人工挖孔桩完整性低应变反射波法检测实践与局限性的研究（可编辑）

人工挖孔桩完整性低应变反射波法检测实践与局限性的研究（可编辑） 】 ‘《 分类号 密级 编号 十?初大学硕士学位论又 论文 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目厶王揎塾挂宣墼壁堡廑銮厦蕴这鎏捡逊 实践皇屋阻丝研究 . 学科专业 垫厦王程?蚩?王猩友囱 一 研究生姓名 割圭焦 导师姓名及 专业技术职务 韭绍塑 教授 一. 副 导师 奎趣剑 矗工, ,?、 ? :.: 。。 删 ? 九 四 叭 洲 ? 密级 分类号??. 编号 硕士学位论文 人工挖孔桩完整性低应变反射波法检测实践与 . 局限性研究 ’ ?? 作者姓名: 刘卡伟 学科专业: 地质工程 学院系、所: 地学与环境工程学院 指导教师: 张绍和教授李新剑高工 答辩委员会主席原创性声明 本人声明,所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知,除了论文中特别加以标注和 致谢 的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果, 也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。 与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名:碱勘日期:生年?月旦 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 ,即:学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文, 允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内 容,可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》, 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名:型主垒导师签名 ~??????????????????????????????????????????????一中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 作为一种无损间接检测方法,低应变反射波法因其操作简便、分 析快捷而成为基桩检测的一种主要方法,其在我国基桩检测领域的运 用非常广泛,并且对人工挖孔桩这么一种我国大量采用的桩型也得到 了普遍应用,取得了不错的效果。 基于对前人低应变反射波法完整性检测的局限性研究成果的调 查,发现这些研究成果主要集中于对应力波传播时的“尺寸效应”研 究,但是对于在人工挖孔桩的自身成桩工艺及其周边地层的综合影响 下的低应变反射波完整性检测的局限性少有研究。本文结合湖南某电 厂基桩工程对这一局限性进行了研究,主要工作及取得的成果包括: .阐释了低应变反射波法的检测原理??应力波基本理论,同时 分析了应力波在人工挖孔桩中的传播特点,探讨了人工挖孑桩的低应 变反射波检测局限性的特点。 .总结了本次课题中低应变法检测时的测试曲线的采集和分析 技术要点,并就曲线表现为某些特殊形态的人工挖孔桩从低应变法的 角度进行了桩身完整性分析。 .设计了低应变检测结果的合理验证 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。这其中包括验证方法 的选择、验证工作中应该注意的技术要点及验证过程中所采用的 辅助 分析手段。 .通过验证方案的实施,分析了各种影响检测的因素,探讨了低 应变反射波法对人工挖孔桩的完整性检测的局限性,并结合施工 地质 资料和利用对比验证的方法来排除干扰对基桩完整性进行了准 确判 断,对以后的同条件基桩完整性检测有一定的参考价值。 《 关键词:低应变反射波完整性检测,人工挖孔桩,钻芯法,局限性 《...一 中南人学硕十学位论文, 。 . .’‘‘’’ ’??’ . : . . . ,. . ’ . . ,? , 宅. : ? , , 中南大学硕十学位论文 目录 目录 摘要??.. ; 录.. 第一章绪论.低应变反射波完整性检测的国内外发展历史和现 状. .国内外关于低应变反射波完整性检测的局限性的认识??. ..时域信号中存在的不能准确测定一维纵波波速的问题.. ..时域信号中存在的高频干扰??一 ..关于平截面假设成立的深度问题 .课题的研究内容和意义 ..课题的研究内容和主要创新点? ..课题的研究意义?. 第二章应力波的基本理论及其在人工挖孔桩中的传播特点.应力 波基本理论 ..杆中的纵向波动方程..纵向波动方程解答 ..应力波的相互作用一 ..应力波在阻抗变化处的反射和透射.