ca3660
01
现场试验数据处理
1.1 什么是⾼应变法基桩检测
⾼应变法试桩是⼀种⽤重锤冲击桩顶，冲击脉冲在沿桩⾝向下传播的过程中使桩—⼟产⽣⾜够的相对位移，以激发桩周⼟阻⼒和桩端⽀承⼒的⼀种动⼒检测⽅法。
1.2⾼应法检测⽬的
（1）判定单桩竖向承载⼒是否满⾜设计要求。
（2）检测桩⾝缺陷及位置，判定桩⾝完整性类别。
（3）分析桩侧和桩端阻⼒。
（4）打桩监控
（5）桩⾝锤击应⼒状态及其分布---压应⼒和拉应⼒
（6）桩⾝锤击能量传递⽐---桩锤实际传递给桩的能量
（7）承载⼒时间恢复系数---初打试验与复打试验
• ⽬前主要⽤途：确定单桩竖向承载⼒能否满⾜设计要求
1.3 ⾼应变法适⽤范围
1、检测基桩竖向承载⼒和完整性
2、检测预制桩打⼊时的桩⾝应⼒和锤击能量传递⽐，为沉桩⼯艺参数及桩长选择提供依据。
3、进⾏灌注桩承载⼒检测时，应有现场实测经验和本地区相近条件可靠验证资料 1.4 ⾼应法技术发展现状
⽬前，在我国应⽤范围最⼴泛的⾼应变分析⽅法采⽤CASE法和实测曲线拟合法（CCWAPC法）。 02
⾼应变法基本理论
2.1 桩的基本假定
1、⾼应变动⼒试桩在原理上就被简化为⼀维线性波动⼒学问题
2、假定桩⾝材料是均匀的和各向同性的
3、假定桩是线弹性杆件
4、假定桩是⼀维杆件
4、假定桩是⼀维杆件
5、假定纵波的波长⽐杆的横截⾯尺⼨⼤得多
6、假定破坏只发⽣在桩⼟界⾯
2.2 基本概念和基本关系式
1、应⼒波波速c是杆的材料性质的函数。其物理意义是应⼒波在杆⾝中的传播速度。c2 = E /ρ其中：c-波速 E-弹性模量ρ-材料密度
2、“应⼒波波速”就是压缩区（或拉伸区）沿杆运动速度；⽽“质点速度”就是应⼒波经过时杆上质点的运动速度。
3、质点速度与应⼒应变的关系
质点的速度与⼒的关系: V = F*C/E*A
质点的速度与应⼒的关系: V =σ*c/E
质点的速度与应变的关系: V =ε*c
4、桩⾝⼒学阻抗Z （归⼀） Z = ∣F/V∣= EA/c =ρcA 即：F= ∣ZV∣
在描述应⼒波现象时，把实测的速度曲线乘以相应的桩⾝阻抗Ｚ，该曲线将保持速度的变化规律⽽按⼀定的⽐例转换为⼒的单位，在同⼀坐标系中可以直接对⽐该曲线与实测的⼒曲线之间的关系，这将⼤⼤⽅便我们的观察与分析。此外，下⾏波和上⾏波的时程曲线也是⽤Ｚ这⼀参量经过换算计算得到的。
2.3 ⾼应变法的波动⼒学基础
1、⼀维波动⽅程
∂2u/∂t2 = c2∂2u/∂x2 - R/(ρ•A) (2－1)
式中：u是杆上x处在t时刻的轴向位移，它是纵向坐标和时间两个变量的函数。
上式中左边的偏微分是杆上质点的加速度，右边的偏微分是杆上质点的应变
2、下⾏波和上⾏波
⼀维波动⽅程(2－1)式的通解为： u(x,t) = f(x-ct) + g(x+ct)
解由两部分组成，分别代表两个⾏波，其传播速度均为c⽽传播⽅向相反，在竖向的桩⾝中传播时通常称为下⾏波和上⾏波。
根据波动理论，⼀个任意位移波和与它对应的应⼒波在杆中的传播仅仅随时间以波速c沿正反⽅向移动⽽其形状保持不变
下⾏⼒波 F↓= Z v↓
上⾏⼒波 F↑= -Z v↑
⼀般情况下，在桩⾝任⼀位置截⾯上量测到的质点运动速度和⼒都是下⾏波和上⾏波叠加的结果：
F = F↓+ F↑
v = v↓+ v↑
1、试桩时桩两侧⼒和加速度传感器测的是截⾯处⼒（Fm）和
