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1、高应变法检测,制作人：谷小强,一、高应变法的检测原理 二、适用范围与限制条件三、现场检测工作四、分析信号的选择与判定五、高应变法的波形判读六、问题探讨,一、高应变法的检测原理,1、概述高应变法是一种用重锤冲击桩顶，冲击脉冲在沿桩身向下传播的过程中使桩土产生足够的相对位移，以激发桩周土阻力和桩端支承力的一种动力检测方法。一般来说，高应变法冲击荷载作用下，使桩土体系进入充分的非弹性工作阶段，桩和桩周土之间出现瞬时的剪切破坏，从而充分地激发桩周土对桩的全部阻力作用。通过采集桩身截面在冲击荷载作用下的轴向应变和桩身运动的时程曲线，获得该截面的轴向内力F(t)和轴向运动速度v(t),从而观察到应力波在桩
2、身中的传播过程。运用一维波动方程对桩身阻抗和土阻力进行分析和计算,以判定桩身完整性和单桩承载力。,2、桩的基本假定在以下假定的条件下，将桩在冲击荷载作用下的运动简化为一维的线性波动力学问题。假定桩身材料是均匀的和各向同性的，并且服从虎克定律。假定桩是线弹性杆件。振动位移相当微小，对动力激发的反应总是线弹性的，所有的输入和输出都可以进行简单的叠加。假定桩是一维杆件。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。假定纵波的波长比杆的横截面尺寸大得多，横向位移对纵向运动的效应可以忽略不计。假定破坏只发生在桩土界面可以只把桩身取作隔离体来进行波动计
3、算，桩周土的影响都以作用于桩侧和桩端的力来参与计算。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。,3、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，产生相应的速度V(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变(x,t)。将F（x.t）、V(x,t)放在一起，构成F-V图。F(t)=AE(t)ZV(t)=AE/ca(t)dt Z=AE/c对于同一个应力波，可以分别从受力和运动两个方面进行分析。从受力方面来看，应力波有受压和受拉之分；从运动方面来看，
4、又有产生向下运动和向上运动之分。由于应力波在其沿着桩身的传播过程中将产生错综复杂的透射和反射，把在桩身中运行的各种应力波划分为下行波和上行波两大类。,Wd(t)=F(t)+ZV(t)/2Wu(t)=F(t)-ZV(t)/2在下行波的作用下，正的作用力（压力）将产生正向（向下）运动，而负的作用力（拉力）则产生负向（向上）的运动，因此,下行波所产生的力和速度和符号永远保持一致。上行波则正好相反，上行的压力波（其力的符号为正）将使桩身产生负向的运动。而上行的拉力波（力的符号为负）则产生正向的运动，上行波所产生的力和速度的符号永远相反。在这样的表达体系中，得到下列重要的推论：在F-v图中,凡是下行波都
5、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。在F-v图中，如果只有下行波作用。F(t)曲线和Z.v(t)曲线将永远保持持重合。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。,4、桩身阻抗变化在F-V图上的反映在高应变试验中，桩身阻抗变化在F-v图上表现规律可以归纳为以下几点：阻抗减少将产生上行的拉力波，在到达检测截面时，将引起力值的减小和速度值的增大，即力（F）曲线下移而速度（V）曲线上移。阻抗增大将产生上行的压力波在到达检测截面时，将引起力值的增大和速度值的减小，即力（F）曲线上移而速度（V）曲线下移。变阻抗截面
6、所在深度可以由反射信号到达检测截面的时间和桩体平均波速计算。,5、土阻力产生的应力波在F-V图上的反映在高应变试验中，有关土阻力应力波的重要推论有以下几点：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。土阻力信号由检测截面的传感器接收，使得实测曲线包含了试验时实际激发的土阻力信息。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。土阻力的作用将表现为实测力曲线的上升和实测速度曲线的下降，两者的分离幅度下好等于所受的土阻力。,上述这些推论，就是高应变动力试桩法的理论基础，当然，在实
