江蘇交通廳質(zhì)監(jiān)站基樁檢測講義.pptx

1、江蘇省交通廳工程質(zhì)量監(jiān)督站基樁檢測培訓 低應(yīng)變反射波法檢測講義 二九二月 編著1目 錄概 述第一章 交通工程基樁分類 1、按樁身材料分類 2、按成樁時對地基土的影響程度分類 3、按樁的功能分類 4、按成樁工藝分類2第二章 樁土體系的承載傳遞機理 1、豎向受壓荷載作用下的單樁 2、豎向抗拔荷載作用下的單樁 3、水平荷載作用下的單樁3第三章 交通工程常見樁的施工工藝 1、鉆（沖）孔灌注樁的施工 2、人工挖孔灌注樁的施工 3、預制鋼筋混凝土樁的施工 4、鋼樁的施工4第四章 常見的基樁質(zhì)量缺陷 1.、灌注樁常見質(zhì)量缺陷 2.、預制樁常見質(zhì)量缺陷5第五章 動力測樁的理論基礎(chǔ) 1、有關(guān)的基本力學概念 （1

2、）應(yīng)力與應(yīng)變 （2）有關(guān)的彈性常數(shù)（彈性模量） 2、彈性波的波動方程 3、彈性波的類型 （1）體波 （2）面波 （3）波速與各彈性模量之間的關(guān)系 4、彈性波的反射和透射 （1）垂直入射時反射波的形成 （2）垂直入射時透射波的形成 5、基樁動力檢測參數(shù)6第六章 反射波法動測技術(shù) 1、反射波法測樁原理 2、各類樁基缺陷的時程曲線波形特征 （1）混凝土預制樁的樁身缺陷時程曲線波形特征 （2）混凝土灌注樁的樁身常見缺陷時程曲線波形特征 3、實際基樁受土阻力作用和具有多個阻抗變化截面時樁頂接收到的速度響應(yīng)數(shù)值解7第七章 檢測儀器與設(shè)備 1、信號采集及處理儀規(guī)定 2、傳感器的性能規(guī)定 3、激振設(shè)備的規(guī)定8

3、第八章 現(xiàn)場檢測技術(shù) 1、檢測前準備工作 2、傳感器安裝規(guī)定 3、激振時的規(guī)定 4、檢測工作規(guī)定9第九章 檢測數(shù)據(jù)分析與判定 1、樁身波速平均值的確定 2、樁身缺陷位置的確定 3、需要注意的問題 4、樁身完整性類別判定的原則 5、檢測報告的內(nèi)容 6、工程實例10第十章 低應(yīng)變測試技術(shù)的狀況及問題討論 1、低應(yīng)變測試技術(shù)目前的狀況 2、檢測能力驗證 3、影響樁身缺陷反射波波形特征的因素 4、透射波能量損失與衰減 5、土層結(jié)構(gòu)在反射波時程曲線上的反映主要參考文獻11 概 述 近年來，隨著公路等級要求的提高，水運碼頭的擴展，對公路橋梁、水運碼頭建設(shè)的基礎(chǔ)提出了更高的要求。樁基礎(chǔ)已成為我國交通工程建設(shè)

4、中最重要的基礎(chǔ)形式，長樁、大直徑樁及單樁單柱的應(yīng)用已較為常見。樁基礎(chǔ)的質(zhì)量直接關(guān)系到工程建設(shè)的安危，因此樁基礎(chǔ)的質(zhì)量檢驗尤為重要。為加強公路工程和港口工程基樁動力檢測的管理，統(tǒng)一檢測方法及技術(shù)規(guī)定，確保檢測分析成果的質(zhì)量，中華人民共和國交通部制定了公路工程基樁動測技術(shù)規(guī)程JTG/T F81-01-2004和港口工程樁基動力檢測規(guī)程JTJ249-2001及港口工程基樁靜載荷試驗規(guī)程JTJ255-2002。 12 概 述 目前，基樁質(zhì)量檢測的兩項重要內(nèi)容主要為基樁的承載力檢測和樁身完整性檢測。其中基樁承載力檢測主要方法有單樁豎向抗壓（拔）靜載試驗、單樁水平靜載試驗、高應(yīng)變動測法，樁身完整性檢測方法

5、主要有低應(yīng)變反射波法、高應(yīng)變動測法、聲波透射法、取芯法等。 單樁豎向抗壓（拔）靜載試驗方法是確定單樁豎向抗壓（拔）極限承載力，判定工程樁豎向抗壓（拔）承載力是否滿足設(shè)計要求； 單樁水平靜載試驗是確定單樁水平臨界和極限承載力，判定工程樁水平承載力是否滿足設(shè)計要求以及確定淺層地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，以便分析工程樁在水平荷載作用下的受力特性；13 高應(yīng)變動測法主要分析樁側(cè)和樁端土阻力，推算單樁軸向抗壓極限承載力，檢測樁身缺陷位置、類型及影響程度，判定樁身完整性類別，試打樁及打樁應(yīng)力監(jiān)測； 低應(yīng)變反射波法是通過分析實測樁頂速度響應(yīng)信號的特征檢測樁身完整性，判定樁身缺陷位置及影響程度，判斷樁端嵌固

6、情況以及完整性類別； 概 述14 聲波透射法是通過預埋在樁身的聲測管，用聲測換能器的發(fā)射和接收，測出被測混凝土介質(zhì)的聲學參數(shù)，分析聲測管之間混凝土的缺陷位置及影響程度，判定樁身完整性類別；還可利用樁身鉆孔取芯檢測取芯孔周圍混凝土的缺陷及影響程度。 取芯法是利用鉆孔取芯機械設(shè)備，直接對樁身鉆孔取芯，檢測混凝土灌注樁的樁長、樁身混凝土的強度，樁底沉渣厚度和樁身完整性，判定或鑒別樁端持力層巖土性狀。 本次學習班，我僅對低應(yīng)變反射波法測樁的相關(guān)內(nèi)容分別闡述和低應(yīng)變反射波法測樁的具體方法作扼要講授。 概 述15第一章 交通工程基樁分類 樁是交通工程橋梁、港口基礎(chǔ)中的柱狀構(gòu)件，其基樁分類大致按制樁材料、對

7、地基土的影響、基樁功能、成樁工藝分類。 一、按樁身材料分類 1. 混凝土樁 混凝土灌注樁承載力高、剛度大、耐久性好，可承受較大的荷載；樁的幾何尺寸可根據(jù)設(shè)計要求進行變化，樁長不受限制，且取材方便，因此是當前各國廣泛使用的樁型。另一種為預制混凝土樁。 預制混凝土樁多為鋼筋混凝土樁，主要在工廠集中生產(chǎn)，強度等級一般為C30C60，截面邊長250600mm，單節(jié)長度幾米至十幾米，可以根據(jù)需要連接成所需樁長。為減少鋼筋用量、有效抵抗打樁拉應(yīng)力，提高樁身抗彎、抗裂和抗腐蝕的能力，又發(fā)展了預應(yīng)力鋼筋混凝土樁,目前我國的預應(yīng)力鋼筋混凝土樁多為圓形管樁。管樁按施加預應(yīng)力工藝的不同，分為先張法預應(yīng)力管樁和后張法

