樁的動測實驗技術(shù)

1、3樁的動測實驗技術(shù)樁的動測實驗技術(shù)l 樁身完整性檢測l 動測技術(shù)發(fā)展史l 概述概述樁基檢測的目的：樁基檢測的目的： 為樁基的設(shè)計提供合理的依據(jù)（試樁）為樁基的設(shè)計提供合理的依據(jù)（試樁） 檢驗工程樁的施工質(zhì)量，是否滿足設(shè)計或建筑物對樁基承載力的檢驗工程樁的施工質(zhì)量，是否滿足設(shè)計或建筑物對樁基承載力的要求（對工程樁抽樣檢測）要求（對工程樁抽樣檢測）基本要求：基本要求： 樁的平面位置與幾何尺寸；樁的平面位置與幾何尺寸； 樁的完整性與承載能力。樁的完整性與承載能力。單樁承載力檢測內(nèi)容：樁的垂直承載力、水平承載力、抗單樁承載力檢測內(nèi)容：樁的垂直承載力、水平承載力、抗 拔承載力。拔承載力。單樁完整性檢測參

2、數(shù)：樁身鋼筋混凝土波速、密實度。樁身界面尺單樁完整性檢測參數(shù)：樁身鋼筋混凝土波速、密實度。樁身界面尺寸變化，樁身缺陷位置、寸變化，樁身缺陷位置、 缺陷形式、缺陷程度，推算樁長及估缺陷形式、缺陷程度，推算樁長及估算鋼筋混凝土強度等級等。算鋼筋混凝土強度等級等。檢測技術(shù)方法：靜載試驗檢測技術(shù)方法：靜載試驗 動測試驗動測試驗動測技術(shù)發(fā)展史 樁的動測試驗方法在國外已有100多年的歷史，最早的動測方法就是在能量守恒定律的基礎(chǔ)上，利用牛頓撞擊定律，根據(jù)打樁時測得的貫入度來推算樁的極限承載力。 近代的動測技術(shù)是以應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。1931年伊薩克斯首先提出，樁頂受到樁錘擊后，沖擊能量是以波動形式傳

3、至樁底，因此可用一維波動方程來描述，但其解過于復(fù)雜，只能用于極簡單的邊界條件，因此難以進入實用階段。1938年?？怂棺髁撕芏嗪喕俣ê?，對打樁過程進行粗略分析，得出用于打樁分析的波動方程解答。1960年史密斯對打樁中貫入性狀進行了分析，并討論了樁錘，樁墊，樁帽，樁墊以及樁和土的模擬問題，定義了模擬中所涉及的全部參數(shù)，并從各種不同的應(yīng)用波動方程的打樁實例中，提出這些參數(shù)的建議值，從而使波動方程分析法開始進入實用階段。此后，國外許多學(xué)者在計算機編程，參數(shù)確定，可靠性研究以及波動方程法的實例應(yīng)用等方面做了大量的工作。動測技術(shù)發(fā)展史 20世紀70年代以來，以應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)的樁的動測技術(shù)在美國和歐洲又

4、有了新的發(fā)展。在計算程序上，出現(xiàn)了采用連續(xù)模型及特征線法的CAPWAP/C程序。在測試技術(shù)上也作了進一步的改進，并研制了新的樁基動測設(shè)備。 我國的動測樁技術(shù)起始于20世紀70年代末。1972年湖南大學(xué)的周光龍教授提出了“樁基參數(shù)動測法”，對開創(chuàng)我國樁的動測方法研究起來積極的推動作用。湖南大學(xué)振動研究室與四川省成都市城市建設(shè)研究所研制的“機械阻抗法”，也通過部級鑒定并獲得應(yīng)用。西安公路研究所和中國科學(xué)院電工研究所共同研究成功的“水電效應(yīng)法”也在1985年通過了部級鑒定。 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，中國建筑科技研究院地基所等單位吸取了國內(nèi)外動測樁先進技術(shù)，在動測樁方法技術(shù)上開展了多方面的研究，

5、為我國樁基動測技術(shù)作出了重要貢獻。樁身完整性檢測樁身完整性檢測 1.應(yīng)力波反射法 4.水電效應(yīng)法2.機械阻抗法3.共振法應(yīng)力波反射法 由于地質(zhì)，施工，技術(shù)等種種原因，部分樁存在著斷裂，緊縮，離析，夾泥，沉渣等嚴重影響樁基承載能力的缺陷。因此需要采取恰當?shù)姆椒ǔ闃訖z查工程的施工質(zhì)量，防止事故的發(fā)生。應(yīng)力波反射法 目前國內(nèi)采用的動測樁完整性方法有：反應(yīng)波反射法、水電效應(yīng)法、機械阻抗法、動力參數(shù)法、錘擊貫入法、共振法等，檢測樁身質(zhì)量的還有采用聲波測井等物探超聲技術(shù)。各種方法在工程中得到應(yīng)用，并能夠找到被工程驗證的實例。1.應(yīng)力波反射法的理論依據(jù)應(yīng)力波反射法的理論依據(jù)目前國內(nèi)應(yīng)用最廣的當屬應(yīng)力波反射法

