上海建设检测培训-基桩高应变法动力检测实用技术.pdf

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1、基 桩 高 应 变 法 动 测 试 验 实 用 技 术 张林海 上海锐欣仪器科技有限公司 张林海 上海锐欣仪器科技有限公司 http:/ 2013 年 4 月 基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -1 目 录 第一章 高应变动测基础知识 第二章 高应变中的应力波理论 第三章 凯司法(CASE)第四章 高应变试验现场实测 第五章 实测曲线拟合法 第六章 高应变动测试验中需注意的几个问题 基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -2第一章第一章 振动与波的基础知识振动与波的基础知识 1.1 机械振动机械振动 1机械振动的概念 是指物体或系统在平衡位置附近以某种方

2、式进行的往复运动。2机械振动系统模型的组成：质量、弹簧和阻尼。如图 1.1。3时不变与时变系统 时不变系统：质量、刚度和阻尼等参数不随时间变化的系统。时变系统：质量、刚度和阻尼等参数随时间变化的系统。4振动的分类（1）按振动系统的结构参数特征分类：A线性振动：在确定性激励下线形系统的振动，其响应间的微分方程是线形的。图 1.1 机械振动系统模型 B非线形振动：在任意性激励下非线形系统的振动，其响应间的微分方程是非线形的。（2）按振动产生的原因分 A自由振动：当系统的平衡被初时扰动破坏后，仅在恢复力的作用下的振动。B受迫振动：在外力干扰持续作用下的振动。C自激振动：激扰是在受系统本身振动控制的，

3、当存在适当反馈的特性下，系统会自动激起定幅振动，一旦振动被抑制，激扰也随同消失。（3）按系统自由度分 A单自由度系统振动：系统的几何位置仅需一个参数就能决定。B多自由度系统振动：系统的几何位置仅需多个参数才能决定。5简谐振动（1）概念：物体或系统的振动物理量（u，v，a）是时间的正弦或余弦函数。x=Asin（t+）=2/T=2f x：位移；A：振幅；T：周期；：圆频率；f：频率；基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -3 t+：相位；：初相位（2）振幅、周期、频率 振幅：离开平衡位置的最大距离；周期：振动一次所需的时间；频率：在 1 秒种内振动的次数。2.2波动波动 应力波应

4、力波 1。波动：任何连续介质内质点的振动都会向四周传播扩散，波动就是这种局部振动向四周的传播过程。介质必须是连续的，波动中的质点仅在它们各自的平衡位置附近振动，并没有随振动的传播而流动。2。弹性波：波在各种形态的连续介质中都可以生成。如果介质的应力应变始终处于其材料弹性范围内的波动，被称为弹性波。就可以应用弹性力学来进行描述。3。应力波 声波 在固体中传播的弹性波称为应力波；在流体中传播的弹性波称为声波。4。描述波动的几个常见概念；（1）波面和波前 波面：波动过程中，介质中振动相位相同的个质点的连成的面称为波阵面，简称波面。把波面中走在最前面的那个波面称为波前。基桩高应变法动测试验实用技术 上

5、海锐欣仪器科技有限公司 -4 （2）体波和面波 体波：就是能够在弹性介质内部任何部位传播。体波有纵波（P 波）和横波（S 波）两种。面波：只能沿弹性介质的表面进行传播。面波主要有 Rayleigh 波（R 波）和 Love 波两种。（3）体波的分类 纵波：是指质点的振动方向与波动的传播方向相一致。纵波是一种伸缩运动，只要介质在长度变化方面具有弹性性质，纵波就能在其中传播。因此纵波有可能在任何固体、液体和气体中传播。纵波的外形特征是具有“疏松”和“稠密”的区域，也称为疏密波。（在高应变和低应变动测试验中，所研究的应力波都为纵波。）.横波：是指质点的振动方向与波动的传播方向相垂直。横波的外形特征是

6、具有凸起的波峰和凹下的波谷。基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -5 （4）波动的几个基本参数 A波长：沿着波的传播方向，应力波在一个波动周期内所传播的距离；（=CT=C/f）。在纵波中波长是指相邻两个密部或疏部之间的距离。B周期：完成一次完整波动所花的时间；C频率：在 1 秒种内完成完整波动的个数。5。波动的基本描述方式 波动可以用运动和变形两种方式来描述。（1）运动的参数：包括加速度 a、速度 v 和位移 U。三者之间存在微积分的关系，可以相互换算：基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -6v=du/dt=adt a=dv/dt=d2U/dt2 U=v

