替。 上述确定波速的几种方法中， 按上、 行波方法确定的波速精度较 高，第 3 种方法在预制打入桩上还可以，因预制桩的桩长确定，桩身 材质离散性小， 不同的桩之间波速离散性也小。 但在混凝土灌注桩中 要尽量避免采用第 3 种方法。 还需要补充说明的是，不能用低应变或超声波法检测得出的波速 去替代高应变实测值， 因为低应变和超声波测出的波速都比高应变测 出的波速要大。
图2 图 3 波形起始段正常， 两峰值基本重合， 有明显的桩端反射 （2L/C 处） ，该桩是一根打在海洋中的Φ500mm 钢管桩，桩端进入极密实的 粗砂层，波形中在 2L/C 前有一段力曲线上升、速度曲线下降，这是 桩 端 进入 密 实砂层 的 反射 结 果。该 波 形的 缺 点是采 样 时间 过短 （44ms） ，力曲线最终未回零，对计算承载力有一定影响。
图7
9
（3）波速的影响
波速 c 的大小直接影响到计算的力和速度值，对动测计算结果影 响很大。 从实测桩身弹性模量计算公式 E c 2 也可以看出，E 和 c 2 成 正比。 而桩身力 F A E ,也就是由实测应变推算的力大小与 c 2 成正 比。例如波速 c 增加 10%，力就要增加 21%，因此准确的确定波速就 成为计算桩身力和承载力的关键，无论是 CASE 法还是后面介绍的曲 线拟合法都是一样。根据实测波形确定 c 值的方法有以下几种： ① 当有明显的桩端反射波时，可通过下行波起升沿的起点到上 行波下降沿起点之间的时间差和已知桩长确定（图 8） 。设桩长为 L ， 桩顶到传感器之间的距离为 L0 .时间差为 t ，则该桩的平均波速为：
2、波形选择 高应变实测波形的优劣直接影响到桩承载力计算结果。 为此首先 要对实测波形进行筛选， 选取好的波形作为计算分析的依据。 理想的 实测波形应该符合下列条件： ① 四个通道的测试数据齐全，即二个加速度传感器和二个应变 传感器都有可靠信号，且曲线中无高频振荡信号。 ② 桩身两侧二只力传感器测得的力信号幅值应相差不大。两侧 力信号相差大可能有以下原因： 传感器自身质量问题或安装不当、 严 重偏心锤击、以及传感器安装处的桩身质量存在问题。 ③ 力时程曲线最终应回零， 如采样时间不够或混凝土桩顶开裂、 严重塑性变形等都会引起力曲线不回零。 ④ 力时程曲线与速度和阻抗乘／ 米
；
中粗砂： J s 0.16 秒 米 ， J p 0.48 秒 米 粉、细砂： J s 0.20 秒 米 ， J p 0.60 秒 米 粘土： J s 0.33 ~ 0.43秒 米 ， J p 1.0 ~ 1.3 秒 米 。 里斯等人推荐值： 砂土： J s 0.11 ~ 0.22 秒 米 ， J p 0.33 ~ 0.66 秒 米 粘土： J s 0.45 ~ 1.10 秒 米 ， J p 1.3 ~ 3.3 秒 米 （3）土的最大弹性变形值 Q Smith 建议值：不分砂土和粘土，也不分桩侧和桩尖，Q 值一律 取 0.1 吋（2.54mm） ； 三航科研所建议值：Q＝1～4mm。一般桩端应大于桩侧；对大直 径闭口桩及半闭口桩，Q 值还应大些。 里斯等人建议值： 对大直径桩， 粘土取 1.3～7.5mm， 砂土取 1.3～ 5mm。 注意： 各单元输入的土的最大弹性变形值不应超过相应桩单元的 最大位移值，否则会出现土阻力未充分发挥时承载力外推。 （4）实测曲线拟合法存在的主要问题 （a）计算曲线与实测曲线偏离太大，谈不上吻合； （b）输入参数不合理 按设计要求输入土阻力， 违背拟合法的基本原则， 人为制造假数据。 输入土参数不合理（Js、Q） 。 （c）桩身明显缺陷或严重缺损的桩，曲线拟合会产生一定的误 差。