6、，基本原理是借助于一維桿波動理論，將樁等價于一維桿，假定樁材料是均質(zhì)各向同性的，并遵循胡克定律，樁的橫截面保持為平面，而且每個截面上的應(yīng)力是均勻分布的，由于樁聲阻抗遠遠大于周邊土聲阻抗，所以不考慮樁周土的約束。一維波方程為：22221tuCxuEC 這里，表明波在樁身中以速度C傳播，這個速度就是樁身內(nèi)的縱波速度。應(yīng)力波反射法2. 應(yīng)力波反射法檢測技術(shù)應(yīng)力波反射法檢測技術(shù)1） 應(yīng)力波反射法系低應(yīng)變檢測方法，現(xiàn)場檢測示意圖如下圖：2）本方法適用于檢測混凝土樁的樁身完整性，判定樁身完整性類別及缺陷位置3）受檢樁樁身混凝土強度應(yīng)達到設(shè)計強度的70%，且不應(yīng)小于15MPa。受檢樁的樁長L與樁徑或截面邊長

7、d的比不宜大于50，且樁長不宜大于50m。超過有效檢測范圍時，應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定該方法的適用性。4) 檢測設(shè)備由傳感器、信號放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、記錄、處理、監(jiān)視系統(tǒng)以及激振設(shè)備和專用附件組成。應(yīng)力波反射法5）現(xiàn)場檢測前應(yīng)進行相關(guān)的準備工作。根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇合適的激振設(shè)備與傳感器。每次檢測前應(yīng)確保整個測試系統(tǒng)處于正常狀態(tài)。樁頭處理應(yīng)滿足以下要求：l樁頂易設(shè)計標高。l應(yīng)鑿去浮漿及破損部分，露出新鮮密實的混凝土，平整樁頭。l樁頭外露鋼筋不應(yīng)影響檢測工作的正常進行。l當樁頭與樁側(cè)混凝土墊層相連時，應(yīng)進行適當?shù)奶幚恚懦龎|層的干擾。6）根據(jù)樁徑大小，受檢樁宜布置二四個檢測點，每個檢測點記錄有效信

8、號數(shù)不宜少 于三個。應(yīng)力波反射法7）現(xiàn)場測試技術(shù)要求：（1）安裝傳感器應(yīng)根據(jù)激振和傳感器布點的要求，在樁頂分別剔出大小相宜且與樁縱軸垂直的平面作為傳感器安裝點；安裝傳感器位置應(yīng)清理干凈，傳感器安裝位置宜在離樁中心2/3半徑附近，且距離樁的主筋不宜小于50mm。對空心樁，傳感器安裝點、激振點與樁中心連線的夾角宜反復(fù)試驗后合理選擇。（2)實心樁的激振點位置宜選擇在樁中心附近，管樁或其他空心樁激振點與傳感器安裝點之間的相對位置易反復(fù)試驗后合理選擇；激振力方向應(yīng)垂直樁截面。 （3）測試時應(yīng)進行激振力方式和接收條件的選擇試驗，確定最佳激振方式和接收條件。應(yīng)力波反射法8)判定樁身完整性時，可以分為四類類：

9、測試信號有合理的樁底反射信號；樁底反射信號基本合理：實測波速在合理的范圍內(nèi)。 類：測試信號中樁身缺陷反射波幅值相對較弱；樁底反射信號基本合理；實測波速在合理的范圍內(nèi)。 類：測試信號中依反射信號和提供樁長計算的波速明顯偏離同類完整樁平均波速的15%以上；無合理的樁底反射信號。 類：測試信號中未見樁底反射，并出現(xiàn)多次幅值較強的同相，等間距反射信號或測試信號未見樁底反射，幅值明顯增強并以大低頻形式出現(xiàn)。應(yīng)力波反射法9）樁頭疏松或樁身有淺部缺陷時，可在處理掉樁頭疏松層或淺部缺陷后，重新檢測并評定其完整性類別，并在報告中注明。10）對于夯擴樁，人工挖樁，鉆孔擴底樁，應(yīng)考慮樁截面變化和護壁變化對測試信號的

