樁基完整性檢測(cè)模擬分析
第1章緒論
19世紀(jì)20年代，鋼筋、鋼筋混凝土的出現(xiàn)，人類告別了木樁時(shí)代，最早的拍基施工是打入式預(yù)制樁，后來(lái)隨著時(shí)代的發(fā)展，施工機(jī)械設(shè)備也越來(lái)越完善，發(fā)展了灌注樁，而且施工手段、檢測(cè)手段、模型試驗(yàn)等越來(lái)越完善，為樁基礎(chǔ)的飛躍發(fā)展提供了條件。近年來(lái)我國(guó)高層建筑和大型構(gòu)筑物越來(lái)越多，樁基作為基礎(chǔ)形式，越來(lái)越顯示出其卓越性，樁基以其巨大的承載力和承載復(fù)雜荷載的特殊本質(zhì)以及對(duì)各種地質(zhì)條件的良好適應(yīng)性，得到了廣泛應(yīng)用。從此以后，隨著杭基礎(chǔ)應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，機(jī)械設(shè)備和施工技術(shù)不斷得到改進(jìn)和發(fā)展，產(chǎn)生了各種新樁型和新工法，如水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)、復(fù)合載體夯擴(kuò)樁、全螺紋鉆孔灌注樁等為在復(fù)雜地質(zhì)條件和環(huán)境條件下的應(yīng)用注入了勃勃生機(jī)。今天樁基礎(chǔ)已成為高層建筑、大型橋梁、深水碼頭和海上石油平臺(tái)等采用的主要基礎(chǔ)形式，而且隨著工程的需要，人們?cè)跇兜氖┕ぜ夹g(shù)、樁型的開發(fā)應(yīng)用和設(shè)計(jì)理論方面又不斷研究探索，使樁基技術(shù)得到了蓬勃的發(fā)展。
樁基礎(chǔ)是指通過(guò)樁支撐著承臺(tái)的基礎(chǔ)，承臺(tái)承受上部建筑物的荷載，傳遞到下面的柱，使每個(gè)樁受力均勻，而樁基礎(chǔ)的作用是把上部的荷載傳遞給下部的地基。樁基礎(chǔ)具有施工快，投資少，效果好等優(yōu)越性，隨著我國(guó)建筑事業(yè)的發(fā)展，樁基己經(jīng)成為一種重要的基礎(chǔ)形式，在高層建筑、重型廠房、橋梁、港口、碼頭、海上采油平臺(tái)、核電站工程以及地震區(qū)、軟土地區(qū)、濕陷性黃土地區(qū)、膨脹土地區(qū)和凍土地區(qū)的地基處理中得到廣泛地應(yīng)用。樁的施工還具有高度的隱蔽性，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題難，事故處理更難。因此，樁基檢測(cè)工作是整個(gè)樁基工程中不可缺少的環(huán)節(jié)，只有提高樁基檢測(cè)工作的質(zhì)量和檢測(cè)評(píng)定結(jié)果的可靠性，才能真正地確保樁基工程的質(zhì)量與安全。
......
1.2. 1基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)研究歷史與現(xiàn)狀
當(dāng)混凝土的施工條件、均勻度、構(gòu)成材料等因素一致時(shí)，聲波波速在基樁傳播的參數(shù)也應(yīng)基本一致，如果有缺陷，那么聲波在傳播的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生反射、繞射的現(xiàn)象，從而伴隨著聲幅、聲速、聲時(shí)發(fā)生變化，我們就可以判定基樁的內(nèi)在質(zhì)量問(wèn)題。但是檢測(cè)成本高，范圍比較大時(shí)，檢測(cè)較困難；檢測(cè)前必須要提前埋好聲測(cè)裝置，對(duì)灌注樁檢測(cè)比較好。
