7.低应变检测预应力管桩完整性关键技术的研究与应用.ppt

郭杨AHJKDJ126.COM安徽省建筑科学研究设计院2013年10月16日18日,第十一届全国桩基工程学术会议低应变检测预应力管桩完整性关键技术的研究与应用,汇报内容,1、研究目标2、低应变法检测管桩裂缝研究3、低应变法判别管桩接头焊接质量研究4、低应变动测三维波场与缺陷位置反演研究5、结论及其应用与展望,1、研究目标,1.1问题的提出近年来，预应力管桩虽然得到广泛的应用，但其质量检测仍存在以下问题（1）当桩身有多个缺陷时，低应变法通常只能检测到第一个较严重的缺陷，其以下的缺陷容易被忽略；（2）当对管桩进行检测时，其实际截面很小，长径比超过一定的数值反射波能量就损失严重，难以对较深的缺陷进行检测；（3）低应变法识别管桩桩身竖向细小裂缝存在局限；（4）在焊接位置附近的缺陷，低应变法往往无法分辨，误以为是焊接引起的反射信号；（5）低应变法不能定量判别管桩焊接接头的焊接质量；（6）三维效应的存在，利用现行规范反演缺陷位置时，反演计算的结果比实际值小。,1.2研究目的针对上述问题，开展“低应变检测预应力管桩完整性关键技术的研究与应用”项目的研究，项目来源“低应变应用于预应力管桩完整性检测的研究与实践”获住房和城乡建设部的支持并予以立项（批准号2010-K3-23）。确定了主要的研究目的，具体如下（1）研究低应变法应用于预应力管桩裂缝的可行性；（2）研究低应变法定量判别PHC管桩接头焊接质量的可行性；（3）研究低应变法检测管桩的三维问题及其应用；,1.3研究技术路线,技术路线流程图如图所示,现场对比实验,,2、低应变法检测管桩裂缝研究,由于利用常规时频分析法判断管桩桩身细小裂缝效果并不明显，故本课题引入小波分析法对其进行研究。小波分析由于具有时频局部化能力，可以在时域和频域范围内表征信号的局部特征，非常适合处理基桩检测时采集的这类非平稳信号。利用小波滤波可以从信号中提取有用信号，去除无用的信号从而实现信噪分离。一般来说，一维信号的消噪过程可分为三个步骤进行（1）一维信号的小波分解。选择一个小波并确定一个小波分解的层次N，进行N层小波分解。（2）小波分解高频系数的阀值量化。对从第一层到第N层的每一层高频系数，选择一个阀值进行软阀值量化处理。（3）一维小波的重构。根据小波分解的第N层的低频系数和经过量化处理后的第一层到第N层的高频系数，进行一维信号的小波重构。图2-1完整桩理论曲线小波分解d5分量图图2-2缺陷桩理论曲线小波分解d4分量图,以下用一维理论对完整桩和缺陷桩的时频曲线和小波曲线进行分析如下，所选桩的参数为桩长L8.0m，桩身密度ρ2500kg/m3，杆波波速Vp4300m/s，激振力冲量I1N.s，激振力作用时间t00.78ms。缺陷桩缺陷位置在1.5m。,图2-1完整桩和缺陷桩理论时域曲线对比图,由图2-1知，完整桩和缺陷桩的桩底反射很明显，缺陷桩的桩底反射幅值略小于完整桩的桩底反射幅值，缺陷桩的2L/Vp时刻前缺陷反射很明显。,2.1小波分析法的可靠性验证,研究过程中，利用小波分析法分别对完整桩和缺陷桩的理论时域曲线进行小波分解，通过对比分析来验证小波分析法在本课题的应用中是正确可靠的。,现对完整桩理论曲线进行小波分解，如图2-2和图2-3所示。可以看出，完整桩理论曲线小波分解分量图上只有入射波和桩底反射波的信号，这与时域分析的结果一致。,图2-2完整桩理论曲线小波分解图,图2-3完整桩理论曲线小波分解d5分量图,现对缺陷桩理论曲线进行小波分解，如图2-4和图2-5所示。缺陷桩理论曲线小波分解分量图上除了入射波和桩底反射波的信号，在它们之间能够很明显的看到缺陷反射。