3,桩的动测实验技术,桩身完整性检测,动测技术发展史,概述,概述,桩基检测的目的： 为桩基的设计提供合理的依据（试桩） 检验工程桩的施工质量，是否满足设计或建筑物对桩基承载力的要求（对工程桩抽样检测） 基本要求： 桩的平面位置与几何尺寸； 桩的完整性与承载能力。 单桩承载力检测内容：桩的垂直承载力、水平承载力、抗 拔承载力。 单桩完整性检测参数：桩身钢筋混凝土波速、密实度。桩身界面尺寸变化，桩身缺陷位置、 缺陷形式、缺陷程度，推算桩长及估算钢筋混凝土强度等级等。 检测技术方法：静载试验 动测试验,动测技术发展史,桩的动测试验方法在国外已有100多年的历史，最早的动测方法就是在能量守恒定律的基础上，利用牛顿撞击定律，根据打桩时测得的贯入度来推算桩的极限承载力。 近代的动测技术是以应力波理论为基础发展起来的。1931年伊萨克斯首先提出，桩顶受到桩锤击后，冲击能量是以波动形式传至桩底，因此可用一维波动方程来描述，但其解过于复杂，只能用于极简单的边界条件，因此难以进入实用阶段。1938年福克斯作了很多简化假定后，对打桩过程进行粗略分析，得出用于打桩分析的波动方程解答。1960年史密斯对打桩中贯入性状进行了分析，并讨论了桩锤，桩垫，桩帽，桩垫以及桩和土的模拟问题，定义了模拟中所涉及的全部参数，并从各种不同的应用波动方程的打桩实例中，提出这些参数的建议值，从而使波动方程分析法开始进入实用阶段。此后，国外许多学者在计算机编程，参数确定，可靠性研究以及波动方程法的实例应用等方面做了大量的工作。,动测技术发展史,20世纪70年代以来，以应力波理论为基础的桩的动测技术在美国和欧洲又有了新的发展。在计算程序上，出现了采用连续模型及特征线法的CAPWAP/C程序。在测试技术上也作了进一步的改进，并研制了新的桩基动测设备。 我国的动测桩技术起始于20世纪70年代末。1972年湖南大学的周光龙教授提出了“桩基参数动测法”，对开创我国桩的动测方法研究起来积极的推动作用。湖南大学振动研究室与四川省成都市城市建设研究所研制的“机械阻抗法”，也通过部级鉴定并获得应用。西安公路研究所和中国科学院电工研究所共同研究成功的“水电效应法”也在1985年通过了部级鉴定。 中国科学院武汉岩土力学研究所，中国建筑科技研究院地基所等单位吸取了国内外动测桩先进技术，在动测桩方法技术上开展了多方面的研究，为我国桩基动测技术作出了重要贡献。,桩身完整性检测,桩身完整性检测,1.应力波反射法,4.水电效应法,2.机械阻抗法,3.共振法,应力波反射法,由于地质，施工，技术等种种原因，部分桩存在着断裂，紧缩，离析，夹泥，沉渣等严重影响桩基承载能力的缺陷。因此需要采取恰当的方法抽样检查工程的施工质量，防止事故的发生。,应力波反射法,目前国内采用的动测桩完整性方法有：反应波反射法、水电效应法、机械阻抗法、动力参数法、锤击贯入法、共振法等，检测桩身质量的还有采用声波测井等物探超声技术。各种方法在工程中得到应用，并能够找到被工程验证的实例。,1.应力波反射法的理论依据,目前国内应用最广的当属应力波反射法，基本原理是借助于一维杆波动理论，将桩等价于一维杆，假定桩材料是均质各向同性的，并遵循胡克定律，桩的横截面保持为平面，而且每个截面上的应力是均匀分布的，由于桩声阻抗远远大于周边土声阻抗，所以不考虑桩周土的约束。,一维波方程为：,这里，,表明波在桩身中以速度C传播，这个速度就是桩身内的纵波速度。,应力波反射法,2. 应力波反射法检测技术,1） 应力波反射法系低应变检测方法，现场检测示意图如下图：,2）本方法适用于检测混凝土桩的桩身完整性，判定桩身完整性类别及缺陷位置,3）受检桩桩身混凝土强度应达到设计强度的70%，且不应小于15MPa。受检桩的桩长L与桩径或截面边长d的比不宜大于50，且桩长不宜大于50m。超过有效检测范围时，应通过现场试验确定该方法的适用性。 4) 检测设备由传感器、信号放大、滤波、A/D转换、记录、处理、监视系统以及激振设备和专用附件组成。