7、dt 图 2.1 加速度、速度和位移三者之间的关系（2）波速与质点振动的速度的区别 波速与质点振动的速度有着本质的区别，切忌混为一谈。质点运动速度（v）：是指单位时间里质点在其平衡点附近运动时的位移变化量。或：质点在其平衡点附近往复运动的速度。一般来说，只要变形没有超过材料的弹性限度，质点将不可能脱离介质，而只能其平衡点来回摆动运动。波传播速度（C）：应力波沿桩身传播的运动速度。应力波的波前会跨越一系列质点，不断向前传播。在高应变动测试验中，质点运动速度（v）往往只有几个 m/s；而波传播速度（纵波），即波速（C）要达到几千 m/s，两者要相差几千倍。典型的值如表 1.1 所示。表 1.1 典

8、型的波速值 桩型 钻孔灌注桩 预制混凝土桩 预应力管桩 钢管桩 桩型 钻孔灌注桩 预制混凝土桩 预应力管桩 钢管桩 波速（m/s）30003600 34003800 38004100 5100 TS:102.4TB:0.0CAPWAPblowTS:102.4TB:0.0TS:102.4TB:0.0SET=6.096 mm基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -7 表现在高应变实测曲线中，如图 2.2 所示。F(t)“V”=Z v V(t)0 2L/C 图 2.2 波速：C=2L/T 质点运动速度：v 对应与 vZ 曲线上的值 v=V/Z，表示 t 时刻的质点运动状态。（3）冲

9、击脉冲（应力波）的时间域特征 冲击脉冲是一种外力作用，这种应力波的特点是：非对称的，短暂的。峰值（Pmax）:脉冲的最大幅值 脉冲时间宽度(T):整个冲击脉冲的持续时间。波长（）：也就是脉冲在介质中的传播的长度。如果波的传播速度为 c,则：=cT=c/f Pmax 频率(f):冲击脉冲的持续时间 T 的倒数:f=1/T 时间 T 图 2.3 冲击脉冲 （4）变形的参数 包括应变、应力和力 F（即一定范围内应力的总和）在弹性范围内，材料中的应变和应力的关系取决于材料的弹性模量 E：基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -8=E 一定面积 A 范围内的作用力 F，严格来说应该在其

10、面积内，对应力进行积分计算而得到。对于均匀的应力场或者已知其平均应力值，则可以直接计算：F=EA (4)应力波的特性 应力波具有反射、透射、散射、叠加、弥散（衰减）等特性。反射、透射：当波传播到两种介质的阻抗变化分界面时，一部分从界面返回，形成反射波；另一部分进入到另一种介质，形成透射（折射）波。.波的叠加原理 i.两列波相遇后，仍然保持他们各自的特性（频率、波长、振幅、震动方向等）不变，并按照原来的方向继续前进，好象没有遇到过其它波一样。ii.在相遇区域内，任一点的振动为两列波单独存在时在该点所引起的振动位移的矢量和。（5）波阻抗（Z）应力波沿弹性杆件向下传播，在其波前到达的截面处，会引起该

11、截面上质点的运动，并在该截面产生作用力。?.定义为：桩身截面所受内力增量与质点运动速度增量之比。即：Z=dF/dv=Ad/dv=AEd/dv=EA/C C=dv/d 式中 A 为桩身截面面积。-应力；-应变 波阻抗 Z 的量纲为:kN.s/m?.其物理意义是：质点运动速度变化一个单位速度（1m/s）所需的力。?.波阻抗 Z 仅与材料本身有关，大小由材料本身性质所决定。?.波阻抗的计算方法 Z=EA/C=C2A/C=AC=(/g)AC E=C2 =/g 式中：Z-桩身材料波阻抗，kNs/m。E-桩身材料弹性摸量，kPa。C-波速，m/s。A-桩身截面面积，m2。-桩身材料质量密度，kg/m3。-

12、桩身材料重度，kN/m3。g-重力加速度，m/s2。基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -9 不同桩型典型桩身材料重度如表 1.2 所示。表 1.2 典型桩身材料重度/密度 桩桩 型型 钻孔灌注桩钻孔灌注桩 预制钢筋混凝土桩预制钢筋混凝土桩 钢桩钢桩 重度（kN/m3）24.0 24.5-25.0 78.5 密度（kg/m3）2400 24002500 7850 基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -10第二章第二章 高应变中的应力波理论高应变中的应力波理论 2.1 应力波理论的应用条件 在以下介绍的应力波理论中，首先必须满足以下几个条件：1 桩为一维线

13、弹性细长杆件 一般认为，对于我们高应变检测，所谓细长杆件是指符合 L/D5 的要求。（L 为杆件长度，D 为杆件的截面直径。）。（1）这样才能采用一维波动理论（2）这样截面为平面的假定才能成立 2 杆件的截面直径不得大于应力波的波长（）根据研究，与截面直接相比，波长必须足够大，/D5，在这种情况下，横向运动所产生的惯性力对纵向运动的效应才可以忽略不计。举例：高应变冲击力脉冲时间宽度 T=3ms，应力波传播的速度为 4000m/s，则波长=12 米。一般情况下是能够满足这个条件的。3 杆件的长度必须大于应力波的波长 这样应力波才能在杆件中展开传播，才具有波动特性，否则杆件的运动就是刚体运动了。2

