毕业设计(论文)桩基低应变检测资料的定量分析.pdf
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1、合肥工业大学 硕士学位论文桩基低应变检测资料的定量分析_ 姓名:周满兵_申请学位级别:硕士_专业:地质工程指导教师:刘东甲_20100401桩基低应变检测资料的定量分析摘要本文介绍了桩基低应变检测的理论,在此基础上,根据桩土系统一维波动理论,通 过建立桩土模型,根据不同桩土参数条件下桩顶速度响应进行定性分析,并在结合各种 辅助资料,尝试对工程桩缺陷做定量的分析.首先从桩土系统的波动方程入手,结合边 界条件和初始条件,构成桩土系统在瞬杰激励下的定解问题。采用差分法,利用所编制 的Ma tla b计算程序,求解此定解问题,解得完整桩以及各种非完整桩桩顶振动的速度响 应,并分析了动态响应模型的基本特
2、征,探讨了各种桩土参数对速度响应曲线的影响。这些参数包括桩长、桩身弹性波速、桩身弹性模量、桩周土剪切波速与泊松比、桩底土 剪切波速与泊松比等.然后在此基础上进行缺陷量化分析。最后,结合实际工程资料,对工程桩进行拟合分析,着重进行缺陷程度的量化分析,以期更加准确的判别基桩的缺 陷程度,具有一定的现实意义.关键词:基桩完整性检测 低应变反射波法 有限差分法 曲线拟合定量分析4Quantitative Analysis of Data of Low-strain Detection on PilesABSTRACTThis a rtic le desc ribes the theory of low
3、-stra in detec tion on piles,esta blishes a pile-soil model by one-dimensiona l wa v e theory,a nd studies the v eloc ity response on the pile top in different pa ra meters of pile-soil system by q ua lita tiv e a na lysis a nd q ua ntita tiv e a na lysis.Firstly,the wa v e eq ua tion is esta blishe
4、d,c ombined with the bounda ry c onditions a nd initia l c onditions.Then,Ma tla b is used to obta in results by finite differentia l method,a nd c urv es of v eloc ity response on the pile top is obta ined,a nd pile-soil pa ra meters effec ts on v eloc ity response c urv es a re disc ussed.These pa
5、 ra meters inc lude the leng th,ela stic wa v e speed,ela stic modulus of the pile,Poissons ra tio,shea r wa v e speed of soil a round the pile-soil a s well a s tha t a t the bottom of a pile.Fina lly,this a rtic le a na lyses pra c tic a l eng ineering da ta of piles,a nd espec ia lly foc us on q
6、ua ntita tiv e a na lysis of defec ts,in order to know muc h more a c c ura tely a bout the loc a tion a nd the ex tent of defec ts of a defec tiv e pile,bec a use it ha s more pra c tic a l sig nific a nc e.Keywords:Pile integ rity detec tion;Low stra in reflec ted wa v e method;Finite differenc e
