《高應變講義》PPT課件.ppt

培 訓 內 容,PDA基樁高應變動力檢測關鍵技術及曲線擬合 基樁無損試驗技術全面解決方案,PDA 基樁高應變動力檢測技術,韓 亮 歐美大地儀器設備有限公司 部門經理 巖泰高新技術顧問有限公司 總經理,提綱,高應變動力檢測基礎知識 高應變動力檢測現(xiàn)場操作 實測數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)解釋及計算 CASE法 CAPWAP法 實例分析,基礎知識,基本概念 樁的基礎知識 基本試驗過程,樁基類型,鋼樁 H型 鋼管樁 (端部開口或閉口) 混凝土樁 ( 預應力或常規(guī)的鋼筋混凝土樁 ) 木樁 復合樁 沿樁長均勻材質 (充填混凝土管樁) 沿樁長不均勻材質 鉆孔樁和螺旋鉆孔樁,基本概念,應力波概念及基礎知識 應力波 振動與波動 反射波 波阻抗 反射系數(shù) 自由端和固定端反射波 基本假定：一維、彈性、連續(xù)、桿,應力波概念和基礎知識,一均勻彈性直桿的一端（如左端）受到錘擊作用，使直桿左邊質點向右，直桿最左邊一層產生壓縮彈性力阻攔從左邊跑來的質點，并給予跟最左邊一層相鄰的右邊質點以朝左的速度。因此變形將在最左邊的一層中消失，而在緊挨著的右邊一層中產生，這樣桿最左端受到的擾動就由近及遠向右邊傳播過去。這種擾動傳播現(xiàn)象稱為應力波。 擾動引起介質質點運動方向與應力波的傳播方向一致，稱為縱波-壓縮擾動和拉伸擾動。 介質質點運動方向與應力波的傳播方向垂直，稱為橫波-剪切擾動。 介質質點縱向運動和橫向運動耦合起來的應力波-表面波。,波動與振動,在波動過程中，沿波傳播方向，后一被擾動的質點的振動相位總是滯后于相鄰的前一個被擾動的質點，這是波動的一個重要特征。如果介質所有質點振動相位都相同，則為全部質點作整體的振動，而不是波動。波動過程中介質中各個質點都只在各自平衡位置附近作振動，它們并不隨波動過程傳到遠處，被傳播的只是擾動狀態(tài)，而不是振動的質點。因此波動與振動密切相關，但兩者是兩種不同物質運動形式，不可混為一談,反射波,波阻抗 Z=AC=EA/C 其中：A橫截面積 質量密度 E彈性模量 C平均波速 阻抗的變化是反射波的基礎和前提,反射波,應力波在阻抗變化界面上反射 根據(jù)連續(xù)條件，界面兩側質點速度相等 Vi+Vr=Vt 根據(jù)牛頓第二定律，界面兩側應力相等 i+r=t 通過推導，可得r=R i Vr=-RVi 反射系數(shù) R=（1-n）/（1+n） n=Z1/Z2 當n1即Z1Z2時，R為負，反射波引起的質點速度與入射波引起質點速度同號，反射波應力與入射波應力異號； 當n1即Z1Z2時，R為正，反射波引起的質點速度與入射波引起質點速度異號，反射波應力與入射波應力同號；,自由端 R = 0,沖擊作用產生,向下傳播的壓縮波 (+F = +Zv),自由端受到的力為零,自由端反射向上傳播的拉伸波 (-F = +Zv),自由端 +F -F = 0 v +v = +2 v 樁端向下運動，2L/c時刻拉動樁頂向下,+F +v (向下),-F +v (向下),極端狀態(tài)1-兩端自由,F v,+F +v,-F +v,樁底力為零，樁頂和樁底速度加倍,極端狀態(tài)1-兩端自由,固定端 R 2F,沖擊作用產生,向下傳播的壓縮波 (+F = +Zv),固定端運動速度為零,產生上行的壓縮波 (+F = -Zv),固定端 +F +F = +2 F +v -v = 0,+F +v,+F -v (向上),極端狀態(tài)2-一端固定一端自由,+F +v,+F -v (向上),固定端速度為零，樁底和樁頂力加倍,極端狀態(tài)2-一端固定一端自由,靜載試驗,堆載反力,錨樁反力,測試系統(tǒng)要求：靈活、小型化 不同的樁基類型 不同的樁基尺寸 需要運輸至現(xiàn)場,在瞬態(tài)荷載作用下，使樁土體系產生一定的塑性變形，其應變水平大于或等于靜載試驗的動力試樁稱為基樁高應變動力試樁。 