靜載實(shí)驗(yàn)法包含堆載法和錨桿法兩種，兩種方法都是釆用油千斤壓頂在樁頂施加荷載，前者通過(guò)反力架上的堆重平衡，后者通過(guò)反力架將反力傳給錨樁，與錨樁的抗拔力平衡。其存在的主要問(wèn)題是：堆載法須解決幾百噸甚至上千噸的荷載來(lái)源、堆放及運(yùn)輸問(wèn)題，錨桿法必須設(shè)置多根錨樁及反力大梁，不僅所需費(fèi)用昂貴，時(shí)間較長(zhǎng)，場(chǎng)地條件的限制（堆載法目前國(guó)內(nèi)試樁最大極限承載力僅達(dá)3000噸，錨樁法的試樁最大極限承載力也不超過(guò)4000噸），以致許多大噸位柱和特殊場(chǎng)地的樁（如山地、橋樁）的承載力往往得不到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，樁基的潛力不能合理發(fā)揮這是樁越領(lǐng)域面臨的一大難題靜載實(shí)驗(yàn)法必須提甜試柱，周期長(zhǎng)，靜載實(shí)驗(yàn)法要隨機(jī)抽取抽基進(jìn)行檢測(cè)，而無(wú)法檢測(cè)企部樁藤的完整性，這種隨機(jī)取樣的測(cè)試，無(wú)代表作用。
高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法。高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試是通過(guò)在樁頂量測(cè)被激發(fā)的阻力產(chǎn)生的應(yīng)力波和速度波，來(lái)確記承載力的。目前工程界應(yīng)用最廣泛的高應(yīng)變法是CASE法和波形擬合法。CASH法是種通過(guò)一維波動(dòng)方程計(jì)算而獲得巖土對(duì)樁的支撐阻力的新方法。它有三條基本假定：樁身是等阻抗的；樁周與樁尖上對(duì)樁的運(yùn)動(dòng)阻力分為動(dòng)阻力和靜阻力兩部分，動(dòng)阻力全部集中在柱尖，忽略了樁側(cè)土阻力；靜阻力模型為理想剛塑性體，忽略了應(yīng)力波在傳播過(guò)程中的能量損耗，包括樁身中內(nèi)阻尼損耗和向樁周土的逸散。波形擬合法H甜被認(rèn)為是確定卑樁承載力最準(zhǔn)確的方法。它是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)把實(shí)測(cè)力波和速度波輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行迭代計(jì)算，把柱一土系統(tǒng)變?yōu)殡x散的質(zhì)彈模型，假定各單元樁和土參數(shù)，以實(shí)測(cè)的柱頂速度波(或力波)作為邊界條件，用特征線法求解波動(dòng)方程，反算樁頂力波(或速度波），使計(jì)算的波形和實(shí)測(cè)波形擬合。若兩者不吻合，調(diào)整樁土參數(shù)，再次計(jì)算，直至吻合。此時(shí)各參數(shù)是最佳估算值。最終求得承載力、側(cè)阻分布和計(jì)算的Q-S曲線。
高應(yīng)變法也有自身的局限性，CASE法適用于打入樁的施工過(guò)程檢測(cè)和監(jiān)控，或者在具有一定的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，用于評(píng)定工程樁的驗(yàn)收合格性。但由于該法的假定條件與搖樁施工的實(shí)際條件差別較大，首先，假設(shè)樁身等阻抗，這對(duì)鋼樁、預(yù)制柱和預(yù)應(yīng)力管樁在披身無(wú)缺陷的情況下基本適用，而對(duì)灌注樁是難以達(dá)到；其次，假設(shè)動(dòng)阻力完全染中于樁尖，而實(shí)際情況是隨著樁的相對(duì)位移，披側(cè)必然產(chǎn)生動(dòng)阻力，只是相對(duì)較小而已；再次，假設(shè)靜阻力模型為剛塑性體，即樁一旦被打動(dòng)，則靜阻力馬上達(dá)到極限值，這也與實(shí)際不符。所以，CASE法必須在柱被打動(dòng)的前提，充分發(fā)揮土的全部靜阻力，并從波形上正確判斷樁尖的反射位置，選用恰當(dāng)?shù)淖枘嵯禂?shù)斤可比較準(zhǔn)確地確定単樁載力。波形擬合法雖然和CASE法一樣，也是在柴油銀沖擊材質(zhì)均勻、強(qiáng)度較高、側(cè)面光滑的鋼管樁、預(yù)制樁等基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，它不像CASE法那樣嚴(yán)格要求貫入度和側(cè)面光滑與截面的一致性，當(dāng)樁問(wèn)土變形不夠充分時(shí)，承載力同樣偏于保守。而且它假定樁周土體內(nèi)無(wú)變形存在，也極不合理。
......