7、测曲线上，土阻力信息是和桩身变阻抗信息重叠在一起的，必须加以区分，如果桩身在锤击后期产生向上的反弹运动，土阻力也将反向加到桩身上而在其作用截面以上的桩身内产生上行的拉力波。与此同时，为了使这种方法能够实际应用，还必须考虑到动力试验时激发的土阻力和静载荷试验时的静态土阻力的异同，以便从动力试验结果正确推断静载荷试验的结果。,传感器安装,在桩顶附近对称安装力传感器和加速度传感器由测得的应变()可用下式算力 F(t)=E A(t)由测得的加速度(a)可用下式算速度 V V(t)=a(t)dt,1975,1985,1995,1965,2005,PDA 仪器,二、适用范围与限制条件,1、适用范围判定单桩
8、竖向抗压承载力是否满足设计要求。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。检测桩身缺陷及位置，判定桩身完整性类别。与低应变法检测的快捷、廉价相比，高应变法检测桩身完整性虽然是附带性的，但由于其激励能量和检测有效深度大的优点，特别在判定桩身水平整合型缝隙、预制桩接头等缺陷时，能够在查明这些“缺陷”是否影响竖向抗压承载力的基础上，合理判定缺陷程度。因此可以作为低应变法检测这类缺陷桩的一
9、种补充验证手段。（JGJ106-2003第3.4.3条）,用于监测预制桩打入时的桩身应力和锤击能量传递比，为沉桩工艺参数及桩长选择提供依据。高应变法检测技术是从打入式预制桩发展起来的，试打桩的打桩监控属于其特有的功能，它能监测预制桩打入时的桩身应力、锤击能量的传递、桩身完整性的变化，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。2、限制条件进行灌注桩的单桩竖向抗压承载力检测时，应具有现场实测经验和本地区相近条件下的可靠对比验证资料。高应变法检测单桩承载力属于半直接法，它是通过应力波直接测量得到打桩时的土阻力，承载力（静阻力）需要从中提取，同时还需要建立静阻力与桩的沉降特征的关系。需要
10、假设桩土力学模型及其参数，而模型的建立和参数的选择只能是近似的和经验性的，是否合理、准确需要大量工程实践经验积累来不断完善。,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，混凝土材料应力应变关系的非线性、桩头加固措施不当、传感器条件差及安装处混凝土质量的不均匀性，导致灌注桩检测采集的波形质量低于预制桩，波形分析中的不确定性和复杂性又明显高于预制桩。与静载试验结果对比，灌注桩高应变检测判定的承载力误差也如此。因此，积累灌注桩现场测试、分析经验和相近条件下的可靠对比验证资料，对确保检测质量尤其重要。对于大直径扩底桩和Q-s曲线具有缓
11、变型特征的大直径灌注桩，不宜采用本方法进行竖向抗压承载力检测。后压浆桩、夯扩桩、支盘桩也不宜采用高应变法。除嵌入基岩的大直径桩和纯磨擦型大直径桩外，大直径灌注桩、扩底桩（墩）由于尺寸效应，通常其静载Q-s曲线表现为缓变型，端阻力发挥所需的位移很大。另外，在土阻力相同条件下，桩身直径的增加使桩身截面阻抗（或桩的惯性）与直径成,平方的关系增加，锤与桩的匹配能力下降。而多数情况下高应变检测所用锤的重量有限，很难在桩顶产生较长持续时间的作用荷载，达不到使土阻力充分发挥所需的位移量。根据测试经验，能使桩顶产生10mm的动位移已很难，这与静载试验的沉降相比，明显偏低。后压浆桩、夯扩桩、支盘桩由于桩身截面(
12、阻抗)变化与高应变法的关于桩身的假设差距较大，实践中也发生检测结果和实际情况相差很大，因此，规定后压浆桩、夯扩桩、支盘桩不宜采用高应变法。,三、现场检测工作,1、准备工作收集资料工程地质资料、建筑概况、桩位布置图，施工原始记录等，进行现场调查，了解建筑工程特点。受检桩龄期应符合下列规定：受检桩的混凝土龄期达到28天或预留同条件养护试块强度达到设计强度。休止时间：砂土7天，粉土10天，非饱和粘土15天，饱和粘土25天。泥浆护壁灌注桩宜适当延长。桩头处理对所需检测的单桩做好测前处理，要求桩顶面应平整，并与桩轴线垂直。桩顶高度应满足锤击装置的要求。对不能承受锤击的桩头应加固处理。具体要求如下：混凝土
