基樁動荷載

1、1,巖土工程原位測試技術(shù),第7章　基樁動荷載試驗,2,第7章　內(nèi)　 容,7.1　概述7.2　反射波法7.3　Case法,3,7.1　概 述,一．樁的動測法發(fā)展歷史　　樁的動力測試技術(shù)已有100多年的歷史。最早的動測方法是在能量守恒原理的基礎(chǔ)上，利用牛頓碰撞定律，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)以應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)。 　　我國自20世紀70年代開始研究樁的動力測試技術(shù)，近年來發(fā)展很快。,4,二

2、．樁的動測法分類　　現(xiàn)有的各種動力測試方法依據(jù)其激發(fā)能量對于樁身的影響而劃分為高應(yīng)變和低應(yīng)變兩大類，其中得到廣泛應(yīng)用的屬于高應(yīng)變的代表性方法有CAPWAPC法（實測曲線擬合法）和CASE法；屬于低應(yīng)變的代表性方法有反射波法、機械阻抗法、聲波透射法和動力參數(shù)法等，其中聲波透射法并不需要對樁身進行激振，但習(xí)慣上仍將其歸于低應(yīng)變動力測試法。　　本章僅講述低應(yīng)變動力測試法中的反射波法和高應(yīng)變動力測試法中的CASE法。,5,7.2　反射波法,

3、一．試驗方法和設(shè)備　　反射波法（也稱為應(yīng)力波反射法）的現(xiàn)場測試如圖7-1所示。對完整的測試分析過程可以描述如下：用手錘（或力棒）在樁頭施加一瞬態(tài)沖擊力F(t)，激發(fā)的應(yīng)力波沿樁身傳播，同時利用設(shè)置在樁頂?shù)募铀俣葌鞲衅骰蛩俣葌鞲衅鹘邮粘跏夹盘柡陀蓸蹲杩棺兓慕孛婊驑兜桩a(chǎn)生的反射信號，經(jīng)信號處理儀器濾波、放大后傳至計算機得到時程曲線（稱為波形），最后分析者利用分析軟件對所記錄的帶有樁身質(zhì)量信息的波形進行處理和分析，并結(jié)合有關(guān)地質(zhì)資料和施工

4、記錄作出對樁的完整性的判斷。,6,,,,,,,圖7-1 反射波法的現(xiàn)場測試示意,7,反射波法使用的設(shè)備包括激振設(shè)備（手錘或力棒）、信號采集設(shè)備（加速度傳感器或速度傳感器）和信號采集分析儀?！　〖ふ裨O(shè)備的作用是產(chǎn)生振動信號。一般地，手錘產(chǎn)生的信號頻率較高，可用于檢測短、小樁或樁身的淺部缺陷；力棒的重量和棒頭可調(diào)，增加力棒的重量和使用軟質(zhì)棒頭（如尼龍、橡膠）可產(chǎn)生低頻信號，可用于檢測長、大樁和測試樁底信號。激振的部位宜位于樁的中心，但對

5、于大樁也可變換位置以確定缺陷的平面位置。激振的地點應(yīng)打磨平整，以消除樁頂雜波的影響。另外，力棒激振時應(yīng)保持棒身豎直，手錘激振時錘底面要平，以保持力的作用線豎直。,,,,,,,,,8,采集信號的傳感器一般用黃油或凡士林粘貼在樁頂距樁中心2/3半徑處（注意避開鋼筋籠的影響）的平整處，注意粘貼處要平整，否則要用砂輪磨平。粘貼劑不可太厚，但要保證傳感器粘貼牢靠且不要直接與樁頂接觸。需要時可變換傳感器的位置或同時安裝兩只傳感器?！　⌒盘柌杉治?/p>

6、儀用于測試過程的控制、反射信號的過濾、放大、分析和輸出。測試過程中應(yīng)注意連線應(yīng)牢固可靠，線路全部連接好后才能開機。,9,二．基本測試原理與波形分析　　1．廣義波阻抗及波阻抗界面　　設(shè)樁身某段為一分析單元，其樁身介質(zhì)密度、彈模、彈性波波速、截面面積分別用?、E、C、A表示，則令Z=?CA=EA/C 　 （7-1）　　稱Z為廣義波阻抗。波阻抗的物理含義為：F=ZV　　式中，F(xiàn)為

