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【摘要】文章结合低应变动测研究进展近况,系统的阐述了低应变动测研究与工程检测中的存在的疑难问题,以及解决存在问题对其发展具有重要的指导意义。
【关键词】低应变动测;研究进展;疑难问题
Review about Research progress in the testing of difficulty questions On low-strain dynamic pile examination
Li Hai-yang1,Cheng Xiao-dong2,Luo Qi2
(1.Anhui Province express highway road political affairs detachmentHefeiAnhui230000;
2.Test and Research Centre for Highway of Anhui ProvinceHefeiAnhui230061)
【Abstract】This paper, combined with the recent situation of the research evolution by low-strain dynamic test, explain some difficulty questions in the research of low-strain test and the project test on the system,what's more,the resolution of questions which are existing is the value of the guidance in the actual concrete projects.
【Key words】Low-strain dynamic test;Research evolution;Difficulty questions
1. 前言
桩与土的相互作用是一个复杂的动力接触问题,是动力基础设计、振动打桩、抗震结构设计中的重要研究课题。近几十年来,许多学者对基桩振动理论进行了深入的研究[1-14]。测定桩在受纵向激振力作用下桩顶的速度时域曲线也是目前判定桩身完整性的最常用和最准确的方法,其中基本理论均是以一维线弹性直杆理论为基础,刘东甲等[6-7]根据桩土系统纵向振动模型,进行了理论分析,也得出了一些有益的结论。
对于桥梁、码头中的大直径桩,在检测过程中,由于桩顶三维效应的存在,桩顶不同部位必然产生不同响应,陈凡和王仁军[8]认为高频干扰振幅的最小点约在距圆心功半径处,并且给出了桩顶面各点相对于该处的干扰振幅包络;Y.K.Chow[1-3]等从首脉冲后伴随的负向脉冲出发,研究了完整桩和不规则桩中不同测点对该负向脉冲的影响,认为0.5倍半径处负向脉冲最小。目前国内外对桩顶面三维效应的影响因素以及规避方式仍然缺乏较为系统的研究,数值计算方面的工作也相对较少。
2. 桩的动测技术在国内外的应用和发展近况
桩的动测方法虽然已有100多年的历史,但是近代的动测技术则是随着现代电子等技术的发展而在近三四十年前诞生的。可以说,它是岩土工程以及动土力学方面发展最快的分支之一,并受到越来越多的重视。无论在国外或国内都得到了迅速的推广和应用。
桩的动测在国外目前仍广泛用小应变方法测定桩的完整性,除了荷兰TNO生产的桩诊断系统(现已生产6型)外,还有荷兰IFCO公司生产的IT系统(桩完整性测试仪),它与TNO的桩诊断系统一样,整个系统也装在一个密封的箱内,防水、防尘性能好,所不同的是其积分线路装在加速度传感器内,另外,它的力槌中无力感应器。美国的GRL公司推出了PIT代替原来的PDA来测定桩的完整性,其性能与TNO的产品相近。这些仪器在我国1995年于北京召开的“全国桩与地基动测仪器及技术交流会”上都进行现场测试,效果都是可以肯定的。
近几年来,以波动理论为基础的动测技术在美国和欧洲有了新的发展。在测试技术上也作了进一步改进,并研制了新的桩基动测设备,使动测技术得到进一步的发展。为了保证动测技术的正确应用,不少国家已将桩的动测法列入地基基础设计与施工规范.加拿大、荷兰、前联邦德国等国建立了相应的桩基动测规范,不仅将动测技术用来解决桩的质量检验以及一般桩的承载能力测定,而且成功的将动测技术用于大直径灌注桩甚至沉井和复杂的桩基工程中。
近十年来,国外在桩动测技术方面有两件事值得我们关注:一是对国外广泛应用的波动方程法测桩的承载力进行了考核;二是国外出现了另一种新的动测桩承载力的方法,叫做静动法,并且很快得到了认可和应用。