7、method;Curv e-fitting:Qua ntita tiv e a na lysis5符号清单桩长,m桩身直径,mA质量密度,kg/m桩身横截面积,nr弹性模量,Pa纵波速度,m/s轴力,N时间,s质点位移,m质点振动速度,m/s轴向应力,Pa轴向应变桩底反射出现的时间,单位深度桩周上的等效阻尼系数,kg/(ms)单位深度桩周土的等效刚度系数,Pa桩底土阻尼系数,kg/sAPb桩底土刚度系数,N/m 桩周土密度,kg/m3 桩底土密度,kg/m3桩周土泊松比 桩底土泊松比 桩周土剪切波速,m/s 桩底土剪切波速,m/s 桩周土剪切模垃,Pa 桩底土剪切模量,Pa 激振力冲黄,N-s
8、 激振力作用时间,s插图清单图21 杆的轴向自由振动所受的力.5图2-2 下行波和上行波的传播.7图2-3 位移波和应力波在自由端的反射.8图2-4 位移波和应力波在固定端的反射.9图2-5 维弹性体波阻抗突变示意图.9图3-1 桩土系统振动模型.13图3-2 多层不均匀土下的非完整桩模型.17图3-3 有限差分法网格图.18图3-4 完整桩桩顶振速模拟曲线.20图3-5 扩径桩桩顶振速模拟曲线.21图3-6 缩径桩桩顶振速模拟曲线.22图3-7 离析桩桩顶振速模拟曲线.22图3-8 断桩桩顶振速模拟曲线.23图3-9 不同长度桩桩顶振速模拟曲线对比图.24图3-10 有无桩周土桩桩顶振速模拟
9、曲线对比图.24图3-11 桩底土软硬不同时桩顶振速模拟曲线对比图.25图3-12 桩周土软硬不同时桩顶振速模拟曲线对比图.26图3-13 嵌岩桩与摩擦桩桩顶振速模拟曲线对比图.26图4-1 M26-4号桩基的实测时域曲线.33图4-2 M24-4号桩基的实测时域曲线.33图4-3 M24-4号桩基的钻芯检测照片.34图4-4 M2-5号桩基的实测时域曲线.34图4-5 M2-5号桩基的钻芯检测照片.35图4-6 程序流程示意图.35图4-7 M2-5号桩实测速度曲线及其拟合曲线(-).36图4-8 M2-5号桩实测速度曲线及其拟合曲线(二).37图4-9 M2-5号桩实测速度曲线及其拟合曲线
10、(三).37图4-10 M2-5号桩实测速度曲线及其拟合曲线(四).38图4-11 DP0-1号桩实测速度曲线及其拟合曲线.39图4-12 M3 5-5号桩实测速度曲线及其拟合曲线.40图4-13 M24-4号桩实测速度曲线及其拟合曲线.41图4-14 波速统计直方图.4310表格清单表4-1 土的类型划分和剪切波速范围.31表4-1 测试仪器设备简表.32表4-3 354根桩的低应变测试波速(m/s).4211独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。据我所知,除了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
11、包含为获得 合肥工业大 学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名:羽田;签字日期:20n年 牛月底日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位论文的 规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许 论文被查阅和借阅。本人授权合肥工业大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名:国啰签字日期:词奔华月L8日 学位论文作者毕
12、业后去向:工作单位:通讯地址:导师签名:签字日期年4月9日电话:邮编:3致谢首先衷心感谢我的导师刘东甲教授!在攻读硕士阶段,刘老师在学习还有 生活方面,都给予了我莫大的指导和关怀!刘老师治学严谨,在学习上,他对 我们严格要求,一丝不苟,教导我们追求真理,实事求是;在生活上,又如同慈 父一般给予我们无尽的关爱和照顾,给予我智力上的支持和精神上的鼓励。本 次论文写作期间,遇到了许多难题和挫折,论文顺利完成是和刘老师的指导和 鼓励分不开的,仅以此文向刘老师表示衷心的感谢!刘老师高深的学术造诣,丰富的研究成果以及高尚的道德品质都令我折服,同时也深深地影响着我,将 使我受益终身!在研究生学习期间,还得到