距離樁頂一定距離對稱安裝力傳感器和加速度傳感器，量測并記錄樁土系統(tǒng)的動力作用響應信號。,高應變試驗,打樁監(jiān)控試驗,由實測應變 ( )得到力F F (t) = E A (t) 由實測加速度得到速度V V (t) = a(t) dt,基樁動測,F -Z.V,試驗目的,單樁豎向極限承載力 保證（或試驗）承載力-未充分激發(fā) 樁身結構完整性 打樁監(jiān)控 樁身錘擊應力狀態(tài)及其分布-壓應力和拉應力 樁身錘擊能量傳遞比-樁錘實際傳遞給樁的能量 承載力時間恢復系數(shù)-初打試驗與復打試驗 主要目的：承載力單樁豎向承載力,波動傳播,樁頂,樁底,波動傳播,下行波,樁頂,樁底,下行波 F+, V+ ( F-, V- ) (同號) F = Zv,波動傳播,上行波（反射）,樁頂,樁底,上行波 F+, V- F-, V+ (反號) F = - Zv,T,T + t, = / L = v t / c t, = v / c, = E = v E / c,F = A = EA = v EA / c F = v EA / c,應變的比例性或FT1和VT1成比例 對于下行波 = v / c 對于上行波 = - v / c FT1 = VT1 x EA/c 樁身阻抗 “EA/c” = c A = “Z”,下行波 F = （F + ZV）/ 2 上行波 F =（F ZV）/ 2,F = F + F V = V + V ZV = ZV + ZV ZV = F - F,F = Zv F = -Zv,WU -WD,樁身中任意點的力和速度 都是上行波和下行波的疊加,+F +v,-F +v,易打階段,+F +v,+F -v,難打階段,易打階段,難打階段,下行波 = ( F + Zv ) / 2 = WD 上行波 = ( F - Zv ) / 2 = WU F = WD + WU V = ( WD - WU) / Z,沖擊作用,下行壓力波 (+F = +Zv),激發(fā)的土阻力 (R),結果下行拉力波和上行壓力波，數(shù)值均為R/2,R,R,+F +v,“固結”,高應變現(xiàn)場試驗,打樁監(jiān)控試驗,高應變動力檢測,試驗儀器,PDA包括兩種類型：PAK和PAL PAL-PAL-L和PAL-R,采集及分析軟件,PDA-W CAPWAP,試驗準備-樁頭處理,打入樁-一般無需特殊處理 灌注樁-需制作樁帽 樁帽截面尺寸與原樁身相同，高度一般12D 去除樁頂軟弱混凝土，露出新鮮砼面并鑿平； 將所有主筋接至頂端，各主筋處于同一高度； 使用鋼板護筒，頂部設置3層鋼筋網片，間距100mm；網片下每隔100mm設置箍筋； 混凝土強度等級比原樁身至少提高1個等級且不低于C30。,傳感器安裝,對稱且同一檢測截面 垂直安裝 加速度傳感器極性,至少2個應變傳感器，補償偏心影響 沿軸中心對稱安裝 若要評價兩個方向的偏心情況，需要4個應變傳感器,使用膨脹螺栓和量板鉆孔固定應力環(huán)加速度計，兩傳感器間距510cm,壓電式PE加速度傳感器 通常堅固耐用 用于一般情況 (混凝土樁或鋼樁) 壓阻式PR加速度傳感器 用于鋼對鋼的沖擊 (也可用于混凝土樁),PE加速度傳感器具有高共振頻率，而無阻尼 PR加速度傳感器具有低共振頻率，帶有阻尼,加速度傳感器,樁頂下2 倍樁徑處,傳感器安裝需要注意,遠離非均勻處 (如接樁、焊接處或面積變化處; 