7、波陣面所受的力，V為波陣面的質(zhì)點振動速度?！　‘?dāng)樁身的幾何尺寸或材料的物理性質(zhì)發(fā)生變化時，則相應(yīng)的?、E、C、A發(fā)生變化，其變化發(fā)生處稱為波阻抗界面。界面上下的波阻抗比值為 （7-2）　　稱n為波阻抗比。,,,,10,2．應(yīng)力波在阻抗界面處的反射與透射　　設(shè)一維平面應(yīng)力波沿樁身傳播，當(dāng)?shù)竭_某一與傳播方向垂直的波阻抗界面（圖7-2）時。根據(jù)應(yīng)力波理論，由連續(xù)性條件和牛頓第三定律

8、有VI+VR=VT 　　 （7-3）A1（σI+σR）=A2σT 　?。?-4）,式中，V、σ分別表示質(zhì)點振動的速度和產(chǎn)生的應(yīng)力，下標(biāo)I、R、T分別表示入射波、反射波和透射波。　　由波阻抗的物理含義可寫出：σI=-ZVI/A=-?1C1VI　　速度向下為正，此時產(chǎn)生壓應(yīng)力，故式中有一負號。　　類似有： σR=?1C1 VR σT=-?2C2VT,11,代入式（7-4），得

9、?1C1A1（VI－VR）=?2C2A2VT （7-5）　　聯(lián)立式（7-3）和（7-5），求得VR=－FVI （7-6a）VT=nTVI 7-6b）　　式中,稱為反射系數(shù) （7-7a） 稱為透射系數(shù) （7-7b）　　式（7-6）是反射波

10、法中利用反射波與入射波的速度量的相位關(guān)系進行分析的重要關(guān)系式。,12,3．樁身不同狀況下應(yīng)力波速度量的反射、透射與入射的關(guān)系　?。?）樁身完好，樁底支承條件一般　　此時，僅在樁底存在界面，速度波沿樁身的傳播情況如圖7-3所示。,13,因為?1C1A1>?2C2A2，所以n= Z1/Z2>1，代入式（7-7）得F0）　　由式（7-6）可知，在樁底處，速度量的反射波與入射波同號，體現(xiàn)在V（t）時程曲線上，則為波峰位于中線

11、的同一側(cè)（同向）。典型的完好樁的實測波形如圖7-4?！　∮蓤D7-3、圖7-4分析可得激振信號從觸發(fā)到返回樁頂所需的時間t1、縱波波速C、樁長L三者之間的關(guān)系為 （7-8）,,,,,,式（7-8）即為反射波法中判斷樁長或求解波速的關(guān)系式。在式（7-8）的應(yīng)用上，應(yīng)已知C或L之中的一個，當(dāng)二者都未知時，有無窮個解，因此實用中常常利用統(tǒng)計的方法或其他實驗的方法來假定C或根據(jù)施工記

12、錄來假定L，以達到近似求解的目的。,,14,（2）樁身截面積變化　　1）Ll處樁截面減小。如圖7-5，可知在Ll處有n= Z1/Z2= A1/A2>1　　可得F<0。于是有：VR與VI同號，而VT恒與VI同號。典型的波形如圖7-6所示。假定C為已知，則樁長和樁截面減小的位置可以確定如下：,,,15,2）Ll處截面增大。如圖7-7，可知在Ll處n= Z1/Z2= A1/A20?？傻媒Y(jié)論：截面積增大處，VR與VI反號，而

13、VT恒與VI同號。典型的波形如圖7-8所示。樁長和樁截面變化的位置可以確定如下：,,,16,（3）樁身斷裂　　1）樁身在L1處完全斷開。如圖7-9，Z2相當(dāng)于空氣的波阻抗，有Z2→0，于是得n= Z1/Z2= A1/A2→∞　　由式（7-7）得F=－1，T=0　　代入式（7-6a）和（7-6b），可得VR=VI ，VT=0　　即應(yīng)力波在斷開處發(fā)生全反射，由于透射波為零，故應(yīng)力波僅在上部多次反射而到不了樁底。　　典型的實測

14、曲線如圖7-10所示。斷裂的位置可按下式確定：,,17,,,,,,,,,18,2）樁身在L1處局部斷裂（裂紋）。如圖7-11，典型V（t）曲線如圖7-12。Ll處反射信號與L處（樁底）反射信號的強弱，隨著裂紋的嚴重程度而不同。,,,19,（4）樁身局部縮徑、夾泥、離析　　三種情況及相應(yīng)的應(yīng)力波傳遞過程示意于圖7-13中，圖7-14是實測波形。對此三種情況可分析如下：,,,,,,1）縮徑：n1= Z1/Z2= A1/A2>1，F(xiàn)0

