高應變測試及分析中有關問題探討

高應變測試及分析中有關問題探討
摘要本文對高應變測試及分析過程中遇到的一些問題進行分析，討論了影響分析結果的一些因素，指出提高落錘重量，降低落錘高度，增加擬合過程中的約束條件，可以降低動參數因素影響，減少分析的不確定性。

關鍵詞高應變測試及分析中有關問題探討，高應變測試，樁體，波形擬合分析，承載力

前言：利用錨樁或堆載等靜荷載試驗確定樁的承載力不僅成本高，而且耗時，高應變測試可以方便快速的提供樁的承載力[1，2]。然而，隨著該方法在工程中的應用，高應變動測及分析中遇到的問題越來越多，比如，解的**性問題[3]，對該方法也由盲目迷信到懷疑、否定。本文對該方法測試及分析中面臨的問題進行客觀分析，指出該方法應用的局限性，為了科學了解該方法、提高分析精度提供幫助。

1 高應變測試及分析中有關問題探討---測試有關問題
1.1試樁的要求
高應變測試及分析是基于一維彈性波理論，要求受測樁有一定的長徑比，同時要求樁身混凝土材料有一定的抗壓強度。對于廣泛使用的挖孔灌注樁，樁一般較短，樁徑變化較大，特別是對大直徑、大擴大頭的挖孔樁，用一維近似分析測試信號會有較大的誤差。

1.2“重錘低擊”試驗方法
重錘低擊有以下幾點好處：
（1）重錘低擊可避免“輕錘高擊”產生的應力集中，而應力集中容易使樁身材料產生塑性甚至破壞；
（2）重錘低擊荷載脈沖作用時間長，且荷載變化緩慢，可以使樁產生較大的沉降位移；
（3）重錘低擊，樁體產生的速度較小，速度變化率也較小，因此動阻力的影響較小，可減少動阻尼參數誤差對擬合分析影響，提高擬合分析精度；
（4）重錘低擊作用可類似靜荷載中快速加載及靜動法試驗。
錘重一般不小于預期靜承載力的1.5%。

1.3落錘高度
控制落錘高度一般基于以下條件：
（1）沖擊力不宜過高，否則樁體材料會塑性變形甚至破壞；
（2）樁體有一定的沉降位移，確保樁被打動；
（3）要求落錘穩定。
以上條件對重錘(>1.5%極限承載力)很容易滿足，但對輕錘則往往是矛盾的，因為降低落高控制沖擊力，無法使樁體有沉降，要使樁體產生沉降，非增加落高，提高沖擊力不可。

2 信號處理有關問題
2.1信號組合
為了消除偏心錘擊造成的一邊受拉、一邊受壓的情況，一般將兩側的信號進行平均后作為分析信號。這種平均僅在一邊受拉、一邊受壓情況下有效，理論上要求錘擊點與兩側傳感器在一條連線上。現場實驗，落錘方向有時難以控制，偏心落錘可能導致兩邊側點信號同時受拉、受壓，采用平均迭加是無法消除這種影響。此外，由于兩側的樁況、安裝環境不同，有時可能導致某側傳感器安裝較差，有時可能兩側的F、ZV 曲線只有一個較好，用平均只能起到更壞的效果，因此，對信號進行優化組合在實際檢測是很必要。特別是在對心錘擊情況，偏心影響可以不考慮，軸對稱兩側測點信號應該是比較接近的，若僅因安裝、連線等原因導致部分通道記錄信號不理想，可選擇某種組合的信號進行分析。當某通道沒有記錄到信號，作信號平均已不具有修正偏心作用，實際上是將該參數幅值減半，是不恰當的。