10、影響，綜合分析波形，確定所檢測樁的完整性類別。11）出現(xiàn)下列情況之一，樁身完整性判定宜結(jié)合其他檢測方法進行：u實測信號復(fù)雜，無規(guī)律，無法對其進行準確評價。u對同一批樁，由樁長估算波速或由波速估算樁長，其估算值出現(xiàn)異常，且缺乏相關(guān)資料論證。u設(shè)計樁身截面漸變或多變，且變化幅度較大的混凝土灌注樁。u嵌巖端承型樁雖有明顯的樁底反射，但反射波卻與入射波相位相同。應(yīng)力波反射法樁身典型缺陷與波形特征分析樁身典型缺陷與波形特征分析 樁身缺陷可概括為：斷裂（錯位）、裂縫（裂紋、接縫、澆樁身缺陷可概括為：斷裂（錯位）、裂縫（裂紋、接縫、澆灌界面）、離析（松散、蜂窩、空洞）、縮頸、擴縮頸、夾泥、灌界面）、離析（松

11、散、蜂窩、空洞）、縮頸、擴縮頸、夾泥、沉渣及浮漿等八大類。七根模型樁如下，分別是：完整樁、擴頸沉渣及浮漿等八大類。七根模型樁如下，分別是：完整樁、擴頸樁、擴縮頸樁、縮頸樁、離析蜂窩樁、空洞擴底樁及縮頸裂縫樁。樁、擴縮頸樁、縮頸樁、離析蜂窩樁、空洞擴底樁及縮頸裂縫樁。如下圖所示：如下圖所示：應(yīng)力波反射法動測樁身完整性的幾個問題動測樁身完整性的幾個問題1）樁身質(zhì)量與樁身完整性）樁身質(zhì)量與樁身完整性樁身質(zhì)量需三種：樁身質(zhì)量需三種：樁身材料的均勻性樁身材料的均勻性 混凝土強度等級混凝土強度等級 單樁軸向抗壓、抗拉承載力及抗彎、單樁軸向抗壓、抗拉承載力及抗彎、 抗剪的強度。抗剪的強度。樁身完整性需三種：

12、樁身完整性需三種：樁身材料的均勻性樁身材料的均勻性 彈性波縱波波速彈性波縱波波速 樁身有無缺陷（缺陷位置、形式、樁身有無缺陷（缺陷位置、形式、 程度）程度）2）反射波檢測樁身完整性）反射波檢測樁身完整性 針對不同的問題，應(yīng)該應(yīng)用不同的針對不同的問題，應(yīng)該應(yīng)用不同的 理論作為其理論依據(jù)，理論作為其理論依據(jù)，如振動理論、反復(fù)反射理論等。如振動理論、反復(fù)反射理論等。樁身完整性檢測3）彈性波傳播速度與樁身混凝土強度的關(guān)系）彈性波傳播速度與樁身混凝土強度的關(guān)系4）類樁的鑒別與判定類樁的鑒別與判定四個判別因子：四個判別因子：波的能量衰減因子波的能量衰減因子 反射波強度因子反射波強度因子 波速比波速比 樁周

13、邊土對波的耗散因子樁周邊土對波的耗散因子5）樁身完整性的綜合評定）樁身完整性的綜合評定應(yīng)力波反射法機械抗阻法1.機械阻抗法是通過測試施加給樁的激勵（輸入）函數(shù)和樁的動態(tài)響應(yīng)函數(shù)來識別樁的動態(tài)特征。通過對樁的動態(tài)特征性的分析計算，即可判定樁身混凝土的澆注質(zhì)量，殘陷的類型及其在樁身中出現(xiàn)的位置。同時還可以估計樁的承載力。 我們把一個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的機械阻抗定義為：作用力與由此而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)之比機械抗阻的倒數(shù)即為機械導(dǎo)納機械抗阻法測量出導(dǎo)納曲線兩個諧振峰之間的頻差即可由下式計算樁長：2.測試方法：1）穩(wěn)態(tài)激振法 穩(wěn)態(tài)激振法的優(yōu)點是能量集中，試驗精度高，可以在現(xiàn)場試驗的過程中直接得到樁的導(dǎo)納特征曲線。缺點