15、。所以：VR與VI反號，VT與VI同號。,,,20,2）夾泥和離析：,,,,21,所以上述三種情況的VR與VI及VT與VI的關(guān)系相似，實測中的波形特征也極為類似。樁長和缺陷位置等特征可根據(jù)圖7-14確定如下：　　樁長：　　缺陷位置：　　缺陷范圍：,實際上，由于L2處的反射信號在返回樁頂時又經(jīng)過L1處的反射與透射，故能量較Ll處的一次反射弱，一般較難分辯。當(dāng)缺陷嚴重時，樁底的反射信號也較弱。　　另外，以上三種缺陷的的進一步鑒別可根

16、據(jù)：　　①根據(jù)地質(zhì)報告和施工記錄以及樁型區(qū)分；,,22,②根據(jù)波形的光滑與毛糙情況區(qū)分；　　③根據(jù)波速區(qū)分?！　。?）樁底擴大頭　　如圖7-15所示。典型的測試曲線如圖7-16。,23,（6）樁底嵌巖或堅硬持力層　　如圖7-17?！　?）Z1<Z2，n<1，VR與VI反號，實測波形如圖7-18?！　?）Z1?Z2，n?1，F(xiàn)?0，VR接近為零，此時樁底基本不產(chǎn)生反射信號，反映在波形圖上，則看不見樁底反射信號。,

17、,24,3．彈性波在傳播過程中的衰減　　彈性波在混凝土介質(zhì)內(nèi)傳播的過程中，其峰值不斷衰減，引起彈性波峰值衰減的原因很多，主要是：　　1）幾何擴散。波陣面在介質(zhì)中不論以什么形式（球面波、柱面波或平面波）傳播，均將隨距離增加而逐漸擴大，單位面積上的能量則愈來愈小。 　　2）吸收衰減。由于固體材料的粘滯性及顆粒之間的摩擦以及彌散效應(yīng)等，使振動的能量轉(zhuǎn)化為其它能量，導(dǎo)致彈性波能量衰減?！　?）樁身完整性的影響。由于樁身含有程度不等和大小

18、不一的缺陷：裂隙、孔洞、夾層等，造成物性上的不連續(xù)和不均勻，導(dǎo)致波動能量更大的衰減。,,25,4．混凝土的強度及其彈性波速　　混凝土是由水泥、砂、碎石組成的混合材料。當(dāng)原材料、配合比、制作工藝、養(yǎng)護條件、齡期和混凝土的含水率不同時，其強度和彈性波速均不一樣。影響波速的主要因素有：　　1）原材料的影響。水泥漿硬化體的彈性波速較低，一般在4km/s以下；常用的砂和碎石的彈性波速較高，通常都在5km/s以上。混凝土是水泥漿膠結(jié)砂和碎石而成

19、，其波速多在3000~4500m/s的范圍內(nèi)?！　?）碎石的礦物成分、粒徑和用量的影響。不同礦物形成的碎石的彈性波速是不同的。在混凝土中，石子的粒徑越大、用量越多，在相同強度的前提下混凝土的彈性波速越高。,,,,,,,,,,26,3）養(yǎng)護方式的影響。　　根據(jù)室內(nèi)試驗的結(jié)果，混凝土的強度和彈性波波速之間有較好的相關(guān)性。下述公式可供參考。 （7-9）　　式中?c為混凝土的標(biāo)準抗壓強

20、度（MPa），C為混凝土的縱波波速（km/s）。上式的統(tǒng)計樣本容量n=30，相關(guān)系數(shù)?=0.9869。,,,,,,,,,,27,7.3　CASE法,一．試驗設(shè)備和方法　　　　1．方法簡述　　樁的高應(yīng)變動力測試是采用瞬態(tài)激振方式使試樁產(chǎn)生高應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，以考驗樁土體系在接近極限狀態(tài)時的工作性能，從而對樁的承載力和完整性作出評價的一種現(xiàn)場測試方法。測試方法可簡述如下：　　（1）用動態(tài)的豎向沖擊荷載在樁頂激振。　?。?）采集樁頂附近樁