14、.2 下行波与上行波 O f（x-ct）g（x+ct）F,v F,v X 图 2.1 几个规定：1.杆件上端面为坐标原点 O，X 轴向下为正。如图 2.1 所示；2.位移 u、质点运动速度 V 和加速度 a 以向下为正（X 轴正向），向上为负；3桩身内力、应力和应变以受压为正，受拉为负。基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -11 应力波在杆件中的运动，可以用一维波动方程来描述：2u/dt2=E2u/dx2 .(2.1)u 为在 x 位置处、在时间 t 时质点的纵向位移。其达朗贝尔通解为：u(x,t)=g(x+ct)+f(x-ct).(2.2)即 u 由 g 和 f 两部分组

15、成。考察一下 f(x-ct)波：位移波分量 f 是指在某个时刻 t 和某个位置 x 上的物理量，由 x 和 t 决定。对于某个固定波形的位移波 f(100)来说，出现的时间和位置由 t 和 x 所决定。即：100=x-ct，x=100+ct。若 C=5000m/s，当 t=0 时，x=100；当 t=0.002 秒时，x=110；.。随着时间 t 的延长，x 值变大，意味着应力波 f(x-ct)逐渐远离原点，向下运动。因此 f(x-ct)是向下运动的波，一般称为下行波，用 f（x-ct）表示。同样可以知道，g(x+ct)是向上运动的波，一般称为上行波，用 g(x+ct)表示。?.下行波 f（x

16、-ct）：v=f(x-ct)/dt=-Cf =-f(x-ct)/dx=-f 因此有：v =C c=v/即：=v /C .(2.3)而 F=EA=(EA/C)v =Zv 其中波阻抗 Z=EA/C 故：F =Zv .(2.4)在下行波中，质点运动的速度方向与所受力性质有关，两者始终成正比例在下行波中，质点运动的速度方向与所受力性质有关，两者始终成正比例。?.上行波 g(x+ct)：v=g(x+ct)/dt=Cg =-g(x+ct)/dx=-g 因此有：v =-C .(2.5)而 F=EA=-(EA/C)v=-Zv 故：F =-Zv .(2.6)在上行波中，质点运动的速度方向与所受力性质有关，两者始

17、终成反比例。在上行波中，质点运动的速度方向与所受力性质有关，两者始终成反比例。总之：F =Zv F =-Zv 要点：（1）明确应力波的运动方向，是上行（与锤击力方向相反或与 X 轴反向）的，还是下行的（与锤基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -12击力方向相同或与 X 轴同向），在应用公式的时候，一定要对号入座。（2）这里的力和速度之间是有因果关系的。是该作用力在传播经过某个截面时，在该截面上引起的质点的运动速度。如有几个力同时作用，应该分别计算各自力产生的各自速度大小，再将这几个速度进行矢量叠加计算。举例举例：阻抗为 2500kN.s/m 的桩，在 5000kN 的锤击力

18、作用下，在桩身中产生的质点运动速度是多少？（不考虑能量损失）计算：由于 F =Zv v =F /Z=5000/2500=2 m/s 2.3 v(t)，v(t),F(t)，F(t)与 F(t)，v(t)之间关系 在桩身某位置安装应变和加速度传感器，测得不同时刻总的截面受力和截面上质点运动的速度。如果该截面上同时有上行波和下行波共同作用，事实上，我们的传感器测得的是一个经过了叠加了的合成值（F(t)，v(t)）。通过计算可以从实测的叠加合成值中，将分量上行波和下行波分离出来。由于：F(t)=F(t)+F(t)=Zv(t)-Zv(t)?Zv(t)=Zv(t)-Zv(t)v(t)=v(t)+v(t)?

19、Zv(t)=Zv(t)+Zv(t)上式联立，可得：v(t)=1/2（v(t)+F(t)/Z）.(2.7)v(t)=1/2（v(t)-F(t)/Z）.(2.8)及 F F(t)=（F =（F(t)+Zv+Zv(t)）/2）/2 .(2.9)F F(t)=（F =（F(t)-Zv-Zv(t)）/2）/2 .(2.10)要点要点：（1）可以这样理解：理论上分量（上行波和下行波）叠加得到合成量（实测值），而事实上，我们是已知合成量（实测值），再根据这个计算公式，从实测的合成量（F(t)，v(t)）中，将分量 F(t)，F(t)计算出来。（2）时刻要对应。公式中，合成量（F(t)，v(t)）和分量 F(