14、是設(shè)備較為笨拙，攜帶不方便。機械抗阻法2）瞬態(tài)激振法瞬態(tài)激振法與穩(wěn)態(tài)試驗的原理是完全相同的，它也是測量樁的機械導(dǎo)納，描繪出隨頻率變化的導(dǎo)納曲線，通過對導(dǎo)線的識別和分析來評估樁的完整性和承載能力。由于其設(shè)備比較簡單，故應(yīng)用較廣泛。機械抗阻法3.測試結(jié)果的計算分析機械抗阻法1）根據(jù)f計算出的樁長Lm比實際的長度L小很多或測不出f。此時樁身可能出現(xiàn)斷裂，鼓肚或嚴重離析。這是由于樁身有大的缺陷和斷裂時，波動的傳播只在樁的中斷處以上的長度范圍之內(nèi)。這樣，就使測出的Lm值較短，而該值即為缺陷距離樁頂?shù)奈恢?。機械抗阻法2）導(dǎo)納的幾何平均值Nm大于理論值Nt和同一工地各樁的平均值很多。3）波在混凝土中的傳播速

15、度c03500m/s。4）樁的動剛度Kd小于同一工地各樁的平均值很多。5）樁的導(dǎo)納曲線與正常圓柱樁的典型曲線有較大的出入。6）樁的導(dǎo)納曲線各峰值有較大的差異而期間的f又有較大的差異。上述的各種情況往往是伴隨出現(xiàn)的，因而在判別樁可能出現(xiàn)的缺陷類型時，必須進行綜合分析，結(jié)合在多次測試中積累的經(jīng)驗和鉆探施工記錄進行驗證，方能做出符合實際情況的正確結(jié)論。機械抗阻法工程實例分析工程實例分析圖（a),(b) 是陜西寶雞坪頭渭河大橋1號墩上、下游兩樁的導(dǎo)納曲線。試通過圖形進行對樁進行分析？（a)中：d=1.5， Nm=0.53，L=17.75， Nt=0.5，Kd=746.1，Lm=17，c0=4733（b

16、)中：d=1.5， Nm=2.24，L=15.4， Nt=0.5，Kd=209，Lm=11.8，c0=4733機械抗阻法共振法1.定義： 共振法試樁、是用強迫振動方法使樁產(chǎn)個共振，并根據(jù)測得的共振頻率特性曲線來判斷樁的質(zhì)量、缺陷位置以及垂直和水平容許承載力等。2.共振法檢驗樁質(zhì)量的基本原理1）L即為完整樁的樁長或缺陷離樁頂?shù)木嚯x。2）檢驗方法： 求出樁的動剛度Kd。若某樁的動剛度顯著小于同一場地各樁Kd的平均值。則可判斷改樁存在質(zhì)量問題，或段樁，樁身有頸縮、或混凝土質(zhì)量低劣。平均運動速度N的大小來判斷樁的質(zhì)量。若某樁的N值顯著小于同一場地各樁的平均值。則可判斷改樁存在質(zhì)量問題共振法3.測試方法

17、實驗設(shè)備共振法共振法4.計算公式：1）有承臺時，根據(jù)速度的幅頻曲線得無阻尼共振頻率fn。按下式求得動剛度：2）有承臺時，根據(jù)位移的幅頻曲線得無阻尼共振頻率fm。按下式求得動剛度：3）無承臺時，根據(jù)速度幅頻曲線的低頻段上任意點得動剛度：（5-18）（5-19）共振法5.實例：共振法1）水電效應(yīng)法是由波動理論、檢測聲學(xué)、大電流脈沖放電和信號處理等技術(shù)相互滲透而成的新技術(shù)，其基本原理是樁質(zhì)量可由瞬態(tài)激勵所得的頻響函數(shù)來識別，用此可檢驗大直徑長樁和群樁的結(jié)構(gòu)完整性、缺陷位置、混凝土優(yōu)劣及承載力。2)水電效應(yīng)法的測試系統(tǒng)整體上來講由激振裝置、信號接收、記錄裝置及信息處理裝置等三大部分組成。 3）方法：震源是采用脈沖高壓放電，放電電極釋放出來的電能，使電極附近的水迅速升溫，汽化，從而產(chǎn)生較強的壓力波，使水電效應(yīng)在樁頭產(chǎn)生很高的脈沖力。水電效應(yīng)法水電效應(yīng)法信號的接收和記錄系統(tǒng) 該系統(tǒng)包括加速度傳感器、磁帶記錄儀等組成。傳感器距樁頂5-10cm , 放電電極距樁頂30cm , 兩者之間的水平距離也要在10cm 左右。由加速度傳感器接收測試信號, 隨之輸入到磁帶記錄儀, 從而完成信號記錄和儲存。信號分析處理系統(tǒng)將記錄在磁帶中的信號進行回放, 輸入給動態(tài)分析儀或頻譜分析儀, 進行FFT 運算,將其計算和分析結(jié)果經(jīng)D/A 模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出到示波器顯示圖形, 或