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1、基桩桩身质量检测技术探讨2006年第27卷第3期基桩桩身质量检测技术探讨吴朝晖李小榜胡春林(1.武汉市建筑工程质量监督站;2.武汉理工大学)摘要:总结了国内外基桩低应变完整性检测技术研究的现状与存在的问题.重点探讨了与基桩桩身质量检测技术有关的桩基纵向振动的频率分析法,时域分析法和非线性动力分析方法.对低应变测桩的反演理论等也进行了讨论.关键词:基桩;质量检测;时域分析;频域分析;非线性动力分析桩基础是建筑物的一种重要的基础形式.在桩基工程中常因施工工艺,地质条件变化,施工队伍素质低和对质量控制不严等问题造成工程桩缩颈,离析,断桩,扩颈等缺陷.缺陷的存在给桩基承载力带来不同程度的
2、影响,严重者甚至使单桩承载力丧失.所以,必须正确地判断缺陷的类型,测出缺陷的量化程度,并对桩基质量进行整体评价,必要时采取合理的补救措施.桩身低应变动测法是根据应力波在介质中的传播,并经过介质透射,反射后,靠传感器接收并在终端上显示其波形,通过对波形的分析进而对桩身质量及完整性进行判断的一种分析手段.现在工程上采用较多的是反射波法和机械阻抗法.其中,反射波法以其分析结果直观,方法简便而被大多数检测人员所采用.用低应变测桩的定性或定量的判别方法中,按分析方法的不同又可分为正演和反演理论两大块.低应变测桩的正演理论是在已知动力激振方式下,根据给定的桩,土系统的几何参数和力学参数,建立
3、起桩,土系统振动响应(包括振动的位移,速度和加速度)的数学模型.在离散系统中,国内外低应变动力测桩普遍采用"质量一弹簧一阻尼"法.该法将桩身质量集中在一离散点上,桩体本身视为一没有质量的弹簧,而将桩周土视为一等效粘滞阻尼器,讨论该简化的振动系统在桩顶瞬态或稳态激振作用下的响应.采用该法能模拟完整桩的动测响应,但当桩身存在缺陷时的讨论较少.同时,由于它将桩的振动视为整体性振动,因此该模型与实际观测结果相差较远.在连续系统中,假设桩的受激振动是在弹性限度内的,桩身材料是均匀和各向同性,振动时桩身横截面保持水平,采用隔离体法从桩体中任意截取一段单】O8元,分析其受力并给出其力的动力平衡
4、方程,讨论该模型在桩顶瞬态或稳态激振作用下的响应.对比于离散系统,该法可讨论当桩身存在不同缺陷情况下的动态响应.低应变测桩的反演理论是根据低应变动测响应(包括瞬态或稳态动测响应),确定或估算桩,土系统的几何参数和力学参数.反演理论中主要有时域分析法,频域分析法,拟合法,多参数优化法,对数衰减法及神经网络识别法等.按其对不同参数的反演,又有对粘滞阻尼系数的反演,对桩长或应力波速的反演,对缺陷类型及位置的反演,对桩的动弹性模量和混凝土质量的反演等.无论用哪种方法,都需要采集桩顶的速度,加速度的时程曲线或力谱曲线并对其进行缺陷的反演分析.基桩动态检测技术是以桩的纵向振动理论为基础的,开
5、展这一理论的研究对于进一步弄清动力试桩的机理,正确分析和解释动力试桩曲线是非常重要的.1频域分析方法单桩动力响应的频域分析方法主要研究在桩顶受到谐和激振作用下桩土系统的稳态振动特性.其主要内容有桩土共同作用,土对桩的复支撑刚度及桩的动刚度随激振频率的变化规律,谐和激振下桩的动力响应等.1974年以来Novak等在假设桩周土体为无限延伸的均质,各向同性粘弹性介质(滞回阻尼材料),桩为圆形等截面,桩土完全接触不分离和小变形等条件下,求得了桩周土体的动刚度,阻尼参数及桩土位移的频率表达式.基于平面应变土模型,IM土模型及Winkler假定,桩的振动问题的频率分2006年第27卷第3期析
6、在各个分支方向都取得了较大的进展.人们分别用解析方法或数值方法求解成层土或非均质土条件下桩的谐和振动问题;采用有限元方法求解横观各向异性成层土中桩的动力响应问题;采用格林函数法求解弹性半空间中桩及土的动力特性.特别是用机械阻抗法(或导纳法)可以分析标准桩,缩颈桩和断裂桩的纵向振动特性,可绘出响应的阻抗幅频曲线.机械阻抗法是一种结构动态分析方法,它通过测定施加给桩的激励(输入)函数和桩的动态响应函数来识别桩的动态特征.而桩的动态特征是与桩身混凝土的完整性和桩一土相互作用的特性密切相关的.通过对桩的动态特性的分析,可判定桩身混凝土的浇筑质量,缺陷的类型及其在桩身中出现的位置.对应于不
7、同的动态力圆频率值,导纳(阻抗)的幅值和幅角是不同的,这提供了用导纳或阻抗随激振频率变化的曲线来研究系统动态特性的可能性.从而判断桩的缺陷和完整性.考虑桩为变截面的缺陷桩,首先建立缺陷桩的桩土模型,通过Iaplace变换并结合阻抗函数的传递性,可求得均质土中的桩在任意激振力作用下桩顶阻抗的解析表达式,进而可求得半正弦脉冲作用下的速度响应的半解析式,最后求出任意段变截面桩速度响应的半解析解;在此基础上,用Matlab编制相应的程序,可研究桩周土阻尼系数,缺陷程度,桩身刚度对振动特性