8、預應(yīng)力管樁兩種，強度等級PC和PTC樁為C60或C70，PHC樁為C80，直徑3001200mm，一般單節(jié)長度513m，節(jié)間連接主要采用電焊連接法，底樁一般采用十字形、錐形或開口型樁尖。 就地灌注混凝土樁就是在現(xiàn)場成孔后直接灌注混凝土而成的一種樁型。根據(jù)受力需要，樁身可放置不同深度的鋼筋籠，也可不配鋼筋。樁的直徑和長度可根據(jù)設(shè)計需要確定。 16第一章 交通工程基樁分類2鋼樁 主要分為鋼管樁、型鋼樁和鋼板樁三種。 鋼管樁由各種直徑和壁厚的無縫鋼管制成，不但承載力高，剛度大，而且韌性好，易貫入，具有很高的豎向承載能力和水平抗力；樁長也易于調(diào)節(jié)，接頭可靠，容易與上部結(jié)構(gòu)結(jié)合；但其價值昂貴（約為混凝土

9、樁的34倍），現(xiàn)場焊接質(zhì)量要求嚴格，使用時施工成本高。 型鋼樁與鋼管樁相比，斷面剛度小，承載能力和抗錘擊性能差，易橫向失穩(wěn)，但穿透能力強，沉樁過程擠土量小，且價格相對便宜，有重復利用的可能，常用斷面形式為H形和I形。 鋼板樁的承載力高，重量輕，可以打入較硬的土層和砂層，且施工方便，速度快，主要用于臨時支檔結(jié)構(gòu)或永久性的碼頭工程，常用斷面形式為直線型、U形、Z形、H形和管形。171非擠土樁 非擠土樁也稱置換樁，包括干作業(yè)挖孔樁、泥漿護壁鉆（沖）孔樁、套管護壁灌注樁、抓掘成孔樁和預鉆孔埋樁等。這類樁在成樁過程中，會把與樁體積相同的土排除，樁周土僅受輕微擾動，但會有應(yīng)力松馳現(xiàn)象，而廢泥漿、棄土運輸?shù)?/p>

10、可能會對周圍環(huán)境造成影響。 二、按成樁時對地基土的影響程度分類18二、按成樁時對地基土的影響程度分類 2部分擠土樁 包括開口鋼管樁、型鋼樁、鋼板樁、預鉆孔打入樁和螺旋成孔樁等。在類樁的成樁過程中，樁周土僅受到輕微擾動，其原始結(jié)構(gòu)和工程性質(zhì)變化不明顯。 3擠土樁 包括各種打入、壓入和振入樁，如預制方樁、預應(yīng)力管樁和封底鋼管樁和各種沉管式就地灌注樁。在這類樁的成樁過程中，樁周圍的土被壓密或擠開，土層受到嚴重擾動，土的原始結(jié)構(gòu)遭到破壞而影響到其工程性質(zhì)。當施工質(zhì)量好、方法得當時，擠土樁所提供的承載力較非擠土樁和部分擠土樁高。19三、按樁的功能分類 1抗壓樁 按樁的承載性狀可分為： （1）摩擦型樁：指

11、樁頂荷載全部或主要由樁側(cè)摩阻力承擔。根據(jù)側(cè)摩阻力分擔總荷載的比例，又可分為純摩擦樁和端承摩擦樁； （2）端承型樁：指樁頂荷載全部或主要由樁端阻力承擔。根據(jù)端阻力發(fā)揮的程度和分擔總荷載的比例，又可分為純端承樁和摩擦端承樁。無論是端承摩擦樁還是摩擦端承樁，其端阻和側(cè)阻分擔荷載的大小均與樁徑、樁長、樁周土層情況和持力層剛度有關(guān)。 2抗拔樁 主要用來承擔豎向上拔荷載，如船塢抗浮力樁基、送電線路塔樁基、易受風荷較大的橋梁樁基等等，其外部上拔荷載主要由樁側(cè)摩阻力承擔。 3水平受荷樁 主要用來承擔水平方向傳來的外部荷載，如承受地震或風所產(chǎn)生的水平荷載。港口碼頭工程用的板樁、基坑支護中的護坡樁等都屬于這類樁。

12、樁身剛度大小是其抵抗彎矩力的重要保證。 20四、按成樁工藝分類 1打（壓）入樁 主要指預制樁。成樁方法是按預定的沉樁標準，以錘擊、振動或靜壓方式將樁沉入地層至設(shè)計標高。為減小沉樁阻力和沉樁時的擠土影響，可輔以鉆孔沉樁或中掘方式沉樁，當?shù)貙又写嬖谟矈A層時，也可輔以水沖方式沉樁，以提高樁的貫入能力和沉樁效率。施工機械包括自由落錘、蒸汽錘、液壓錘和靜力壓樁機等。我國目前常見的打入樁有鋼筋混凝土預制樁和鋼樁，主要以柴油錘施打。21四、按成樁工藝分類 2就地灌注樁 直接在地基土上用鉆、沖、挖等方式成孔，就地澆注混凝土而成的樁。按成孔工藝主要分為： （1）鉆（沖）孔灌注樁：利用機械設(shè)備并采用泥漿護壁成孔或

13、干作業(yè)成孔，然后放置鋼筋籠、灌注混凝土而成的樁。鉆孔的機械有沖擊鉆、螺旋鉆、旋挖鉆等。它適用于各種土層，能制成較大直徑和各種長度，以滿足不同承載力的要求；還可利用擴孔器在樁底及樁身部位進行擴大，形成擴底樁或糖葫蘆形樁，以提高樁的豎向承載能力。同打入樁相比，鉆（沖）孔灌注樁施工工藝復雜，施工過程不易控制，易出現(xiàn)質(zhì)量問題，且成孔速度慢，工期長，當有泥漿護壁時，泥漿池占地大且污染環(huán)境。22四、按成樁工藝分類 （2）人工挖孔灌注樁：利用人工挖掘成孔，在孔內(nèi)放置鋼筋籠、灌注混凝土的一種樁型。相對鉆孔樁和沉管樁，挖孔樁的施工設(shè)備簡單，對環(huán)境的污染少，承載力大且單位承載力的造價便宜，適用于持力層埋藏較淺，地

14、下水位較深，單樁承載力要求較高的工程。這種樁對土層的適用性強，既可用在人工填土層、黏土層，粉土層、砂土層、碎石土層和風化巖層中，又可在黃土、膨脹土和凍土中使用。 （3）擠擴多支盤灌注樁：是在原有等截面混凝土樁基礎(chǔ)上，使用專用液壓擠擴支盤設(shè)備擠擴支盤機，經(jīng)高能量擠壓土體而成型支盤模腔，合理地與現(xiàn)有樁工機械配套使用，灌注混凝土而成的一種變直徑樁型。由于存在擠擴分支和承力盤的作用，該樁型的側(cè)阻和摩阻得到了較大提高，承載力也較其他灌注樁高。分支和承力盤宜在一般黏性土、粉土、細砂土、礫石、卵石和軟硬交互土層中成型，但不宜在淤泥質(zhì)土、中粗砂層及易液化砂土層中分支和成盤。23第二章 樁土體系的承載傳遞機理

15、樁的作用是將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞到深部較堅硬、壓縮性小的土層或巖土上。總體上可考慮按豎向受荷與水平受荷兩種工況來分析樁的承載性狀。 24一、豎向受壓荷載作用下的單樁 單樁豎向抗壓極限承載力是指樁在豎向荷載作用下到達破壞狀態(tài)前或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形所對應(yīng)的最大荷載，由以下二個因素決定：一是樁本身的材料強度，即樁在軸向受壓、偏心受壓或在樁身壓曲的情況下，結(jié)構(gòu)強度的破壞；二是地基土強度，即地基土對樁的極限支承能力。通常情況下，第二個因素是決定單樁極限抗壓承載力的主要因素，也是我們主要討論的問題。25 在豎向受壓荷載作用下，樁頂荷載由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力承擔，且側(cè)阻和端阻的發(fā)揮是不同步的，即樁側(cè)阻力