2.2測試信號校正
F(t)曲線是通過F(t) = E × e (t)× A = rAC2安e (t裝) 在樁側的應變計（應變環）測量的應變計算出來的，，Z•V(t)曲線是由安裝在樁側的加速度計測量的加速度積分計算出來的，即Z V(t) A c a(t)dt t × = × × ò0r。測量處波速值與平均波速是不同的，用平均波速代替測點波速引起的誤差。因此，ρ、A、C 三參數會影響F(t)、ZV(t)曲線幅值，且對兩者影響程度不一樣，這些參數設置不當，會影響F(t)、ZV(t)幅值。此外，應變計是兩點安裝，兩點之間混凝土與其它處混凝土差異程度及安裝匹配耦合程度也會影響應變的測量。在作擬合分析之前，對F(t)、ZV(t)幅值差別作校正是必要的。當沖擊脈沖起躍較陡的情況下，F(t)、ZV(t)曲線由零點到達峰值點走時很短，在這段時間內，應力波傳播距離很小，由此激發的土阻力也不大，F(t)、ZV(t)上升段基本吻合，峰值相差也不大。根據這一原則，可對F(t)、ZV(t)曲線進行校正。校正的參考曲線一般以ZV(t)為主，因為加速度計是單點安裝，測量精度相對較高。將待校的曲線上升段及峰值調整與參考曲線比較接近。

2.3沖擊力與極限承載力關系
在動荷載作用下，樁體要運動必須克服靜阻力、動阻力、慣性力，因此，要使樁體有一定動位移，沖擊力必須大于極限承載力。靜阻力與樁周土層、樁底土層有關，與外部荷載變化形式無關，動阻力、慣性力大小與質點速度、速度變化率、土層性質等有關。一般來說，質點速度越小，速度變化率越小，動阻力、慣性力就越小，沖擊力與極限承載力差距就越小。對“重錘低擊”實驗方式，由于脈沖持續時間長，荷載大小變化緩慢，在樁體產生一定沉降后，激發的承載力與沖擊力差別可以在較小范圍內。“輕錘高擊”方式，脈沖持續時間短，荷載變化幅度大，動阻力、慣性力也較大，要使樁體打動，沖擊力要遠遠大于樁的極限承載力。對于顆粒比較密實的土層，由于阻尼系數較大，動阻力也較大，沖擊力與極限承載力差距也相應較大。在沖擊力脈沖一定的情況下，樁截面越大，質點速度越小，動阻力在總阻力比例也越小，對大直徑樁極限承載力與沖擊力差距可能較小。

3 擬合分析有關問題
3.1樁土模型參數
*初采用Smith 模型描述樁土相互作用模型，但這種模型過于簡單，特別是對樁底，它不能很好地描述能量向土層輻射情況。在大量的有限元模擬計算及實驗基礎上，目前使用的樁土作用模型已作了改進，模型還增加了輻射阻尼、附加質量。近年來，為了追求模型能與土力學研究成果相一致，增加了硬化、軟化角等參數，從土力學角度上講是無可厚非的，但在計算上存在諸多問題：
（1）有些模型參數難以通過現勘或室內實驗確定，即使可通過室內實驗確定，現場情況可能與之有較大的差別。這些參數大致范圍不清楚，在何種條件下，哪些土層發生硬化、軟化不清楚；
（2）模型參數過多導致求解欠定。假設模型有10~20 參數，50 單元就有500~1000 個，而采樣點一般只有1024 個，若只分析6L/C 長度，往往只要幾百個已知點，導致求解方程數小于未知參數數目；
（3）從土力學角度上講，不同參數代表不同的物理定義，但在計算中，某些參數可能是相關的，即參數調整對計算曲線的影響是相似的，調參數A 可達到的匹配程度，調參數B 也能達到同樣的效果。那么是調整A 還是調整B？
（4）參數過多情況下，僅有F、ZV 波形作為約束條件是不夠的，必然會導致部分參數人為設定。而人為設定又缺乏室內、現場實驗數據支持，設置的參數具有人為隨意性，產生適得其反的效果。因此，樁土相互作用模型要基本反映樁土作用過程。