13、桩应先凿掉桩顶部的破碎层和软弱混凝土；桩头顶面应平整，桩头中轴线与桩身上部的中轴线应重合，,且桩头截面尺寸应与桩身截面尺寸相同；桩头主筋应全部直通至桩顶混凝土保护层之下，各主筋应在同一高度上。距桩顶1倍桩径范围内，宜用厚度为35mm的钢板围裹或距桩顶1.5倍桩径范围内设置箍筋，间距不宜大于100mm。桩顶应设置钢筋网片23层，间距60100mm。桩头混凝土强度等级宜比桩身混凝土提高12级。向建设方或监理方申报人工地基检测现场告知书。2、传感器的安装传感器应分别对称安装在距桩顶不小于2D的桩侧表面处(D为受检桩的直径或边宽)，条件允许时，应尽量往下安装；对于大直径桩,传感器与桩顶之间的距离可适当
14、减小,但不得小于1D。安装处的材质和截面尺寸应与原桩身相同，传感器不得安装在截面突变处附近。,18,可编辑,19,应变传感器与加速度传感器的中心应位于同一水平线上；同侧的应变传感器与加速度传感器的水平距离不宜大于80mm（6080mm）。传感器的中心轴应与桩中心轴保持平行。各传感器的安装面材质应均匀、密实、平整，并与桩轴线平行，否则应采用磨光机将其磨平。安装螺栓的钻孔应与桩侧表面垂直，应力传感器的安装螺栓连线应与桩中心轴保持平行并垂直与地平面。安装完毕后的传感器应紧贴桩身表面，锤击时不得产生滑动，安装应变式传感器时应对初始应变值进行监控。,3、锤击锤击设备的要求锤击设备宜具有稳固的导向装置；打
15、桩机械或类似的装置（导杆式柴油锤除外，因为导杆式柴油锤荷载上升时间过于缓慢，容易造成速度响应信号失真）都可作为锤击设备。高应变检测用重锤应材质均匀、形状对称、锤底平整，高径（宽）比不得小于1，并采用铸铁或铸刚制作。当采取自由落锤安装加速度传感器的方式实测锤击力时，重锤应整体铸造，且高径（宽）比应在1.01.5范围内。形状扁平的锤更容易造成锤击偏心、击碎桩头，应变式力传感器器对锤击偏心很敏感，可以使某一侧混凝土表现出非线性、塑性变形或开裂，使实测的力信号成为垃圾，锤高度的减少本身会减少力的作用时间，影响测试效果。进行高应变承载力检测时，锤的重量应大于预估单桩极限载力的1.01.5%，混凝土桩的桩
16、径大于600mm或桩长大于30m时取高值。高应变检测要求既有足够的能量又有足够的桩土相对位移，足够的能量是保证足够位移的必要条件，但不充分。轻锤锤击,桩顶常常出现锤的强烈反弹，显然能量不可能完全传递。即使在桩锤桩土系统阻抗匹配的条件下，动量冲量的守恒必然使在更短荷载作用时间内以提高冲击力幅值和速度幅值为代价，锤击力增大容易击碎桩头、造成桩身应力过大或引起混凝土明显的非线性；同时桩身波传播效应更加明显，桩周土的动阻力加剧，这是不愿意看到的现象。规范规定的锤重选择为最低限值。高应变动力试桩重选择锤重应考虑以下因素：承载力大小及桩的承载性状的影响。承载力越大，锤越重；承载力构成中端阻力占的比例越大，
17、则要求锤越重。桩径的影响。桩径越大，桩本身的惯性越大，锤与桩匹锤提配能力下降，要求锤越重。此外，桩径的增大也会增大土的弹限，导致对锤重的要求增加。桩长的影响。桩越长，应力波在传播过程中的衰减越大，桩中下部及端阻力就越难激发，因而要求的锤重越重。,岩土弹限的影响。桩侧、桩端土的弹限极限较大。土的弹限越大，意味着激发岩土阻力所需的桩土相对位移越大，要求锤重越重。桩垫的影响。桩垫太软，锤激发岩土阻力的能力下降，桩垫太硬则达不到调整、缓冲桩顶均匀受力，保护桩头的目的。因此，桩垫的选择应是保证充分激发岩土阻力前提下，尽量选择较软的桩垫。提倡“重锤低击”。“轻锤高击”虽然可以提高锤击能量，但常会打碎桩头。
18、高应变试桩应大力提倡“重锤低击”。实际应用中，自由落锤的常用落锤高度范围一般为1.22.2米。,重锤敲击应符合以上规定：桩头顶部应设置桩垫，桩垫可采用1030mm厚的木板或胶合板等材料。桩锤重心应与桩顶对中，锤击装置架应垂直。锤击装置垂直、锤击平稳对中、桩头加固和加设桩垫，是为了减小锤击偏心和避免击碎桩头；在距桩顶规定的距离下的合适部位对称安装传感器，是为了减小锤击在桩顶产生的应力集中和对偏心进行补偿。采用自由落锤为锤击设备时，应重锤低击，最大锤击落距不宜大于2.5m。贯入度的规定桩的贯入度可采用精密水准仪等仪器测定。重锤对桩冲击使桩周产生振动，在受检桩附近架设的基准梁也将受影响，导致桩的贯入