16、先發(fā)揮，先達極限，端阻后發(fā)揮，后達極限；二者的發(fā)揮過程反應(yīng)了樁土體系荷載的傳遞過程；在初始受荷階段，樁頂位移小，荷載由樁上側(cè)表面的土阻力承擔，以剪應(yīng)力形式傳遞給樁周土體，樁身應(yīng)力應(yīng)變隨深度遞減；隨著荷載的增大，樁頂位移加大，樁側(cè)摩阻力由上至下逐步被發(fā)揮出來，在達到極限值后，繼續(xù)增加的荷載則全部由樁端土阻力承擔。隨著樁端持力層的壓縮和塑性擠出，樁頂位移增長速度加大，在樁端阻力達到極限值后，位移迅速增大而破壞，此時樁所承受的荷載就是樁的極限承載力。由此可以看出，樁的承載力大小主要由樁側(cè)土和樁端土的物理力學性質(zhì)決定，而樁的幾何特征如長徑比，側(cè)表面積大小，樁的成樁效應(yīng)均會影響承載力的發(fā)揮。26 樁土體

17、系的荷載傳遞特性為樁基設(shè)計提供了依據(jù)，設(shè)計部門可根據(jù)土層的分布與特性，合理選擇樁徑、樁長、施工工藝和持力層，這對有效發(fā)揮樁的承載能力、節(jié)省工程造價具有十分重要的作用。 27 1側(cè)阻影響分析 從樁的承載機理來看，樁土間的相對位移是側(cè)摩阻力發(fā)揮的必要條件，但不同類型的土，發(fā)揮其最大摩阻力所需位移是不一樣的，如黏性土為510mm，砂類土為1020mm等等。大量實驗結(jié)果表明，發(fā)揮側(cè)阻所需相對位移并非定值，樁徑大小、施工工藝和土層的分布狀況都是影響位移量的主要因素。 成樁效應(yīng)也會影響到側(cè)摩阻力，因為不同的施工工藝都會改變樁周土體內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變場的原始分布，如擠土樁對樁周土的擠密和重塑作用，非擠土樁因孔壁側(cè)向

18、應(yīng)力解除出現(xiàn)的應(yīng)力松馳等等；這些都會不同程度的提高或降低側(cè)摩阻力的大小，而這種改變又與土的性質(zhì)、類別，特別是與土的塑性度、密實度和飽和度密切相關(guān)。一般來說，飽和土中的成樁效應(yīng)大于非飽和土的，群樁的大于單樁的。 28 樁材和樁的幾何外形也是影響側(cè)阻力大小的因素之一。同樣的土，樁土界面的外摩擦角會因樁材表面的粗糙程度不同而差別較大，如預制樁和鋼樁，側(cè)表面光滑，一般為1/31/2（為土的內(nèi)摩擦角），而對不帶套管的鉆孔灌注樁側(cè)表面非常粗糙，可取2/3。由于樁的總側(cè)阻力與樁的表面積成正比，因此采用較大比表面積（樁的表面積與樁身體積之比）的樁身幾何外形可提高樁的承載力。 隨樁入土深度的增加，作用在樁身的水

19、平有效應(yīng)力成比例增大。按照土力學理論，樁的側(cè)摩阻力也應(yīng)逐漸增大；但實驗表明，在均質(zhì)土中，當樁的入土超過一定深度后，樁側(cè)摩阻力不再隨深度的增加而變大，而是趨于定值，該深度被稱為側(cè)摩阻力的臨界深度。 對于在飽和黏性土中施工的擠土樁，要考慮時間效應(yīng)對土阻力的影響。樁在施工過程中對土的擾動會產(chǎn)生超孔隙水壓力，它會使樁側(cè)向有效應(yīng)力降低，導致在樁形成的初期側(cè)摩阻力偏小；隨時間的增長，超孔隙水壓力逐漸沿徑向消散，擾動區(qū)土的強度慢慢得到恢復，樁側(cè)摩阻力得到提高。 29 2端阻影響分析 同側(cè)摩阻力一樣，樁端阻力的發(fā)揮也需要一定的位移量。一般的工程樁在樁容許沉降范圍內(nèi)就可發(fā)揮樁的極限側(cè)摩阻力，但樁端土需更大的位移

20、才能發(fā)揮其全部土阻力，所以說二者的安全度是不一樣的。 持力層的選擇對提高承載力、減少沉降量至關(guān)重要，即便是摩擦樁，持力層的好壞對樁的后期沉降也有較大的影響；同時要考慮成樁效應(yīng)對持力層的影響，如非擠土樁成樁時對樁端土的擾動，使樁端土應(yīng)力釋放，加之樁端也常常存在虛土或沉渣，導致樁端阻力降低；擠土樁成樁過程中，樁端土受到擠密而變得密實，導致端阻力提高；但也不是所有類型的土均有明顯擠密效果，如密實砂土和飽和黏性土，樁端阻力的成樁效應(yīng)就不明顯。 30 樁端進入持力層的深度也是樁基設(shè)計時主要考慮的問題，一般認為，樁端進入持力層越深，端阻力越大；但大量實驗表明，超過一定深度后，端阻力基本恒定。 關(guān)于端阻的截

21、面效應(yīng)問題，一般認為隨樁截面的增大，樁端阻力的極限值變小。 端阻力的破壞模式分為三種，即整體剪切破壞、局部剪切破壞和沖入剪切破壞，主要由樁端土層和樁上覆土層性質(zhì)確定。當樁端土層密實度好、上覆土層較松軟，樁又不太長時，樁身一般呈現(xiàn)為整體剪切破壞，而當上覆土層密實度好時，則會呈現(xiàn)局部剪切破壞；但當樁端密實度差或處在中高壓縮性狀態(tài)，或者樁端存在軟弱下臥層時，就可能發(fā)生沖剪破壞。 實際上，樁在外部荷載作用下，側(cè)阻和端阻的發(fā)揮和分布是較復雜的，二者是相互作用、相互制約的，如因端阻降低的影響，靠近樁端附近的側(cè)阻會有所降低等等。 31 3常見的單樁荷載-位移（Q-s）曲線見圖2-1，它們反映了上述的幾種破壞

22、模式。 （1）樁端持力層為密實度和強度均較高的土層（如密實砂層、卵石層等），而樁側(cè)為相對軟弱土層，此時端阻所占比例大，Q-s曲線呈緩變型，極限荷載下樁呈整體剪切破壞或局部剪切破壞，如圖2-1(a)所示。這種情況常以某一極限位移Su確定極限荷載，一般取Su=4060mm；對于非嵌巖的長（超長）樁（L/D80），一般取Su=6080mm；對于直徑大于或等于800mm的樁或擴底樁，Q-s曲線一般也呈緩變型，此時極限荷載可按Su=0.05D(D為樁端直徑)控制。Qs(a)Qs(c)正常曲線Qs(b)正常曲線圖2-1 樁的破壞模式32 （2）樁端與樁側(cè)為同類型的一般土層，端阻力不大，Q-s曲線呈陡降型，

23、樁端呈刺入（沖剪）破壞，如軟弱土層中的摩擦樁（超長樁除外）；或者端承樁在極限荷載下出現(xiàn)樁身材料強度的破壞或樁身壓曲破壞，Q-s曲線也呈陡降型，如嵌入堅硬基巖的短粗端承樁；這種情況破壞特征點明顯，極限荷載明確，如圖2-1(b)所示。 （3）樁端有虛土或沉渣，初始強度低，壓縮性高，當樁頂荷載達一定值后，樁底部土被壓密，強度提高，導致Q-s曲線呈臺階狀；或者樁身有裂縫（如接頭開裂的打入式預制樁和有水平裂縫的灌注樁），在試驗荷載作用下閉合，Q-s曲線也呈臺階狀，如圖2-1(c)所示；這種情況一般也按沉降量確定極限荷載（同第（1）款中的規(guī)定）。 對于緩變型的Q-s曲線，極限荷載也可輔以其他曲線進行判定，