最好在其下大于1 D) 避免安裝至“裂縫”處 (縫隙會產生錯誤的應變讀數(shù)) 處于地面或水面以上 接頭處于水面以上 復合樁（如充填混凝土管樁）是否需要切割窗口,對于摩擦樁來講，錘重最低為Qu的1% 一般為Qu的1.52% 錘墊厚度一般約50mm（膠合板為佳） 根據(jù)實測應力情況控制落高，不能出現(xiàn)有破壞性的應力；重錘低擊原則,錘重、錘墊及落高,CT,交流電干擾-使用直流電供電,V1 安裝傾斜降低幅值,數(shù)據(jù)采集時傳感器安裝對信號的影響,平均的力成比例且合理，2個力傳感器可以補償較大的偏心,錘擊過程如果對中不好會產生嚴重的偏心,即使大的偏心，兩道速度曲線一致性很好,兩道速度曲線一般重合性較好,樁身參數(shù) (傳感器位置) 面積 “直徑” (傳感器位置和周長) 測點下樁長 材料參數(shù) 質量密度 SP 彈性模量 EM 平均波速 WS EM = c2 = (SP / g) WS2 (注意單位!) 入土樁長 LP （用于CAPWAP分析） 均勻樁身或非均勻樁身-樁身阻抗變化,現(xiàn)場試驗輸入?yún)?shù),一般樁身材料參數(shù),英制 公制 米制,平均波速WS的確定,起跳點-起跳點法 峰-峰法,起跳點,峰值,起跳點-起跳點法 峰-峰法,?,?,問題: 高摩擦力-早期卸載 無清晰的樁底反射位置,VT1 x Z = 6.62 x 141.6 = 937 FT1 = 1014 Z新 = Z老 x 937 / 1014 = 130.8,解決辦法: 根據(jù)經驗（或其他樁或EOD）定義WS,樁號、工程名 、復打和初打日期 錘擊信息，如錘重、落高 所需的承載力 (極限值還是設計值) 打入樁的垂直或傾斜情況 工程地質情況，如土層性質、分層及其力學性質 目測樁身材質情況 施工或測試中的一些不尋常情況 靜載試驗結果及日期 錘擊數(shù)或每擊貫入度,數(shù)據(jù)采集時應記錄如下信息，便于以后計算分析,實測數(shù)據(jù)問題一般出自下列方面 傳感器問題 電纜問題 傳感器安裝問題 樁身存在嚴重缺陷 傳感器標定系數(shù)問題 判斷問題,數(shù)據(jù)質量,如何發(fā)現(xiàn)問題? 各錘擊信號之間曲線一致性差 曲線比例性差 標定系數(shù)? 平均波速? ( = v/c ) 非均勻樁身? 傳感器靠近地面附近? 使用柴油錘? (預燃作用) 起跳時間長? (樁墊太軟) 計算結果不合理 觀察PDA“警告”信息并瀏覽每一道信號,比例性?,Proportional ?,數(shù)據(jù)質量,數(shù)據(jù)質量,F2應力傳感器松動,加速度傳感器松動,第二道加速度！,數(shù)據(jù)質量,V2道數(shù)據(jù)問題,比例不好,比例好,發(fā)現(xiàn)問題后需要作如下工作： 替換傳感器 替換電纜 修理有缺陷的傳感器和電纜 正確安裝傳感器 螺栓松動 沿樁中軸線對齊 使用2個應力傳感器補償偏心影響 加速度傳感器方向,小結,實測數(shù)據(jù)分析,1. 選擇記錄遵循 比例性好 無電子或機械噪音 經兩次積分得到的最終每擊貫入度接近實測貫入度且最終速度曲線為零 力曲線最終為零 上升時間短 2. 對于高土阻力的情況（每擊貫入度小于3mm/擊），選擇高能量/高打擊力的記錄；對于低土阻力的情況（每擊貫入度大于8mm/擊），選擇低能量/低打擊力的記錄,選擇記錄-解釋數(shù)據(jù)時須選擇質量好的數(shù)據(jù),檢查每一道信號: 適度的偏心 OK 兩道速度一般一致性非常好,確保輸入?yún)?shù)正確(LE, AR ),WS錯誤 (3800 m/s) 比例性? 