20、t)，F(t)是同一时刻的值。举例：如下图，已知 F(T3)=5000kN，ZV(T3)=-100kN。请计算 F(t3)，F(t3)计算：F(t3)=F F(t3)+Zv+Zv(t3)）/2=（5000-100）/2=2450kN.）/2=（5000-100）/2=2450kN.F F(t3)=（F =（F(t3)-Zv-Zv(t3)）/2=（5000-(-100)）/2=2550kN）/2=（5000-(-100)）/2=2550kN 基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -13 TS:102.4TB:0.0F(10000)V(5.31)A1 F1 F(T3)=5000k

21、N ZV(T3)=-100kN T3 TS:102.4TB:0.0WU(10000)WD(10000)A1 F1 基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -142.4 应力波在自由端、固定端的反射应力波在自由端、固定端的反射 (1).杆件底部为自由端 F F,v F 界面 图 2.2 自由端 边界条件为：F=F+F =0 因而：F=-F .(2.11)亦即：-Zv =-（Zv）?v =v 因此：v=v +v =2v .(2.12)结论：应力波到达自由端后，将产生一个性质相反、幅值相等的反射波。即压力波产生拉力反射波；拉力波产生压拉力反射波。应力波到达自由端后，将产生一个性质相反

22、、幅值相等的反射波。即压力波产生拉力反射波；拉力波产生压拉力反射波。在杆端处，由于波的叠加，使杆端处质点运动速度增加一倍。在杆端处，由于波的叠加，使杆端处质点运动速度增加一倍。基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -15 F =100KN v =1m/s F=0 F=0 v=v=2m/s -100 F =100KN 1 v =1m/s -100 100 1 1 F=-F 100 v=1 m/s 1 F=F=0 v=v=2m/s 力力 质点运动速度质点运动速度 基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -16 (2).杆件底部为固定端 F F,v F 界面 图 2

23、.3 固定端 边界条件：v=v+v=0 因而：v=-v .(2.13)亦即：-F/Z=-（F/Z）?F=F 因此：F=F+F=2F .(2.14)结论：应力波到达固定端后，将产生一个性质相同、幅值相等的反射波。即压力波产生压力反射波；拉力波产生拉拉力反射波。应力波到达固定端后，将产生一个性质相同、幅值相等的反射波。即压力波产生压力反射波；拉力波产生拉拉力反射波。在杆端处，由于波的叠加，使杆端处质点所力增加一倍。在杆端处，由于波的叠加，使杆端处质点所力增加一倍。基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -17 基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -18 F =1

24、00KN v =1m/s F=0 F=0 v=-v=-2m/s 100 F =100KN -1 v =1m/s 100 100 -1 1 F=F 100 v=-v 1 F=F=2F=200 v=v=0m/s 力力 质点运动速度质点运动速度 基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -192.5 杆件阻抗变化的反射、透射特征杆件阻抗变化的反射、透射特征 如下图，杆件中某处的阻抗发生了变化，上段的阻抗为 Z1，下段的阻抗为 Z2。(1).一般地，杆件受到 F1和 F2两个应力波的共同作用(如图 2.4)Z1 F1,v1 F1,v1 界面 F2,v2 F2,v2 Z2 图 2.4 边界

25、条件：根据连续性 F1+F1=F2+F2 v1+v1=v2+v2 结合：F1=Z1v1 ，F2=Z2v2 F1=-Z1v1,F2=-Z2v2 可得：F1=（Z2-Z1）/（Z2+Z1）F1 +2Z1/（Z2+Z1）F2 .(2.15)F2 =2Z2/（Z2+Z1）F1 +（Z1-Z2）/（Z2+Z1）F2 .(2.16)(2).当仅有下行波（F1）存在时，即 F2=0 则：F1=（Z2-Z1）/（Z2+Z1）F1 F1=（Z2-Z1）/（Z2+Z1）F1 （反射波）.(2.17)F2 =2Z2/（Z2+Z1）F1 （透射波）.(2.18)从式 F1=（Z2-Z1）/（Z2+Z1）F1 可以推得

26、：?.当桩端自由时，即 Z2=0，则 F1=-F1?.当桩端固定时，即 Z2?，则 基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -20 F1=F1 与 2.4 中结论一致。反射波的大小和性质与以下因素有关：入射波的大小和性质；界面上下材料阻抗的大小。2.6 土阻力波土阻力波 F x FR(=-Ri/2)Ri/2 Ri-Ri/2 FR(=Ri/2)图 2.5 如图 2.5，当应力波传到 x 位置时，激发了该处的土阻力 Ri。土阻力 Ri 分成两部分：向上传播的 FR 和 FR。力平衡条件为：FR-FR =Ri vR=vR 由于：vR=-FR/Z vR=FR/Z 所以有：FR=1/2R