24、如取s-lgt曲線尾部明顯彎曲的前一級荷載為極限荷載。33 二、豎向抗拔荷載作用下的單樁 承受豎向抗拔荷載作用下的單樁承載機理同豎向受壓樁有所不同。首先抗拔樁常見的破壞形式是樁-土界面間的剪切破壞，樁被拔了或者是復合剪切面破壞，即樁的下部沿樁-土界面破壞，而上部靠近地面附近出現(xiàn)錐形剪切破壞，且錐形上體會同下面土體脫離與樁身一起上移。當樁身材料抗拉強度不足（或配筋不足）時，也可能出現(xiàn)樁身被拉斷現(xiàn)象。其次是當樁在承受豎向拉拔荷載時，樁-土界面的法向應(yīng)力比受壓條件下的法向應(yīng)力數(shù)值小，這就導致了土的抗剪強度和側(cè)摩阻力降低（如樁材的泊松效應(yīng)影響），而對復合剪切破壞可能產(chǎn)生的錐形剪切體，因其土體內(nèi)的水平應(yīng)

25、力降低，也會使樁上部的側(cè)摩阻力有所折減。34 樁的抗拔承載力由樁側(cè)阻力和樁身重力組成，而對上拔時形成的樁端直空吸引力，因其所占比例小，可靠性低，對樁的長期抗拔承載力影響不大，一般不予考慮。樁周阻力的大小與豎向抗壓樁一樣，受樁土界面的幾何特征、土層的物理力學特性等較多因素的影響；但不同的是，黏性土中的抗拔樁在長期荷載作用下，隨上拔量的增大，會出現(xiàn)應(yīng)變軟化的現(xiàn)象，即抗拔荷載達到峰值后會下降，而最終趨于定值。因而在設(shè)計抗拔樁時，應(yīng)充分考慮抗拔荷載的長期效應(yīng)和短期效應(yīng)的差別。如低矮橋梁等基礎(chǔ)由風荷載產(chǎn)生的抗拔荷載只有短期效應(yīng)，此時就可以不考慮長期抗拔荷載作用的影響，而對于承受巨大浮托力作用的船閘、船塢

26、、水面碼頭等基礎(chǔ)的抗拔樁基，因長時間承受拉拔荷載作用，因而必須考慮長期荷載的影響。 35 為提高抗拔樁的豎向抗拔力，可以考慮改變樁身截面形式，如可采用人工擴底或機械擴底等施工辦法，在樁端形成擴大頭，以發(fā)揮樁底部的擴頭阻力等等。 另外，樁身材料強度（包括樁在承臺中的嵌固強度）也是影響樁抗拔承載力的因素之一，在設(shè)計抗拔樁時，應(yīng)對此項內(nèi)容進行驗算。 36 三、水平荷載作用下的單樁 樁所受的水平荷載部分由樁本身承擔，大部分是通過樁傳給樁側(cè)土體，其工作性能主要體現(xiàn)在樁與土的相互作用上，即當樁產(chǎn)生水平變位時，促使樁周土也產(chǎn)生相應(yīng)的變形，產(chǎn)生的土抗力會阻止樁變形的進一步發(fā)展。在樁受荷初期，由靠近地面的土提供

27、土抗力，土的變形處在彈性階段；隨著荷載增大，樁變形量增加，表層土出現(xiàn)塑性屈服，土抗力逐漸由深部土層提供；隨著變形量的進一步加大，土體塑性區(qū)自上而下逐漸開展擴大，最大彎矩斷面下移，當樁本身的截面抗拒無法承擔外部荷載產(chǎn)生的彎矩或樁側(cè)土強度遭到破壞，使土失去穩(wěn)定時，樁土體系便處于破壞狀態(tài)。37 按樁土相對剛度（即樁的剛性特征與土的剛性特性之間的相對關(guān)系）的不同，樁土體系的破壞機理及工作狀態(tài)分為二類，一是剛性短樁，此類樁的樁徑大，樁入土深度小，樁的抗彎剛度比地基土剛度大得多，在水平力作用下，樁身像剛體一樣繞樁上某點轉(zhuǎn)動或平移而破壞；此類樁的水平承載力由樁周土的強度控制；二是彈性長樁，此類樁的樁徑小，樁

28、入土深度大，樁的抗彎剛度與土剛度相比較具柔性，在水平力作用下，樁身發(fā)生撓曲變形，樁下段嵌固于土中不能轉(zhuǎn)動；此類樁的水平承載力由樁身材料的抗彎強度和樁周土的抗力控制。38 對于鋼筋混凝土彈性長樁，因其抗拉強度低于軸心抗壓強度，所以在水平荷載作用下，樁身的撓曲變形將導致樁身截面受拉側(cè)面開裂，然后漸趨破壞；當設(shè)計采用這種樁作為水平承載樁時，除考慮上部結(jié)構(gòu)對位移限值的要求外，還應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫控制等級，考慮樁身截面開裂的問題；但對抗彎性能好的鋼筋混凝土預制樁和鋼樁，因其可忍受較大的撓曲變形而不至于截面受拉開裂，設(shè)計時主要考慮上部結(jié)構(gòu)水平位移允許值的問題。39 影響樁水平承載力的因素很多，包括樁的截

29、面剛度、材料強度、樁側(cè)土質(zhì)條件、樁的入土深度和樁頂約束條件等等；工程中通過靜載試驗直接獲得水平承載力的方法因試驗樁與工程樁邊界條件的差別，結(jié)果很難完全反映工程樁實際工作情況；此時可通過靜載試驗測得樁周土的地基反力特性，即地基土水平抗力系數(shù) （它反映了樁在不同深度處樁側(cè)土抗力和水平位移的關(guān)系，可視為土的固有特性），為設(shè)計部門確定土抗力大小進而計算單樁水平承載力提供依據(jù)。40 第三章 交通工程常見樁的施工工藝 一、鉆（沖）孔灌注樁的施工 包括泥漿護壁灌注樁和干作業(yè)螺旋成孔灌注樁兩種。 泥漿護壁鉆（沖）孔灌注樁的成樁方法分為反循環(huán)鉆孔法、正循環(huán)鉆孔法、旋挖成孔法和沖擊成孔法等幾種。 反循環(huán)鉆孔施工法

30、首先在樁頂設(shè)置護筒（直徑比樁徑大15%左右），護筒內(nèi)的水位高出自然地下水位2m以上，以確?？妆诘娜魏尾课痪３?.02MPa以上的靜水壓力，保護孔壁不坍塌。鉆頭鉆進過程中，通過泵吸或噴射水流或送入壓縮空氣使鉆桿內(nèi)腔形成負壓或形成充氣液柱產(chǎn)生壓差，泥漿從鉆桿與孔壁間的環(huán)狀間隙中流入孔底，攜帶被鉆挖下來的孔底巖土鉆渣，由鉆桿內(nèi)腔返回地面泥漿沉淀池；與此同時，泥漿又返回孔內(nèi)形成循環(huán)。這種方法成孔效率高、質(zhì)量好，排渣能力較強，孔壁上形成的泥皮薄，是一種較好的成孔方法。 41 正循環(huán)鉆孔施工法是由鉆機回轉(zhuǎn)裝置帶動鉆桿和鉆頭回轉(zhuǎn)切削破碎巖土，鉆進時用泥漿護壁、排渣。泥漿經(jīng)鉆桿內(nèi)腔流向孔底，經(jīng)鉆頭的出漿口射