桩的动测技术在我国的推广和应用,经历了一段不平凡而且颇有特色的道路。1989年第一次在北京召开的“全国桩基动测学术交流会”,开始将桩的动测技术推广应用于工程实践以来,1994年1月又在北京召开了“全国小应变动测桩承载力研讨会”,否定了小应变不能测桩承载力的错误观点;1995年5月在北京召开了“全国桩与地基动测仪器及技术交流会”,在会上不仅比较了国内外各种动测桩仪器的性能,还第一次在我国演示了静动法测定桩承载力的全过程;1996年10月在北京举办了“全国桩基动测最新技术研讨班”,讲授了目前广泛应用的大、小应变动测技术和存在的问题,同时探讨了我国21世纪动测技术的发展方向。此外,全国桩与地基动测信息网还从1994年起出版了一个专门刊物,为全国从事桩动测的工作者提供有关桩动测技术的重要信息,及时报导国内外的有关技术动态,交流有关桩的动测经验,介绍动测仪器和设备的研制情况和新产品以及传递有关的学术活动的消息。所有这些活动对提高我国动测技术水平,推动动测技术在基桩工程中的应用有着重要的作用。
1995年10月正式颁布了我国行业标准《基桩低应变动力检测规程》(JGJ/T93-95),使我国小应变动测法进入了实用推广阶段,我国的《基桩高应变动力检测规程》(JGJ106-97)也于1997年正式颁布。总之,动力测桩的技术在我国的工程建设中已经得到愈来愈广泛的应用。
尽管我国在动测桩的应用和研究开发方面取得了很大的成绩,并且在某些方面结合我国国情还有所创新,但也要看到我们在实践中还存在着许多问题,它们是:(1)有些方法实施效果不尽人意,需要改进;(2)某些测试仪器测试质量不高,不能满足测试要求;(3)有的测试单位因经济利益驱动,接收了某种动测方法本应限制使用的测试任务;(4)测试人员缺乏应有的经验或素质不高,造成测试结果不佳或误判。总之,我们应清醒地看到,桩的动测新技术还将不断地发展,各种动测方法必须以传统的静载试验作为依托,而不是相互排斥。
3. 低应变反射波的基本原理及目前存在间题
低应变反射波法是以一维弹性杆平面应力波波动理论为基础的。将桩身假定为一维弹性杆件(桩长>>直径),在桩顶锤击力作用下,产生一压缩波,沿桩身向下传播,当桩身存在明显的波阻抗Z变化界面时,将产生反射和透射波,反射的相位和幅值大小由波阻抗Z变化决定。桩身波阻抗Z由桩的横截面积A、桩身材料密度P等决定:Z=ρ•C•A 。
假设在基桩中某处存在一个波阻抗变化界面,界面上部波阻抗为 Z1=ρ1•C1•A1,上部波阻 抗Z2=ρ2•C2•A2。
(1)Z1=Z2时,表示桩截面均匀,无缺陷。
(2)当Z1>Z2时,表示在相应位置存在截面缩小或 砼质量较差等缺陷,反射波速度信号与入射波速度信号相位一致。
(3)当Z12时,表示在相应位置存在扩径,反射
波与入射波速度信号相位相反。
当桩身存在缺陷时,根据缺陷反射波时刻与桩顶锤击触发时刻的差值△t和桩身传 播速度C来推算缺陷位置Lx:Lx=△t•C/2。
低应变反射波法同其它的基桩检测方法相比, 具有简便、快速有效的优点。在现 场测试时, 必须采用合适硬度的激振锤与加速度传感器, 设置恰当的参数, 保证采集信号的真 实性。在对检测曲线判断时, 应该综合地质条件、施工工艺、应力波传播机理、桩侧土和桩 尖土的力学指标等各种因素分析判断, 才能比较准确地分析判断桩身质量。
应力波反射法桩基检测技术同其他检测技术一样还存在大量的问题还有待进一步 进行探索,如:
(1) 尚无法对缺陷准确定性:由于所测得的桩顶反射波幅度受各种因素影响,缩径、 裂隙、离析的表现形式完全相同,造成缺陷的具体性质无法正确判定,进一步确定缺陷的性质 需要检测经验及其它补充资料。
(2) 桩长和缺陷位置的计算误差:由于混凝土波速的确定受人为因素的影响较大,及 反射波初至时间的判读不准等因素,而影响桩长及缺陷位置的计算精度。
(3) 参数的误差:有的动测方法中,除了现场试脸确定的参数外,还有一些需靠经验 或已有动力与静力对比试验资料确定的参数,这些参数本身与实际均有一定出入。
(4)试验误差:试桩中所用的测试仪器本身带来的误差,一般是不大的。严重的测试 误差,往往来自测点的安装不当,误操作以及现场的干扰等。但由于现场试验人员马虎或水平 不高,未能及时发现和排除,从而得出不正确的试验资料。这种情况时有发生,是造成试桩质量 不高的重要原因之一。
4. 结论与展望
波动理论是桩土动力学的基础,它推进了桩土动力学的发展,适当的数学模型与数 学方法,时空网格及边界条件,是解决工程实践问题的必要手段与方法。前人的努力已经在桩 土动力学领域中取得了巨大的进步,但大多数理论都是建立在一维波动理论的基础上来进行 研究分析的,而工程实体都存在于三维空间中,解决各种条件下的三维空间模型并进行必要的 数值计算,更会丰富波动理论进而指导工程实践。
在桩土动力学中,利用波动理论与相应的数学模型对桩基础缺陷的量化计算将会成 为学术与工程界的焦点[13],在桩基础的动力测试中,扭转波的利用是一种新 型方法,解决快捷便利的的激振和拾振方法尚在进一步完善之中,它的应用仍需大力深入研究, 以期更好地完成理论,并为工程服务。