27、i .(2.19)FR=-1/2Ri .(2.20)结论：在桩侧土阻力作用下，桩身内部将产生一个上行的压力波和下行的拉力波。两者的幅值相等，都各等于该处土阻力值的一半。在桩侧土阻力作用下，桩身内部将产生一个上行的压力波和下行的拉力波。两者的幅值相等，都各等于该处土阻力值的一半。基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -21第三章第三章 凯凯 斯斯 法法 3.1 基本假定基本假定 (1).桩为一维线弹性细长杆件。(2).桩身材料是均质的（弹性模量 E 和桩身截面积 A 恒定）。(3).土的基本模型为：总土阻力由土的静阻力和土的动阻力组成。静阻力采用弹塑性模型，用摩擦键和弹簧模拟；

28、动阻力采用线性的黏滞阻尼模型，用阻尼壶模拟。并假定土的动阻力集中在桩尖附近，并与桩尖质点的运动速度成正比。桩侧动阻力忽略不计。(4).应力波在传播过程中的能量损耗，包括桩身内阻尼损耗和向桩周土中的逸散损耗，都忽略不计。实际上(1)(2)(4)就是桩的模型；(3)是土的模型。Rd 桩段 Rd=Jvv v Rsi Rsu Q Di 图 3.1 土的基本模型 土的基本模型为：由摩擦键、弹簧模拟土的静阻力 Rs；由阻尼器模拟土的动阻力 Rd。并且有：Rd=Jvv 式中：Jv 为土的粘滞阻尼系数，kNs/m。（量纲与 Z 同）在高应变试验中常用的阻尼系数还有：Smith 阻尼系数 Js，s/m；Case

29、 阻尼系数 Jc，无量纲。它们之间的关系为：Jv=RsuJs=ZJc Rsu 为土体单元的最大静阻力。基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -223.2 基本的凯斯法计算公式数学推导基本的凯斯法计算公式数学推导 F 2L/c 2xi/c 时间 t xi Ri/2 L Ri F -F -Ri/2 R 侧/2+R 尖 R尖 图 3.2 应力波在桩身中传播示意 公式推导的基本思路?.在公式推导过程中，涉及到四类波：a.向下传播的锤击压力应力波 F(t)；b.向上传播的压力土阻力波 1/2R(i，t)；c.向下传播的拉力土阻力波-1/2R(i，2L/C)。d在时间为 L/C 时激发起

30、的向上传播的桩尖压力土阻力波 R尖(L，L/C)；?.以桩顶作为位置坐标和时间坐标的原点。?.向下传播的锤击压力应力波 F(t)，在桩身内作无数次的来回反射。将无数次的来回反射波叠加起来。?.某一位置 i 处向上传播的压力土阻力波 1/2R(i，t)，在桩身内作无数次的来回反射，将无数次的来回反射波叠加起来(对时间叠加)。?.将从桩顶到桩底不同位置各点的?中叠加波再叠加起来(对位置叠加)。?.从桩顶到桩底不同位置各点处向下传播的压力土阻力波 -1/2R(i，t)，在 t=L/C 时刻同时到达桩尖(大小为-1/2R(i，2L/C)基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -23=-

31、Ri/2)，该波在桩身内作无数次的来回反射，将无数次的来回反射波叠加起来(对时间叠加)。?向上传播的桩尖压力土阻力波 R尖(L,L/C)，在桩身内作无数次的来回反射。将无数次的来回反射波叠加起来。?.将?中的三类叠加波全部叠加起来得：F(t)，V(t)表达式。.?将 F(t)，V(t)表达式在时间上取为“t2=t+2L/C”，则得 F(t+2L/C)，V(t+2L/C)表达式。.考虑到 4.1 中的基本假定，将?中的 F(t)，V(t)，F(t+2L/C)，V(t+2L/C)表达式作适当的数学处理，即可得到凯斯法计算总土阻力的基本公式：R总总=1/2F(t1)+F(t1+2L/C)+Z/2v(

32、t1)-v(t1+2L/C)=1/2 F(t1)+Zv(t1)+1/2 F(t1+2L/C)-Zv(t1+2L/C)=F（t1）+F（t1+2L/C）.（3.1）3.3 求取静土阻力求取静土阻力 Rs 总土阻力由两部分叠加而组成：一是在静载荷试验中所表现出的土的静阻力 Rs，一部分为由于桩身运动而产生的附加的土的动阻力 Rd。即：R总=Rs+Rd。因此 Rs=R总Rd 由 4.1 中的基本假定可知：土的动阻力 Rd 集中在桩尖附近，并与桩尖质点运动速度 Vb 成正比。即 Rd=Jv V尖=ZJcV尖 .（3.2）式中：Jv 为桩尖处土的粘滞阻尼系数，kNs/m。Jc 为桩尖处土的凯司阻尼系数，