第2章理論基礎(chǔ)
(1)材料均勾或分段均勾并且是各向同性�；炷敛牧系臉�，在壓縮與拉伸的性質(zhì)方面存在差異，而且不均勾，但是在彈性振動(dòng)范圍內(nèi)，可以近似滿足這一假定[66];
(2)忽略直桿的橫向位移。由于樁體的截面尺寸比縱波的長(zhǎng)度小得多，所以不考慮直桿的橫向位移對(duì)縱波的影響[67];
(3)直桿截面上應(yīng)力分布均勾�？v向振動(dòng)時(shí)直桿截面保持為平面，并且截面上的應(yīng)力為軸向應(yīng)力且分布均勻，應(yīng)力分量均為零
(4)直桿變形中橫截面仍保持為平面，且相互平行；
(5)樁受擊振動(dòng)是在彈性限度內(nèi)并且各質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移關(guān)系都應(yīng)服從虎可定律。
......
2.2.1常見質(zhì)量問(wèn)題
(1)混凝土預(yù)制。樁混凝土預(yù)制樁大多釆用自由落錘將抽打入土中。一般采用柴油錘或者蒸汽錘，在打樁時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題在打樁的過(guò)程中，樁錘和錘墊要合理的選擇，墊層如果較軟，則會(huì)降低錘擊傳遞的能量，那么就難以打入。墊層如果過(guò)硬，增大錘擊力時(shí)，容易把樁頭擊碎，一般規(guī)定最大錘擊應(yīng)力不超過(guò)混凝土抗壓強(qiáng)度的65%;燥接后冷卻時(shí)間不充分或者傳接質(zhì)量比較差，則接口處容易開裂；如果樁錘選擇不合適，那么很難把基樁打入到設(shè)計(jì)標(biāo)高；打樁的時(shí)候，其拉應(yīng)力容易引起樁體開裂。其拉應(yīng)力與樁側(cè)土阻力情況、樁底土特性、樁錘的偏心位置和墊層性質(zhì)有關(guān)打樁順序設(shè)計(jì)不合理或基樁的間距安排不合理，會(huì)導(dǎo)致相鄰的樁擠壓折斷；基柱碰到頑石、障礙物或者硬土的時(shí)候，過(guò)多的錘擊，會(huì)引起樁身折斷或者破壞。
(2)鉆孔灌注樁。鉆孔灌注樁屬于排土樁，在施工時(shí)，都要把鉆孔處的泥土排出，然后清除孔底的游泥和沉渣，接著把鋼筋籠安放好，最后繞筑混凝土。其常見質(zhì)量問(wèn)題有：由于停電原因，灌注混凝土無(wú)法繼續(xù)，如果停滯一段時(shí)間，那么隔水層就會(huì)凝固，形成硬殼，后續(xù)的混凝土就無(wú)法灌注，必須要拔出導(dǎo)管。
低應(yīng)變反射波法是以一維波動(dòng)方程為理論基礎(chǔ)，其基本原理如圖2-3所示，包括力錘（激振設(shè)備)、傳感器、放大器、信號(hào)分析系統(tǒng)�；鶚妒窃阱N頭受到瞬態(tài)激振的時(shí)候，通過(guò)樁頂?shù)乃俣软憫?yīng)，分析傳播的波形特征評(píng)判樁身的質(zhì)量和是否存在缺陷，缺陷部位會(huì)導(dǎo)致樁體出現(xiàn)波阻抗的變化，影響波的傳播，彈性波在樁基體內(nèi)傳播過(guò)程中，將在柱端和波阻抗變化界面處產(chǎn)生彈性反射波，通過(guò)在樁頂收集到的彈性反射波的幅度大小和正負(fù)極，及其變化特征，就可以分析和確定樁體的完整性和缺陷的位置、范圍、嚴(yán)重程度，進(jìn)而達(dá)到評(píng)定樁身質(zhì)量的目的。
檢波器安裝工藝的影響�；鶚稒z測(cè)時(shí)，為了保證檢測(cè)結(jié)果的正確性和可靠性，必須對(duì)樁頭作處理，使待測(cè)表面大體平整，傳感器用粘合劑粘結(jié)時(shí)，粘結(jié)層要盡量薄，保證傳感器底面和樁頂平面要緊密接觸。實(shí)驗(yàn)員通過(guò)在振動(dòng)臺(tái)上檢測(cè)不同條件下動(dòng)圈式速度計(jì)的安裝諧振頻率，通過(guò)改變橡皮泥厚度，發(fā)現(xiàn)過(guò)厚的粘合劑會(huì)降低傳感器的安裝諧振頻率，而且即使是最好的粘合連接方法，速度計(jì)的安裝諧振頻率也難以達(dá)到3kHz以上。一般認(rèn)為傳感器越輕、越貼近被測(cè)物、與被測(cè)物之間的接觸剛度越大，傳遞特性就越好，測(cè)試信號(hào)也越接近被測(cè)物表面的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)。其次，檢波器應(yīng)緊密固定在樁頭上，使信號(hào)能不失真地傳給檢波器，以保證在同一根樁上多次重復(fù)錘擊得到的波形基本一致，否則將使測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重失真，無(wú)法分析判斷。
......