21、身截面上的軸向應(yīng)變和樁身運動速度（或加速度）的時程曲線，再用一維波動方程進行分析，推算樁周土對樁的阻力分布（包括靜阻力和動阻力）（實測曲線擬合法）或直接推求樁的極限承載力（CASE法）。,28,CASE法是高應(yīng)變測試法中的一種，其主要特點是方法簡單、涉及參數(shù)少、分析過程快捷，因而能很快得出測試結(jié)果。其缺點則在于假設(shè)過粗、參數(shù)不易把握、測試結(jié)果近似度較差等。故就其總體而言適合于現(xiàn)場粗判以及在有對比資料和充分的地區(qū)經(jīng)驗時的測試工作，中華人民

22、共和國行業(yè)標(biāo)準《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》JGJ106-2003中對CASE法的使用做出了嚴格的限制?！　?．試驗設(shè)備　　（1）傳感器。實測中通常采用應(yīng)變傳感器測定樁頂力，用加速度傳感器測定樁頂?shù)馁|(zhì)點加速度，經(jīng)積分后轉(zhuǎn)換為速度量?！　⊥ǔ２捎霉ぞ呤綉?yīng)變傳感器和壓電晶體式加速度計。,,29,（2）整機系統(tǒng)。在國際上有代表性的整機系統(tǒng)是美國樁基動力公司的PDA、瑞典樁基開發(fā)公司的PID、和荷蘭富國公司的產(chǎn)品。國內(nèi)生產(chǎn)的儀器一般同時包含了高

23、、低應(yīng)變測試方法，其中CASE法軟件作為儀器的基本配置，而CAPWAPC法（國內(nèi)稱為實測曲線擬合法）的軟件通常需要另行購買。　　儀器在收到信號后，一般都要經(jīng)過一次低通濾波處理，去除現(xiàn)場高頻雜波的干擾，并對信號進行平滑處理。目前CASE法的分析計算都還只是在時域內(nèi)進行，所以對低通濾波器的性能要求不高。　　為了提高分析的可靠性和精度，一般都將傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，即進行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換時希望有足夠大的采樣頻率，以保證

24、信號的峰值不會因采樣的緣故而有明顯的降低。采樣時對每一波形曲線取512個點或1024個點。,,30,每次錘擊信號中所保存信號的歷時都很短，大約為50~100ms。打樁施工時各次錘擊的時間間隔不大，最小只有0.5s（每分鐘120錘）。因此儀器在A/D轉(zhuǎn)換時必須具有自動觸發(fā)取樣功能和在每次取樣前的自動清零功能。PDA和PID系統(tǒng)都利用所采集的信號本身來進行觸發(fā)，而且都采用了‘預(yù)觸發(fā)’的形式。,,31,二．基本測試原理　　　　1．一維波動方

25、程　　將樁身看作為一根一維彈性桿，由應(yīng)力波理論知，在軸向動荷載的作用下樁身任一截面的軸向位移可以表示為一維波動方程（7-10）式中 u——樁身截面的軸向位移；　 　 C——應(yīng)力波在樁身中的傳播速度，　　　　　；　　　　 E和?分別為樁身材料的彈性模量和質(zhì)量密度。,32,2．行波理論和CASE法的基本公式 　　　（1）上行波和下行波　　由式（7-10）得到一維波動方程的通解u=f（x-Ct）+g（x+Ct） （

26、7-11）　　式中f（·）和g（·）分別代表下行波和上行波。如果單獨研究下行波f ，記下行波的質(zhì)點運動速度為v↓，其值為：,（7-12）　　這里應(yīng)注意：v是表示質(zhì)點運動的速度而C是波的傳播速度，兩者是完全不同的概念。,,33,下行波產(chǎn)生的應(yīng)變?↓為：（7-13）　　式中的負號表示以壓縮變形和壓應(yīng)力為正?！　∠滦胁óa(chǎn)生的力P↓為：P↓=?↓·AE=－AE·f ?