13、了资环学院岩土系各位老师的关心和帮助,在 此一并表示深深的谢意!在整个设计过程当中,还有同组师兄弟柯宅邦、奚亚男、荆韦庄、龙丽丽、王飞、卢志堂、杨晓峰、李浩等的全力帮助。最后,还要感谢特别钱让清教授 对我的精神鼓励和大力支持,正是他的支持和鼓励,我才能顺利的完成学业。最后向所有关心,支持我的人表示衷心的感谢和最美好的祝福。周满兵2010年5月6第一章绪论改革开放以来,我国的工程建设事业得到了蓬勃的发展,在道路桥梁、民 用建筑、水利工程、核电站等工程中,大量采用桩基础。由于桩能将上部荷载 传到深层稳定的地基中去,能减少基础的沉降和建筑(构筑)物的不均匀沉降,所以桩基础在软土地区、地震区、膨胀土地
14、区、黄土分布地区以及冻融土等地 区得到了广泛应用,而且实践也证明它是一种极为有效、安全可靠的基础形式。目前 桩基础已成为我国最普遍的一种基础形式,相对于其他的深基础,桩基 础除了具有良好的抗震性能、较为经济的优点外,还有利于实现基础工程的工 业化、机械化,是一种很有发展前景的基础形式。但是在成孔过程中常出现缩 径、夹泥、断裂、沉渣等质量问题,影响其承载力。因此需要对工程桩的质量 进行检查,以便及时采取相应措施,防止影响建筑(构筑)物的正常使用。如 何准确的判断工程桩的质量,是国内外许多学者,研究人员和工程技术人员长 期从事的研究课题。1.1 桩基低应变动测的意义和目的1.1.1 桩基低应变动测
15、的意义桩基工程为隐蔽工程,加之施工场地地质情况复杂,桩基的质量往往很难 控制。目前,我国施工队伍虽然很多,但是施工整体水平较低,这就造成了桩 基质量隐患。除此之外,甚至存在偷工减料。如果不准确的判别桩基完整性,将会对整个工程造成巨大的损失,也给人民的生命财产构成威胁。因此,准确 的判别桩基的优劣,对发挥桩基工程的经济效益,具有重要的现实意义。1.1.2 桩基低应变动测的目的据国内的资料,桩基工程中,含有各种缺陷的桩占到总桩数的20%左右。这些缺陷的存在,会使得桩基部分甚至完全丧失承载力。所以,若不能准确的 判断出是否存在缺陷,缺陷的类型、缺陷的位置,缺陷的程度,及时采取补救 方案,必然会给建筑
16、(构筑物)物留下事故隐患。但是,相对于缺陷的类型及 位置而言,如何对缺陷量化,确定缺陷的程度更为重要。只有准确的得出缺陷 的程度,才能确定其对桩基使用要求的影响程度,进而对桩基质量做出合理准 确的评价,采取合适的补救措施。因此,当前桩身的完整性检测及定量分析,对桩基工程具有极强的现实意义。1.2 桩基低应变检测在国内外的应用和发展上个世纪80年代以来,低应变反射波法在国内外迅速推广,由于其方便快 捷的特点,目前已成为桩基完整性检测的重要手段。随着低应变反射波法在工 程实践中的不断应用,应力波在桩中传播的规律及其应用研究,也成为国内外1http:/www.ta oba o4 WANG-PIP 法
17、,依此分析反演一维波动方程的桩系数,根据反演可以计算缺陷处波阻抗的 变化,进而判断桩身的完整性仍力。柴华友运用特征线法,计出算桩顶振动速度,采用Powell法反演桩身波阻抗,并分析了土阻尼参数的影响“仇山。雷林源“2-卬 采用分离变量法,得到了均匀土中有限长完整桩的瞬态纵向振动响应,并讨论 了桩的动力测试响应的五个基本特性,为动力测桩的参数估计提供了较为严格 的理论支持,他还就均匀土中完整桩的瞬态以及稳态纵向振动的问题进行了正 反演。刘东甲采用La pla c e变换和矩阵理论,解析地求出了瞬态纵向激振力作 用下,多缺陷桩在层状不均匀土中振动的桩顶速度传递函数,进而得到桩顶速 度导纳、桩顶速度
18、频谱函数和桩顶振动速度的时域表达式,并提出采用单因素 分析法来解释较复杂的导纳曲线:他还严密地推出纵向振动桩侧壁切应力的表 达式,给出了桩周土的等效参数;对扭转波、横波测桩也做了理论研究和测试 实验”271.国外对桩的动力检测的研究起步较早,他们的研究成果对国内学者产生了 较大的影响。Koten H.Va n采用变量变换和黎曼函数,得到均匀地基中无限长 桩受桩顶激振力作用的纵向振动位移的时域表达式31。Nov a k研究了桩在简谐 激振力作用下稳态振动的问题12咒还研究了均匀粘弹性土对简谐振动的无限长 刚性圆杆的作用,得出了桩侧土对桩振动影响的表达式DO】。Milita n。利用积分 变换,研
19、究了完整桩在瞬态纵向激振力作用下的动力响应问题L除此之外,Ra usc he的研究成果卬)也对国内学者研究桩中应力波传播问题有较大的参考意 义。1.3 桩的纵向振动理论的研究现状桩的纵向振动理论是各种动力测桩方法的理论依据。这最早源于对一维杆 振动的研究。对桩的纵向振动问题的研究,主要有两个方面,一是利用解析法,根据桩顶的具体激励方式,研究存在桩土相互作用的条件下,桩的纵向振动特 性:二是采用数值方法,将桩身或着土进行离散化,可以根据不同的边界条件,可以考虑桩顶在各种激振条件下的具体响应。下文将阐述这些方面的研究现状 以及发展水平。1.3.1 解析解法桩纵向振动解析法的研究,过去的成果主要集中