起跳時間?,WS正確 (3300 m/s),對混凝土樁來講，波速和彈性模量非常重要,Wrong WS (3800 m/s),Correct WS (3300 m/s),實際測量的是2L/c時間 若已知L, 可計算c 若已知c, 可計算L 若拉伸反射清晰，可估算 樁長（由假設的c） 缺陷位置(由 c) 土阻力分布 (以第一起跳點為參考),CSX 259 MPa EMX 18.4 T-m,CSX 186 MPa EMX 9.8 T-m,樁底反射 不清晰,樁底反射 清晰,選擇打擊力和能量更高的記錄,WS 3911 m/s BN 3,WS 3911 m/s BN 2045,使用 或 調整 WC,WC 3556 m/s BN 2045,3911 m/s,波速是變化的,倒數(shù)第二錘信號: 比例性: OK 最終貫入度: 不太好,最后一錘信號: 比例性：OK 最終貫入度： OK 能量：OK,R,R / 2,上行波,提供Rs分布信息斜率越大表明單位側摩阻力越大,上行波,單位摩阻力分布,數(shù)據(jù)解釋,CASE法 CASE技術學院Goble教授等人經過十多年研究，以行波理論為基礎推導出一系列計算公式，用于確定打入樁（或符合或接近假設條件的鉆孔樁）承載力；同時現(xiàn)場打樁監(jiān)控試驗時可同時得到樁身完整性變化、樁身應力變化和錘擊能量傳遞等計算結果 CAPWAP法 實測波形擬合法假定樁土力學模型及其參數(shù)，利用實測樁頂（附近檢測截面質點）的速度（或力、上行波、下行波）曲線作為輸入邊界條件，數(shù)值求解波動方程，計算樁頂（附近檢測截面質點）的力（或速度、下行波、上行波）曲線。如果計算的曲線與實測的曲線不吻合，即假設的樁土模型或其參數(shù)不合理，然后根據(jù)具體情況調整模型及參數(shù)重新計算，直到計算曲線與實測曲線吻合。,CASE法承載力計算基本假設條件,Rs=RT-Rd 樁身等阻抗（截面積和材質均勻，無明顯缺陷） 動阻力主要集中于樁端，樁側無動阻力（即樁側不考慮阻尼影響） 剛-塑性土（靜）阻力模型 應力波在傳播過程中，只考慮土阻力的影響,CASE承載力-阻尼系數(shù)法RSP RS (t) = (1 - Jc) WD1 + (1 + Jc) WU2 RS (t) = (1 - Jc) (FT1 + ZVT1)/2 + (1 + Jc) (FT2 - ZVT2)/2 T2 = T1 + 2L/C,Jc阻尼系數(shù),砂礫,0.3,0.4,砂土,0.4,0.5,粘土,0.7,1.0,粉土,0.5,0.7,顆粒大小減小,阻尼系數(shù)增加,Jc阻尼系數(shù)的確定- RSP受Jc影響很大,經驗地根據(jù)樁端土的顆粒大小確定 根據(jù)CAPWAP結果或靜載試驗結果確定 Rs = (SLT or CW) = Rt - Jc (2 WD1 - Rt ) Jc = Rt - Rs / 2 WD1 - Rt ,阻抗均勻的中小型樁,CASE承載力-最大阻力法 RMX,RX5,RP5,RMX 對阻尼系數(shù)J不敏感,端阻比重大的端承樁或端阻需較大位移高彈限的大直徑樁；剛塑性土模型不成立，向右移動t1找出Rs最大值； Jc系數(shù)由0.4到1.0 選擇高值，結果偏于保守,CASE承載力-卸載補償法RSU 考慮了“早期卸載”,出現(xiàn)卸載，將其一半添加給RT 以補償由于提前卸載造成RT減小,如果速度在2L/c前為負,則上部土阻力可能早期卸載 ，可使用卸載法,長摩擦樁,CASE承載力-自動法RAU和RA2,在樁端質點運動速度為零時，動阻力為零，有兩種與Jc取值無關的承載力計算方法，即RAU法和RA2法。 