31、出，帶動鉆頭切削下來的鉆渣巖屑，經(jīng)鉆桿與孔壁間的環(huán)狀空間上升到孔口溢進沉淀池中凈化。相對反循環(huán)鉆孔，該方法設(shè)備簡單，鉆機小，適用較狹窄的場地，且工程費用低，但對樁徑較大（一般大于1.0m），樁孔較深及容易塌孔的地層，這種方法鉆進效率低，排渣能力差，孔底沉渣多，孔壁泥皮厚，且?guī)r土重復破碎現(xiàn)象嚴重。 旋挖成孔施工法又稱鉆半鉆成孔施工法，分為全套管鉆進法和用穩(wěn)定液保護孔壁的無套管鉆進法，其中后一種方法目前應(yīng)用較為廣泛。成孔原理是在一個可閉合開啟的鉆斗底部及側(cè)邊鑲焊切削刀具，在伸縮鉆桿旋轉(zhuǎn)驅(qū)動下，旋轉(zhuǎn)切削挖掘土層，同時使切削挖掘下來的土渣進入鉆斗，鉆斗裝滿后提出孔外卸土，如此循環(huán)形成樁孔。旋挖法振動小

32、，噪聲低，鉆進速度快，無泥漿循環(huán)，孔底沉渣少，孔壁泥皮薄，但在卵石層（粒徑10cm以上）或黏性較大的黏土、淤泥土層中施工，則鉆進效率低。 42 沖擊成孔施工法是采用沖擊式鉆機或卷揚機帶動一定重量的鉆頭，在一定的高度內(nèi)使鉆頭提升，然后突放使鉆頭自由降落，利用沖擊動能沖擠土層或破碎巖層形成樁孔，再用掏渣筒或反循環(huán)抽渣方式將鉆渣巖屑排除；每次沖擊之后，沖擊鉆頭在鋼絲繩轉(zhuǎn)向裝置帶動下轉(zhuǎn)動一定的角度，從而使樁孔得到規(guī)則的圓形斷面。該方法設(shè)備簡單，機械故障少，動力水泵小，對有裂隙的堅硬巖土和大的卵礫石層破碎效果好，且成孔率較鉆進法高；但鉆進效率低（樁越長，效率越低），清孔較困難，易出現(xiàn)樁孔不圓、孔斜、卡鉆

33、等事故。 43 干作業(yè)螺旋鉆孔灌注樁按成孔方法可分為長螺旋鉆孔灌注樁和短螺旋鉆孔灌注樁兩種。這種樁成孔無需泥漿循環(huán)，施工時螺旋鉆頭在樁位處就地切削土層，被切土塊鉆屑通過帶有螺旋葉片的鉆桿不斷從孔底輸送到地表后形成樁孔。長螺旋鉆孔是一次鉆進成孔，成孔直徑較小，孔深受樁架高度限制；短螺旋鉆孔為正轉(zhuǎn)鉆進，提升后反轉(zhuǎn)甩土，逐步鉆進成孔，所以鉆進效率低，但成孔直徑和孔深均較大。兩種施工方法都對環(huán)境影響小，施工速度快，且干作業(yè)成孔混凝土灌注質(zhì)量有保證，但孔底或多或少留有虛土，影響樁的承載力，適用范圍限制也較多。近年來，長螺旋壓灌工藝也得到了應(yīng)用，這種工藝的要點是：在鉆至樁底標高后，一邊提鉆一邊通過高壓混凝

34、土輸送泵將混凝土壓入樁孔，只要鋼筋籠不是很長或很柔時，通過加壓、振動或下拽將鋼筋籠沉入已灌注混凝土的樁孔中，成樁效率和質(zhì)量均很高。 44 二、人工挖孔灌注樁的施工 指在樁位采用人工挖掘，手搖轱轤或電動葫蘆提土成孔，然后放置鋼筋籠，灌注混凝土而成的樁型。為確保人身安全，挖孔過程中必須考慮防止土體坍滑的支護措施，如采用現(xiàn)澆混凝土護壁、噴射混凝土護壁等等，一般是每挖1m左右作一節(jié)護壁，護壁厚度一般取1015cm，混凝土強度等級應(yīng)符合設(shè)計要求，一般不低于C15，有外齒式和內(nèi)齒式兩種，上下節(jié)護壁搭接長度宜為5075mm。挖孔樁樁徑一般為8002000mm，樁長不宜超過25m；當以強風化或中風化巖層作樁端

35、持力層時，樁底還可做成擴大頭，以充分發(fā)揮樁身混凝土強度，提高樁的承載能力；但挖孔樁施工人員勞動強度大，工作環(huán)境差，安全事故多，在地下水豐富的地區(qū)成孔困難甚至失敗。 45 三、預制鋼筋混凝土樁的施工 預制鋼筋混凝土樁包括普通鋼筋混凝土樁和預應(yīng)力鋼筋混凝土樁，按其外形可分為方樁、管樁、板樁和異型樁等，當前使用較為廣泛的是預制方樁和預應(yīng)力管樁。 預制方樁常用截面邊長200600mm，樁身混凝土強度等級C30C50，最高達C60，采用分節(jié)預制，常用單節(jié)長度225m，可在工廠或施工現(xiàn)場制作。預應(yīng)力管樁按制作工藝分為先張法和后張法兩種，其中先張法工藝較為常用。管樁按樁身混凝土強度等級分為PC、PTC（薄壁

36、）樁和PHC樁，前兩者為C60或C70，后者為C80。按抗裂彎矩和極限彎矩的大小又可分為A型、AB型和B型，其中A型最小，B型最大；常見的樁身有效預應(yīng)力約為3.56.0MPa。對一般的橋梁工程，采用A型或AB型管樁可抵消打樁引起的部分樁身拉應(yīng)力。管樁外徑3001200mm，壁厚60130mm，在工廠以離心法制成，常用單節(jié)長度415m。管樁沉入土中的第一節(jié)樁稱為底樁，底樁端部要設(shè)置一個樁尖，常用樁尖形式有十字形、圓錐形和開口形。 46 預制方樁節(jié)間連接方法主要有三種：焊接法、螺栓連接法和硫磺膠泥接樁法；預應(yīng)力管樁現(xiàn)在幾乎全部采用法蘭盤周圍電焊連接。 預制鋼筋混凝土樁的沉樁方法主要有錘擊法、振動法

37、、靜壓法及輔助沉樁法（如預鉆孔輔助沉樁法、沖水輔助沉樁法等），其中錘擊法和靜壓法是目前應(yīng)用最多的沉樁方法。47 錘擊法是利用打樁錘下落時的瞬時沖擊力沖擊樁頂，使樁沉入土中的一種施工方法，主要設(shè)備有打樁錘和打樁架。打樁錘分為落錘、氣動錘（壓縮空氣錘和蒸氣錘）、柴油錘（導桿式和筒式）和液壓錘，其中以銅式柴油錘用得最多；打樁架主要有滾筒式、軌道式、步履式及履帶式。施工時應(yīng)注意錘重、錘墊和樁墊的選擇以及收錘標準的確定，保證接頭焊接質(zhì)量。 靜壓法是以靜力壓樁機自重和樁架上的配重作反力，以卷揚機滑輪組或電動油泵液壓方式給樁施加荷載將樁壓入土中的一種施工方法。目前我國應(yīng)用較多的靜力壓樁機是液壓靜力壓樁機，既