20、在频域。比如说,桩土共 同作用、土对桩的支承刚度及桩的动刚度随频率的变化规律、简谐振动桩的动 力响应等。Cra ff得出考虑桩底土的作用时完整桩的自由振动特性“张阿舟、赵淳 生得出在考虑桩侧土和桩底土共同作用时完整桩的自由振动特性因)。Nov a k在2http:/www.ta oba o4 oba o4 条件下,得到了桩周土的动刚度和阻尼表达式口,34.351。Va n.Koten通过简化,通过线性代换以及阶跃函数,求出了半无限长桩在锤击条件下,考虑桩侧土阻 力作用时的解析解12叫王奎华根据分离变量法,得出了有限长桩受迫振动的解 析解,并对瞬态或稳态激振下桩顶振动速度进行了分析。然而,这些工
21、作都 是针对均质土中的完整桩而言这一理想情况而言,而工程中的重点研究对象是 各种缺陷桩。此后,王奎华进一步推得了缺陷桩的解析解口6,文献卬利用解析 法对非完整桩、分层土中桩的振动特性进行了研究,文献【得出了考虑桩周成 层土的作用,缺陷桩的纵向动力响应,文献MJ考虑了桩身的材料阻尼,分析了 成层土中变截面桩的纵向振动特性。文献网将桩侧土分别简化为标准Voig t体 模型、标准Ma x well体模型、广义Voig t体模型、广义Ma x well体模型,并考 虑了桩身材料阻尼,对成层土中变阻抗桩的纵向振动理论及特性进行了深入细 致地研究。但是这些成果没有将桩土参数的取值与实际工程的土工试验得到的
22、岩土参 数联系起来,对工程实践的指导意义不显著。1.3.2 数值计算法D.V.Isa c c s首先提出,当桩顶受到敲击作用,能量将波的形式向桩尖传播,因此可以采用一维波动方程来表示波的传播过程,但在求解时,只能得到简单 的边界条件下的解,很难引入工程实践中来。后来,E.N.Fox在D.V.Isa c c s的研 究基础上做了许多的简化,获得了打桩过程的波动方程解。20世纪60年代以来,有限元方法得到了快速发展,同时受益于计算机技 术的发展,数值方法在求解弹性波传播的问题中得到了广泛的应用,为研究复 杂条件下的波动问题提供了有效的工具。E.A.L.Smith首先提出了以一维波动方 程为基础的打
23、桩问题的有限差分解,并给出了详细的计算程序,将波动方程引 入工程实践领域。此后,P.W.Foreha nd.J.L.reesex Sa mon.E.T.Mosely、Edwords、L.L.Lowery、H.M.Coyle、J.E.Bowles、m.t.da v ission、F.Ra usc he 以及 G.G.Goble 等在桩土参数的确定、计算程序的编写、结果的可靠度及波动方程的实际应用 等方面做了大量的工作耐。F.Ra usc he,G.G.Goble和P.Middendorp等人网在达 朗贝尔解的基础上,采用不同的土模型,得出至今仍被广泛采用的CAPWAPC 算法和TNOWAVE算法
24、,并编制了相应的处理程序。这些工作对波动方程的应 用以及发展有很大的推动作用。近年来,电子技术和计算机软硬件技术飞速发展,许多分析程序不断涌现。各种程序各有其特点和使用约束。TTI程序是由美国德州运输研究所推出的,它可以考虑桩身接头和松动等因素的影响,同时将实测力作为输入,进而能够 减少实测力模拟不当所造成的误差;OCEAN WAVE程序和TIDY WAVE程序与3http:/www.ta oba o4 oba o4 西部后备大学编制的适用于柴油桩锤的程序:DUKFOR程序是杜克大学编制 的,可以考虑桩身残余应力;SWEAP程序则是WEAP程序和DUKFOR程序的 结合;PSI程序能够做考虑残
25、余应力的多锤分析,并可较好地描述难以打入的 桩的特性,还能按土的非线性变形特性来进行模拟轴向荷载试验的计算;CAPWAPC程序则完全是根据桩顶处测得的力和加速度数据,来计算桩的承载 力和土的阻力分布,并可随时根据计算结果与实测值的对比情况来修改桩土参 数,重新计算直至吻合为止。此外,荷兰富国国际工程地质顾问公司编制了 WAVEQ和SRD程序以及荷兰HBM液压锤公司等也编制了波动方程计算程序。在国内,许多科研单位也都研制了自己的分析处理程序。有代表性的有:中科院武汉岩土研究所研制的CCWAPC程序:中国建筑科学研究院研制的 FEIPWAPC程序。此外,王奎华还开发了基于波动方程达朗贝尔解和完全闭
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