高应变动测原理第3章 测试与分析

式中：
无土阻力影响的桩身完整性计算公式为：

(11-11)
当考虑土阻力影响时 。 桩顶处时刻的上行波Fu (tx)不仅包括了由 于阻抗变化所产生的FR作用，同时也受到了 x界面以上桩段所发挥的总阻力Rx影响.
用桩顶实测力和速度表示为：
(11-13)
缺陷位置按下式计算 :
从本节桩身完整性系数β和最大拉应力σt 的计算公式推导过程可以看出，由于没有采 用任何假定，桩身完整性系数和桩身拉应力 完全可以由桩顶的实测力和速度曲线测量直 接确定。 所以，对于等截面均匀桩， β和σt的测 量前面打桩土阻力测量一样，属于直接法的 范畴。
3.4 适 用 范 围
3. 4.1高应变法的主要功能 1.判定单位竖向抗压承载力 高应变法的主要功能是判定单桩竖向抗压承载力是 否满足设计要求。 这里所说的承载力是指在桩身强度满足桩身结构承 载力的前提下，得到的桩周岩土对桩的抗力（静阻 力）。 所以要得到极限承载力，应使桩侧和桩端岩土阻力 充分发挥，否则不能得到承载力的极限值，只能得 到承载力检测值。

而根据桩的荷载传递机理，桩的承载力 是与竖向位移有关的，位移的大小决定了桩 周土的静阻力发挥程度。 显然，RT中所包含的静阻力的发挥程度 也需要探究。所以，需要更具体地考虑以下 几方面问题：
(1)去除土阻尼的影响。 (2)对给定的F和V曲线，正确选择 t 1 时刻， 使RT中所包含的静阻力充分发挥。 （3) 对于桩先于2L/c回弹（速度为负），造成桩 中上部土阻力Rx卸载，需对此做出修正。
3. 2.1利用叠加原理的打桩总阻力估算公式 设桩端阻力为: Rtoe 时刻
应力波到达桩端，将产生一个大小 为Rtoe
的上行压力波，同时引起质点的速度增量为
该压力波于2L／c时刻到达桩顶。
上式右边第二项中的分式即为t2 - tl时段桩 顶的实测加速度平均值。以tl和t2时刻受力 的算术平均值和该时段的惯性力平均值分别 取代了刚体力学的瞬时受力和瞬时惯性力。
3.2.2.3最大阻力修正法 如前所述，公式(11-8)的推导是建立在 土阻力的刚--塑性模型基础之上的，此时t1 选择在速度曲线初始第一峰处，见图11-3。 事实上，被激发的静阻力是位移的函数，而 tl点虽是桩顶速度的最大值，但非桩顶位移 的最大直，出现位移最大值的滞后时间为 tu,0。 需延时处理
3.2.2.2 关于极限承载力 当单击锤击贯入度大于2.5mm时，一般 认为公式(11-8)可给出桩的极限承载力。 阻尼系数与桩端土层的性质有关，它是通 过静动对比试验得到的。

PDI公司凯司法阻尼系数经验取值

表中取值的离散性较大，而且有些静 动对比的试验条件本身并不具有可比性。 在《规范》中，突出了静载试验校核， 即尽可能进行同条件静载试验校核，或在积 累相近条件静动对比资料后，再用波形拟合 法校核。
第3章 高应变动力测试与分析
巩天真 2012.05
3.1 土阻力测量 理论---一维应力波理论 考虑---着重考虑土弹簧、甚至是土阻尼的非线 性。

实际检测时，测量激励和响应的传感器一 般安装在桩顶附近. 习惯上将传感器安装截面视为桩顶（x=0 边界），传感器安装截面至桩底的距离称为 测点下桩长L。 对于等截面均匀桩，桩顶实测到的力和速 度包含了桩侧和桩端土阻力的影响。
(11-3)
3.2.2凯司承载力计算方法 根据式(11-3)，已经得到了应力波在 2L/c一个完整行程中所遇到的总的土阻力计 算公式。 但是，式(11-3)并不能回答总阻力RT 与桩的极限承载力之间的关系。 因为RT中包含有土阻尼的影响，也即土 的动阻力Rd的影响，是需要扣除的；
静阻力公式推导： 由假定(2)可知，土阻尼存在于桩端，只与 桩端运动速度有关。