参考文献
[1]Wang J.T. and Ding M.Y, Quantitative analysis for pile integrity [A],Proc. of the Fifth International Conference on Application of Stress Wave Theory to Piles[C],Orlando,FL,1996,936-944
[2]Milos Novak. Vertical vibration of floating piles[J]. Journal of the Engineering Mechanics Division, 1977, 103(EM1): 153-168
[3]Milos Novak, Toyoaki Nogami, Fakhry Aboul-Ella. Dynamic soil reaction for plane strain case[J]. Journal of the Engineering Mechanics Division, 1978, 104(EM4): 953-959
[4]王雪峰,吴世明.基桩动测技术[M] .北京:科学出版社,2001
[5]徐枚在,刘兴满.桩的动测新技术[M].北京:中国建筑工业出版社,1989
[6]刘东甲.纵向振动桩侧壁切应力频率域解及其应用[J],岩土工程学报,2001,23 (5):544-546
[7]刘东甲,刘煜洲.王杰英单缺陷桩反射波法动测曲线峰-峰点反演的精度研究[J], 岩石力学与工程学报,2003,22(8):1383-1389
[8]陈凡,王仁军.尺寸效应对基桩低应变完整性检测的影响[J] ,岩土工程学 报,1998,20(5):92-96
[9]Chow Y K, Phoon K K, Chow W F and Wong K Y .Low strain integrity testing of piles: three-dimensional effects[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2003,129(11), 1057-1062
[10]柯宅邦,刘东甲.低应变反射波法测桩的轴对称问题数值计算[J].岩土工程学报 ,2006,28(12):2111-2115
[11]段军.基桩低应变动测空间三维问题的理论研究.[D]2008,3:5-9
[12]段军,刘东甲,程晓东,柯宅邦.桩的一维纵向振动问题的交叉网格有限差分法数 值计算[J]:工程地球物理学报,2008,5(1):54-59
[13]程晓东. 轴对称条件下基桩扭转波动测的理论与实验研究.[D]2008,3:6-10
[14]扬晓明,程晓东,朱梅林.大直径桩的三维效应[J] .山西建筑,2008,34(36):3-4
[基金项目]广东省交通厅科技资助项目(2009-02-020);安徽省自然科学基金资助 项目 (03044502)
[文章编号]1006-7619(2009)11-20-1016
[作者简介]李海洋(1979-),男,安徽省潜山县人,工商管理硕士,助理工程师,从事高 速公路路政管理与科研工作。
【关键词】低应变动测;研究进展;疑难问题
Review about Research progress in the testing of difficulty questions On low-strain dynamic pile examination
Li Hai-yang1,Cheng Xiao-dong2,Luo Qi2
(1.Anhui Province express highway road political affairs detachmentHefeiAnhui230000;
2.Test and Research Centre for Highway of Anhui ProvinceHefeiAnhui230061)
【Abstract】This paper, combined with the recent situation of the research evolution by low-strain dynamic test, explain some difficulty questions in the research of low-strain test and the project test on the system,what's more,the resolution of questions which are existing is the value of the guidance in the actual concrete projects.