33、无量纲。Jv 与 Jc 有关系：Jv=ZJc 求取桩尖质点运动速度 V尖：将桩尖看作是一个自由端，桩尖土阻力作为一个附加阻力。在 t=L/C 时刻（此时锤击冲击力到达桩尖，桩尖处质点的运动速度 V尖最大），影响桩尖处质点的运动速度 Vb 的因素有：?.由向下传播的锤击压力 F（t1）在桩尖处所激发产生的质点运动总速度 V尖1为：V尖1=2 F(t1)/Z .（3.3）?.由向下传播的拉力桩侧土阻力-1/2R侧 在桩尖处所激发产生的质点运动总速度 V尖2为：V尖尖2=-2（1/2R侧侧）/Z=-1/Z R侧侧 .（3.4）?.由向上传播的压力桩尖土阻力 R尖 在桩尖处所激发产生的质点运动总速度

34、V尖3为：V尖3=-1/ZR尖 .（3.5）将?三部分进行叠加，则有：V尖尖=V尖尖1+V尖尖2+V 尖尖3 =1/Z 2 F(t1)R侧侧 R尖尖 基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -24 =1/Z 2 F(t1)R总总 .（3.6）（其中（其中 R总总=R侧侧+R尖尖）将式（4.6）代入式（4.2）可得：Rd=Z Jc V尖尖 =Z Jc 1/Z 2F(t1)R总总 =Jc 2F(t1)R总总 .（3.8）因此有：Rs=R总Rd =R总 Jc2F（t1）R总 =(1+Jc)R总 Jc F(t1)+ZV(t1).（3.9）（其中 F(t1)=ZV(t1)）将（4.1）代

35、入（4.9），并整理得：Rs=1/2(1-Jc)F(t1)+ZV(t1)+1/2(1+Jc)F(t1+2L/C)-ZV(t1+2L/C)=(1-Jc)F(t1)+(1+Jc)F(t1+2L/C).（3.10）式（4.10）就是计算单桩承载力的基本公式。3.4 凯斯法中几种确定承载力的计算方法凯斯法中几种确定承载力的计算方法 在公式（3.10）的单桩承载力的基本计算公式中，需要人为选择的参数有两个：一个是 t1 时刻的选择；另一个是凯斯阻尼系数 Jc 的选择。不同具体情况下，有着各自合适的参数选择方法，亦即产生不同的计算方法。3.4.1.阻尼系数法（Rsp 法）在（3.10）的单桩承载力的基本计

36、算公式中，阻尼系数法一般是选取 FV 实测曲线中速度峰值所速度峰值所对应的时刻对应的时刻为为 t1 时刻时刻。在实测曲线中，在起始阶段，通常速度曲线只有一个明确的峰值。但有时也会出现靠得很近的双峰，此时一般选择较高速度峰值所对应的时刻为 t1 时刻。基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -25gg QgyEX1;BENT 17-2EX-1TS:102.4TB:0.0F(8000)V(5.21)A12 F12 TS:102.4TB:0.0WU(8000)WD(8000)T1 基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -263.4.1.1.不同的 t1 时刻选择对计

37、算结果的影响?V?t 位移 D C 桩身回弹 d 最终 dMAX dt1 O A B 时间 图 3.2 动位移与速度的关系 (1).动位移与速度的关系：v=dd/dt d=vdt(2).从速度曲线推断动位移曲线 依据速度曲线上起始上升、峰值、下降、零值、正值、负值，将速度曲线划分成 6 个区段，如图 3.2所示。?.速度是动位移的变化率，速度值为正，说明动位移在增大。如图 3.2 中速度曲线?区段及位移曲线的 OD 段；?.速度值逐渐增大（值始终大于零）时，动位移的增大变化趋势越来越快（动位移曲线的斜率为正，且较大）。如图 3.2 中速度曲线?区段及位移曲线的 OC 段；?.速度值减小（但值始

38、终大于零）时，动位移的增大变化趋势越来越小（动位移曲线的斜率为正，但变小）。如图 3.2 中速度曲线?区段及位移曲线的 CD 段；?.速度值最大时刻，是动位移变化率最大的时刻（动位移曲线的斜率最大），但不是动位移最大时刻（dt1dMAX 或 ACBD）。如图 3.2 中速度曲线?点及位移曲线的 C 点；?.当速度为零时，动位移变化率为零（动位移曲线的斜率为零），此时动位移达到最大值（dMAX 或基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -27BD），如图 3.2 中速度曲线?点及位移曲线的 D 点；?.当速度值为负时，动位移在减小。如图 3.2 中?区段；?.当速度由负值变为零时