19、度测量结果不可靠。也有采用加速度信号两次积分得到的最终位移作为实测贯入度，虽然最方便，但可能存在下列问题：,A）由于信号采集时段短，信号采集结束时桩的运动尚未停止，以柴油锤打长桩时为甚。B）速度计的质量优劣影响积分精度，零漂大和低频响应差（时间常数小）时极为明显。所以，对贯入度测量精度要求较高时，采用精密水准仪等光学仪器测定。承载力检测时宜实测桩的贯入度，单击贯入度宜在26mm之间。,贯入度的大小与桩尖刺入或桩端压密塑性变形量相对应，是反映桩侧、桩端土阻力是否充分发挥的一个重要信息。贯入度小即通常所说“打不动”，使检测得到的承载力低于极限值。规范是从保证承载力分析计算结果的可靠性出发，给出的贯
20、入度合适范围，不能片面理解成在检测中应减小锤重使单击贯入度不超过6。贯入度大且桩身无缺陷的波形特征是2L/C处桩底反射强烈，其后的土阻力反射或桩的回弹不明显。贯入度过大造成的桩周土扰动大，高应变承载力分析所用的土的力学模型，对真实的桩土相互作用的模拟接近程度变差。据国内发现的一些实例和国外的统计资料；贯入度较大时，采用常规的理想弹塑性土阻力模型进行实测曲线拟合分析，不少情况下预示的承载力明显低于静载试验结果，统计结果离散性很大。,4、检查采集数据质量现场应及时检查采集数据的质量，每根受检桩记录的有效锤击信号应根据桩顶最大的动位移、贯入度以及桩身最大拉、压应力和缺陷程度及其发展情况综合确定。高应
21、变试验成功的关键是信号质量以及信号中的信息量是否充分。所以应根据每锤信号质量以及动位移、贯入度和大致的土阻力发挥情况，初步判别采集到的信号是否满足检测目的的要求。同时，也要检查混凝土桩锤击拉、压应力和缺陷程度大小，以决定是否进一步锤击，以免桩头或桩身受损。自由落锤锤击时，锤的落距应由低到高。发现测试波形紊乱，应分析原因；桩身有明显缺陷或缺陷程度加剧，应停止检测。检测工作现场情况复杂，经常产生各种不利影响。为确保采集到可靠的数据，检测人员应能正确判断波形质量，熟练地诊断测量系统的各类故障，排除干扰因素。,四、分析信号的选择与判定,1、检测承载力时选取锤击信号，宜取锤击能量较大的击次。2、理想高应
22、变波形信号特点：力和速度的时程一致，上升峰值前二者重合，峰值后二者协调，力曲线应在速度曲线之上（除非桩身有缺陷），两曲线间距离随桩侧土阻力增加而增大，其差值等于相应深度的总阻力值，能真实反映桩周土阻力的实际情况。力和速度曲线的时程波形终线归零。锤击没有严重偏心，对称的两个力或速度传感器型的测试信号不应相差太大，二组力信号不出现受拉。波形平滑，无明显高频干扰杂波，对摩擦桩桩底反射明确。,3、当出现下列情况之一时，高应变锤击信号不得作为承载力分析计算的依据：传感器安装处混凝土开裂或出现严重塑性变形使力曲线最终未归零；严重锤击偏心，两侧力信号幅值相差超过1倍；触变效应的影响，预制桩在多次锤击下承载力
23、下降；四通道测试数据不全。,五、高应变法的波形判读,1、力传感器安装不紧，波形产生自振。,2、锤击引起测点砼塑性变形，使波形不归零。,3、测点附近桩身扩颈或桩垫过厚,4、测点附近桩身有缩颈。,六、问题探讨,（一）、高应变检测的关键问题是如何获得质量较高的现场测试曲线桩头处理质量、锤的重量及形状、传感器安装部位的混凝土质量、传感器安装质量、锤击质量等均是影响高应变测试曲线质量的关键。（二）、高应变法与单桩竖向抗压静载试验高应变法的作用是判定单桩竖向抗压承载力是否满足设计要求，单桩竖向抗压静载试验的作用在试桩阶段是确定单桩抗压极限承载力，在工程桩验收阶段是判定单桩竖向抗压承载力是否满足设计要求。从方法本身的精度讲，单桩竖向抗压静载试验的精度要高于高应变法。高应变法单桩承载力的判定结果不能作为工程桩的设计依据。,（三）、缺陷桩的高应变法桩身或接头存在裂缝的预制桩可采用高应变法验证；对低应变法检测中不能明确完整性类别的桩或类桩，可以采取高应变法等适宜的方法进行验证。对于具有严重缺陷的桩不能采用高应变法判定单桩极限承载力。（四）、高应变法的技术局限性方法本身的局限性参数引起的局限性实际应用的局限性桩土体系的破坏模式的限制土阻力的激发程度的局限性高应变动力试桩技术发展历史尚短，还有问题值得探讨研究和完善。,35,可编辑,