质点运动速度（vm）（实测值）
如果已知桩上某截⾯的⼒Fm和速度vm，就可以从⼒Fm和换
算后的质点速度Z*vm分别求得其下⾏波（两者之和平均值）
和上⾏波（两者之差⼀半）。
下⾏波 F↓= (Fm+ Z vm)/2
上⾏波 F↑= (Fm- Z vm)/2
v↓= (vm+ Fm/Z)/2粉碎机器人
v↑= (vm- Fm/Z)/2
混合罐
2.4 应⼒波在桩端传播特征
1、当桩端为⾃由端时，其边界条件是受⼒为零。
v = v↓+ v↑= 2v↓
应⼒波到达⾃由端后，将产⽣⼀个幅值相同、符号相反的反射波，即⼊射压⼒波产⽣拉⼒反射波，⼊射拉⼒波产⽣压⼒反射波。在杆端由于波的叠加，使杆端质点运动速度增加⼀倍 磁卡复制2、桩端为固定端时，其边界条件是速度为零。
F = F↓+F↑= 2F↓
应⼒波到达固定端后，将产⽣⼀个与⼊射波相同的反射波，即⼊射压⼒波产⽣压⼒反射波，⼊射拉⼒波产⽣拉⼒反射波。在杆端由于波的叠加，使端部反⼒增加⼀倍。
3、当桩端约束介于⾃由端与固定端之间时
2. 3桩⾝阻抗变化时的应⼒波传播规律
扩管机
1、F1↑=[(Z2-Z1)/(Z2+Z1)]F1↓（反射波）
2、F2↓=[2Z2]/(Z2+Z1)]F1↓（透射波）
3、当Z2>Z1，即⼊射波由阻抗⼩的截⾯向阻抗⼤的截⾯传播时，反射波与⼊射波的性质相同，即⼊射的拉⼒波产⽣反射拉⼒波，⼊射的压⼒波产⽣反射压⼒波。
4、当Z2<Z1，即⼊射波由阻抗⼤的截⾯向阻抗⼩的截⾯传播时，反射波改变符号，即⼊射的拉⼒波产⽣反射压⼒波，⼊射的压⼒波产⽣反射拉⼒波。
2. 4 应⼒波对⾼应变动⼒试桩实测曲线的影响
2. 4 应⼒波对⾼应变动⼒试桩实测曲线的影响
1、上下⾏波对测试曲线的影响：
⑴在Ｆ－Ｖ图中，凡是下⾏波都将使两条曲线同向平移，原有距离保持不变；凡是上⾏波都将使两条曲线反向平移，互相靠拢或互相分离。
⑵在Ｆ－Ｖ图中，如果只有下⾏波作⽤，F(t)曲线和Z*V(t)曲线将永远保持重合。
⑶在Ｆ－Ｖ图中，F(t)曲线和Z*V(t)曲线的相对移动直接反映了上⾏波的作⽤。
2、桩⾝阻抗变化对测试曲线的影响：
⑴阻抗减⼩将产⽣上⾏的拉⼒波，在到达检测截⾯时，将引起⼒值的减⼩和速度值的增⼤，即⼒曲线下移⽽速度曲线上移。
⑵阻抗增⼤将产⽣上⾏的压⼒波，在到达检测截⾯时，将引起⼒值的增⼤和速度值的减⼩，即⼒曲线上移⽽速度曲线下移。
⑶上述反射信号到达检测截⾯的时间与变阻抗截⾯所在深度成正⽐。可以根据反射信号在时间轴上的位置确定其所在深度。
3、⼟阻⼒所产⽣的应⼒波对测试曲线影响：
⑴作⽤深度为x(0≤x<L)处的⼟阻⼒所产⽣的上⾏压⼒波将在2x/c时刻到达检测截⾯。在实测F-V曲线上沿。时间轴将可以在2L/c之前看到分层累加的⼟阻⼒信息
⑵⼟阻⼒的作⽤在F-V曲线上的⾸先表现为两根实测曲线的分离，即实测⼒曲线的上升和实测速度曲线的下降。在2L/c 时刻之间(t1≤t<t1+2L/c），⼒和速度曲线的分离程度正好等于所受的⼟阻⼒。
2.5CASE法桩的⼟⼒学模型
1、桩的⼒学模型
CASE法的桩的基本模型是⼀维等阻抗弹性杆件(桩⾝某⼀截⾯上的各个质点的受⼒状态和运动状态都是相同的)，不考虑桩⾝材料的粘性（即应⼒波在沿桩⾝传播时桩⾝材料本⾝不吸收应⼒波的能量）
2、桩侧⼟的⼒学模型