38、可壓預制方樁，也可壓預應(yīng)力管樁，施壓部位不在樁頂而在樁身側(cè)面，即所謂的箍壓式。施工時要注意壓樁機及接樁方法的選擇，終壓控制條件可根據(jù)設(shè)計要求確定。48 四、鋼樁的施工 目前常用的鋼樁是鋼管樁和H型鋼樁。 鋼管樁主要采用螺旋焊接管和卷板焊接管兩種方法制作，直徑4003000mm，壁厚650mm，頂端和底端常設(shè)有環(huán)形加強箍以減少局部應(yīng)力過高造成的變形損壞。整根鋼管樁一般由一段下節(jié)樁、若干段中節(jié)樁和一段上節(jié)樁組成，樁段間及上節(jié)樁與樁蓋間均采用焊接方式連接；與預制鋼筋混凝土樁相同，樁錘尤其是柴油錘是鋼管樁沉樁的主要設(shè)備之一。對超長鋼管樁，沉樁必須選用重錘，必要時應(yīng)進行樁的可打性分析，以控制樁材的錘擊應(yīng)

39、力，了解樁的貫穿能力。施工時還應(yīng)根據(jù)工程特點、地質(zhì)水文條件、施工機械性能及設(shè)計條件確定沉樁方法，如樁的施工標高、打樁順序等。49 H型鋼樁在工廠一次軋制而成，斷面大都呈正方形，尺寸為200mm200mm360mm410mm，翼緣和腹板的厚度從926mm不等，重量為43231kg/m；樁體同樣由一段下節(jié)樁、若干段中節(jié)樁和一段上節(jié)樁組成；樁節(jié)間除焊接方式外，還可采用鋼板連接或螺栓連接。施工也主要采用樁錘（尤其是柴油錘）進行沉樁，但由于其錘擊性能比鋼管樁差，因而樁錘不能過大；考慮樁身有橫向失穩(wěn)的可能，施工時可采取在樁機導桿底端裝活絡(luò)抱箍等橫向約束裝置防止失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。 無論是鋼管樁還是H型鋼樁，錘

40、擊施工時均須注意以下幾個問題：要保證樁的垂直度，因樁身傾斜會影響樁的入土深度，錘擊時擾動地基土，嚴重的會造成樁的局部變形，甚至焊縫開裂、樁身折斷，所以保證樁的垂直度特別是第一節(jié)樁的垂直度對整個樁的施工質(zhì)量有重要影響；保證焊接時的對稱焊接和焊接質(zhì)量，以減少因不均勻收縮造成的上節(jié)樁傾斜；控制好收錘標準和打入深度，將樁的最終入土深度和最后貫入度結(jié)合起來進行沉樁。50 第四章 常見的基樁質(zhì)量缺陷一、灌注樁常見質(zhì)量缺陷 1鉆（沖）孔灌注樁 （1）對于有泥漿護壁的鉆（沖）孔灌注樁，樁底沉渣及孔壁泥皮過厚是導致承載力大幅降低的主要原因。 （2）水下澆注混凝土時，施工不當如導管下口離開混凝土面、混凝土澆注不連

41、續(xù)時，樁身會出現(xiàn)斷樁的現(xiàn)象，而混凝土攪拌不均、水灰比過大或?qū)Ч苈┧鶗a(chǎn)生混凝土離析。 （3）當泥漿相對密度配置不當，地層松散或呈流塑狀，或遇承壓水層時，導致孔壁不能直立而出現(xiàn)塌孔時，樁身就會不同程度的出現(xiàn)擴徑、縮頸或斷樁現(xiàn)象。 （4）鋼筋籠的錯位（如鋼筋籠上浮、扭曲或偏靠孔壁）也是這類樁經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)量問題。 （5）對于干作業(yè)鉆孔灌注樁，樁底虛土過多是導致承載力下降的主要原因，而當?shù)貙臃€(wěn)定性差出現(xiàn)塌孔時，樁身也會出現(xiàn)夾泥或斷樁現(xiàn)象。51 二、預制樁常見質(zhì)量問題 1鋼樁 （1）錘擊應(yīng)力過高時，易造成鋼管樁局部損壞，引起樁身失穩(wěn)。 （2）H型鋼樁因樁本身的形狀和受力差異，當樁入土較深而兩翼緣間的土

42、存在差異時，易發(fā)生朝土體弱的方向扭轉(zhuǎn)。 （3）焊接質(zhì)量差，錘擊次數(shù)過多或第一節(jié)樁不垂直時，樁身易斷裂。 522混凝土預制樁 （1）樁錘選用不合理，輕則樁難于打至設(shè)定標高，無法滿足承載力要求，或錘擊數(shù)過多，造成樁疲勞破壞；重則易擊碎樁頭，增加打樁破損率。 （2）錘墊或樁墊過軟時，錘擊能量損失大，樁難于打至設(shè)定標高，過硬則錘擊應(yīng)力大，易擊碎樁頭，使沉樁無法進行。 （3）錘擊拉應(yīng)力是引起樁身與開裂的主要原因。混凝土樁能承受較大的壓應(yīng)力，但抵抗拉應(yīng)力的能力差，當壓力波反射為拉伸波，產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度時，一般會在樁身中上部出現(xiàn)環(huán)狀裂縫。 （4）焊接質(zhì)量差或焊接后冷卻時間不足，錘擊時易造成在

43、焊口處開裂。 （5）樁錘、樁帽和樁身不能保持一條直線，造成錘擊偏心，不僅使錘擊能量損失大，樁無法沉入設(shè)定標高，而且會造成樁身開裂、折斷。 （6）樁間距過小，打樁引起的擠土效應(yīng)使后打的樁難于打入或使地面隆起，導致樁上浮，影響樁的端承力。 （7）在較厚的黏土、粉質(zhì)黏土層中打樁，如果停歇時間過長，或在砂層中短時間停歇，土體固結(jié)、強度恢復后就不易打入，此時如硬打，將擊碎樁頭，使沉樁無法進行。53 第五章 動力測樁的理論基礎(chǔ) 本章將討論彈性介質(zhì)中質(zhì)點振動和彈性波傳播規(guī)律的有關(guān)基本力學概念和數(shù)理模型的數(shù)學表達式、彈性波的類型、線彈性基樁介質(zhì)反射波、透射波的形成條件及其運動學和動力學特點等問題。 54 一、

44、有關(guān)的基本力學概念 （一）應(yīng)力與應(yīng)變 任何一種固體介質(zhì)在外力作用下，都會發(fā)生體積大小和形狀的變化，這種變化統(tǒng)稱為物體的形變。當外力去掉后，固體介質(zhì)又恢復到原來形狀的形變稱之為彈性形變（或稱應(yīng)變）。如果物體上的外力去掉后并不恢復原來的形狀，說明其已產(chǎn)生了殘余形變，這種形變稱之為塑性形變。55 自然界中絕大部分物體在外力作用下，既可以顯示出彈性，也可以顯示出塑性。重要的條件是決定于物體的物理性質(zhì)以及外力的大小和作用時間的長短。當外力很小且作用時間很短時（如低應(yīng)變基樁檢測），物體則可看成完全彈性體；反之，當外力很大，且作用時間較長于物體時（如高應(yīng)變基樁動力檢測），物體則克服彈性形變而產(chǎn)生了塑性形變。