应力波在人工挖孔桩中的 传播特点? ..桩土相互作用对应力波传播的影响..桩身混凝土强度的不均 匀性对应力波传播波速的影响 .本章小结.. 第三章低应变法在宝庆电厂人工挖孔桩检测中的应用? .工程概述 ..工程概况? ..地形地貌?. ..工程地质条件??. .低应变测试数据的采集..目录 中南人学硕士学位论文 ..处理桩头?. ..正确安装传感器?。 ..正确进行激振操作 ..合理设定测试参数 .低应变测试数据的分析??:江. ..桩身质量分析的基本依据 ..应力波在桩身中的波速的确定?. ..桩身缺陷位置的计算确定. ..低应变反射波法桩身完整性类别判定?.. .对现场采集的测试数据的分析 ..首波与桩端反射波之间出现一个反射波 ..首波与桩端反射波之间出现多个反射波 ..无桩端反射. ..桩端同相反射强烈 .本章小结 第四章人工挖孔桩低应变检测结果的验证方案设计??....验证 方法的选择 .验证工作中的技术要点 ..钻机设备的精心安装??. ..钻头的正确选用??. ..冲洗液的合理选择.. ..钻机的合理操作? ..钻芯法桩身完整性类别判定.验证过程中的辅助分析手段?. .本章小结 第五章人工挖孔桩的低应变检测结果验证及其局限性分析.桩周 地层变化对低应变反射波法的干扰??. ..信号楼基桩?.. ..主厂房标段和基桩?. .阻抗变化界面处的二次反射所引起的干扰? .. :锅炉基桩.. 撑锅炉基桩?。 .桩周地层变化与二次反射的综合影响中南人学硕十学位论文 目录 .护壁对低应变检测的干扰.桩周地层、桩端持力层的性质及桩长 对桩端反射的影响? .. ??锅炉房基桩.. ..烟囱场地基桩.. ..铁路桥.基桩?。 .桩土相互作用下的低应变检测失效? .本章小节 第六章课题研究结论和建议 .课题研究结论? .建义??. ..低应变反射波法的频域分析..剪切波的研究参考文献??. 致谢??一 攻读学位期间主要的科研与实践?.中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 .低应变反射波完整性检测的国内外发展历史和现状 基桩完整性检测,顾名思义,就是指用特定方法检查桩身中及桩底持力层是 否存在破坏桩身完整连续的缺陷,如央泥、离析,断裂等,从而判断基桩是否满 足设计要求,达到承载能力。目前基桩完整性检测主要运用的是动力试桩技术和 钻芯法,而低应变反射波法就是动力试桩技术中得到普遍运用的 一种方法。 低应变反射波法的发展是始于在打入式预制桩施工中已经应用了几百年历 史的动力打桩 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ,依据牛顿刚体碰撞理论、动量和能量守恒,针对不同锤型, 桩型并结合各国,各地经验建立起来了有百余个这样的公式?。 但锤击会对桩产生的瞬态作用,这将会在桩身中引起应力波的传播,即桩身 中不同截面的受力和运动状态差别将变得显著,而不再是刚体力学问题,这个问 题当锤击力脉冲波长与桩长相比逐渐减小时会变得显著。虽然世纪中叶的 和等人对弹性波在固体介质中的传播现象进行了研究幢,几乎和 建立在刚体力学基础上的动力打桩公式同步一’,但直到年才有人意识到打 桩问题是一个波传播的问题。由于受到当时电子技术发展水平的限制,无法通 过测试来确定波动方程的边界条件,从而使应力波理论在桩基工程中的实际应用 要比应力波理论的出现晚了约一个世纪。 年后开始开展采用低应变法检测桩身完整性的研究工作瞄邝’?,其中 在世纪年代初机械阻抗法已取得了进展旧一仉 ’;而在英、法等囤也开展 了低应变反射波法的早期研究,虽然有报道说其研究并不成功,但是在进入 年代后,这一方法发展速度非常快,在国际上的低应变动力检测桩身完整性 ’ 领域基本占据了主导地位一钆一。 在世纪年代我国的桩动力检测理论研究与实践开始启动一引,一方面 是研究开发具有我国特色的方法,如湖南大学所发明的动力参数法;另一方面就 是对田外刚开始流行的动测技术进行尝试,如高应变法。通过这些早期的探索与 实践,动测技术得到了快速的推广普及。 世纪年代中至年代初,在基本理论、现场测试和信号处理技术、 仪器研发、模型桩验证研究们等方面,低应变反射波法取得了许多成果。 世纪年代中期,我国相继颁布了建工行业 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 《基桩低应变动力检测 规程》/和《基桩高应变动力检测规程》,使我国基 桩动洲技术得到了进一步发展。再加上我国经济发展速度和建设 规模都处于一个研究,其具体的研究成果如下: ..时域信号中存在的不能准确测定一维纵波波速的问题 如图所示。在反射波法的测试中,激励脉冲的形状比较接近钟形高斯 曲线脉冲。将相当于钟形力脉冲最大幅度%的两点间时间差定义为该钟形力 脉冲的宽度,并将与介质的一维纵波波速的乘积定义为该力脉冲的特征波 长,即名‘乃。 