3.1數(shù)值模型的建立析............析............22
3.1.1 Abaqus/ExpI icit 求解步驟析............22
3.1.2樁土接觸面設(shè)置析............22
3.1.3模型參數(shù)及有限元模型析............22
第4章小波分析在基樁完整性檢測(cè)中的應(yīng)用析............47
4.1小波去噪在基樁信號(hào)處理分析中的應(yīng)用析............47
第5章結(jié)論與展望析........................55
5.1結(jié)論析....................................55
5.2展望析....................................55
第4章小波分析在基枯完整性檢測(cè)中的應(yīng)用
為了體現(xiàn)出小波消噪的優(yōu)勢(shì)，對(duì)某工程的基樁進(jìn)行檢測(cè)，把檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行小波去噪處理。圖4-1為不同閥值降噪后的信號(hào)，從圖中可以看出，penalty閥值降噪和缺省閥值降噪后的信號(hào)過(guò)于光滑，丟失了原始信號(hào)本身的很多信息，和本文4.1.1節(jié)所述相似性原則不相符，只有Birge-Massart降噪得到的降噪信號(hào)與原始信號(hào)相似，所以我們一般使用Birge-Massart閥值降噪。圖4-2為小波分解的結(jié)果。
基樁缺陷的種類有幾種情況：（1)樁頂表面有浮架；（2)淺部的裂縫和樁身混凝上離析；（3)淺部夾泥和縮頸等。淺部缺陷一般是指距離樁頂2米的范圍內(nèi)，檢測(cè)到的波形信號(hào)畸變，并呈強(qiáng)振幅、低頻率的特征。如何對(duì)基柱的淺部缺陷進(jìn)行有效正確的判讀一直是測(cè)枯技術(shù)人員面臨的一個(gè)難題�；鶚稖\部存在嚴(yán)重缺陷時(shí)，因?yàn)槿毕莸牟课痪鄻俄數(shù)木嚯x比測(cè)試的波長(zhǎng)小，這樣就使得缺陷處以上的樁體變?yōu)閯傂哉駝?dòng)，與反射波法發(fā)射波在樁身的傳播假定有差別；另外因?yàn)榉瓷洳ㄔ谥斉c缺陷位置反復(fù)的傳播，在上述剛體振動(dòng)信號(hào)的基礎(chǔ)上常常疊加一高頻信號(hào)，對(duì)于這種時(shí)域曲線，由于激振信號(hào)、剛體振動(dòng)及反射波多種運(yùn)動(dòng)形式的疊加，曲線變化復(fù)雜，因此時(shí)域準(zhǔn)確地判斷缺陷位置往往比較閑難。
在介紹理論的基礎(chǔ)上，將小波分析應(yīng)用于基樁信號(hào)消噪，利用小波分析將模擬曲線進(jìn)行分解，得到基樁淺部缺陷位置，與模擬對(duì)比，結(jié)果與數(shù)值模擬的樁身缺陷距樁頂距離基本一致，驗(yàn)證了小波分析用于基樁完整性檢測(cè)的可能性，結(jié)果表明這些分析將有助于基樁完整性的正確判讀。
......