3.2擬合質量數
擬合質量數是衡量擬合效果好壞的一個參數，主要是指計算波形與實測波形匹配程度，它并不能作為衡量擬合結果合理程度參數。
擬合質量數小不等于結果好，之所以這么講，是基于以下幾條理由：
（1）實測波形受傳感器安裝、傳感器性能影響或多或少有些失真；
（2）分析是基于一維波動理論，而對一些較特殊的樁，如挖孔樁，其反射的波形用一維近似有很大誤差；
（3）樁土相互作用模型雖然在作不斷改進，但仍難以模擬實際情況。實際樁基中，樁土相互作用不僅與土層特性有關而且還與樁型、施工工藝等有關；
（4）計算采用離散化方法，即將樁體分成很多單元，每個單元上樁側作用力認為集中于單元底部，這與實際連續體是有差別的；
（5）樁材料是非線性粘彈性介質，不同頻率成份波傳播速度不同，導致波在傳播過程發生彌散，即波形狀發生畸變。基于以上理由，擬合質量系數小，并不能代表擬合結果是合理。當然，也并不是說擬合質量系數可以很大，波形匹配程度可以很差。根據測試精度、樁長、樁型、施工工藝、樁周土層情況，*佳擬合質量系數是不同的，它有一個合理范圍。高應變測試及分析中有關問題探討這個范圍與實際具體情況有關，我們是無法定量來描述它。擬合結果好壞應以擬合趨勢而定，即要求計算值與實測值在樁底反射波之后相當一段長時間內變化趨勢要一致。

3.3反分析多解性
用靜載荷實驗確定樁基承載力是*直接的方法。高應變試驗方法是用重錘錘擊樁體，通過對樁側F、V 測量來推算承載力。這種通過一定實驗方法，由物體的某些表面現象或響應反推物體內在本質規律就屬于反分析。在巖土工程中，反分析存在多解性、不確定性問題。有以下幾方面因素可能會影響多解性：
（1）已知的力學參數只有F（t）、ZV（t）曲線，已知條件太少，而模型參數又太多。這種情況與表達式a+b=10 無法**確定a、b，a、b 有多種組合是一個道理；
（2）模型參數相關性。調參數A 和調參數B 都有類似的計算曲線，從而導致解的不確定；
（3）計算曲線對某些參數的不敏感性，即參數有較大的變化，曲線僅有微小變化。自動擬合是通過目標函數后一步和前一步差值來判斷是否終止計算的，終止計算前優化循環步數的微小變化，結果會有較大差異。當人工干預時，更難以通過曲線的變化來把握、控制。減少反分析不確定性常有以下方法：
（a）分段擬合（見《樁的動測新技術》）；
（b）軟件建立數據庫，設立專家系統來排除不合理結果；
（c）增加測試參數量，即除了F、V 測試之外，還增加其它參數測試；
（d）重錘低擊，使樁有較長受載時間、較低的加載速率，減少與動阻力有關參數的影響。

3.4高應變測試及分析中有關問題探討波形擬合長度
擬合長度增加，相當于增加求解方程組數，它對減少解的不確定性是有幫助的。一般來說，擬合長度不少于6L/C，或2L/C+20ms。在后期的信噪比較高的情況下，擬合長度還可適當增加。通過對較長時間波形變化趨勢擬合可克服擬合長度較短時導致擬合匹配程度高，結果不合理現象，同時，也可消除波形局部失真、模型及離散化等帶來的誤差。

4 影響分析結果其它因素
4.1嵌巖樁、挖孔樁等特殊樁分析
在擬合分析時，模型參數計算要求樁有一定的沉降位移，要使嵌巖樁有一定的位移，除非樁底基巖發生破壞。因此，是基巖的抗壓強度及樁底部面積決定樁的承載力，嵌巖樁實際承載力一般會遠大于設計承載力。嵌巖樁的檢測應以低應變完整性檢測為主，只要樁體材料抗壓強度較高，樁身結構較完整，樁底沉渣較干凈，承載力一般會達到設計要求。若要進行高應變實驗，根據設計要求的承載力來選擇錘重（>1.5%極限承載力（設計））。當沖擊力很大且沉降位移很小，可以認為達到設計要求。當沉降位移很大，說明基巖塑性位移較大，此時可采用擬合分析。
對于大口徑的挖孔樁，基本上屬于端承樁，同時樁長度也較小，這些與一維近似要求相差較遠，樁底擴大徑反射波幅值要比一維理論值小。而在高應變擬合過程采用是一維波動理論，受實測波形（特別是擴大頭反射波）失真影響，在擬合擴大頭截面積就會出現誤差，進而影響單位面積端承力及單樁極限承載力計算。