【Key words】Low-strain dynamic test;Research evolution;Difficulty questions
1. 前言
桩与土的相互作用是一个复杂的动力接触问题,是动力基础设计、振动打桩、抗震结构设计中的重要研究课题。近几十年来,许多学者对基桩振动理论进行了深入的研究[1-14]。测定桩在受纵向激振力作用下桩顶的速度时域曲线也是目前判定桩身完整性的最常用和最准确的方法,其中基本理论均是以一维线弹性直杆理论为基础,刘东甲等[6-7]根据桩土系统纵向振动模型,进行了理论分析,也得出了一些有益的结论。
对于桥梁、码头中的大直径桩,在检测过程中,由于桩顶三维效应的存在,桩顶不同部位必然产生不同响应,陈凡和王仁军[8]认为高频干扰振幅的最小点约在距圆心功半径处,并且给出了桩顶面各点相对于该处的干扰振幅包络;Y.K.Chow[1-3]等从首脉冲后伴随的负向脉冲出发,研究了完整桩和不规则桩中不同测点对该负向脉冲的影响,认为0.5倍半径处负向脉冲最小。目前国内外对桩顶面三维效应的影响因素以及规避方式仍然缺乏较为系统的研究,数值计算方面的工作也相对较少。
2. 桩的动测技术在国内外的应用和发展近况
桩的动测方法虽然已有100多年的历史,但是近代的动测技术则是随着现代电子等技术的发展而在近三四十年前诞生的。可以说,它是岩土工程以及动土力学方面发展最快的分支之一,并受到越来越多的重视。无论在国外或国内都得到了迅速的推广和应用。
桩的动测在国外目前仍广泛用小应变方法测定桩的完整性,除了荷兰TNO生产的桩诊断系统(现已生产6型)外,还有荷兰IFCO公司生产的IT系统(桩完整性测试仪),它与TNO的桩诊断系统一样,整个系统也装在一个密封的箱内,防水、防尘性能好,所不同的是其积分线路装在加速度传感器内,另外,它的力槌中无力感应器。美国的GRL公司推出了PIT代替原来的PDA来测定桩的完整性,其性能与TNO的产品相近。这些仪器在我国1995年于北京召开的“全国桩与地基动测仪器及技术交流会”上都进行现场测试,效果都是可以肯定的。
近几年来,以波动理论为基础的动测技术在美国和欧洲有了新的发展。在测试技术上也作了进一步改进,并研制了新的桩基动测设备,使动测技术得到进一步的发展。为了保证动测技术的正确应用,不少国家已将桩的动测法列入地基基础设计与施工规范.加拿大、荷兰、前联邦德国等国建立了相应的桩基动测规范,不仅将动测技术用来解决桩的质量检验以及一般桩的承载能力测定,而且成功的将动测技术用于大直径灌注桩甚至沉井和复杂的桩基工程中。
近十年来,国外在桩动测技术方面有两件事值得我们关注:一是对国外广泛应用的波动方程法测桩的承载力进行了考核;二是国外出现了另一种新的动测桩承载力的方法,叫做静动法,并且很快得到了认可和应用。
桩的动测技术在我国的推广和应用,经历了一段不平凡而且颇有特色的道路。1989年第一次在北京召开的“全国桩基动测学术交流会”,开始将桩的动测技术推广应用于工程实践以来,1994年1月又在北京召开了“全国小应变动测桩承载力研讨会”,否定了小应变不能测桩承载力的错误观点;1995年5月在北京召开了“全国桩与地基动测仪器及技术交流会”,在会上不仅比较了国内外各种动测桩仪器的性能,还第一次在我国演示了静动法测定桩承载力的全过程;1996年10月在北京举办了“全国桩基动测最新技术研讨班”,讲授了目前广泛应用的大、小应变动测技术和存在的问题,同时探讨了我国21世纪动测技术的发展方向。此外,全国桩与地基动测信息网还从1994年起出版了一个专门刊物,为全国从事桩动测的工作者提供有关桩动测技术的重要信息,及时报导国内外的有关技术动态,交流有关桩的动测经验,介绍动测仪器和设备的研制情况和新产品以及传递有关的学术活动的消息。所有这些活动对提高我国动测技术水平,推动动测技术在基桩工程中的应用有着重要的作用。