以上对比分析验证了小波分析法科学可靠性。,图2-4缺陷桩理论曲线小波分解图,图2-5缺陷桩理论曲线小波分解d4分量图,本次模型桩试验是在管桩抗弯试验的基础上进行的，分别在管桩中心分级施加7级荷载，当荷载增大到一定值时，管桩受弯矩最大区间（图2-6中AB段）会产生受力裂缝，荷载大小和裂缝宽度分别采用荷载传感器和裂缝测宽仪量测。桩身缺陷设置及对应施加的荷载级别见表2-1所示。管桩抗弯试验原理见图2-6所示。,2.2不同裂缝宽度管桩动测信号的分析,图2-6管桩抗弯试验原理示意图,表2-1管桩小裂缝低应变测试记录表,通过试验得到的不同裂缝宽度时模型桩的桩顶实测速度响应典型曲线，如右图2-7所示。由于细小裂缝的存在，实测曲线S3上有不规则的反射峰。但裂缝宽度只有0.1mm，因此对应的反射峰幅度较小，桩底反射减弱的幅度也不大，桩底反射时间基本一致。当裂缝宽度增大到1.2mm时，在其对应的曲线S6上缺陷反射清晰可见。由于多条裂缝的存在，只能对第一条裂缝对应的位置做大体判断。低通滤波的截止频率1000Hz时对应的桩顶速度曲线，如图2-8所示，相比图2-7，各种干扰显著减少，缺陷反射明显。,图2-7不同裂缝大小模型桩桩顶实测速度响应典型曲线,图2-8低通滤波的截止频率1000Hz时对应的桩顶速度曲线,对其中的S3，S6曲线选用Db8小波，进行多尺度小波5级分解，得到滤波信号分解图如下所示,图2-9S3曲线小波分解,图2-10S3曲线小波分解d4分量曲线,图2-11S6曲线小波分解,图2-12S6曲线小波分解d3分量曲线,由S3的d4分量曲线和S6的d3分量曲线可以看出，小波分解图能够很明显的看到模型桩中的裂缝存在，得出了小波分析能够查明桩身存在的宽度仅为0.1mm的细小裂缝。,1管桩径500（100）mm，桩长10m，裂缝缺陷信号很微弱,基本上看不到缺陷信号反射,对于常规低应变法判桩很可能判为完整桩。但管桩实际是从桩长1/3到大概1/2出现了一条平行于桩身的直线裂缝。,2.3模型桩裂缝动测信号的试验分析,图2-131桩身竖向裂缝图,图2-141桩B端面实测低应变信号曲线图,采用小波分析后，取出其中的d2和d3分量放大，如图2-15和图2-16所示，缺陷反射很明显，且出现的位置与实际较为吻合。,图2-151桩B端面实测信号小波分解d2分量曲线,图2-161桩B端面实测信号小波分解d3分量曲线,3、低应变法判别管桩接头焊接质量研究,管桩受单节长度的限制，设计桩长较长时，需要接桩，目前主要的接桩方式是焊接。接头焊接质量的好坏会直接影响桩基的承载力、稳定性。为了研究低应变反射波法对管桩接头质量的检测效果，正确判断接头处是否存在质量问题，根据接桩特点，提出五段等效接头模型和接头耦合系数的概念。由于端板和混凝土之间不可能是完全耦合，故我们将端板和混凝土接触的部分等效为一个过渡区，因此我们可以将两个焊接在一块的管桩分成5部分，如图3-2所示，即桩身①、过渡区②、接头③、过渡区④、桩身⑤。,图3-1非完整桩纵向振动模型,3.1五段等效模型及耦合系数的提出,图3-2管桩接头等效模型图,低应变反射波法基本原理是基于应力波理论，当桩身存在明显的波阻抗界面时，便会产生反射波，因此，波阻抗是十分重要的参数。波阻抗表达式式（3-1）式3-1中，Z波阻抗；ρ传播介质密度；A传播介质的横截面积；C应力波传播速度。在此我们假定由于焊接部分仅在端板外围，上下端板并不是完全接触在一起，故波阻抗中的A应该乘以一个接头耦合系数得到等效接触面积，即接头③位置的波阻抗表达式为式（3-2）,,,,,,表3-2桩身各段计算参数一览表,我们利用数值模拟部分中提出的桩分段模型，和实际检测得到的曲线进行对比分析，验证其是否合理。