岩土工程教学课件基桩动荷载.ppt

岩土工程原位测试技术岩土工程原位测试技术第第7章基桩动荷载试验章基桩动荷载试验1第第7章内章内 容容7.1概述概述7.2反射波法反射波法7.3Case法法27.1概概 述述一一桩的动测法发展历史桩的动测法发展历史桩桩的的动动力力测测试试技技术术已已有有100多多年年的的历历史史最最早早的的动动测测方方法法是是在在能能量量守守恒恒原原理理的的基基础础上上，利利用用牛牛顿顿碰碰撞撞定定律律，根根据据打打桩桩时时测测得得的的贯贯入度来推算入度来推算桩桩的极限承的极限承载载力近代的近代的动测动测技技术术以以应应力波理力波理论为论为基基础础我我国国自自20世世纪纪70年年代代开开始始研研究究桩桩的的动动力力测测试试技技术术，近近年年来来发发展很快3二二桩的动测法分类桩的动测法分类现现有有的的各各种种动动力力测测试试方方法法依依据据其其激激发发能能量量对对于于桩桩身身的的影影响响而而划划分分为为高高应应变变和和低低应应变变两两大大类类，其其中中得得到到广广泛泛应应用用的的属属于于高高应应变变的的代代表表性性方方法法有有CAPWAPC法法（实实测测曲曲线线拟拟合合法法）和和CASE法法；属属于于低低应应变变的的代代表表性性方方法法有有反反射射波波法法、机机械械阻阻抗抗法法、声声波波透透射射法法和和动动力力参参数数法法等等，其其中中声声波波透透射射法法并并不不需需要要对对桩桩身身进进行行激激振振，但但习惯习惯上仍将其上仍将其归归于低于低应变动应变动力力测试测试法。

法本本章章仅仅讲讲述述低低应应变变动动力力测测试试法法中中的的反反射射波波法法和和高高应应变变动动力力测测试试法中的法中的CASE法47.2反射波法反射波法一一试验方法和设备试验方法和设备反反射射波波法法（也也称称为为应应力力波波反反射射法法）的的现现场场测测试试如如图图7-1所所示示对对完完整整的的测测试试分分析析过过程程可可以以描描述述如如下下：用用手手锤锤（或或力力棒棒）在在桩桩头头施施加加一一瞬瞬态态冲冲击击力力F(t)，激激发发的的应应力力波波沿沿桩桩身身传传播播，同同时时利利用用设设置置在在桩桩顶顶的的加加速速度度传传感感器器或或速速度度传传感感器器接接收收初初始始信信号号和和由由桩桩阻阻抗抗变变化化的的截截面面或或桩桩底底产产生生的的反反射射信信号号，经经信信号号处处理理仪仪器器滤滤波波、放放大大后后传传至至计计算算机机得得到到时时程程曲曲线线（称称为为波波形形），最最后后分分析析者者利利用用分分析析软软件件对对所所记记录录的的带带有有桩桩身身质质量量信信息息的的波波形形进进行行处处理理和和分分析，并结合有关地质资料和施工记录作出对桩的完整性的判断析，并结合有关地质资料和施工记录作出对桩的完整性的判断。

5图图7-1 反射波法的现场测试示意反射波法的现场测试示意6反反射射波波法法使使用用的的设设备备包包括括激激振振设设备备（手手锤锤或或力力棒棒）、信信号号采采集集设备设备（加速度（加速度传传感器或速度感器或速度传传感器）和信号采集分析感器）和信号采集分析仪仪激激振振设设备备的的作作用用是是产产生生振振动动信信号号一一般般地地，手手锤锤产产生生的的信信号号频频率率较较高高，可可用用于于检检测测短短、小小桩桩或或桩桩身身的的浅浅部部缺缺陷陷；力力棒棒的的重重量量和和棒棒头头可可调调，增增加加力力棒棒的的重重量量和和使使用用软软质质棒棒头头（如如尼尼龙龙、橡橡胶胶）可可产产生生低低频频信信号号，可可用用于于检检测测长长、大大桩桩和和测测试试桩桩底底信信号号激激振振的的部部位位宜宜位位于于桩桩的的中中心心，但但对对于于大大桩桩也也可可变变换换位位置置以以确确定定缺缺陷陷的的平平面面位位置置激激振振的的地地点点应应打打磨磨平平整整，以以消消除除桩桩顶顶杂杂波波的的影影响响另另外外，力力棒棒激激振振时时应应保持棒身保持棒身竖竖直，手直，手锤锤激振激振时锤时锤底面要平，以保持力的作用底面要平，以保持力的作用线竖线竖直。