27、 （7-14）令 　　　　　　　 （7-15）,,,由公式（7-12）、（7-14）和（7-15）可推得下行波的質(zhì)點運動速度v↓和截面上的內(nèi)力P↓之間存在著一個恒定的關(guān)系式：P↓=Z·v↓ 　 （7-16）,34,同樣，對于上行波可以得到：

28、 （7-17）P↑=?↑·AE=－AE·g? （7-18）　　所以：P↑=－Z·v↑ （7-19）　　在一般情況下，樁身上任一截面上測到的質(zhì)點運動速度或力都是上行波與下行波疊加的結(jié)果。也就是：（7-20）（7-21）,,,,,,35,如果將實測的質(zhì)點運動速

29、度和力記作vm和Pm。則由公式（7-16）、（7-19）~（7-21）很容易將各時刻這一截面上的質(zhì)點速度與力的上行波分量和下行波分量表示出來，得：,（2）應(yīng)力波在自由端和固定端的反射　　當(dāng)樁端為自由端時，有邊界條件（圖7-20）P= P↓+ P↑=0 （7-24）,（7-22）（7-23）,36,將公式（7-16）和（7-19）代入，得到Z·v↓－Z·v↑=0即：

30、 　 v↑=v↓ 　 （7-25）　　由式（7-24），有P↑=－P↓ （7-26）　　由式（7-20）和式（7-25），有v=v↓+v↑=2v↓　　式（7-25）、（7-26）和上式表示當(dāng)樁端為自由端時，入射的應(yīng)力波將產(chǎn)生一個符號相反，幅值相同的反射波，即壓力波產(chǎn)生拉力反射波，拉力波產(chǎn)生壓力反

31、射波，而且在桿端處由于波的疊加，使桿端的質(zhì)點運動速度增加一倍。,37,當(dāng)樁端為固定端時，有邊界條件（圖7-21）：v↓+v↑=0 　　?。?-27）　　所以：v↑=－v↓ 　　?。?-28）　　將式（7-16）和（7-19）代入（7-28），得：P↑=P↓ 　　 （7-29）,于是：P= P↓+ P↑= 2P 　　　　　　 （7-30）　　上述公式表示當(dāng)樁端為固定端時，入射的應(yīng)力波將產(chǎn)生一個相同的反射波。在桿端

32、處由于波的疊加使樁端反力增加一倍。,38,（3）樁側(cè)摩阻力的考慮　　在樁側(cè)面i處有一摩阻力R（i）作用時（圖7-22），截面上下的力和速度分別為：上側(cè)：　　　　　　　 （7-31）下側(cè)：　　　　　　　　 （7-32）,i 截面處的平衡條件和連續(xù)條件為： （7-33）,,39,從式（7-31）~（7-33）并考慮到式（7-16）、（7-19），整理后得到： （7-34）　

33、　式（7-34）表示上行波或下行波在通過摩阻力R（i）作用的截面時，其幅值各增減R（i）/2，也可以理解為當(dāng)應(yīng)力波通過i截面時，由于R（i）的作用，從i截面開始產(chǎn)生一個向上的壓力波和一個向下的拉力波，疊加于原來的行波中，它們幅值都等于R（i）/2?！　。?）樁截面發(fā)生變化時　　當(dāng)樁在某個截面發(fā)生突然變化時（圖7-23），聲阻抗由Z1變?yōu)閆2，由變截面處的連續(xù)條件寫出：,,40,（7-35）　　將（7-16）和（7-19）代入（7-

34、35）中的第二式，整理后得： （7-36）　　解方程組（7-36）得：（7-37）,41,當(dāng)只有下行波P1↓通過變截面時，式（7-37）變?yōu)椋?（7-38）　　同樣，只有上行波P2↑傳來時，式（7-37）變?yōu)椋?（7-39）　　公式（7-38）和（7-39）表示，當(dāng)原有的下行波Pl↓及上行波P2↑通過變截面時，都會分成透射和反射

35、兩部分。透射波的性質(zhì)（拉力波或壓力波）保持與入射波一致；反射波的性質(zhì)根據(jù)Z2-Zl項的正負號決定。,,,,42,5）總的土阻力—CASE法的基本公式　　當(dāng)錘擊力剛作用到樁頂?shù)臅r候，樁身上僅有向下傳播的壓縮波。壓縮波以波速C向樁尖方向傳播。如把樁看成一根兩端自由的縱向振動桿（即暫不考慮土反力的作用），這個應(yīng)力波到達樁尖后變成一大小、形狀相同，僅符號相反的拉力波向上傳播。到達樁頂后又變?yōu)閴毫Σㄔ傧蛳聜鞑?，不斷循環(huán)反射。如果在樁頂附近安裝一