1995年10月正式颁布了我国行业标准《基桩低应变动力检测规程》(JGJ/T93-95),使我国小应变动测法进入了实用推广阶段,我国的《基桩高应变动力检测规程》(JGJ106-97)也于1997年正式颁布。总之,动力测桩的技术在我国的工程建设中已经得到愈来愈广泛的应用。
尽管我国在动测桩的应用和研究开发方面取得了很大的成绩,并且在某些方面结合我国国情还有所创新,但也要看到我们在实践中还存在着许多问题,它们是:(1)有些方法实施效果不尽人意,需要改进;(2)某些测试仪器测试质量不高,不能满足测试要求;(3)有的测试单位因经济利益驱动,接收了某种动测方法本应限制使用的测试任务;(4)测试人员缺乏应有的经验或素质不高,造成测试结果不佳或误判。总之,我们应清醒地看到,桩的动测新技术还将不断地发展,各种动测方法必须以传统的静载试验作为依托,而不是相互排斥。
3. 低应变反射波的基本原理及目前存在间题
低应变反射波法是以一维弹性杆平面应力波波动理论为基础的。将桩身假定为一维弹性杆件(桩长>>直径),在桩顶锤击力作用下,产生一压缩波,沿桩身向下传播,当桩身存在明显的波阻抗Z变化界面时,将产生反射和透射波,反射的相位和幅值大小由波阻抗Z变化决定。桩身波阻抗Z由桩的横截面积A、桩身材料密度P等决定:Z=ρ•C•A 。
假设在基桩中某处存在一个波阻抗变化界面,界面上部波阻抗为 Z1=ρ1•C1•A1,上部波阻 抗Z2=ρ2•C2•A2。
(1)Z1=Z2时,表示桩截面均匀,无缺陷。
(2)当Z1>Z2时,表示在相应位置存在截面缩小或 砼质量较差等缺陷,反射波速度信号与入射波速度信号相位一致。
(3)当Z1
当桩身存在缺陷时,根据缺陷反射波时刻与桩顶锤击触发时刻的差值△t和桩身传 播速度C来推算缺陷位置Lx:Lx=△t•C/2。
低应变反射波法同其它的基桩检测方法相比, 具有简便、快速有效的优点。在现 场测试时, 必须采用合适硬度的激振锤与加速度传感器, 设置恰当的参数, 保证采集信号的真 实性。在对检测曲线判断时, 应该综合地质条件、施工工艺、应力波传播机理、桩侧土和桩 尖土的力学指标等各种因素分析判断, 才能比较准确地分析判断桩身质量。
应力波反射法桩基检测技术同其他检测技术一样还存在大量的问题还有待进一步 进行探索,如:
(1) 尚无法对缺陷准确定性:由于所测得的桩顶反射波幅度受各种因素影响,缩径、 裂隙、离析的表现形式完全相同,造成缺陷的具体性质无法正确判定,进一步确定缺陷的性质 需要检测经验及其它补充资料。
(2) 桩长和缺陷位置的计算误差:由于混凝土波速的确定受人为因素的影响较大,及 反射波初至时间的判读不准等因素,而影响桩长及缺陷位置的计算精度。
(3) 参数的误差:有的动测方法中,除了现场试脸确定的参数外,还有一些需靠经验 或已有动力与静力对比试验资料确定的参数,这些参数本身与实际均有一定出入。
(4)试验误差:试桩中所用的测试仪器本身带来的误差,一般是不大的。严重的测试 误差,往往来自测点的安装不当,误操作以及现场的干扰等。但由于现场试验人员马虎或水平 不高,未能及时发现和排除,从而得出不正确的试验资料。这种情况时有发生,是造成试桩质量 不高的重要原因之一。
4. 结论与展望
波动理论是桩土动力学的基础,它推进了桩土动力学的发展,适当的数学模型与数 学方法,时空网格及边界条件,是解决工程实践问题的必要手段与方法。前人的努力已经在桩 土动力学领域中取得了巨大的进步,但大多数理论都是建立在一维波动理论的基础上来进行 研究分析的,而工程实体都存在于三维空间中,解决各种条件下的三维空间模型并进行必要的 数值计算,更会丰富波动理论进而指导工程实践。