45、 設(shè)有一線彈性基樁，長度l，樁徑為d，橫截面積為S（如圖5.1），該基樁受到一作用力F時，將被壓縮并在桿內(nèi)產(chǎn)生一個對抗外力使物體恢復原狀的內(nèi)力，該內(nèi)力垂直于基樁的橫截面，它的大小等于外力。單位面積上的法向內(nèi)力稱為法向正應(yīng)力，用T表示，則56 在彈性力學中把相切于單位面積上的內(nèi)力，稱為剪切應(yīng)力，用表示（如圖5.2）。 彈性介質(zhì)在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的體積和形狀的變化稱為應(yīng)變。在正應(yīng)力作用下，介質(zhì)體積發(fā)生變化（膨脹或壓縮），體積的相對變化稱為體應(yīng)變。llF圖5.1 物體的正應(yīng)力和正應(yīng)變ll圖5.2 物體的剪應(yīng)力和剪切變F57 體應(yīng)變是由線應(yīng)變組成的，線應(yīng)變是單位長度的伸長量，用表示 彈性介質(zhì)在剪應(yīng)力作用

46、下，形狀發(fā)生變化，稱作剪切應(yīng)變（或稱切應(yīng)變）。 （二）有關(guān)的彈性常數(shù)（彈性模量） 應(yīng)力與應(yīng)變之間的定量關(guān)系是根據(jù)虎克定律通過彈性常數(shù)將兩者聯(lián)系的。表征彈性體性質(zhì)的彈性常數(shù)主要有：揚氏模量（E）、剪切模量（）、體變模量（K）以及泊松比（）和拉梅常數(shù)（）。 1揚氏模量（E），表示圓形或柱體試件拉伸和壓縮時，應(yīng)力與應(yīng)變之比，即 2剪切模量（），表示試件受到剪切力作用時，剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變之比，即 式中，F(xiàn) ：剪應(yīng)力，a：相對切變58 3體變模量（K），表示固體受到各向均勻壓縮的情況下，所加壓力和體積相對變化之比，即 （5.5） 4泊松比（），表示試件橫向縮短和縱向伸長之比，即 （5.6） 5拉梅常數(shù)

47、（），這一系數(shù)只是為了簡化數(shù)學運算而引入的，其定義為： （5.7） 上述給出的五個參量，由彈性理論的研究表明，對于均勻的各向同性的介質(zhì)，其中任何一個參數(shù)，都可以用其他兩個參數(shù)表示出來，如： （5.8）59 總之，只要知道任意兩個彈性常數(shù)，其余彈性常數(shù)都能算出。 線彈性桿介質(zhì)中所受應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系如圖5.3所示?？梢钥闯觯攽?yīng)力不超過所謂比例極限時，T和有線性關(guān)系，當T超過比例極限，但不超過彈性極限時，物體完全表現(xiàn)為彈性性質(zhì)，這時T和已非線性關(guān)系，此范圍為非線彈性形變。當超過彈性極限后，物體將出現(xiàn)塑性形變。 60 二、彈性波的波動方程為了研究彈性波形成的物理機制和它的傳播規(guī)律，必須建立波的運動方

48、程，即波動方程。為了使討論內(nèi)容接近于基樁動測方面，我們只討論體積元受單向正應(yīng)力時所產(chǎn)生的縱波的波動方程。如圖5.4 沿自由支承細長桿縱波傳播示意圖如圖5.4有一自由支承的均勻的細長桿，桿頭受力后彈性波沿y方向傳播。先截取細長桿中一小段y來分析應(yīng)力應(yīng)變的情形，然后根據(jù)虎克定律和牛頓第二定律建立一維波動方程。 A(y)B(y+dy)udyu+duysTy圖5.4 沿自由支承細長桿縱波傳播示意圖61 設(shè)A、B為y軸上兩相鄰質(zhì)點的平衡位置，A點與原點的距離為y，B點與原點的距離為y+dy，它相當于細長桿中的一段介質(zhì)元AB，當長桿一端受力后，就會使桿內(nèi)質(zhì)點產(chǎn)生振動，振動的傳播就形成了波，設(shè)某時刻t，質(zhì)點

49、A在y軸上的位移為u，質(zhì)點B的位移即為u+du，這時介質(zhì)元AB的線應(yīng)變?yōu)?（5.9） 由于位移是距離和時間的二元函數(shù)，所以（5.9）式應(yīng)寫成偏微分的形式： （5.9） 當應(yīng)力小于彈性極限時，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為 （5.10） 62 根據(jù)牛頓定律，質(zhì)量為m的質(zhì)點某時刻在y軸上的合力為 （5.11） 式中 顯然， （5.12） 考慮到介質(zhì)元兩截面上某時刻受到的合力： （5.13） 經(jīng)（5.12）和（5.13）兩式比較運算之后，可得 （5.14） 63 將（5.10）式代入，可得位移u的一個波動方程： 或 （5.15） 還可寫成： （5.16） 式中C是縱波沿細長桿傳播的速度 （5.17） 由于上述波

50、動方程討論的彈性縱波只沿一個方向傳播，故稱為一維波動方程。求解這個偏微分方程，就可以研究波在傳播過程中隨y、t變動的波動函數(shù)，即可知道桿中任一點任一時刻的位移和波沿細長桿傳播的全部狀況。64對于剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變的情況，可用同樣的方法得到其波動方程： 及 （5.18） 式中Cs為橫波的傳播速度： （5.19） 65 三、彈性波的類型 彈性波的類型分兩類：即體波和面波。體波在整個介質(zhì)內(nèi)部傳播，有縱波和橫波；面波是沿著介質(zhì)的自由面或界面?zhèn)鞑?，有瑞利波、勒夫波、板波、扭轉(zhuǎn)波等。 （一）體波 1縱波 彈性介質(zhì)在受到壓應(yīng)力或拉應(yīng)力作用時所產(chǎn)生的波動稱為縱波。介質(zhì)壓縮時質(zhì)點彼此靠近，形成壓縮帶或密集帶；介

51、質(zhì)拉張時質(zhì)點彼此疏遠，形成膨脹帶或拉伸帶，波的傳播就由壓縮帶和拉伸帶的序列所組成。它的質(zhì)點位移和波傳播方向一致。光波和聲波均為縱波?？v波可以在任何介質(zhì)（固體、液體、氣體）中傳播?？v波傳播引起的質(zhì)點運動見圖5.5。662橫波彈性介質(zhì)受到剪應(yīng)力而產(chǎn)生剪切應(yīng)變時所產(chǎn)生的波動就是橫波。橫波的質(zhì)點振動方向與波傳播方向垂直。橫波又稱為切變波，它僅能在固體中傳播。（二）面波面波也稱表面波，它是沿介質(zhì)表面或沿自由界面?zhèn)鞑サ牟āＭǔＣ娌ǖ哪芰考性诮缑娓浇?，面波的振幅隨深度的增加按指數(shù)規(guī)律很快衰減，面波的傳播速度是隨周期（頻率）而變化的，這種現(xiàn)象稱之為面波的頻散（波散）。67面波由于質(zhì)點振動的軌跡不同，可分為瑞

52、利（Rayleigh）波（記作LR）和勒夫（Love）波（記作LQ）兩種基本類型。1瑞利波是質(zhì)點縱向振動和橫向振動的不同程度的組合，它的軌跡是沿著波引進的垂直平面內(nèi)作逆橢圓形運動。2勒夫波是在層狀介質(zhì)覆蓋于較高速度的半空間時產(chǎn)生的，波在表層里沿水平方向傳播。質(zhì)點運動方向垂直于波的傳播方向。68（三）波速與各彈性模量之間的關(guān)系69 表5.1給出了無限介質(zhì)內(nèi)及有限介質(zhì)內(nèi)的波速與彈性常數(shù)間的關(guān)系.有限及無限體的劃分由波長所決定。波長的定義是彈性波在一個振動周期T內(nèi)所傳播的距離，如果波速為C則波長有 （5.20） 當固體尺寸被視為無限體（介質(zhì)），這時在固體內(nèi)可產(chǎn)生純縱波及純橫波以及沿自由表面?zhèn)鞑サ谋砻?/p>