直7采采集集信信号号的的传传感感器器一一般般用用黄黄油油或或凡凡士士林林粘粘贴贴在在桩桩顶顶距距桩桩中中心心2/3半半径径处处（注注意意避避开开钢钢筋筋笼笼的的影影响响）的的平平整整处处，注注意意粘粘贴贴处处要要平平整整，否否则则要要用用砂砂轮轮磨磨平平粘粘贴贴剂剂不不可可太太厚厚，但但要要保保证证传传感感器器粘粘贴贴牢牢靠靠且且不不要要直直接接与与桩桩顶顶接接触触需需要要时时可可变变换换传传感感器器的的位位置置或或同同时时安安装装两两只只传传感器信信号号采采集集分分析析仪仪用用于于测测试试过过程程的的控控制制、反反射射信信号号的的过过滤滤、放放大大、分分析析和和输输出出测测试试过过程程中中应应注注意意连连线线应应牢牢固固可可靠靠，线线路路全全部部连连接接好好后才能开机后才能开机8二基本二基本测试测试原理与波形分析原理与波形分析1广广义义波阻抗及波阻抗界面波阻抗及波阻抗界面设设桩桩身身某某段段为为一一分分析析单单元元，其其桩桩身身介介质质密密度度、弹弹模模、弹弹性性波波速、截面面波波速、截面面积积分分别别用用、E、C、A表示，表示，则则令令Z=CA=EA/C （7-1）称称Z为为广广义义波阻抗。

波阻抗的物理含波阻抗波阻抗的物理含义为义为：F=ZV式中，式中，F为为波波阵阵面所受的力，面所受的力，V为为波波阵阵面的面的质质点振点振动动速度当当桩桩身身的的几几何何尺尺寸寸或或材材料料的的物物理理性性质质发发生生变变化化时时，则则相相应应的的、E、C、A发发生生变变化化，其其变变化化发发生生处处称称为为波波阻阻抗抗界界面面界界面面上下的波阻抗比上下的波阻抗比值为值为 （7-2）称称n为为波阻抗比波阻抗比92应应力波在阻抗界面力波在阻抗界面处处的反射与透射的反射与透射设设一一维维平平面面应应力力波波沿沿桩桩身身传传播播，当当到到达达某某一一与与传传播播方方向向垂垂直直的的波波阻阻抗抗界界面面（图图7-2）时时根根据据应应力力波波理理论论，由由连连续续性性条条件件和和牛牛顿顿第三定律有第三定律有VI+VR=VT （7-3）A1（I+R）=A2T （7-4）式式中中，V、分分别别表表示示质质点点振振动动的的速速度度和和产产生生的的应应力力，下下标标I、R、T分分别别表示入射波、反射波和透射波表示入射波、反射波和透射波由波阻抗的物理含由波阻抗的物理含义义可写出：可写出：I=-ZVI/A=-1C1VI速度向下速度向下为为正，此正，此时产时产生生压应压应力，故式中有一力，故式中有一负负号。

号类类似有：似有：R=1C1 VR T=-2C2VT10代入式（代入式（7-4），得），得 1C1A1（VIVR）=2C2A2VT （7-5）联联立式（立式（7-3）和（）和（7-5），求得），求得VR=FVI （7-6a）VT=nTVI 7-6b）式中式中称称为为反射系数反射系数 （7-7a）称称为为透射系数透射系数 （7-7b）式式（7-6）是是反反射射波波法法中中利利用用反反射射波波与与入入射射波波的的速速度度量量的的相相位位关系关系进进行分析的重要关系式行分析的重要关系式113桩桩身不同状况下身不同状况下应应力波速度量的反射、透射与入射的关系力波速度量的反射、透射与入射的关系（1）桩身完好，桩底支承条件一般）桩身完好，桩底支承条件一般此此时时，仅仅在在桩桩底底存存在在界界面面，速速度度波波沿沿桩桩身身的的传传播播情情况况如如图图7-3所示12因因为为 1C1A1 2C2A2，所以，所以n=Z1/Z21，代入式（，代入式（7-7）得）得F0）由由式式（7-6）可可知知，在在桩桩底底处处，速速度度量量的的反反射射波波与与入入射射波波同同号号，体体现现在在V（t）时时程程曲曲线线上上，则则为为波波峰峰位位于于中中线线的的同同一一侧侧（同同向向）。