,应力波反射法,5）现场检测前应进行相关的准备工作。根据现场实际情况选择合适的激振设备与传感器。每次检测前应确保整个测试系统处于正常状态。桩头处理应满足以下要求： 桩顶易设计标高。 应凿去浮浆及破损部分，露出新鲜密实的混凝土，平整桩头。 桩头外露钢筋不应影响检测工作的正常进行。 当桩头与桩侧混凝土垫层相连时，应进行适当的处理，排除垫层的干扰。,6）根据桩径大小，受检桩宜布置二四个检测点，每个检测点记录有效信号数不宜少 于三个。,应力波反射法,7）现场测试技术要求：,（1）安装传感器应根据激振和传感器布点的要求，在桩顶分别剔出大小相宜且与桩纵轴垂直的平面作为传感器安装点；安装传感器位置应清理干净，传感器安装位置宜在离桩中心2/3半径附近，且距离桩的主筋不宜小于50mm。对空心桩，传感器安装点、激振点与桩中心连线的夹角宜反复试验后合理选择。 （2)实心桩的激振点位置宜选择在桩中心附近，管桩或其他空心桩激振点与传感器安装点之间的相对位置易反复试验后合理选择；激振力方向应垂直桩截面。 （3）测试时应进行激振力方式和接收条件的选择试验，确定最佳激振方式和接收条件。,应力波反射法,8)判定桩身完整性时，可以分为四类,类：测试信号有合理的桩底反射信号；桩底反射信号基本合理：实测波速在合理的范围内。 类：测试信号中桩身缺陷反射波幅值相对较弱；桩底反射信号基本合理；实测波速在合理的范围内。 类：测试信号中依反射信号和提供桩长计算的波速明显偏离同类完整桩平均波速的15%以上；无合理的桩底反射信号。 类：测试信号中未见桩底反射，并出现多次幅值较强的同相，等间距反射信号或测试信号未见桩底反射，幅值明显增强并以大低频形式出现。,应力波反射法,9）桩头疏松或桩身有浅部缺陷时，可在处理掉桩头疏松层或浅部缺陷后，重新检测并评定其完整性类别，并在报告中注明。 10）对于夯扩桩，人工挖桩，钻孔扩底桩，应考虑桩截面变化和护壁变化对测试信号的影响，综合分析波形，确定所检测桩的完整性类别。 11）出现下列情况之一，桩身完整性判定宜结合其他检测方法进行： 实测信号复杂，无规律，无法对其进行准确评价。 对同一批桩，由桩长估算波速或由波速估算桩长，其估算值出现异常，且缺乏相关资料论证。 设计桩身截面渐变或多变，且变化幅度较大的混凝土灌注桩。 嵌岩端承型桩虽有明显的桩底反射，但反射波却与入射波相位相同。,应力波反射法,桩身典型缺陷与波形特征分析 桩身缺陷可概括为：断裂（错位）、裂缝（裂纹、接缝、浇灌界面）、离析（松散、蜂窝、空洞）、缩颈、扩缩颈、夹泥、沉渣及浮浆等八大类。七根模型桩如下，分别是：完整桩、扩颈桩、扩缩颈桩、缩颈桩、离析蜂窝桩、空洞扩底桩及缩颈裂缝桩。如下图所示：,应力波反射法,动测桩身完整性的几个问题 1）桩身质量与桩身完整性 桩身质量需三种：桩身材料的均匀性 混凝土强度等级 单桩轴向抗压、抗拉承载力及抗弯、 抗剪的强度。 桩身完整性需三种：桩身材料的均匀性 弹性波纵波波速 桩身有无缺陷（缺陷位置、形式、 程度） 2）反射波检测桩身完整性 针对不同的问题，应该应用不同的 理论作为其理论依据，如振动理论、反复反射理论等。,桩身完整性检测,3）弹性波传播速度与桩身混凝土强度的关系 4）类桩的鉴别与判定 四个判别因子：波的能量衰减因子 反射波强度因子 波速比 桩周边土对波的耗散因子 5）桩身完整性的综合评定,应力波反射法,机械抗阻法,1.机械阻抗法是通过测试施加给桩的激励（输入）函数和桩的动态响应函数来识别桩的动态特征。通过对桩的动态特征性的分析计算，即可判定桩身混凝土的浇注质量，残陷的类型及其在桩身中出现的位置。同时还可以估计桩的承载力。,我们把一个结构系统的机械阻抗定义为：作用力与由此而产生的结构响应之比,机械抗阻的倒数即为机械导纳,机械抗阻法,测量出导纳曲线两个谐振峰之间的频差即可由下式计算桩长：,2.