基于低应变反射波法的实心混凝土桩损伤识别可靠度方法研究

发布时间：2020-05-27 19:03

【摘要】：低应变反射波法是测试基桩完整性的一种常用方法。该方法已经发展了近百年,在理论分析和测试系统方面上的研究已经取得丰硕的成果,已经在我国的市政房建工程和公路水运工程中被广泛应用。然而,其传统分析方法需要进行大量假定,未能考虑桩-土体系的耦合作用、桩身材料阻尼和横向惯性效应的影响,难以在实际工程中准确地定量分析基桩缺陷。受到实际工程中测试噪音、基桩结构参数变异性、激振参数变异性和地质参数变异性的叠加作用,低应变反射波法的缺陷分析结果具有不确定性,这可能会造成基桩完整性分类的误判。本文在实心混凝土桩损伤识别确定性分析和可靠度分析方面作一尝试。借鉴结构损伤识别概率分析的思想,在基桩动测的低应变反射波法、损伤识别动力指纹法辨识原理和结构可靠度理论的基础上系统开展了基于低应变反射波法的实心混凝土桩损伤识别可靠度方法研究,主要工作包括以下几个方面:(1)扼要介绍了基桩的发展历史和低应变反射波法的基本原理、测试系统、现场检测和分析方法等情况。系统介绍了结构损伤识别概率分析的研究现状。(2)详细介绍了低应变反射波法的激振特性,包括激振的脉冲函数、脉冲宽度和激振力幅值。重点介绍了基于D’Alembert解的一维弹性杆行波法和有限元法,并讨论了这两种方法的适用性和局限性。在平面应变土体模型的基础上,综合考虑桩-土体系耦合振动、桩身材料阻尼及桩身横向惯性效应等因素,获得一维弹性杆运动方程的时域解答,发展了考虑桩-土耦合作用的基桩动力问题解析解法。通过对比分析不同工况下的数值算例,检验了考虑桩-土耦合作用的基桩动力问题解析解法的准确性和实用性。(3)介绍了基桩损伤识别的研究现状。借鉴结构损伤识别动力指纹法的思想,提出了基桩损伤识别低应变反射波动力指纹法的概念。在此基础上,结合考虑桩-土耦合作用的基桩动力问题解析解法和基桩动测低应变反射波法,建立了基桩损伤程度与低应变反射波动力指纹之间的定量关系,提出了基桩损伤识别的低应变反射波动力指纹法,有效解决了基桩损伤程度的定量分析问题。通过进行室内带缺陷基桩模型试验和不同损伤工况的数值试验,检验了基桩损伤识别的低应变反射波动力指纹法的准确性和实用性。(4)借鉴结构可靠度理论,明确给出了基桩损伤识别可靠度的严格定义。综合考虑激振荷载参数、基桩结构参数和地基参数的变异性以及测试噪音等因素,结合确定性基桩损伤识别的低应变反射波动力指纹法以及随机分析的响应面法-蒙特卡罗方法,系统提出了一套基于低应变反射波法的基桩损伤识别可靠度方法,解决了给定损伤识别精度下基桩损伤识别可靠度的计算问题,以及给定损伤识别可靠度下基桩损伤识别的精度问题。结合传统基桩完整性分类方法和所提出的基桩损伤识别可靠度方法,通过基桩完整性分类的概率分析,提出了概率意义下的基桩完整性分类方法,从而完善了基桩完整性分类标准,使基桩完整性分类更加合理。通过数值算例和工程实例检验了基桩损伤识别可靠度方法和基桩完整性分类判定概率分析方法的有效性,以及概率意义下基桩完整性分类方法的优越性。本文的创新点包括:(1)在平面应变土体模型的基础上,综合考虑桩-土体系耦合振动、桩身材料阻尼及桩身横向惯性效应等因素,获得一维弹性杆运动方程的时域解答,发展了考虑桩-土耦合作用的基桩动力问题解析解法。(2)结合考虑桩-土耦合作用的基桩动力问题解析解法和基桩动测低应变反射波法,建立了基桩损伤程度与低应变反射波动力指纹之间的定量关系,提出了基桩损伤识别的低应变反射波动力指纹法。(3)综合考虑激振荷载参数、基桩结构参数和地基参数的变异性以及测试噪音等因素,结合确定性基桩损伤识别的低应变反射波动力指纹法以及随机分析的响应面法-蒙特卡罗方法,系统提出了一套基于低应变反射波法的基桩损伤识别可靠度方法,解决了给定损伤识别精度下基桩损伤识别可靠度的计算问题,以及给定损伤识别可靠度下基桩损伤识别的精度问题。结合传统基桩完整性分类方法和所提出的基桩损伤识别可靠度方法,通过基桩完整性分类的概率分析,提出了概率意义下的基桩完整性分类方法,从而完善了基桩完整性分类标准,使基桩完整性分类更加合理。通过数值算例和工程实例检验了基桩损伤识别可靠度方法和基桩完整性分类判定概率分析方法的有效性,以及概率意义下基桩完整性分类方法的优越性。
【图文】：

水平裂缝,基桩

造成严重的质量事故[1-26]。桩作为支撑上部结构的受力构件对结构的安全性具有至关重要的作用。期间受到越来越大交通流量的超负荷作用和台风、地震、海水侵蚀等自然形成了各种损伤如图 1-1 和图 1-2，同时给结构带来了非常大的安全隐患隐蔽工程，如果存在大量缺陷桩而没有被及时发现，这很可能会对结构使全隐患。当出现安全质量问题时，桩基础处理措施的难度也比较大。因此损伤实施有效的测试是保证结构安全使用、安全维护和安全管理的必要技证桩基础的安全可靠性，需要在桩基础全范围内包括非可视范围进行相应般采用无损的动力测试方法来检测混凝土桩的损伤情况，虽然这类方法在理论方面和动力响应测试实践方面积累了一定成果，但是还存在着许多亟。因此，如何通过无损动力测试方法来快速准确的识别混凝土桩损伤情况外学者和工程技术人员的研究热点，也是目前土木工程界非常关注的问题

响应曲线,断桩,事故

图 1-2 断桩事故Fig. 1-2Accident of broken pile桩动测技术的发展桩动测技术实际是指在桩顶施加一个瞬态冲击力的动荷载，通过采集基数据，根据信号的时域或频域内动力响应曲线，采用基桩动力响应分析方构特性结果，，进而提出基桩桩身完整性或承载能力的一种方法[1-27]。十世纪初，为了解决动力打桩出现的问题，在受限于动力分析理论不成学者们仅仅把基桩等效为刚体来进行研究，通过简单的能量守恒原理和碰桩在冲击荷载下的力学行为，这也是桩基动测技术发展历史中可以追溯的测方法[1-28]。而近代桩基动测技术的理论是在十九世纪末由 Saint-Venant 提细长杆的传播规律及其一维波动方程的基础上建立的，并由此逐渐发展起播规律为核心理论的动测技术[1-29]。但是在当时低效计算能力的条件下，
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU473.1

【相似文献】