53、波。當固體尺寸滿足一定條件時有可能產(chǎn)生板波（蘭姆波）或扭轉(zhuǎn)波及拉伸波（桿內(nèi)的縱波）。由表（5.1）可見這些波的波速是不同的。因此，在試樣（巖樣、混凝土試樣）測試時由于尺寸小，當使用高頻進行測試，且滿足（0.20.5）倍尺度時，這時的波速可認為是無限體的波速，它不能代表下面將要討論的反射波法測樁時所取的波速，因為反射波法測樁所用的頻率低，滿足D，及DL（D為樁徑，L為樁長），所以這時所測的是桿狀體的拉伸波（縱波）波速。70 四、彈性波的反射和透射 在均勻各向同性介質(zhì)中，彈性波從激發(fā)源規(guī)則地向各個方向擴展，波前是以激發(fā)源為原點的球面，并垂直于傳播方向。 如果波速差異面是一自由界面，則入射波、反射波

54、、透射波傳播規(guī)律滿足于Snell定律，可通過Huygens原理去證明。這里不去討論。 在基樁檢測中，一維線彈性桿件內(nèi)部并不是均勻各向同性的，存在著一些介質(zhì)差異面，當入射波投到波速不同的差異面時，一部分能量反射回來，一部分能量透射入差異面以下介質(zhì)，產(chǎn)生波的反射和透射。 71 1反射定律PP1P2x=nP1C2P2C2圖5.6 垂直入射的反射、透射 可以證明，反射定律為入射角等于反射角；入射線、反射線位于反射界面法線的兩側(cè)；入射線、反射線和法線在同一個平面內(nèi)（如圖5.6）。PP1P2x=nP1C2P2C2圖5.6 垂直入射的反射、透射72 2反射波的形成及應(yīng)力波、速度波反射系數(shù) 如圖5.6 中存在

55、 x=n的一個界面，界面以上的縱波速度和密度分別為C1和1，據(jù)平面波理論，設(shè)入射波P、反射波P1、透射波P2的應(yīng)力分別為： 式中，、1、2分別為入射、反射、透射波的起始振幅值，a為衰減系數(shù)。 在x=n界面，存在應(yīng)力連續(xù)和速度連續(xù)兩個條件，即 P+P1=P2 （5.21） （5.22） 根據(jù)類比關(guān)系，速度和應(yīng)力存在下列關(guān)系： （5.23） 代入連續(xù)條件可寫成: （5.24） 73 將(5.21)式代入（5.24）得： 經(jīng)整理后，即可得應(yīng)力反射系數(shù)公式： （5.25） 它的一般形式可寫為： （5.25） 同理可導出速度反射系數(shù) 將（5.23）式代入（5.21）式，消去P： （5.26） 整理后可得

56、： （5.27） 74 （5.22）式乘上Z2可得 （5.28） （5.27）式減（5.28）式并整理后即得速度反射系數(shù)公式： （5.29） 它的一般形式可寫為： （5.29） 3形成反射波的條件當R=0時，即Z2=Z1，不產(chǎn)生反射均勻介質(zhì)；當R0時，即Z2Z1，產(chǎn)生反射非均勻介質(zhì)，此時存在著差異波阻抗的反射界面（產(chǎn)生反射波的條件）。 75 （二）垂直入射時透射波的形成1透射定律當入射波通過反射界面形成透射波時，由于分界面兩側(cè)波傳播的速度不同，透射波的射線要改變?nèi)肷洳ㄉ渚€的方向而發(fā)生偏折，偏折程度的大小決定于透射定律：入射線、透射線位于界面的兩側(cè)；入射線、透射線、法線在同一個射線平面內(nèi)；入射角

57、的正弦與透射角的正弦之比等于入射波和透射波速度之比。其數(shù)學表達式： 或 （5.30） （5.30）式為斯奈爾定律，說明了入射角與透射角之間的關(guān)系。從上式可知，當，透射線靠近法線偏折；當C1C2時，則，透射線遠離法線，而向界面靠攏。基樁檢測中，如基樁樁頭截面傾斜且存在二至三層非水平的波阻抗面（即缺陷有兩至三個），并假設(shè)波速是遞增的，即C1C2C3，透射波射線逐層偏折，直至樁邊，然后在樁內(nèi)垂直于樁頭方向反復反射，這種現(xiàn)象稱透射損失。此時難以觀測到樁底的反射波。76 2透射波的形成設(shè)透射波的振幅為Pt，可得透射系數(shù)T為 （5.31） 透射系數(shù)的定義是入射波的能量有多少轉(zhuǎn)換成透射波的能量。根據(jù)理論證明

58、，當波垂直入射時，透射系數(shù)為 （5.32） 據(jù)反射和透射系數(shù)的公式，可得 T+R=1 或 T=1-R 或 R=1-T （5.33） 可以看出，透射波和入射波相位一致，總是正值。77 五、基樁動力檢測參數(shù)一、振動量參數(shù)：加速度、速度、位移、力，其中除力以外，加速度、速度、位移三者之間的換算關(guān)系如圖5.7。二、頻率域主要參數(shù)：頻率、相位、周期、幅值。三、時間頻主要參數(shù)：波速、走時、力值、阻抗。78第六章 反射波法動測技術(shù) 反射波法是基樁低應(yīng)變樁身完整性檢測中最常用的方法，它“適用于通過分析實測混凝土灌注樁和預制樁等剛性材料樁的樁頂速度響應(yīng)信號的特征來分析樁身的完整性，判定樁身缺陷位置及影響程度，判

59、斷樁端嵌固情況”。 反射波法是在樁身頂部進行豎向激振產(chǎn)生彈性波，彈性波沿著樁身向下傳播，當樁身存在明顯波阻抗差異的界面（如樁底、裂縫、斷樁和嚴重離析等）或樁身截面積變化（如縮徑或擴徑）部位，將產(chǎn)生反射波，經(jīng)接收放大，通過分析實測曲線特征，以判斷樁身完整性。 79 一、反射波法測樁原理 樁完整性的反射波法檢測技術(shù)是以一維波動理論為基礎(chǔ)的。由一維波動理論可知，樁阻抗是其橫截面積、材料密度和彈性模量的函數(shù) （6.1） 式中Z為樁的廣義波阻抗（單位為Ns/m）,c為樁的彈性波速度（單位為m/s），E為樁的彈性模量（單位為N/m2），為樁的質(zhì)量密度（單位為kg/m3，c為樁的波特性阻抗或波阻抗率（單位為

60、kg/m2s）。將一維波動理論用于線彈性樁（樁的長度遠大于直徑且入射波波長大于樁的直徑）.在樁頂錘擊力作用下，產(chǎn)生一壓縮波，此波以波速c沿樁向下傳播。假定樁的材料沿長度不變（即c不變），則樁的阻抗變化僅依賴截面積的變化，截面的任何變化都使部分入射波產(chǎn)生反射，反射波和透射波值大小及方向由第五章的理論決定，暫不考慮樁周阻尼的影響，研究樁頂入射波在變截面處的反射與透射 80 （6.2） 及 （6.3）式中下標I、R、T分別表示入射、反射和透射，為應(yīng)力，v為質(zhì)點速度。81 由式（6.2）和式（6.3）可得： （1）對于截面均勻、無缺陷的樁，即A1=A2，或Z1=Z2，則有 （6.4） 可見，均勻樁不產(chǎn)