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 力脉冲 幅 幅 度 度 。。。。???? 。?。‘。。。。‘‘‘?? . . 图卜钟形力脉冲及其频谱 力脉冲作用于桩顶圆心时,将会向四周传播两种波,分别是压缩波波 和剪切波波,这两种波也被称为体波。体波波阵面在激励之后很 短的时间 内是一个半球面。球的半径会随时间的增加逐渐增大。当桩的直径足够大,激励 脉冲足够窄名足够短时,在沿桩顶面传播的波在运行至周边之前,波形与半 无限体类似,在桩顶自由表面,离开波源的体波扰动将产生次生的弹性表面波, 该波被称为瑞利波波。压缩波、剪切波和瑞利波的传播速度分别为: 波波速 ‘ 波波速 波波速 靠? 式中,和分别为介质的泊松比、弹性摸量和质量密度,是由材料特性 决定的常数。 根据伍兹嘲提出的研究成果,在初始激励所激发的应力波中,波拥有的能 量最大,波次之,波最弱。各波的幅值在由圆心敲击点以不同的波速传向实 心桩顶面周边的途中都将衰减,但衰减速率不同,波最慢。在实际 测试中,距 圆心敲击点不同距离上的点测得的初始质点运动速度的幅值是不同的,到达的 时刻也是不一样的。在管桩的测试中也是一样,但是各波在平均速度上都是沿桩 顶部位的管壁圆环中心线/的外侧某一环线向两个相反方向传播,式 中和分别为管桩的内壁和外壁半径。在与圆心距离为的圆周上速度达 到最大值的时刻与敲击点处产生最大速度峰值的时刻之间满足一定的关系式, 第一章绪论 中南大学硕学位论文 对于圆柱体,其关系式为 ?气二 % 而对管桩基本满足 彻冗 ,,、 卜 ?气? ?? 式中秒为敲击点与传感器接收点间的管壁圆弧所对应的圆心角。 周边反射回来的应力波及可能被激发出的更高阶径向振型会对位于圆柱体 项面外围接近周边的点的速度峰值产生不同程度的影响;而对于管桩,波在顶面 管壁的反射与相互作用就更为复杂。所以,与或秒之间的线形关系是近似的。 学者们通过有限元计算,计算出了距敲击点不同位置处圆柱体和管桩顶面的速度 峰值滞后情况,并且通过现场实测比较,证实与计算结果有良好的一致性瞳’。 在上述计算中有了这么一个发现:桩顶面各点的速度在敲击很短时间内幅值 不同、各峰滞后时间也各异,但是/时刻反射回桩顶的速度峰值幅值基本相 同,而且到达的时刻基本一致。实际的工程桩检测中,波传到桩的下部时,波阵 面可被看作一平面,这是因为桩长比桩径要大得多,此时当应立波由桩底反射回 桩项时,桩项面各点所接收到反射信号的时间相同,幅值也一样。由于在实际工 程桩测试时,锤击点总是会与传感器接收点有一定的距离,所以接收点测得的入 射速度峰总会滞后于锤击点处的速度峰时间。按入射峰一桩底反射峰计算的一维 纵波波速将高于真实波速;反过来,若已知正确的波速,则确定的缺陷位置将比 实际的浅。换句话说,一维纵波波速将不可能被准确测定。 ..时域信号中存在的高频干扰 高频干扰的强度与名/尺有关 通过国内外学者瞳’瑚棚的大量研究,发现在以手锤敲击直径较大的基桩的 低应变测试中,缺陷反射包括桩底反射常常会受到一种高频干扰的影响而被掩 盖,这种干扰与测量系统的频率特性没有关系,桩的直径越大而激励脉冲的波长 越小时这种现象会更加严重,且这种干扰的幅值随时间而衰减的速度比较慢。要 分析好这个问题,就要弄明白波、波和波在桩顶表面传播时各自在能量分 配、周边反射和衰减等方面的特点。 波和波沿桩顶面传播碰到桩侧表面后会反射回桩心,在这个过程中振幅 会以厂的规律来衰减。顶面质点在波作用下,会产生方向平行于波阵面的两 种运动,分别是竖向推拉和水平运动,并且由于它本身只占激振能量很小%, 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 所以体波对质点运动速度的影响主要来源于波。 虽然在理论上,波在周边的反射情况还不十分明确,但是其在顶面传播时 振幅是以尸他的衰减规律衰减的。有一种观点认为波遇到周边犄角处时会反 射体波并且同时通过犄角沿桩侧表面向下传播波口?。但是国内学者陈凡口等 所提出的一些疑问仍然值得人们深思:入射的波中到底有多少能量是沿顶面 反射回来的通过犄角沿侧表面传播的波和犄角处反射回来的体波各自占有 多少能量可是测桩时确实有很多能量传到了桩身底部,并最后以一维平面应力 波的形式传回桩顶,这说明表面波绝对不只是沿桩项表面传播。虽然不知道 波在桩顶周边的三种反射形式的能量之间的比例关系,但是考虑到波携带了 激振总能量中的大部分能量,且衰减速度缓慢,即使是很少部分能量的波反 射回桩顶面,顶面的质点纵向速度也必然会受到它的影响。 综上所述,周边来回反射的波是对桩顶面质点纵向运动速度产生影响的第 一因素。而波和其它两种波在桩顶面会产生耦合作用,从而激励出桩的径向振 型。