39、，动位移变化率为零（动位移曲线的斜率由负变为零），动位移量不再减小，而保持恒定。此时保持不变的动位移量 d 最终可认为是桩身最终贯入度；dMAX 与 d 最终之差就是桩身回弹量。由此可见：1）在其它条件相同的情况下（F），缓升的 V 曲线应该具有较大的 dMAX 与 d。低频的锤击力能激发更大的土阻力。1）在其它条件相同的情况下（F），缓升的 V 曲线应该具有较大的 dMAX 与 d。低频的锤击力能激发更大的土阻力。2）取 t1 时刻时，由于较大端阻力会延迟，t1+2L/C 时刻的计算值并非最大，故计算的 Rs 值可能会偏低。同时取 t1 时刻对应的最大位移量可能不是足够大，所激发的的土阻力可

40、能也稍低。位移位移,x位移位移位移位移,x x阻力阻力,R阻力阻力阻力阻力,R R完全激发时的位移完全激发时的位移完全激发时的位移完全激发时的位移激发的阻力激发的阻力激发的阻力激发的阻力极限阻力极限阻力极限阻力极限阻力测试时最大的位移测试时最大的位移测试时最大的位移测试时最大的位移 (3).不同的 t1 时刻选择对计算结果的影响 在我国，绝大多数高应变动测工程师都习惯于采用阻尼系数法，即认为在速度峰值时刻，所计算的静土阻力为极限承载力。优点在于速度峰值所对应的 t1 时刻比较容易确定。事实上，在以下情况下，由于端阻力的后延，采用阻尼系数法计算结果就会偏低：?.大直径的排土桩（Q 值较大）；?.

41、高锤击数难以贯入的桩（Q 值较大）；?.端承桩（Q 值较大）；?.桩尖存在一定厚度沉渣的钻孔灌注桩（R尖滞后）。高 Q 值现象在 FV 实测曲线上往往表现出：R尖 较大，且滞后于 2L/C（在 2L/C 之后有崛起的高 基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -28峰）。3.4.1.2 阻尼系数法中凯斯阻尼系数 Jc 取值 一般认为：凯斯阻尼系数 Jc 主要与桩尖土的性质有关。根据新的上海市工程建设规范建筑基桩检测技术规程（DGJ08-218-2003 J10287-2003），凯斯阻尼系数 Jc 取值如表 3.1 所示。表 3.1 凯斯阻尼系数 Jc 参考值 土的类型 阻尼系

42、数 中砂、细纱 0.100.20 粉砂 0.200.40 粉土 0.300.50 粘性土 0.401.0 土的颗粒越细，Jc 取值越大。3.4.2 负阻力补偿法（负阻力补偿法（R su 法）法）动测时，如果桩身较长或桩难以贯入（贯入度很小），桩身的上部就有可能早于 2L/C 时刻产生向上的反弹运动，作用在这些桩段上的土阻力因而将反方向加到桩身上。1 长桩。当锤击力波下行到桩身下部时，上部某质点由锤击力产生的向下运动速度已经很小，若此时上行的 1/2R侧 较大，与该位置剩余的锤击力叠加，会使该质点的V0。也即此时的质点运动速度向上，就会产生向下的土阻力，即负摩阻力。2 难以贯入的桩。由于桩难以贯

43、入，由锤击力产生桩身质点的运动速度本来就比较小，而一般来说桩侧土阻力会比较大。当锤击力波下行到桩身下部时，较大的上行的1/2R侧，与该位置剩余的锤击力叠加，会使该质点的V0。也即此时的质点运动速度向上，就会产生向下的土阻力，即负摩阻力。表现在实测曲线上，就是在 t1+2L/C 之前，速度为负值。13.20 ms102.4ms6000kNF2.53m/sV基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -29产生的负摩阻力与实际的桩侧土阻力叠加，会使得实测信号中的土阻力比真正的桩侧土阻力要小。这时，凯斯法总土阻力计算公式所得的总土阻力 R 总中将有部分阻力相互抵消而使得其结果比实际情况低

44、，必须预以补偿。因而必须进行修正，方法如下。tu 2UN tu 2L/C 图 3.3 土阻力修正示意图 如图 3.3 所示，计算出补偿阻力 UN，将起叠加到 R 总得：R总=R 总+UN 在阻尼系数法计算公式中，用 R总代替 R 总，代入公式(3.9)中计算出的静土阻力用 Rsu 表示：RSU=RTL+UN Jc*FT1+ZVT1 RTL-UN=RSP+（1+JC）UN 3.4.3 最大土阻力法（RMAX 法）公式（3.10）计算土的静阻力中，t1 时刻的选择可以是任意的。在保持 2L/C 时间段长度不变的情况下，t1 时刻选择从速度峰值相对应的时刻向后延时，不断进行计算，其中最大的静土阻力就