RAU法適用于樁側阻力較小的情況，在RMX法中已指出，樁頂位移的最大值滯后于速度的最大值的時間為tu,0，同理可推知樁端位移最大值也會滯后于樁端最大速度，在樁端速度變?yōu)榱愕臅r刻，RAU法計算出的土阻力顯然包含了端阻力的全部信息，因此RAU法適宜于端承型樁。 RA2法適用于摩擦樁，當樁端速度為零時，顯然端阻力得以充分激發(fā)，但樁身中上部可能土阻力已卸荷，RAU計算的承載力自然是樁上部土御荷后某一時刻的值，顯然小于土的極限阻力，因此對摩擦型樁，特別是樁側摩阻力較大的樁，RAU法是偏于保守的。為此，Goble等人針對具有一定摩阻力的樁提出另一種自動計算承載力的方法RA2。,CASE法的局限性, 假設條件苛刻且樁土模型理想化，與工程樁 實際差別較大，計算結果的可靠性降低 Case法阻尼系數(shù)Jc為地區(qū)性經驗系數(shù)，物理意義不明確，取值的人為因素較多，需要通過動、靜對比試驗來確定。 樁身阻抗有較大變化時，CASE法無法考慮，嚴重影響計算結果。 Case法不能將樁側摩阻力與樁端承力分開，且不能得到樁側摩阻力分布。,CAPWAP法 CAse Pile Wave Analysis Program CAPWAP 自從1969年誕生 自1974年開始計算機自動擬合 交互式擬合 自1988年開始自動擬合和交互式擬合,1 建立樁模型及假設土模型(R樁側和R樁端),R樁側,R樁端,5 返回步驟2,4 調整R樁側和R樁端,3 計算Fc實測的Fm進行比較,2 使用一條實測曲線(如速度vm)計算另一條曲線（如力Fc）,vm,Fc,Fm,第一次擬合 (差),最終擬合結果 (好),參數(shù)調整, 實際上是一迭代計算過程,CAPWAP 擬合可由計算機 以完全自動方式完成,CAPWAP樁身模型,Zi-1,Zi+1,Zi,Li,劃分成一系列均勻的樁段，通常約為1m長,t =Li/ci,所有樁段的應力波旅行時間t相同 (一般約0.2 0.25 ms),對每一樁段來講，樁身阻抗Zi = EiAi/ci ，ci波速,CAPWAP土模型,樁側土模型 樁端土模型 輻射阻尼模型,土模型,土段長度 2 m,彈簧(靜阻力模型) 阻尼壺 (動阻力模型),樁段長度 1 m,Ri=Rdi+Rsi,mt,Rui, qi,Rt, qt,Ji,JT,JSK,JBT,mPL,樁側阻力,tG,ms,RNs,RNs-1,土阻力模型,mt,Rui, qi,Rt, qt,Ji,JT,JSK,JBT,mPL,樁側阻力,tG,ms,RNs,RNs-1,CAPWAP 土阻力模型,mt,Rui, qi,Rt, qt,Ji,JT,JSK,JBT,mPL,樁側阻力,tG,ms,RNs,RNs-1,CAPWAP 土阻力模型,通常 不用,樁側土靜阻力模型,Sk,Rk,卸載水平 UNld（Ruk）,最大卸 載彈限 CSkn（QSkn）,最大加 載彈限 QSkn,極限 靜阻力 Ruk,重加載水平 LSkn（Ruk）,Ksk,us,Ru,s,Rs,彈限, qs,樁側土靜阻力模型,Ru,n UN = -Ru,n/Ru,s,卸載彈限, qs cs,Rs,Rs,ut,Ru,t,Rt,彈限, qt,樁端靜阻力模型,卸載彈限 qt ct,樁底土隙: tg,動阻力模型: Rd = Jv v Rd = JCase Z v = JSmith Ru v,樁段速度 v,阻尼系數(shù)轉換公式: JSmith = Jv /Ru JCase = Jv /Z JSmith = JCase Z / Ru,Rd,V,CAPWAP總的未知數(shù),Rui: NS 樁側+1樁端,Ji: NS 樁側 +1 樁端,qi: NS 樁側 +1 樁端,1 樁側 + 1 樁端卸載彈限系數(shù),1 