(11-4)
运行至桩端后下行力波的量值为：
(11-5) 从时刻t由桩端上行的力波将于t+ L/c到达桩 顶，在同样的阻力作用下其量值变为 : (11-6)
将式(11-5)和(11-6)代人式(11-4)．得到桩端运 动速度计算公式：
例：
3.2.2.4卸载修正法 长桩的大部分阻力来自于桩侧摩阻力而 使桩难于打人；或者桩虽不很长，但激励能 量偏小、都会使桩上部一小段或较大一段范 围在2L/c前出现过早回弹，即回弹桩段的摩 阻力卸载，使凯司法低估了承载力 。

桩身下部随压力波的下行而向下运动， 但其上部由于回弹将向上运动。 尤其对于长桩，这种极不均匀的桩身运 动状态实际就是明显的波传播现象，与桩受 静荷载作用时的运动状态完全相悖，主观上 讲，这不是我们希望的。从机理上讲，也是 制约高应变法检测桩承载力准确性提高的主 要因素之一。

x c t x t1 2
(11-14)
式中 x--桩身缺陷至传感器安装点的距离； tx--缺陷反射峰对应的时刻； Rx—缺陷以上部位土阻力的估计值.
桩身完整性判定
3.3.2打桩拉应力测量 打桩引起的桩身破坏有几种形式： (1)锤击压应力过大、锤击偏心造成桩头破坏。 (2)桩端碰到基岩、密实卵砾石层使桩端反射的压 应力与下行的压力波在桩端附近叠加，使锤击压应 力过大造成桩身下部破坏。 (3)混凝土的抗拉强度一般在其抗压强度的1/10以 下，而且抗拉强度并不随抗压强度的增加而正比增 加（增加缓慢）。 所以，对混凝土桩，拉应力引起的桩身破坏是不容 忽视的 .
3. 应变式传感器 对于应变式力传感器，虽然实测轴向平均 应变一般在±1000με以内，但考虑到锤击 偏心、传感器安装初变形以及钢桩测试等极 端情况，一般可测最大轴向应变范围不宜小 于±2500～±3000με，而相应的应变适调 仪应具有较大的电阻平衡范围。
3.5.2 锤击设备 对于锤击设备类型的选择，《规范》除 对导杆式柴油锤进行了限制外（荷载上升时 间过于缓慢，容易造成速度响应信号失 真）．并无过多的限制。
为了估计卸载土阻力R UN，令t1+tu时刻 力与速度曲线之差为xu段激发的总阻力Rx， 取RUN=Rx/2,将RUN加到总阻力RT上，以补 偿由于提前卸载所造成的RT减小，然后从其 中减去阻尼分量而得到修正后的静阻力Rs. 这个方法也称为RSU法。
3.3 桩身完整性和打桩拉应力测量 3.3.1桩身完整性测量 对于等截面均匀桩，只有桩底反射能形 成上行拉力波，且一定是2L/c时刻到达桩顶 如果动测实测信号中于2L/c之前看到上 行的拉力波，那么一定是由桩身阻抗的减小 所引起。
2.加速度计 一般原则是选择的量程大于预估最大冲击加速度值 的一倍以上。 如对钢桩，宜选择20000～30000m/s2量程的加 速度计。因为加速度计的量程愈大，其自振频率愈 高. 在其他任何情况下，如采用自制自由落锤，加 速度计的量程也不应小于10000m/s2。 锤体上安装加速度计的测试，但根据重锤低击 原则，锤体上的加速度峰值不应超过1500— 2000m/s2.
将tl向右移动找出Rs的最大值Rs,max； 或者当毗邻第一峰t1还有明显的第二峰时， 将tl对准第二峰。这就是凯司法的最大阻力 修正法，也称RMX法。 修正法主要适于端承型桩且端阻力发挥 所需位移较大的情况 . 静载试验Q-s曲线为陡降型且桩长适中 或较短的摩擦型桩，从机理上讲就不属于该 修正方法的范畴
结论： 在桩顶力和速度时程曲线的2x/c(x≤L) 时刻，力曲线与速度曲线之间的差值代表了 应力波从桩顶下行至x深度的过程中所受到 的所有土阻力之和（见图11-2）．即：
打桩土阻力的大小显然与桩的竖向承载 力高低有关: 桩承载力愈高，打桩土阻力愈强。 尽管土阻力是直接测量的，但土阻力 中所包含的静阻力的具体量值是未知的。 因此，通过实测力与实测速度曲线之 差反映的土阻力大小只是桩的竖向承载 力高低的定性表达。
3.2 承载力计算方法——凯司法
凯司法是美国凯司技术学院(CASE Institute of Technology) Goble教授等人经十余年努力， 逐步形成的一套以行波理论为基础的桩动力测量和 分析方法。 优点: 是具有很强的实时测量分析功能。 缺点：就推导过程中采用了不少简化，从数学 上看是不够严格的。 凯司法的承载力基本计算公式及其修正方法， 在概念上可视为高应变法的理论基础。
下行入射波通过x面时，将在界面处分别 产生幅值各为Rx/2的向上反射压力波和向 下传播的拉力波Rx/2. t=x/c时刻 Rx被激发，Rx/2的压力波 影响于2x/c时刻反射回桩顶，它将使桩顶力 曲线上升Rx/2，同时使速度曲线下降 Rx/2Z.
如果将速度曲线以力的单位归一化，即将速 度乘以阻抗Z与力曲线同时显示，这样Rx对 桩顶力和速度曲线的影响将使两曲线的差值 增加为：
2.桩身完整性的检测 3.试打桩监控 监测预制桩打入时的桩身应力、锤击能 量的传递、桩身完整性变化，为沉桩工艺参 数及桩长选择提供依据，是静载试验无法做 到的。
3.4.2限制条件 1. 高应变法在检测桩承载力方面属于半直 接法 。 2. 灌注桩的截面尺寸和材质的非均匀性、 施工的隐蔽性（干作业成孔桩除外）及由此 引起的承载力变异性普遍高于打入式预制桩。
(11-7)
假设由阻尼引起的桩端土的动阻力Rd与桩端运动wenku.baidu.com速度V(toe，t)成正比，即
将 t-L/c 换成 t1，将 t+L/c 换成t2 代入
(11-2)
得：
最后利用式（11—3），将Rs用《规范》所用的 符号Rc代替，得到：
(11-8)
这就是标准形式的凯司法计算桩承载力公 式，较适宜于长度适中且截面规则的中、 小型桩。它较适宜于摩擦型桩。