4.2缺損樁承載力分析
擬合分析是基于一維彈性波動理論，即將樁作為一個彈性體考慮，不考慮樁材料塑性變形及破壞強度。因此，在對波形進行擬合分析之前，除了要評估樁能否用一維近似外，還要考慮樁材變形及強度問題，特殊是對有缺損的樁。
換句話講，樁的破壞有兩種形式，一種是樁土間發生較大塑性位移，土發生破壞，它對應的是通常所指的極限承載力；另一種形式是樁體發生破壞，屬于樁材料破壞強度問題。
對缺損樁分析，要將這兩種破壞形式區別開來。當低應變檢測樁有較嚴重的缺損，再用高應變擬合判斷承載力評估樁身可用性，這一做法是不妥的。

4.3波速誤差對分析影響
按規范要求，從傳感器安裝部位至樁底之間樁體的平均縱波速根據下行波上升沿及上行波的下降沿時差及傳感器安裝部位至樁底的長度計算。通俗地講，就是由入射波的起點和樁底反射波起點來確定反射波的走時。有低應變檢測經驗的人都會體驗到受樁側反射波的影響，樁底反射波的起點識別是困難的。
為了能有效地識別上升沿及下降沿，沖擊脈沖起跳要陡，樁底反射波要比較清晰。在上升沿及下降沿無法識別的情況下，可利用峰峰值來分析。
由于樁材為非線性粘彈體，高頻波速會大于低頻波速，低應變激振頻率高，而高應變激振頻率低，因而低應變測試得到的波速高于高應變測試得到的波速。高應變擬合對波速要求較高，高應變擬合一般不宜用低應變得到的縱波速，而應根據高應變的上、下行波法來分析波速。當無法從高應變測試曲線得到波速時，在用低應變測試波速替代時應將波速適當減小。
對波形的擬合是從波形起躍點開始的，正因如此，要求利用下行波上升沿及上行波下降來確定波速。但在實際檢測中，往往沖擊脈沖起跳較緩，導致上升沿特別是下降沿無法識別。采用ZV 曲線入射波峰和反射波峰確定的速度，與上、下行波法確定速度會有差別，也就是按照峰峰計算的波速與沖擊起躍點對應的反射波并不是樁底反射波的起始點。它不僅會影響樁底有關參數計算，還會影響波形的匹配程度。

4.4“輕錘高擊”（窄脈沖）對分析影響
（1）輕錘高擊產生的應力集中容易使樁身材料塑性變形甚至破壞；
（2）由于沖擊脈沖窄小，應力波在向下傳播時，樁部分處于加載狀態，另一部分處于卸載狀態，樁的沉降位移一般是很小的，樁甚至沒有打動；
（3）由于加載速率較高，動阻力及慣性力較大，使用阻尼系數誤差對結果影響很大。同時應力波衰減也較快，到達樁深部甚至變得比較微弱，質點的位移（動位移）很小，而確定模型極限阻力，要求動位移在2.5mm 以上。
總之，窄小脈沖是不利于擬合分析的。

5 結束語
對以上高應變測試及分析影響因素分析，有助于提高高應變的測試及分析精度。
河北恒泰鴻基試驗儀器廠主要供應樓板測厚儀，鋼筋掃描儀，樁基動測儀，氯離子含量測試儀，旁壓儀，混凝土測厚儀，瀝青燃燒爐，核子密度水份儀，裂縫測寬儀，裂縫測深儀，鋼筋銹蝕儀，非金屬超聲波檢測儀，無核密度濕度儀，核子密度儀，反光標志逆反射系數測定儀，反光標線逆反射系數測定儀，突起路標發光強度測定，混凝土氯離子含量測定儀，混凝土堿含量測定儀，混凝土凍融試驗機，高應變測試及分析中有關問題探討，混凝土碳化試驗箱，混凝土動彈儀，混凝土磁力振動臺，混凝土及水泥含氣量測定儀，水泥試驗小磨，混凝土攪拌機，水泥氯離子含量測定儀，電動液壓脫模器，電動擊實儀，混凝土標準養護箱，水泥凈漿攪拌機，水泥膠砂攪拌機，水泥膠砂振實臺，水泥膠砂流動度測定儀，水泥壓力試驗機，混凝土壓力試驗機，萬能材料試驗機，水泥恒應力試驗機及各種瀝青實驗儀器等。歡迎新老客戶來電咨詢15175717500，18618345148，0317-4408128公司網址www.jiaochao.cn，www.hthjyq.com，www.hthjyq.net

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