模拟计算参数见表3-1和表3-2所示。,表3-1数值模拟计算参数一览表,为了比较实测曲线和数值模拟理论计算的吻合程度，我们利MATLAB软件对实测曲线进行了归一化处理，如图3-3所示，实线是实测曲线的归一化曲线，虚线是数值模拟计算的理论曲线。从图中我们可以看出理论曲线和实测曲线吻合程度很好。这表明本文提出耦合系数及五段等效模型提出的合理性。,图3-3实测与理论拟合曲线,3.2试验桩焊接接头耦合系数的反演,考虑到管桩接头处的接触情况，分别设置4组不同焊缝程度的管桩进行现场试验，以下为四组不同焊缝程度管桩接头焊接时的照片。,图3-4两根桩紧密接触,没有焊接时的接头照片,图3-5两根桩呈对称四点焊接时的接头照片,图3-6两根桩呈对称1/4圆周焊接时的接头照片,图3-7两根桩完全焊接时的接头照片,图3-8紧密接触接头照片,图3-9紧密接触时模拟理论曲线与实测曲线的对比图,此时理论曲线模拟的接头耦合系数约为0.085。,,对4组不同焊缝程度的管桩相应的实测曲线，利用MATLAB语言编程，进行归一化处理，将实测曲线和数值模拟理论曲线进行拟合，反演其接头耦合系数。两根桩紧密接触,没有焊接时，如图3-8和图3-9所示,两根桩呈对称四点焊接时,图3-10对称四点焊接接头照片,图3-11对称四点焊接时模拟理论曲线与实测曲线的对比图,此时理论曲线模拟的接头耦合系数约为0.135。,,两根桩呈对称1/4圆周焊接时,图3-12对称1/4圆周焊接接头照片,图3-13对称1/4圆周焊接时模拟理论曲线与实测曲线的对比图,此时理论曲线模拟的接头耦合系数约为0.148。,,两根桩完全焊接时,图3-14完全焊接时接头照片,图3-15完全焊接时模拟理论曲线与实测曲线的对比图,此时理论曲线模拟的接头耦合系数约为0.194。,,数值模拟过程中，桩从紧密接触到完全焊接的变化时，接头耦合系数ω从0.085左右变化到0.194左右。通过以上方法，课题组证实了动力学五段等效模型的正确性与合理性，且通过实测曲线反演接头耦合系数ω，可以定量地判断管桩接头的焊接质量。,4、低应变动测三维波场与缺陷位置反演研究,,课题组以如何准确判定管桩桩身缺陷所在位置这一关键问题为出发点，通过研究发现通过现行规范反演管桩缺陷位置是不准确的，究其原因是其忽略了应力波在管桩中传播三维效应的影响。为此，建立了管桩低应变动测的三维动力学模型，并将桩看作线弹性体，并运用柱坐标下的弹性波动方程求解自由管桩的动力响应，基本方程如下式4-1式4-2式4-3,,,,,,,,,,,,,,,利用交错网格有限差分法编制相应程序，通过数值计算得到桩身各点在不同时刻的振动速度和受力状态，数值模拟算例中计算基本参数及计算网格参数见表4-1和表4-2。从而得到桩顶不同位置的振动速度响应曲线，如图4-1所示。,,,,表4-1数值模拟桩体计算参数一览表,表4-2计算网格参数表,图4-1桩顶不同位置的速度响应,从中可以得到如下结论a、传感器放在90位置时三维干扰较小；b、第一个峰值初至时间不一致；c、第一个峰幅值不一致；d、桩底反射几乎同时到达。,同时使用MATLAB语言计算并绘制了桩体的一系列波场图，从不同时刻、不同环向角度纵向线、不同深度环向线三个方面进行研究，如图4-2～图4-5所示，目的是为了对应力波在桩身中传播的路径和规律进行研究,图4-3环向90纵向线波场图,图4-21.5ms与2ms时桩顶环向剖面的波场图,图4-53.5m深度环线的三维网格图在此基础之上，提出了优于现行规范的能够准确判别管桩缺陷位置的三维反演计算缺陷位置的改进方法。