第5章結(jié)論與展望
(1)以一維應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)，利用樁身完整性檢測(cè)儀PIT-VV對(duì)實(shí)際工程樁檢測(cè)，實(shí)測(cè)曲線和數(shù)值模擬進(jìn)行了對(duì)比，并且根據(jù)所測(cè)樁基的曲線得出了缺陷反射波峰值和入射波峰值時(shí)差△t的理論值和工程實(shí)測(cè)值一致，表明本文所采用的數(shù)值模擬、所用參數(shù)和數(shù)值分析結(jié)論是可靠地，對(duì)提高動(dòng)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了基礎(chǔ)，為實(shí)際工程檢測(cè)樁基完整性提供了依據(jù)；
(2)擴(kuò)頸處特征反射波與入射波波形反相位，波形比較規(guī)則。擴(kuò)徑長(zhǎng)度增大，入射波波峰與柱底反射波波峰時(shí)差增大，入射波波峰與缺陷波峰時(shí)差保持不變。樁底反射信號(hào)會(huì)出現(xiàn)延遲，使波速降低；擴(kuò)頸位置增大，入射波波峰與缺陷波峰時(shí)差增加，通過(guò)計(jì)算理論擴(kuò)頸位置，與實(shí)際位置一致，證實(shí)了數(shù)值模擬的可靠性；
(3)縮頸處特征反射波與入射波波形同相位，縮徑樁的曲線比較平滑�？s徑位置的改變對(duì)柱底反射波波形基本無(wú)影響，柱底的反射也比較微弱，基本上觀察不到�？s徑長(zhǎng)度的增大，入射波波峰與缺陷波峰時(shí)差增大，入射波峰與柱底反射波波峰時(shí)差增大；縮頸位置增加，入射波波峰與柱底反射波波峰時(shí)差增大，入射波波峰與缺陷反射波波峰時(shí)差增大。通過(guò)計(jì)算理論縮徑位置，與實(shí)際位置一致，證實(shí)了數(shù)值模擬的可靠性；
(4)離析處特征反射波與入射波波形同相位，離析樁曲線“拐點(diǎn)”比較多。離析長(zhǎng)度的增加，入射波波峰與柱底反射波波峰時(shí)差增大，入射波波峰與缺陷波峰時(shí)差不變。圖中的波形中出現(xiàn)多次震蕩，比較容易誤判為此基樁樁身存在多個(gè)缺陷。位置不同時(shí)，通過(guò)計(jì)算理論離析位置與實(shí)際位置一致，證實(shí)了數(shù)值模擬的可靠性，離析位置增加，入射波波峰與柱底反射波波峰時(shí)差、入射波波峰與缺陷波峰時(shí)差增大；
(5)把小波分析加入到了基樁檢測(cè)中，利用數(shù)值模擬得到的速度時(shí)程曲線進(jìn)行小波分解，得到缺陷位置不同時(shí)的小波分析結(jié)果，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性，更便于用戶判斷缺陷位置。
5.2展望
(1)本文闡述了對(duì)樁基動(dòng)測(cè)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，利用有限元軟件Abaqus對(duì)基樁進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)建立不同模型進(jìn)行分析，總結(jié)不同缺陷的影響規(guī)律，總結(jié)入射波和缺陷特征反射波的變化規(guī)律，得到了一些對(duì)工程實(shí)踐有指導(dǎo)性的理論。但是低應(yīng)變反射波法基樁測(cè)試中不確定的影響因素太多，無(wú)論是從理論上還是從儀器改進(jìn)上，都需要一直不斷深入地研究；(2)工程中常見的是單個(gè)缺陷，而且缺陷是均勻分布的，也有可能會(huì)出現(xiàn)漸變的缺陷，，也有可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的缺陷，可以考慮漸變的缺陷或者兩個(gè)或兩個(gè)以上缺陷時(shí)的應(yīng)力波反射規(guī)律對(duì)工程實(shí)際有更多的幫助；
(3)隨著小波理論的迅速發(fā)展，從時(shí)域和頻域著手基樁動(dòng)測(cè)信號(hào)提供了良好的局部化分析手段，取得了良好的效果。但是在小波信號(hào)分析中要選擇合適的小波基，小波基不同的話，時(shí)頻特征也就不相同。因此，同一個(gè)信號(hào)用不同的小波基進(jìn)行分析出現(xiàn)不同的結(jié)果。應(yīng)該以應(yīng)力波在基樁中的傳播特性為出發(fā)點(diǎn)，探討出適合于基樁動(dòng)測(cè)信號(hào)分析的小波函數(shù)為今后研究的方向；
(4)不僅僅基樁完整性的測(cè)試系統(tǒng)可以用小波分析，其它無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也可以用小波分析。小波分析將會(huì)成為基樁、橋梁與險(xiǎn)道和其它建筑工程技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)新的且十分有效的數(shù)據(jù)處理手段，為解決目前我國(guó)建筑業(yè)存在的一些偷工減料和工程質(zhì)量問(wèn)題提供有效的技術(shù)保障；
......
參考文獻(xiàn)（略）
本文編號(hào)：35122
本文鏈接：http://sikaile.net/wenshubaike/lwfw/35122.html