樁側卸載水平 + 1樁端土塞 + 1樁端土隙,1 樁端阻尼選擇 + 4 輻射阻尼模型參數(shù),未知數(shù)總共：3 NS + 13,如一根長度20m的樁，則總共有43個未知數(shù),CAPWAP標準未知數(shù),主要參數(shù) Rui: NS 樁側 +1 樁端 Ji: 1 樁側 +1 樁端 qi: 加載 - 1 樁側 +1 樁端,卸載彈限 - 1 樁側 +1 樁端 + 1 樁側卸載水平,未知數(shù)總共：NS + 8,對于入土長度20m的樁: 18個未知數(shù),擬合收斂標準,各土層側阻力及阻力分布符合巖土工程合理范圍 擬合質量 四個時段 MQ=Fc-Fm/ Fp 錘擊數(shù)擬合 計算的錘擊數(shù)與現(xiàn)場實測的錘擊數(shù)進行比較,推薦的擬合過程,1. 數(shù)據(jù)輸入: 選擇正確的實測記錄 2. 數(shù)據(jù)調整（通常自動完成） 3. 建造樁模型（通常自動完成） 4. 運行自動CAPWAP擬合 5. 檢查并調整土阻力分布 6. 檢查阻尼參數(shù) 7. 檢查計算的錘擊數(shù) 8. 找到最好的擬合質量對應的計算結果 9. 輸出結果,對于大多數(shù)土來講，單位側摩阻小于 200 kPa 擬合每擊貫入度(如果“每擊貫入度差” 1 mm，將會影響結果) QT (+TG) 8 mm / blow )時不用SK,CAPWAP “準則”,CAPWAP實例,第一次擬合分析,輸入 F 擬合 F,輸入 F 擬合 v or,輸入 v 擬合 F or,上行波擬合,RU = 782 kips RT = 68 kips JS/JT = .05/.15 s/ft (JCS/JCT = .75/.22) QS/QT = .10/.12”,RU = 782 kips RT = 400 kips (提高樁端阻力),RU = 782 kips RT = 600 kips,RU = 782 kips RT = 705 kips JS/JT = .45/.02 s/ft (JCS/JCT = .75/.22) QS/QT = .10/.12”,上行波擬合,RU/RT = 782/705 kips JS/JT = .45/.02 s/ft (JCS/JCT = .75/.22) QS/QT = .10/.12”,RU/RT = 782/705 kips JS/JT = .30/.05 s/ft (JCS/JCT = .50/.76),RU/RT = 782/702 kips JS/JT = .29/.05 s/ft (JCS/JCT = .50/.76) (調整土阻力分布),Prev.,上行波擬合,RU/RT = 765/686 kips JS/JT = .28/.06 s/ft (JCS/JCT = .48/.82),RU/RT = 782/702 kips JS/JT = .29/.05 s/ft (JCS/JCT = .50/.76),RU/RT = 765/686 kips JS/JT = .26/.07 s/ft (JCS/JCT = .44/.97) QS/QT = .06/.12” 卸載參數(shù),可見：比較好的擬合結果,圖形輸出,數(shù)據(jù)表輸出,數(shù)據(jù)表輸出,Case法結果,附加表,CAPWAP需要注意的問題,信號選擇：復打試驗的最初一、二錘，采集質量要高。獲取高質量的、能客觀反映樁土力學性狀的測試信號是做好高應變動力試樁的關鍵環(huán)節(jié)。 樁、土參數(shù)的選擇：參考工程地質資料，均勻場地上參數(shù)取值的均衡性，符合工程常識，選擇的土模型與工程