在实际的低应变检测中,桩径尺寸是不足以分离沿其桩顶面运行的各种波的, 这些波会叠加在一起而产生多种振型,从而会导致桩顶面上的波动非常复杂。但 是考虑到桩具有固定的几何尺寸和材料常数,各种波在周边的反射规律也是基本 固定的,在径向振型中必然能够反映出各种波的周边反射信息。所以因尺寸效应 而产生的干扰频率是能够被估计出来的。显而易见,如果波也具有类似的反 射现象,以实心圆形截面桩为例,桩顶的一阶径向振型频率疗可按下式估算: ? ?万?石 式中 ?, 石蠢 ?, 厶蠢 其中厶是波引起的径向振型频率,石是波引起的径向振型频率,尺是 桩顶面直径。在实际的工程检测中,由于石和厶不具有明显区别,因而在频域 中只表现为一个高频峰磊。 用类似的方法也能得到管桩的一阶径向振型频率序: ‘?? ~ 万冠足 通过研究发现啪,,一般情况下干扰波通常只具有一阶径向振型的形式。但 是假如激励脉冲很窄,则更高阶的振型频率的干扰波也会被激发出来。图是 该研究给出的半径只.的圆柱体在等幅不等宽力脉冲作用下的有限元计算 出的桩顶速度响应曲线,其干扰波频率,介于理论计算的厶中南大学硕士学位论文 第一章绪 之间,且随激励脉冲变窄,高频干扰渐强。图卜是该研究给 和 的乃宽脉冲时不同半径圆柱体的柱顶速度响应曲线,由图卜可知 道: 着半径的增加,石减小,高频干扰逐渐变强。这种高频干扰随兄/ 的减小而 强的情况可用图卜的实例说明。 ?. .? / 、 . 望 ,/ \ / 。厂\,、厂九一/\ . 小,\\? \/ ?\ \ \ ? .. .. ? . . 厂\ . . / ? /\ 厂\,、, . 、 / 厂\/、/认 ’、 \/ 霉,日皇 . .. ‘ . .、 厂、// , /弋 、气,,一、、 ,??暑 加 ?. .. 图不同宽度力脉冲作用下计算的圆柱顶响应 乙.乙.乙. . , /\ . /\ / /、 “ . 、,、 /、 ’ ‖/ ‖‖ \/ 鼍暑? . .. ? . , . , ,、 . // , /\ . , ?. 一. . . / \ /、 . / \ /\ . .. .. ‘ 图不同直径圆柱体的计算顶部响应 . . . 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ,约为. 鼍 ?,,?????~., .,/ 约为.. /一、 ~ ’、?、、?,,?、、?, \ 图卜不同宽度力脉冲作用下西 研坍人工挖孔扩底桩的实测波形 乙?.乙?. 高频干扰的强度与传感器安装位置有关 根据国内外一些学者的观点,高频干扰还与传感器的安装位置有 关?’引,他 们通过试验计算表明: . 以圆柱体为例,在圆心处作用了瞬态集中力后,虽然一阶高频干扰在距圆心 不同距离的点上有相同的频率,但速度幅值却不同,约在距离圆心/处所感 受到的高频干扰振幅最小。图卜就是以/处位移振幅作基准的 顶面各点振幅包络线,从中可以看出敲击结束后不同处的振幅相对变化情况。 图卜是一根,矽的灌注桩在同一脉冲激励下,在距桩顶中心 /和/处实测得到的速度波形对比。从频谱图和波形图都能够清楚看出 /处较/处所受到的高频干扰小。但是由于实际桩身形状不规则且质地欠 均匀,/处不一定是高频干扰振幅的最小点;当见/较小时,更高阶的径向 振型将被激发出来,此时在一阶与高阶振型叠加下,/处将不再是“驻点, 即使将传感器放置在/处,所得信号也不能避免较强的高频干扰波的影响。 可是这个问题在常规试验中并不明显,因为在常规试验时不会使用过窄的激励脉 冲,高频分量有限。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 瓜 图卜圆柱顶面各点相对于/点处的干扰振幅包络 / // /图 /和/处速度响应对比 对于管桩,他们通过研究发现:。点对奇数阶振型不敏感,而只要保证常 规试验中的激励脉冲足够宽,就不会激发出二阶及其以上的径向高阶振型。因此, 该点是较理想的传感器安置点。图卜和图卜分别给出的矽管桩在不 同夹角、不同脉冲宽度条件下的计算和实测频谱就很好地证实了这一结论。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ‰ 力‰,/ / 不明显 ‰ 钆雌 叭 批 ‰ 似 ??????一第一章绪论八 州 ~. 阶\ 协儿 。?\一、八 、./、八八删 \厂\八 、 饥?, 、一管桩在不同夹角、不同脉冲宽度的计算谱图 图卜矽 。,乙:. 。,乃. 。,乙. 。,乃. 。,乙. 。,乙? /\ ~ 勿. ,、 /\ 一\ ?,??\ 不明显 . 勿 队 ??????\~ 管桩在夹角。、不同脉冲宽度的计算谱图 图卜矽 窄脉冲 宽脉冲 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ..关于平截面假设成立的深度问题 低应变反射波法的理论基础是将一根桩作为一维杆件来处理,基本假定之一 是平截面假设,但是在施加集中荷载的情况下,桩的顶部显然会违背这一假定。 