36、組傳感器，傳感器距樁頂?shù)木嚯x為L1；距樁尖的距離為L。樁受錘擊后產(chǎn)生壓應(yīng)力波P（t），P（t）傳到傳感器位置時，傳感器便可測得信號： （7-40）　　式中的下標(biāo)‘m’表示是傳感器實測的值。,,,,,43,經(jīng)過時間2L/C以后，傳感器可以測到第一次自樁尖返回的波。再經(jīng)過較小的時間間隔2L1/C以后，又測到自樁頂返回的波。如果不考慮能量的耗散，則每隔2（L+L1）/C時間間隔以后，傳感器將重復(fù)測到上述同樣的信號?！　≡谌我鈺r刻t，傳感

37、器接收到的由錘擊產(chǎn)生的信號是上述信號的疊加，于是有： （7-41） （7-42）,,,,,,,44,應(yīng)該指出，在公式（7-41）、（7-42）及以后的公式中對于函數(shù)P（t）及R（i，t）都隱含著一個約定：即當(dāng)t<0時P（t）=0，R（i，t）=0 　 （7-43）　　如果樁身上X=Xi處作用有土的諧阻力R（i，t），應(yīng)力波到達Xi處就產(chǎn)生一新的應(yīng)力波向上和向下傳播。上行波為幅值等于

38、R（i，t）/2的壓力波，在時刻2Xi/C及2Xi/C +2L1/C時被傳感器所接收，其相應(yīng)的質(zhì)點速度vm和力Pm為：,,,,,,,45,同樣，這一應(yīng)力波也將在樁身中反復(fù)傳播，每隔2L/C+2L1/C以后，傳感器可以反復(fù)接收到這一應(yīng)力波的信號：,,,,,,,考慮在不同的位置X1，X2，X3，……，Xn處作用有不同的摩阻力Ri（i，t）（i=1,2……n），對i求和，有：（7-44）（7-45）,46,由R（i，t）產(chǎn)生的下行波是

39、幅值為R（i，t）/2的拉力波，在時刻L/C時和錘擊產(chǎn)生的力波一起到達樁尖，經(jīng)樁尖反射而成為壓力波，在2L/C時被傳感器所接收，再經(jīng)過2L1/C時刻又再次被傳感器所接收： （7-46） （7-47）　　傳感器量測到的速度和力的值是上述三部分疊加的結(jié)果： （7-48）,,,,,,,,47,在上述推導(dǎo)過程中，沒有考慮應(yīng)力波在傳播過程中能量的耗散。故只在最初的4L/C或3L/C時間內(nèi)與實際情況比較相

40、符。假如在0≤t<4L/C范圍內(nèi)，任取間隔為2L/C的兩個時刻：t1= t *， t2= t *+2L/C （7-49）　　測得力和速度的實際值，由公式（7-41）至（7-47）可知其應(yīng)等于： （7-50）（7-51）,48,（7-52）（7-53）　　由公式（7-50）~（7-53）可以推得： （7-54）,49,假定在所考慮的時間內(nèi)，例如0<

41、;t≤4L/C時各點的摩阻力是一個不隨時間改變的常量，即有：　　那么，打樁時作用在樁身上的所有摩阻力的總和RT為： （7-55）　　這就是CASE法中最基本的計算公式。通過間隔時間為2L/C的兩次測得的樁頂處的Pm及vm值就可用公式（7-55）求出錘擊過程中作用在樁身上總的土反力值RT。,,,,,,,50,三．現(xiàn)場實測要點　　1．設(shè)備的選取　　從CASE法計算承載力的基本公式中可以看到，要想得到樁的阻力，必

42、須測到樁頂處的速度值vm（t）和力值Pm（t）。速度值的測量一般可采用速度計或加速度計，但因為速度計的阻尼及頻響范圍較難滿足要求，因此實用中一般采用加速度計，在測得加速度后經(jīng)積分轉(zhuǎn)化為速度值。力的測量是由應(yīng)變測量轉(zhuǎn)化來的，應(yīng)變測度可采用工具式應(yīng)變計或應(yīng)變片。加載方式大多采用重錘錘擊的辦法，測試中為了加寬脈沖的寬度，可在樁頂墊一層砂或夾板類的緩沖物。錘重一般為樁重的1/10~1/8，對地質(zhì)情況較好的樁，錘重大約為預(yù)估承載力的1%。另外有人