典型的完好典型的完好桩桩的的实测实测波形如波形如图图7-4由由图图7-3、图图7-4分分析析可可得得激激振振信信号号从从触触发发到到返返回回桩桩顶顶所所需需的的时时间间t1、纵纵波波速波波速C、桩长桩长L三者之三者之间间的关系的关系为为 （7-8）式式（7-8）即即为为反反射射波波法法中中判判断断桩桩长长或或求求解解波波速速的的关关系系式式在在式式（7-8）的的应应用用上上，应应已已知知C或或L之之中中的的一一个个，当当二二者者都都未未知知时时，有有无无穷穷个个解解，因因此此实实用用中中常常常常利利用用统统计计的的方方法法或或其其他他实实验验的的方方法法来来假假定定C或根据施工或根据施工记录记录来假定来假定L，以达到近似求解的目的以达到近似求解的目的13（2）桩身截面积变化）桩身截面积变化1）Ll处桩截面减小如图处桩截面减小如图7-5，可知在，可知在Ll处有处有n=Z1/Z2=A1/A21可可得得F0于于是是有有：VR与与VI同同号号，而而VT恒恒与与VI同同号号典典型型的的波波形形如如图图7-6所所示示假假定定C为为已已知知，则则桩桩长长和和桩桩截截面面减减小小的的位位置置可可以以确确定如下：定如下：142）Ll处处截面增大。

如截面增大如图图7-7，可知在，可知在Ll处处n=Z1/Z2=A1/A20可可得得结结论论：截截面面积积增增大大处处，VR与与VI反反号号，而而VT恒恒与与VI同同号号典典型型的的波波形形如如图图7-8所所示示桩桩长长和和桩桩截截面面变变化化的的位位置置可可以确定如下：以确定如下：15（3）桩身断裂）桩身断裂1）桩桩身身在在L1处处完完全全断断开开如如图图7-9，Z2相相当当于于空空气气的的波波阻阻抗抗，有有Z20，于是得，于是得n=Z1/Z2=A1/A2由式（由式（7-7）得）得F=1，T=0代入式（代入式（7-6a）和（）和（7-6b），可得），可得VR=VI，VT=0即即应应力力波波在在断断开开处处发发生生全全反反射射，由由于于透透射射波波为为零零，故故应应力力波波仅仅在上部多次反射而到不了桩底在上部多次反射而到不了桩底典型的实测曲线如图典型的实测曲线如图7-10所示断裂的位置可按下式确定：所示断裂的位置可按下式确定：16172）桩桩身身在在L1处处局局部部断断裂裂（裂裂纹纹）如如图图7-11，典典型型V（t）曲曲线线如如图图7-12Ll处处反反射射信信号号与与L处处（桩桩底底）反反射射信信号号的的强强弱弱，随随着着裂裂纹纹的严重程度而不同。

的严重程度而不同18（4）桩桩身局部身局部缩缩径、径、夹夹泥、离析泥、离析三三种种情情况况及及相相应应的的应应力力波波传传递递过过程程示示意意于于图图7-13中中，图图7-14是是实测实测波形对对此三种情况可分析如下：此三种情况可分析如下：1）缩缩径径：n1=Z1/Z2=A1/A21，F0所所以以：VR与与VI同同号号，VT与与VI同号n2=Z2/Z1=A2/A10所以：VR与与VI反号，反号，VT与与VI同号192）夹泥和离析：）夹泥和离析：20所所以以上上述述三三种种情情况况的的VR与与VI及及VT与与VI的的关关系系相相似似，实实测测中中的的波波形特征也极为类似桩长和缺陷位置等特征可根据图形特征也极为类似桩长和缺陷位置等特征可根据图7-14确定如下：确定如下：桩长桩长：缺陷位置：缺陷位置：缺陷范缺陷范围围：实实际际上上，由由于于L2处处的的反反射射信信号号在在返返回回桩桩顶顶时时又又经经过过L1处处的的反反射射与与透透射射，故故能能量量较较Ll处处的的一一次次反反射射弱弱，一一般般较较难难分分辩辩当当缺缺陷陷严严重重时时，桩桩底的反射信号也底的反射信号也较较弱另外，以上三种缺陷的的另外，以上三种缺陷的的进进一步一步鉴别鉴别可根据：可根据：根据地根据地质报质报告和施工告和施工记录记录以及以及桩桩型区分；型区分；21根据波形的光滑与毛糙情况区分；根据波形的光滑与毛糙情况区分；根据波速区分。