从多大的深度开始,就可以认为桩在同一截面上各质点具有大致相同的运动状态 呢国内外学者删对此也有深入探讨。 他们首先定义了判断平截面假设基本成立的标准:以顶面受到激励开始时为 时间起点,记录桩的中轴线上各点的速度,当某一水平截面圆心的速度达到第一 个峰值时,对该截面上各点的速度值进行比较,如果该截面上的最小速度与最大 速度相差小于最大值的%时,即认为该深度符合平截面假设。并定义平截面 假设基本成立时的最浅深度为影响深度砀。 然后再通过大量试验计算将兄对归一化。根据计算,将不同深度截面上 的速度幅包络绘于图。 订. . ~ :歹: 丫 ?严 哆钐穷万万形羽 缪 乡么镤, 红 沪 荭::? 缓缓殇 。 缓缪 劾 勉 缓黝 ‘ 缓缪 缀 图卜不同/时各深度截面的速度幅包络 . /.”. /.. /.中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图中的是按一维理论计算得到的速度值。可以得出一个认识:砀与 允/是相关的。通过计算,并将对归一化,就可以得到两个结论:第一, 旯/减小到一定值后,影响深度会迅速增大;第二,影响深度会随着旯/尺的增 大而逐渐趋于一个定值,说明从桩顶往下一倍桩径范围内的桩身,不管采用多 宽的激励脉冲,各截面都不能符合平截面假设。对于这一深度范围内的缺陷,如 果不考虑浅部明显缺陷的低频大摆动刚体振型,是很难利用一维理论准确进行识 别和定位的。类似地,通过三维计算,矽管桩不同深度截面上的速度幅 包络曲线由图卜给出,图中用~。表示沿环向截面。计算得出了与 上面 两点相同的结论外,还发现:相同壁厚外径增大时,虽然偏小,但 绝对影 响深度‰增加;外径相同壁厚增大,将偏大。 . . 。 。 。:譬? ?糌 ~钐篡一 》置: 缪霉 铲?, 戮 怼 ?一 雾气 一一。 獭 戮 戮 獭 戮 戮 黝 戮 缓 戮 缆 戮 图卜不同乙时管桩各深度在~。截面的速度幅包络 乙... 大量实践表明,的减小会加剧尺寸效应引起的平截面假设失效和高频 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 干扰,实测波形也会因此严重畸变,从而对利用一维理论来探测桩身缺陷产生不 利影响。同时学者们还通过两种直径、长度均为的柱体,在.~.范 围内缩径的的四例一维和三维计算波形的比较,得出了以下的局限性结论: 当旯/减小到接近时,一维理论计算的缺陷波形会和三维理论计算 得到的波形有很大的差别。 与一维理论计算波形相比,三维计算得到的波形从缺陷反射后起最终在 /处明显滞后,证实应力波通过缩径处时存在绕射现象,此时波传播绕行 的路径被延长。而一维理论只考虑横截面尺寸变化引起的阻抗变化,不能考虑到 因横向尺寸变化导致的波传播路径改变问题。所以,如果在动测时遇到缩径桩, 测试曲线波速下降是对的,而不能就此推定桩身混凝土强度低。 .课题的研究内容和意义 ..课题的研究内容和主要创新点 本课题主要是结合湖南宝庆电厂工程项目研究了人工挖孔桩的低应变反射 波完整性检测。通过现场采集大量低应变反射波完整性检测数据,结合基桩施工 地质资料并利用钻芯法来对低应变完整性检测结果进行验证,从若干方面分析了 干扰人工挖孔桩低应变反射波完整性检测的影响因素,探讨了人工挖孔桩低应变 反射波完整性检测局限性问题。 课题的创新点如下: 验证并分析了桩土相互作用下低应变反射波法对复杂地层中成孔的人工 挖孔桩完整性检测的局限性。 提供了对复杂地层中的人工挖孔桩的低应变反射波法完整性进行正确判 断的方法,并在湖南宝庆电厂的基桩检测中取得了良好的经济效益。 ..课题的研究意义 本章第一节介绍了低应变反射波完整性检测的发展和现状。经过多年发展, 低应变反射波法因其设备轻便,理论简单易掌握,操作快捷等特点而成为了现今 基桩完整性检测的一种重要方法。多数检测机构将其作为了主要的基桩完整性检 测方法,可以说,低应变反射波法在基桩完整性检测中扮演的角色越来越重要。 但是由于低应变反射波法作为一种无损间接检测方法,其结果的准确性不仅依赖 于检测仪器的性能,而且也与检测人员的素质密切相关。由于我国检测行业人员 第一章绪论 中南大学硕士学位论文 良莠不齐,对低应变反射波完整性检测经验的总结不够,低应变反射波完整性检 测中的误判现象屡见不鲜。因此对低应变反射波检测理论的研究 有待进一步加 强。 从本章第二节可以了解到国内外对低应变完整性检测的局限性研究主要集 中于对尺寸效应问题的研究,即基于激励脉冲的自身性质和基桩尺寸的相互作用 对应力波的传播所造成的影响,而对桩周地层变化、桩端持力层性质和桩土相互 作用等因素对应力波传播的影响却探讨得较少。实际上,在实际检测中,基桩周 边的工程地质条件往往复杂多变,这种外界因素对基桩完整性检测结果的影响是 不容忽视地,而且正是由于它的复杂性才更值得我们去研究。