43、在樁頂采用爆炸的辦法來加載，效果如何值得研究。,,,,,,,51,2．現(xiàn)場測試過程　　（1）樁頭處理。從CASE法的原理知，要想得到比較理想的結(jié)果，必須保證產(chǎn)生一個平面波，這就要求樁頂比較平整，一般樁頭不需另用水泥沙漿抹平，而只需把樁頂鑿得大致平整，然后在樁頂墊一層砂，再在砂上墊一塊鋼板或木板。樁頂一般要求露出地面1.5倍樁徑長，以便安裝傳感器?！　。?）加速度計的安裝。在樁對稱的兩側(cè)離樁頂1.5倍樁徑左右的地方各鉆一孔，將膨脹螺栓

44、固定于孔中，再將加速度計固定在膨脹螺栓上。值得注意的是，加速度傳感器必須貼緊樁身，否則會因螺栓的剛度小而引起寄生振蕩。　?。?）工具式應(yīng)力傳感器（應(yīng)力環(huán)）的安裝與加速度計的安裝類似。也可使用應(yīng)變片。,,,,,,,52,（4）波形的采集與選取?！　‖F(xiàn)場安裝完成后，應(yīng)先檢查所有聯(lián)線是否牢固可靠。加速度計的檢查可用小錘輕敲加速度計底座，觀察采集儀上是否有信號。應(yīng)變片或應(yīng)力環(huán)的檢查可用萬用電表量測其電阻。當(dāng)確信聯(lián)接無誤后，將儀器調(diào)平衡（具體

45、方法可參閱儀器使用說明），然后可以開始現(xiàn)場測試?！　?）現(xiàn)場采集波形。錘擊時應(yīng)注意錘擊重心應(yīng)對準樁的軸線，否則將產(chǎn)生偏心壓縮，同時還可能發(fā)生危險?！　D7-24是某工程的現(xiàn)場測試情況。,,53,圖7-24 某工程的CASE法現(xiàn)場測試,54,2）波形的選取。當(dāng)在現(xiàn)場測得一組數(shù)據(jù)后，便可以進行計算。然而結(jié)果的可信度怎樣與測得的波形有很大的關(guān)系。什么樣的波形計算出的結(jié)果才是可信的?下面的兩點將是非常有用的。 　　①測試所得的加速度和應(yīng)

46、變曲線將通過計算轉(zhuǎn)化為Zv曲線和P曲線，根據(jù)行波理論，當(dāng)樁側(cè)摩阻力未發(fā)揮作用時，P和Zv在起始段應(yīng)重合，否則說明測量結(jié)果不可靠。圖7-25為典型的CASE法波形圖。　?、跇O限承載力的確定：根據(jù)樁的荷載傳遞機理，只有當(dāng)樁與土發(fā)生相對運動且達到相當(dāng)量值時，摩阻力才能充分發(fā)揮出來?！　崪y時一般有兩種判別標(biāo)準，一種是測定樁的永久變形，一般認為，當(dāng)樁的貫入度達到2mm以上時，測得的靜阻力值可以認為是樁的極限承載力。,,,,,,,55,,,,

47、,,,56,另一種判別辦法是通過不同的落錘高度，如果樁的靜摩阻力已充分發(fā)揮，則增加的錘擊能量將轉(zhuǎn)化為樁的運動，也就是如果不同的落錘高度得到的靜阻力值接近，則這種靜阻力值即為極限承載力?！　‖F(xiàn)場試驗時即應(yīng)對測得的波形進行初判，只有當(dāng)獲得的波形能滿足分析的需要時，才可以終止試驗。四．用CASE法確定樁的極限承載力　　測定樁的靜極限承載力是CASE法的主要應(yīng)用之一。　　1．基本計算公式　　由公式（7-55），在一次錘擊時，沿樁身各處

48、所受到的實際土阻力的總和為：,,57,從公式的推導(dǎo)可以看到，這一公式之所以會有這樣簡潔的形式，主要是利用了波在樁內(nèi)以2L/C為周期的反復(fù)傳播、疊加的性質(zhì)，使公式中的許多項都合并、抵銷了。所以在使用這一公式時，必須要將2L/C的實際值判斷準確?！　⊥恋目傋枇χ礡T（t）包括了土的靜阻力Rs（t）和動阻尼力Rd（t），我們感興趣的是Rs（t）?！　∧壳捌毡槭褂玫氖亲枘岱ǎ俣▌幼枘崃θ考杏跇都?，并與樁尖的質(zhì)點運動速度成正比，即R