（1）桩侧⼟的静阻⼒模型，桩侧⼟的静阻⼒模型为理想刚塑性模型，理想刚塑性静阻⼒模型的意义为：桩侧⼟静阻⼒⼀经激发即达到极限，且不随桩—⼟之间的相对位移的变化⽽变化。
（2）桩端⼟的静阻⼒模型，桩端⼟的静阻⼒模型为理想刚塑性模型，如图2.5.3所⽰
（3）桩端⼟的动阻⼒模型，CASE法的桩端⼟的动阻⼒模型采⽤线性粘滞阻尼模型，如图2.5.4所⽰。 Rdt =JcZ· vt
2.6 ⾼应变动⼒试桩的CASE法（承载⼒计算）
1、CASE法的近似假定
⑴桩⾝阻抗恒定，即桩⾝截⾯不变，桩⾝材质均匀且⽆明显的缺陷。
⑵只考虑桩底的动阻尼，忽略桩侧⼟的动阻尼，⽽且静阻⼒始终保持恒定。
⑵只考虑桩底的动阻尼，忽略桩侧⼟的动阻尼，⽽且静阻⼒始终保持恒定。
⑶应⼒波在传播过程中没有能量耗散和信号畸变。。
应力应变测试⑷在（t1,t2+4L/c）时段内桩侧各点的摩阻⼒保持不变。
2、CASE法总阻⼒公式
设⼀根阻抗为Z的桩，有效桩长为Ｌ。如果锤击应⼒波在t1时刻通过检测截⾯，则在i截⾯（距检测截⾯距离为x）产⽣的上⾏压缩阻⼒波在t=t1+2x/c时刻到达检测截⾯。拉伸应⼒波在t=t1+L/c时刻到达桩底，并以压缩波的形式向上反射，在t ２=t1+２L/c时刻到达检测截⾯。⼟阻⼒所产⽣的应⼒波在桩⾝中的传播见图2.6-1所⽰。
2.6.1 CASE法总阻⼒公式
锤击作⽤下沿着桩⾝的全部侧⼟阻⼒所产⽣的上⾏应⼒波必然在[t1，t1+2L/c]时段内依顺序先后到达检测截⾯；⽽侧⼟阻⼒所产⽣的下⾏应⼒波则将伴随锤击应⼒波⼀起下⾏，在桩端产⽣反射后和端阻⼒⼀起于t2=t1+2L/c时刻到达检测截⾯。由此可见：
在冲击后的第⼀个传播周期（t1≤t＜t1+2L/c内，检测截⾯测到的只有上⾏的桩侧压缩阻⼒波Ru(x)：
F↑(tx) = F↑(t1+2x/c) = Ru(x)= R(x)/2 0≤x＜L
即x截⾯以上桩侧摩阻⼒R(x)可由上⾏波信号确定：
R(x)= 2F↑(tx)
= F(t1+2x/c)-ZV(t1+2x/c) 0≤x＜L
在t2=t1+2L/c时刻，上⾏波F↑(t2)的数据中包含以下成分：
⑴锤击产⽣的初始下⾏压⼒波在桩底反射产⽣的上⾏拉⼒
波，由于波在传播中幅值保持不变，该项为-F↓(t1)。
⑵全部上⾏的桩侧压缩阻⼒波的总和，即Rzc/2。
⑶全部下⾏的桩侧拉伸阻⼒波经桩底反射后转变为上⾏的压缩波，其值亦为Rzc/2。
⑷桩端阻⼒的上⾏波Rzd。
第⑵和第⑶项的总和为桩的总侧阻⼒，第⑷项桩端阻⼒，因⽽这三项之和代表了岩⼟总阻⼒Ｒt。因此,t2=t1+2L/c时刻的上⾏波F↑(t2)可写为： F↑(t2) =Ｒt- F↓(t1) 整理后可得著名的Case-Goble公式，也就是CASE法的总阻⼒公式：Rt= (F(t1)+Z*v(t1))/2＋(F(t2)-Z*v(t2))/2
2.6.2 桩的承载⼒的计算
根据⾼应变动⼒试桩法的⼟阻⼒数学模型和实⽤假定，可以把实测得到的⼟阻⼒看成是由静阻⼒Rs和由于动⼒作⽤所产⽣的附加动阻⼒Rd两部分组成。即:Rt= Rs + Rd，RSP阻尼系数法计算桩承载⼒。
⼟的动阻⼒模型采⽤的是线形粘滞模型，即Rd = Jv· vb(t) Jv—为粘阻尼系数。
引⼊⽆量纲的阻尼系数Jc（Jc为CASE阻尼系数），则动阻⼒为： Rd = Jc Zvb(t)
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