并且作为在我国广 泛使用的一种桩型,人工挖孔灌注桩其护壁与围岩通常联系较为紧密,这一方面 增加了它的承载力,但另一方面却也使得其低应变完整性检测结果受到周边施工 地质条件的影响加剧,低应变检测的局限性也凸显出来,所以有必要对这类基桩 的低应变完整性检测的局限性进行探讨,总结经验以指导未来的同类型基桩的低 应变反射波完整性检测工作。中南大学硕十学位论文 第二章应力波的基本理论及其在人工挖孔桩中的传播特点 第二章应力波的基本理论及其在人工挖孔桩中的传播特点 应力波基本理论是低应变反射波法完整性检测的核心,分析应力波的传播规 律才能清楚低应变反射波检测的工作机理。同时由于人工挖孔桩的成桩工艺的特 殊性,应力波在人工挖孔桩中的传播也有着与其它种类的基桩不同的特点,这些 也是低应变反射波法对人工挖孔桩的完整性检测的局限性的重要原因所在。田’蚓 .应力波基本理论 ..杆中的纵向波动方程 低应变反射波法所依赖的检测媒介是在介质中传播的应力波,应力波在介质 中的传播规律可以用纵向波动方程来阐述。现考虑一材质均匀、截面恒定的弹性 杆,长度为,截面积为,弹性模量为,质量密度为。取杆轴为轴。若 杆变形时平截面假定成立,受轴向力作用,将沿杆轴向产生位移,质点的运 动速度,/西和占锄/魂,这些运动学和动力学量只是时间和的函数, 由于杆具有无穷多振型,则每一振型各自对应的运动量分布形式都不相同。 现考虑杆处的单元,如果为处的位移,则在处的位移为 /苏出,显然,单元在新位置上的长度变化量为/,而 /即为该单元的应变,根据虎克定律,应力与应变之比等于弹性模量,从 而可以写出: 盯 ?????? 式中,仃为杆截面处的应力。 将式两边对微分,得: 彳罂堡 融‘ 苏 利用牛顿定律,考虑该单元的不平衡力惯性力列出平衡方程 娑出触鲁 合并和两式,得: 铭,、 心一’ 萨万丽 定义为位移、速度或应变、应力波在杆中的纵向传播速度,得到中南大学硕士学位论文 第二章应力波的基本理论及其在人工挖孔桩中的传播特 如下一维波动方程: 百 , 矿 舐 ..纵向波动方程解答 利用行波理论对波动方程的解答 假设一根杆的波速和截面积以及弹性模量和质量密度不变时,行 波理论可以对波动方程?求解出一个达朗贝尔通解: , %?睨 式中和。为任意函数。 对和进行研究就会发现波形函数。以波速沿轴负向传播;同样 可以证明波形函数是以波速沿轴正向传播,这可以从图?中看出。这 个时候我们就可以分别将和。称为下行波和上行波。在传播过程中,和 。的形状不变,而且是分别独立地以波速分别沿轴正向和负向传播的。同 时因为方程具有线性性质,我们可以单独研究上、下行波的特性,利用 叠加原理求出杆在时刻位置处的合力、速度、位移。 设千,分别求千对和的偏导数: 形善乡孝 ? 形,干 瓠 瓠 毛 一? 、 。 矿????一。孝干? 氆 芒 在桩的动力检测中,施加于桩顶的荷载为压力。故按照习惯定义 应变 、应 力和桩身轴力以受压为正,质点运动速度、加速度和位移以向下 为正 即轴正向。则由式和?并改变符号有: ?. 这一简洁形式的方程表明波引起的质点运动速度与应变是成正 比的。 利用式,根据//,可导出以下两个重要公式: 一 仃. :?彳.:?皇丝.?. ’ 上式中,胪和通常被称为弹性波的波阻抗,是一个很重要的参数。 中南大学硕士学位论文 第二章应力波的基本理论及其在人工挖 孔桩中的传播特点 踟一? 兰~一 于一一三二一 干晤,影冈电力和质点速度叠加 ?? ?????? ’, 两波分离 一~ ????一??? 、 一 户怂~~一?一 一:;一?一斗 卜?一:。一??一 图下右行波和上左行波的传播 既然桩身中的弹性波分为上行波和下行波,那么栅身受力也应该 分为下行 力波也简称为下行波和上行力波。也简称为二行波。那么就有下 面的 恒等式:?? . ,???? 【如果再类似地将质点运动速度进行分解,可得: %圪 式中屹竿,圪三?竿 所以显然就有:?%,一?圪,?%一? 利用行波理论将在介质中传播的应力波划分为上行波和下行波,并且利用这 两种波的叠加来解答介质质点的运动状态有助于揭示幢力波的传播规律。 分离变量法求解波动方程 通过运用分离变量法可以得出特定条件下的介质的振型曲线。在用分离变量 法旧求解方程时,认为其解具有如下形式: ,? 代入波动方程中就能得到:‘’’ 万万一一万 中南大学硕士学位论文 第二章应力波的基本理论及其在人工挖孔桩中的传播特点 显然可以看到式两边分别与和无关,所以它只能等于一个常数, 令其等于一国/并代入式?,就可以得到以下两个常微分方程: ?? ?。’ 万【 拈 窘一四. ..:‘. ‘ 它们的通解分别为: ? 竺竺 ’‘, 上面两式中,缈是角频率;、、、为任意常数,分别由边界 ’ ‘ 条件和初始条件确定。 出于简单考虑,先就杆的两端自由时这一边界条件来进行分析: 杆两端自由时,因为未受到约束,应力在杆两端必然为零。