假定应力波沿阻抗为Z1的桩身传播途中， 在x深度处遇到阻抗减小(设阻抗为Z2)，且 无土阻力的影响，则按公式(8-37)，x界面 处的反射波为：
定义桩身完整性系数
根据上式得到： (11-10)
由于FI和FR不能直接测量，而只能通过桩顶 所测的信号进行换算。

如果不计土阻力的影响，则x位置处的入 射波（下行波）与桩顶x=0处的实测力波有 以下对应关系:
《规范》既不主张用高应变法检测静载Q-s 曲线表现为缓变型的大直径灌注桩，也未限 制高应变法用于嵌岩桩（非位移桩）的检测。
3.5 高应变法现场检测技术
3.5.1测试仪器 1.总要求 检测仪器的主要技术性能指标不应低于建筑工 业行业标准《基桩动测仪》(JG/T 3055)中表1规 定的2级标准，且应具有保存、显示实测力与速度 信号和信号处理与分析的功能。 《规范》对仪器的主要技术性能指标要求是按 《基桩动测仪》 (JG/T 3055)提出的(见表9-2)， 比较适中，大部分型号的国产和进口仪器能满足。
1 去除土阻尼的影响 RT = Rs + Rd 为了从RT中将静阻力部分提取出来，凯司 法采用以下四个假定: (1)桩身阻抗恒定，即除了截面不变外， 桩身材质均匀且无明显缺陷。 (2)只考虑桩端阻尼，忽略桩侧阻尼的影 响。
(3)应力波在沿桩身传播时，除土阻力 影响外，再没有其他因素造成的能量耗散和 波形畸变。 (4)土阻力的本构关系隐含了刚--塑性模 型，即土体对桩的静阻力大小与桩土之间的 位移大小无关，而仅与桩土之间是否存在相 对位移有关。
(4)在试验过程中，桩周土应出现塑性变形，即 桩出现永久贯入度，以证实打桩时土的极限阻力充 分发挥；否则不可能得到桩的极限承载力。 (5)考虑桩的承载力随时间变化的因素。因为动 测法得到的土阻力是试验当时的，而土的强度是随 时间变化的。打桩收锤时（初打）的承载力并不等 于休止一定时间后桩的承载力，则应有一个合理的 休止时间使土体强度恢复，即通过复打确定桩的承 载力。