测试方法：,1）稳态激振法 稳态激振法的优点是能量集中，试验精度高，可以在现场试验的过程中直接得到桩的导纳特征曲线。缺点是设备较为笨拙，携带不方便。,机械抗阻法,2）瞬态激振法,瞬态激振法与稳态试验的原理是完全相同的，它也是测量桩的机械导纳，描绘出随频率变化的导纳曲线，通过对导线的识别和分析来评估桩的完整性和承载能力。由于其设备比较简单，故应用较广泛。,机械抗阻法,3.测试结果的计算分析,机械抗阻法,1）根据f计算出的桩长Lm比实际的长度L小很多或测不出f。此时桩身可能出现断裂，鼓肚或严重离析。这是由于桩身有大的缺陷和断裂时，波动的传播只在桩的中断处以上的长度范围之内。这样，就使测出的Lm值较短，而该值即为缺陷距离桩顶的位置。,机械抗阻法,2）导纳的几何平均值Nm大于理论值Nt和同一工地各桩的平均值很多。 3）波在混凝土中的传播速度c03500m/s。 4）桩的动刚度Kd小于同一工地各桩的平均值很多。 5）桩的导纳曲线与正常圆柱桩的典型曲线有较大的出入。 6）桩的导纳曲线各峰值有较大的差异而期间的f又有较大的差异。,上述的各种情况往往是伴随出现的，因而在判别桩可能出现的缺陷类型时，必须进行综合分析，结合在多次测试中积累的经验和钻探施工记录进行验证，方能做出符合实际情况的正确结论。,机械抗阻法,工程实例分析,图（a),(b) 是陕西宝鸡坪头渭河大桥1号墩上、下游两桩的导纳曲线。试通过图形进行对桩进行分析？,（a)中： d=1.5， Nm=0.53，L=17.75， Nt=0.5，Kd=746.1，Lm=17，c0=4733,（b)中： d=1.5， Nm=2.24，L=15.4， Nt=0.5，Kd=209，Lm=11.8，c0=4733,机械抗阻法,共振法,1.定义：,共振法试桩、是用强迫振动方法使桩产个共振，并根据测得的共振频率特性曲线来判断桩的质量、缺陷位置以及垂直和水平容许承载力等。,2.共振法检验桩质量的基本原理,1）,L即为完整桩的桩长或缺陷离桩顶的距离。,2）检验方法：, 求出桩的动刚度Kd。若某桩的动刚度显著小于同一场地各桩Kd的平均值。则可判断改桩存在质量问题，或段桩，桩身有颈缩、或混凝土质量低劣。 平均运动速度N的大小来判断桩的质量。若某桩的N值显著小于同一场地各桩的平均值。则可判断改桩存在质量问题,共振法,3.测试方法,实验设备,共振法,共振法,4.计算公式：,1）有承台时，根据速度的幅频曲线得无阻尼共振频率fn。按下式求得动刚度：,2）有承台时，根据位移的幅频曲线得无阻尼共振频率fm。按下式求得动刚度：,3）无承台时，根据速度幅频曲线的低频段上任意点得动刚度：,（5-18）,（5-19）,共振法,5.实例：,共振法,1）水电效应法是由波动理论、检测声学、大电流脉冲放电和信号处理等技术相互渗透而成的新技术，其基本原理是桩质量可由瞬态激励所得的频响函数来识别，用此可检验大直径长桩和群桩的结构完整性、缺陷位置、混凝土优劣及承载力。,2)水电效应法的测试系统整体上来讲由激振装置、信号接收、记录装置及信息处理装置等三大部分组成。,3）方法：,震源是采用脉冲高压放电，放电电极释放出来的电能，使电极附近的水迅速升温，汽化，从而产生较强的压力波，使水电效应在桩头产生很高的脉冲力。,水电效应法,水电效应法,信号的接收和记录系统 该系统包括加速度传感器、磁带记录仪等组成。传感器距桩顶5-10cm , 放电电极距桩顶30cm , 两者之间的水平距离也要在10cm 左右。由加速度传感器接收测试信号, 随之输入到磁带记录仪, 从而完成信号记录和储存。,信号分析处理系统 将记录在磁带中的信号进行回放, 输入给动态分析仪或频谱分析仪, 进行FFT 运算,将其计算和分析结果经D/A 模数转换器输出到示波器显示图形, 或输至记录仪把频谱图 形绘制下来, 从而判释桩的完整性及进行桩承载力的计算。一般应力波在桩身传播的过程中所反映的波形和频谱曲线的特征。,水电效应法既可方便地测出桩身的完整性，