再考虑 到应力等 于娑,则杆两端必然应变为零: 一 ,‘孚 . 一 ,, 、,、 : 孕竺彳。丝一嗷: 在任何时刻,方程?和?必须都成立,故由式?得, 同时为了保证振动的存在,不能为任意值。则由式?可以得到: ? 丝或丝万,万,万,?,/式为杆的振动频率方程。相应的固有振动频率为 ‘。 ///三或‘刀云. 利用初始条件,,,,得到方程?在两端自由和零初条件下 的位移特解为: 【 , 阼: 竿竿于刀,,,... ??‘??【刀,,,一? 不能看出,两端自由杆的纵向振动为具有个节点,幅度为的余弦波形 式,孚是与各阶固有频率对应的振型函数,其前三阶振型曲线见图。 第二章应力波的基本理论及其在人工挖孔桩中的传播特点 史童盔堂亟士学位论文 《?????????????一一 三二三二三二二二三二;二三二三』?三寻二三:三二:二三二三二三::三二三一二?;:三二?三三一一???三三二‘二三一一一一?:,\\ \ 彦\ \ 、\\ / \ \\‘ //一\\ 、 / /\ //彪 ,\\\ 图两端自由杆的前三阶振型曲线 实际基桩的底端不可能是自由的,所以现在考虑一种更符合实际 情况的模 型,即杆的一端自由、一端固定: 此时的边界条件就变为了: ? 警和叱: ?: 导出频率方程为: 。 。 、 : 。 。詈扛或。一,,一/,?,堕坐刀:,,, 相应的固有振动频率和一端自由、一端固定条件下的位移特解分 别为: 学万旦或‘掣羞删’,,? 一、万一、万 %钏芾.等 从上式可以看出:~端自由、一端固定杆的纵向振动也是个节点的 余弦波 形式,其前三阶振型曲线见.图? 第二章应力波的基本理论及其在人工挖孔桩中的传播特点 三三二三::三。:一??三二三 ~ ~~~\ 卜《卜????????????????一~一????叫 一 / \\ ,\\\\三:三//// 瓮?型彳?? 图一端自由、一端固定杆的前三阶振型曲线 运用特征线法对波动方程的求解 特征线法对应力波波动方法进行求解可以简化求解步骤并得出直观易懂的 结果,其首先是对特征线关系进行推导。两个自变量的标准偏微分方程的一般形 式为: ,四’ %睾一盟%豢根忡,百 口可一一%可舭,“’百’瓦刈,罢 式中、、不同时为零。称 ? 为方程的特征方程口引。特征方程的积分为此方程的特征曲线。方程根据 口三一的符号的不同而分为不同的种类,显然波动方程的 ,为双曲型偏微分方程,这种类型的方程在自变量?平面内,存 在有两族实特征线仍,和仍,。将波动方程?与特征方程 ?对比后可得到: ? 竽或出:如. 这就是波动方程?的两族实特征线的微分形式,式子中的符号不同, 代表的物理含义也不一样,正号对应的特征线称为右行特征线, 负号对应的是左 行特征线,波阵面就是在?平面上沿这两根线传播,因此可以将沿这两个特 征线传播的波称为右行波和左行波。出/衍即为特征曲线的切线斜率或特征方 向。假设和是特征线上上的全微分,则有:中南大学硕十学位论文 第二章应力波的基本理论及其在人工挖孔桩中的传播特点 坐出坐? ??出??舐 研 竺出竺 研 苏 参照式的形式,令 ?? ? 如果方程是满足??两条特征线的相容方程,则应使下式 .鲨竺扪:丝出丝衍 。、瓠 等号右边恒等于零。分别利用连续方程以及波动方程的另一种变换 形式反、 舐 并代入式,不难验证式等号右边确实恒等于零。再将式 按习惯改写成如下形式: ? ?筇 ?容易看出,如果出长度范围内的波速、弹性模量、质量密度、截面 积也就是阻抗恒定,式?就是以衍或为步长的一种差分格式。这 样,求解二阶偏微分波动方程?的问题就可以转化为求解特征线方程组 和满足特征线关系的相容方程组这样的总共个一阶常微分方 程的问题,简化了求解。 特征线法为求解双曲型偏微分方程提供了一个简便手段,再结合初始条件和 边界条件的确定,波动方程的最终定解问题就可以得到解决。设长度为的杆在 端部处受到冲击,杆端力随时间变化是已知的,于是在初始条件 ,, ? 及边界条件 ,, ? 下可以利用特征线图求解特征线方程组和。 画出:平面上的特征线图,从该图可以看到,从区域任一点 有: ,出发的两条特征线分别交轴于和岛。由式? 中南大学硕士学位论文 第二章应力波的基本理论及其在人工挖 孔桩中的传图 ~平面特征线图 沿明?右行方向: ,一?,岛,么一?马,么 沿?左行方向: ,于?,,十?, 由初始条件可解出: ,如,岛 类似地也可以得出: ,, ‰,?, 也就是说在区域内任一点,都能使 ? 溉, 从上面的分析不难看出,在彳特征线即?覆盖下的区域中, 解的数值完全被区间,三】上的初始条件决定,给予区域外的数值任意变 化,解在该区域内恒定不变。即在/时刻以前,杆的截面会一直保持静 止,这与实际情况也是相符合的。 对于区域,最初始的边界扰动按照右行特征线的方向传播,而彳线 下方区域内的值只受初始条件影响并且是已知的,即该区域内任 意一 点都会兰,且在点因为,?,,则线上巨点的值可 以通过点处的和值以及区域中的任意一点例如点计算,不难证明中南大学硕士学位论文 第二章应力波的基本理论及其在人工挖孔桩中的传播特点 描。?