45、是 RMAX。经验表明：由最大土阻力法计算所得承载力偏高。因此在采用这种方法计算时，所取用的凯斯阻尼系数要比表 4.1 中的取值人为的增大 0.2，而且不应小于 0.4，以适当增大动土阻力，减低静土阻力。应用范围：前面应用范围：前面 3.4.1.1 阻尼系数法阻尼系数法(3)中所述中所述 4 种不适用于阻尼系数法的桩（即大的最大弹性形变量种不适用于阻尼系数法的桩（即大的最大弹性形变量Q）及起始段上升时间很短土阻力来不及充分发挥的桩，在有经验的情况下，也可采用本计算方法。）及起始段上升时间很短土阻力来不及充分发挥的桩，在有经验的情况下，也可采用本计算方法。4.4.4 自动计算法（RAU 法）为了

46、避免由于凭经验设定 Jc 而带来的计算误差，在不考虑桩测土阻力的情况下，自动计算法自动消除土的动阻力而直接求得土的静阻力。即：Rs=R总Rd 当 Rd=0 时 Rs=R总 基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -30;TS:102.4TB:0.0F(5000)V(7.38)A12 F12 TS:102.4TB:0.0WU(5000)WD(5000)而土的动阻力 Rd=ZJcV尖，所以若 V尖=0，则 Rd=0。由式（3.6）Rd=Jc2F(t1)R总 .（3.11）由式（3.1）R总=F(t1)+F(t1+2L/C)代入（3.1）得 Rd=Jc2F(t1)R总 =JcF(t1

47、)F(t1+2L/C)因此，若 Rd=0 必须 F(t1)=F(t1+2L/C).（3.12）公式（3.12）告诉了我们判断 Rd=0 的方法：即在 F、Ft 曲线上，如果上行波在 t1+2L/C 的值与下行波在 t1 的值相等的话，则 Rd=0，如图 3.4 所示。由于 V尖=0，所以此时应该为端承桩。RAU 法计算时，基本不考虑桩侧阻力，主要适用于端阻力为主的桩（桩尖速度为零）。法计算时，基本不考虑桩侧阻力，主要适用于端阻力为主的桩（桩尖速度为零）。图 3.4 判断 Rd=0 的方法 基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -313.5 高应变动测桩身结构完整性判断 3.5

48、.1 表达式 高应变动测桩身结构完整性是用完整性系数表示。定义为下上两个截面的波阻抗 Z2、Z1 之比。即=Z2/Z1 根据公式 2.17：F反=F入(Z2-Z1)/(Z2+Z1)=F入(Z2/Z1-1)/(Z2/Z1+1)=F入(-1)/(+1)即：F反=F入(-1)/(+1)所以：=（F入+F反）/（F入-F反）（3。14）F（t1）ZV（t1）检测面 Zz x Rx 阻抗变化面 z 若离检测面距离为 x 处的阻抗由 Z1 变为 Z2，检测面到阻抗变化面桩侧土阻力为 Rx。则在检测面处的 FT1 在向下运行，同时还有下行的土阻力波（-RX/2）。因此在到阻抗变化面上的入射波的大小为：F入=

49、F（t1）-R（x）/2 （3。15）在检测面经过 t1+2X/C 后，检测到来自阻抗界面的上行波 F（tx），其大小为：F（tx）=F反+R（x）/2 也即：F反=F（tx）-R（x）/2 （3。16）将公式（3。15）和公式（3。16）代入公式（3。14）得：Z2 Z1 F入入 F反反 基桩高应变法动测试验实用技术 上海锐欣仪器科技有限公司 -32 =（F（tx）-R（x/）2+（F（t1）-R（x）/2）/（F（t1）-R（x）/2）-（F（tx）-R（x）/2）=（F（t1）+F（tx）-R（x）/F（t1）-F（tx）由于：F（tx）=（F（tx）-ZV（tx）/2，F（t1）=（F

50、（t1）+ZV（t1）/2 代入上式整理得：=（(F（t1）+ZV（t1）)+（F（tx）-ZV（tx）-2R（x）/（(F（t1）+ZV（t1）)-（F（tx）-ZV（tx）（3。17）tx-缺陷反射峰值所对应的时刻（ms）R（x）-缺陷以上部位土阻力的估算值，等于缺陷反射波起始点的力与该时刻的速度乘以 Z 之差值 在目前的高应变动测仪器中，完整性系数都可以自动计算出。3.5.2 完整性判断标准 根据新的上海市工程建设规范建筑基桩检测技术规程（DGJ08-218-2003 J10287-2003），完整性判断标准如表 3.2 所示。表 3.2 桩身完整性判定表 被测截面处的值 缺陷程度 桩身