考虑三维效应引起第一个峰值时间滞后td的影响，则有（式4-4）,,图4-4环向180纵向线波场图,式（4-4）就是考虑到三维效应，管桩缺陷位置反演的修正公式。式中x、---桩身缺陷至传感器安装点的距离（mm）；Δtx---速度波第一峰与缺陷反射波峰间的时间差（ms）；ΔT---速度波第一峰与桩底反射波峰间的时间差（ms）；L---测点下桩长（mm）；课题组对缺陷位置的传统一维反演方法与考虑三维效应的改进反演方法，通过在在两根模型桩S1桩和S2桩做对比试验，如表4-3所示表4-3三维反演分析管桩缺陷模型桩一览表,,根据各实测曲线中对应的ΔT之间的差值计算td与θ的关系。td与、θ及t0的理论计算关系如图4-6所示。得出敲击点与传感器位置呈90时，S1桩和S2桩对应的td分别为133.2μs和211.2μs，此为改进方法一。,,图4-6td与、θ及t0的理论计算关系,,但是，在实际工作中用如上所述的方法确定td比较麻烦，现可根据横波从桩顶敲击点传播到接收点所用的时间近似等于td，因此式（4-5）由上式得S1桩和S2桩对应的td分别为175.0μs和184.8μs，此为修正方法二。经计算得以上三种方法缺陷反演分析结果见表4-4表4-4模型桩缺陷反演分析汇总表,1894.8,研究得出采用考虑到管桩的三维效应的两种改进方法，可使反演误差大大减小，尤其是浅部缺陷，试验桩的反演结果与实际值接近；由于改进方法二在实际操作和计算中更加方便和实用，因此能更好地指导实际工程应用。,5、结论及其应用与展望,5.1结论（1）针对管桩低应变时域、频域信号中裂缝缺陷反射不明显的难题，提出了利用小波理论识别裂缝缺陷反射的原理和方法，有效地解决了低应变法识别细小裂缝的技术难题。（2）根据管桩的物理构造特征，首次提出管桩焊接接头的动力学五段等效模型和接头耦合系数的概念，由实测曲线及该焊接接头模型，反演接头耦合系数，能够准确定量地评价管桩接头焊接质量。（3）建立了管桩的三维动力学模型，并给出了波动方程的数值解，理论上突破了一维动力学模型检测管桩完整性的局限性，利用该模型可以计算桩身各点在不同时刻的振动速度，绘制管桩的三维波场图，直观地阐明应力波在管桩中的传播理论。（4）考虑到管桩三维效应的影响，科学论证了激振点与拾振点的最佳位置关系，提出并简化了拾振延时的计算方法，与传统的一维力学模型计算相比，三维反演计算能准确地得到管桩缺陷位置。,5.2应用与展望,1、成果应用2010年至2012年将本课题研究成果应用于约300个重点工程的管桩检测项目中，检测总桩数达58739根，通过应用本课题研究成果，共查明182个工程存在严重的管桩质量问题，判定缺陷桩2302根，占抽检总桩数的8.17，其中缺陷桩存在的问题主要集中在桩身裂缝、管桩接头焊接质量等问题，并及时提出了补桩、扩大承台接触面积、加桩等有效的处理方法，消除了工程存在的安全隐患，节省了开挖验证的费用，为社会挽回经济损失，产生了重大的经济效益和社会效益。2、展望（1）裂缝、管桩接头质量对管桩承载力的影响程度究竟有多大，针对于此方面的研究还相当匮乏，希望未来可以通过静载实验加以研究；（2）对于端板焊接接头的质量问题的检测，已定量用接头耦合系数来判断接头的好坏，但对于桩类别的划分，还需进一步给定接头耦合系数的数值范围来判断；（3）管桩中波的传播复杂，形态多样，还可以作进一步的研究和分析；（4）通过本课题可以得出，三维效应对管桩缺陷位置的准确判断有较大的影响，在本课题研究成果的基础上，希望在将来可以将三维反演分析方法融入到低应变检测管桩裂缝与管桩接头质量的研究中去。,汇报完毕谢谢,