残 沿。臌 于是,点的四式计算: ,么,乞一专,么一,%,么】 而内点皿的和值可通过边值点日和初值点易这两个已知值,利用以 下两个方程联立求解计算: ? ?,么一,么?‘,么一,么 ?矿,么,,?,吒, 所以,利用特征线法,区域中的和值能够由线上的初值和轴 上的边值一起决定。这样,求解杆端受冲击的单值解问题,就转化为求解区 域中的初值和区域中初值和边值的混合问题,这略去了大量复杂的运算,同 时通过特征线图也能够很好地理解应力波的传播规律。 ..应力波的相互作用 通过上一小节的特征线法就能够轻松地解答应力波之间相互作用的问题了。 以连续弹性的一维匀质杆件来模拟基桩,并且不考虑桩周土体对在桩身中传播应 力波的影响。在物质坐标中考虑一截面处处相等的均匀质桩的纵向运动,把变形 前质点的空间位置作为物质坐标,选桩轴线为轴,变形前的密度、原始 截面积和其他材料性能参数都与坐标无关,假定桩在变形时横截面保持成平 面,轴向应力沿截面均布,此时运动参量仅是与的函数,问题就可以简化为 一维问题,这一假定对横向尺寸远小于应力波波长的细长桩是能够成立的。考虑 一根长为的等阻抗杆,在杆和这两端同时作用有两个矩形压力脉冲 波 ? , ?? ? ?? , ,, , 在兰时,两相对行进的压力波还未相遇。当?/.时,根据式,/处的 力值和速度值能够由下式求出: ?,一?,】 一,己,?,】 考虑到,,,/,,一/,解出: ? 一最/中南大学硕士学位论文 第二章应力波的基本理论及其在 人工挖孔桩中的传播特 在时,两相对传播并迎头相遇的压力波在杆区 【/一?/,/?/】内叠加,使速度为零,力加倍。如果其他条件 变,设 一 一 。. 可得到: 一 ,, 、?,、, ? / 即两相行进相遇的同幅异号波在上述杆端内叠加就会使速度加 倍、 力为零 ..应力波在阻抗变化处的反射和透射 低应变反射波法能够探测到基桩缺陷的一个关键原因就是应力波传播到桩 身阻抗变化界面时会产生反射,该反射波传回桩顶时会被传感器所接收从而能够 为检测人员分析判断。而阻抗变化是与杆的截面尺寸、质量密度、波速、弹性模 量等因素有关的。假设图?所示的杆由两种不同阻抗的材料组成,当应力从波 阻抗的介质入射到波阻抗的介质时,在两种不同阻抗的界面上就会产生反 射波和透射波,在这里用脚标、和来分别表示入射、反射和透射。假设入 射压力波己知,显然就有/,而界面处的力和速度满足下式”一呻 ” 。. .? ?? 图?两种阻抗材料的杆件 ??一巧 求解上述二式,得: 旦丝益?二?翌形 上三巧 按习惯将界面处的力波和速度波分解为入射、反射和透射三种。 因界面上力 和速度要满足牛顿第三定律 昧辱中南大学硕士学位论文 第二章应力波的基本理论及其在人 工挖孔桩中的传播特点 及连续条件 巧%? 透射系数是 设完整性系数‖,反射系数为靠, 磊,可得到下列公式: . ‘‘ 珞一幺‘巧 一 , 毛? ‘‘ 一巧?磊?巧 一 ,,, 、,、,、, ? 下面对?~?进行讨论: 因为厶?,所以透射波总是会与入射波同号。 时,即 ,反射系数厶,透射系数白,弓最, 入射力波波形除了随时间改变位置外,其他均不变,等同于应力波不受任何阻碍 地沿杆正向传播。 ‖时,波从小阻抗介质传入大阻抗介质。由于幺?,所以反射波 与入射力波同号,若入射波是下行压力波,则反射的仍为上行压力波,与后续到 来的入射压力波叠加后起增强作用;因反射波与入射波的运动方向是相反的,则 反射力波引起的质点运动速度%与入射力波的巧异号,显然与后续到来的入射 下行压力波引起的正向运动速度叠加之后有抵消作用;又因玉?,此时透射力 波的幅度总是大于或等于入射力波。特别是,当‖专也就是乙专时,等 同于刚性固端反射,此时会有和白,在该界面的叠加结果就会使速 度为零。若将固定端当作一面镜子,反射波就是入射波的正像。 ‖时,此时波从大阻抗介质传入小阻抗介质。因?,所以反射 力波与入射力波异号,如果入射力波为下行压力波,那么反射的 就是上行拉力波, 与后续到来的入射压力波叠加之后起到卸载作用;因反射波与入射波运动方向相 反,则反射力波引起的质点运动速度圪与入射力波的巧同号,显然与后续到来 的入射下行压力波引起的正向运动速度叠加之后起到增强作用;又因厶?,则 透射力波的幅度总是小于或者等于入射力波。特别是,在‖ 即’时, 等同于自由端反射,此时会有厶和鼻,在该界面处入射波和反射波叠 加之后会使力幅度变为零,而入射波和反射波分别引起的质点运动速度在该界面 的叠加结果将使速度加倍。这时,自由端也等同于一面镜子,只是反射波变成了 入射波的倒像。 通过以上分析不难知道,应力波传播时在传播介质的阻抗变化面处会产生反 射波,反射波携带着传播介质的阻抗变化的信息被仪器传感器所接收,通过一定