49、d（t）=J’1·vtoe（t）　 （7-56）　　推導(dǎo)公式（7-42）和（7-45）時已討論過，重錘沖擊樁頂時所產(chǎn)生的壓縮波將和樁身各截面處的樁側(cè)摩阻力產(chǎn)生的下行波同時到達樁尖。到達樁尖時，力波的幅值等于： （7-57）,,,,,,,,58,所以樁尖（自由端）的質(zhì)點運動速度： （7-58）　　作用在樁上的總的土阻力等于靜阻力Rs和動阻尼力Rd之和：

50、RT（t）= Rs（t）+ Rd（t） （7-59）　　將式（7-55）、（7-56）和（7-58）代入（7-59）式，并令J1= J ’1 /Z，得樁的靜承載力計算公式：（7-60）　　式中，J1稱為CASE阻尼系數(shù)。,59,一次錘擊過程中曾經(jīng)達到過的土的最大靜反力，即是我們所求的樁的靜極限承載力：,0<t≤4L/C 　　　 （7-61）　

51、　2．樁側(cè)摩阻力 　　當(dāng)t<2 L/C時，式（7-48）的表達式為：,,60,在這段時間內(nèi)，樁尖的回波還沒有傳到傳感器位置，傳感器只收到直接來自樁側(cè)各摩阻力的回波，因而由上式很容易得到計算樁側(cè)總摩阻力的公式： （7-62）　　我們感興趣的是每一錘時測到的最大值： （7-63）　　必須指出，在樁尖附近，部分樁側(cè)摩阻力產(chǎn)生的壓力回波將和樁尖的拉力回波互相抵消，所以由公式（7-63）求得的樁

52、側(cè)總摩阻力可能偏小。,,,,,,,,,61,3．計算公式的修正　　對于以側(cè)摩阻力為主的摩擦樁，瑞典PID公司認為推求樁的極限承載力時必須考慮樁側(cè)的動阻尼力的影響，建議將公式（7-61）修正為： （7-63）式中 J2——樁側(cè)土的阻尼系數(shù)?！　?yīng)當(dāng)指出：對于在軟土中以側(cè)摩阻力為主的樁，由PID公司的公式預(yù)估的承載力值更接近實際，但是這個公式的理論依據(jù)并不充分。,62,對于長樁或難貫入的樁，

53、錘擊時樁頂有明顯回跳，這說明打樁時有較強的壓力回波。因為壓力回波將使樁身的壓力增大，而質(zhì)點的運動速度將相應(yīng)減小。當(dāng)質(zhì)點的運動速度減到等于或小于零時，質(zhì)點開始反向運動。由此引起土阻力回彈卸載。公式（7-55）用于估算樁身上的動、靜摩阻力的總和。但如果產(chǎn)生卸載，則由公式（7-55）求出的值是卸載后的實際值，它將小于樁周土體可能產(chǎn)生的最大總阻力值。測試時，我們感興趣的是后者。因此，對于長樁或難貫入的樁公式，由（7-55）求得的RT值應(yīng)加上一補

54、償值。在CASE法中，補償值的取值方法是很粗略的。高勃爾等曾建議了一個方法，但其推導(dǎo)是很不嚴格的。關(guān)于此方面的內(nèi)容請參見相關(guān)書籍。,,,,,,,,,63,CASE法的極限承載力計算公式在最初導(dǎo)出時，對于樁側(cè)摩阻力和以側(cè)摩阻力為主的樁的研究是不充分的。因此，對于以側(cè)摩阻力為主的樁采用上述幾種不同的計算公式及有關(guān)參數(shù)時，應(yīng)盡量通過一系列動靜對比試驗，或與CAPWAP法的結(jié)果比較以積累地區(qū)性經(jīng)驗?！　?．參數(shù)的取值　　在CASE法中，需要

55、人為選取的參數(shù)是土的阻尼系數(shù)J。該系數(shù)本質(zhì)上是一種經(jīng)驗修正系數(shù)。國外資料的典型數(shù)據(jù)見表7-1和表7-2。,,64,,,65,CASE阻尼系數(shù)對計算結(jié)果有較大的影響，具體取值又有很強的地區(qū)性和經(jīng)驗性，在實踐中應(yīng)多注意總結(jié)，特別是要積累地區(qū)性的動靜對比資料，切忌盲目套用。在《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》JGJ 106-2003中規(guī)定“阻尼系數(shù)Jc值宜根據(jù)同條件下靜載試驗結(jié)果校核，或應(yīng)在已取得相近條件下可靠對比資料后，采用實測曲線擬合法確定Jc值，