在桩土动力学中,利用波动理论与相应的数学模型对桩基础缺陷的量化计算将会成 为学术与工程界的焦点[13],在桩基础的动力测试中,扭转波的利用是一种新 型方法,解决快捷便利的的激振和拾振方法尚在进一步完善之中,它的应用仍需大力深入研究, 以期更好地完成理论,并为工程服务。
参考文献
[1]Wang J.T. and Ding M.Y, Quantitative analysis for pile integrity [A],Proc. of the Fifth International Conference on Application of Stress Wave Theory to Piles[C],Orlando,FL,1996,936-944
[2]Milos Novak. Vertical vibration of floating piles[J]. Journal of the Engineering Mechanics Division, 1977, 103(EM1): 153-168
[3]Milos Novak, Toyoaki Nogami, Fakhry Aboul-Ella. Dynamic soil reaction for plane strain case[J]. Journal of the Engineering Mechanics Division, 1978, 104(EM4): 953-959
[4]王雪峰,吴世明.基桩动测技术[M] .北京:科学出版社,2001
[5]徐枚在,刘兴满.桩的动测新技术[M].北京:中国建筑工业出版社,1989
[6]刘东甲.纵向振动桩侧壁切应力频率域解及其应用[J],岩土工程学报,2001,23 (5):544-546
[7]刘东甲,刘煜洲.王杰英单缺陷桩反射波法动测曲线峰-峰点反演的精度研究[J], 岩石力学与工程学报,2003,22(8):1383-1389
[8]陈凡,王仁军.尺寸效应对基桩低应变完整性检测的影响[J] ,岩土工程学 报,1998,20(5):92-96
[9]Chow Y K, Phoon K K, Chow W F and Wong K Y .Low strain integrity testing of piles: three-dimensional effects[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2003,129(11), 1057-1062
[10]柯宅邦,刘东甲.低应变反射波法测桩的轴对称问题数值计算[J].岩土工程学报 ,2006,28(12):2111-2115
[11]段军.基桩低应变动测空间三维问题的理论研究.[D]2008,3:5-9
[12]段军,刘东甲,程晓东,柯宅邦.桩的一维纵向振动问题的交叉网格有限差分法数 值计算[J]:工程地球物理学报,2008,5(1):54-59
[13]程晓东. 轴对称条件下基桩扭转波动测的理论与实验研究.[D]2008,3:6-10
[14]扬晓明,程晓东,朱梅林.大直径桩的三维效应[J] .山西建筑,2008,34(36):3-4
[基金项目]广东省交通厅科技资助项目(2009-02-020);安徽省自然科学基金资助 项目 (03044502)
[文章编号]1006-7619(2009)11-20-1016
[作者简介]李海洋(1979-),男,安徽省潜山县人,工商管理硕士,助理工程师,从事高 速公路路政管理与科研工作。