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高应变信号CAPWAP拟合流程全解
发布时间:2021-01-18

 

● 简介

高应变力传感器,高应变打桩分析仪

CAPWAP分析不应该只是盲目地追求计算曲线与实测曲线差异最小化。在拟合分析的过程中,分析人员应该对每一个参数的选择有充分的认识。只有所有的模型参数能够形成一个合理的组合,这时最低的拟合质量数才可作为衡量拟合效果的标准。例如,在桩运动速度非常低的情况下(冲击速度低,阻力相对较高),或者土层是高粘性土或淤泥质粘性土,使用非常高的阻尼系数是可以解释的。相反,如果桩是打入岩层的,那么高阻尼就不太说得通了。

自动拟合AC,基本上遵循的是推荐的拟合流程,不过,建议先人工拟合到一个相对理想的阶段再使用自动拟合。然后自动拟合可以对其进行独立的检查优化。在CAPWAP2014中,是不允许上来就使用AC的,要求我们必须通过手动拟合,将MQ降低25%之后,才可以使用AC。最后,因为CAPWAP分析涉及到土壤的非线性行为,以及大量的未知数,所以,在开始分析的时候,尝试多种不同的参数组合,再给出最终结论就很重要了(比如,端阻力和侧阻力的不同分布,或者阻尼系数和弹限的变化)。此外,在输出最终拟合结果之前,建议适当调整静阻力值(使用RD或AQRD功能),以便达到最佳拟合效果(MQ值最低)。

高应变力传感器,高应变打桩分析仪

 

● CAPWAP中包含的未知数

CAPWAP拟合分析中,需要分别建立桩模型和土模型,一般桩模型以传感器以下桩长LE为基础,1米一个单元,共Np个桩单元(p即pile);而土模型则以入土深度LP为基础,通常2米一个单元,共Ns个土单元(s即soil)。因此在拟合之前,应确保原始数据中LE、LP参数正确输入。所以,常规分析包含以下未知数(Ns=桩侧土阻力单元数):

  • 1个极限端阻力值,R(Ns+1)
  • 1个桩侧弹限QS+1个桩侧卸载弹限系数CS
  • 1个桩端弹限QT+1个桩端卸载弹限系数CT
  • 1个桩侧阻尼系数SS
  • 1个桩端阻尼系数ST
  • 1个卸载水平系数UN
  • 1个土隙TG
  • 1个桩端阻尼选项OP
  • 1个桩侧阻尼选项SO
  • 1个桩端土塞质量PL

因此,正常情况下,就有Ns+12个未知数。当然了,如果再使用单个单元不同的弹限,不同的阻尼值或乘子,1-2个额外的桩端阻力值,不同的重复加载水平,辐射阻尼,桩侧土塞,桩侧阻尼类型选项,以及残余应力分析,那么未知数的数量又会大大增加。考虑到增加这些参数会很大程度上增加分析的不确定性,所以建议只有当常规参数都调整了,但分析结果还不理想的时候再使用这些参数。

 

● 分析步骤

进行拟合分析的时候,应遵循以下步骤:

1

选择合适的信号

2

检查数据并进行适当的调整

3

建立桩模型(指非均匀桩;如果是均匀桩,则软件自动建立模型)

4

信号拟合,得到最佳拟合结果

5

输出拟合结果

6

输出结果解释

每一个步骤都要求仔细分析并检查。鉴于复杂的工程情况,如锤类型及性能各异,桩身尺寸,材料,施工过程,土类型,测试的时间及方式都有很大差异,因此,我们只能大概的总结出一个成功分析的框架。而且,每一次对实际案例的分析过程,都可以为分析人员提供一次全新的学习经验。以下,我们会对一些必要的分析步骤进行讲解,您可以从软件的“HELP”菜单中找到更多的细节信息。

 

● 信号的选择

有证据表明,信号选择是CAPWAP分析中最重要的一步:如果选择的信号质量有问题(比如偏心严重,螺栓松脱,标定系数错误,电缆问题等),或者是难打情况中的低能量信号,易打情况中的高能量信号,复打中较靠后的信号,或者距离打桩结束太靠前的信号等,CAPWAP分析得出的结果可能都不是我们想要得到的结果。

以下,我们总结了一些关于信号选择的指导,不过,我们应该意识到,任何指导都不可能面面俱到或者是完美的,因而分析人员自己也要做出一定的判断:

如果平均每锤贯入度低于3mm(锤击数超过300锤/米),选择能量与力值较高的信号,以免出现低估承载力的情况。

如果平均每锤贯入度高于12mm(锤击数低于83锤/米),选择锤击能量较低的信号,以免高估承载力,如果没有这样的信号可以分析,那么拟合的难度势必会增加。

对于贯入度在3-10mm之间的情况(100-300锤/米),选择平均能量的信号,这样可以得到一个平均水平的承载力结果。

选择的信号,偏心影响应最小(检查单独的力通道),信号中没有毛刺或电子噪音,速度曲线归零,最终位移等于实测贯入度,力信号归零,或只有轻微的负值,比例性好(桩是均匀桩,且传感器安装位置与土阻力发挥位置之间的距离的影响也比较大)。如果力曲线尾部为正,且速度曲线明显归零,则表明桩身材料已出现屈服,该信号不可用,因为桩身已经不再是线弹性的。

在复打测试中,应该选择较早的信号;如果早期的信号能量很低,且贯入度也很低,那么就需要做一些折中的选择了。“第一个高能量锤击”是不错的选择。如果测试是在复打比较靠后的阶段进行的,因为土阻力恢复而获得的承载力已经重新损失掉了,那么可以通过叠加分析来获得一个相对合理的结果,不过这只有在贯入度很低的情况下才可以

初打的后期,选择靠后的信号。

 

不管什么情况,选择数据质量好的信号都是至关重要的,如果选择的信号质量不好,可能导致你多花好几个小时的时间去分析,最后还是不能得到一个很好的拟合结果。即使拟合的结果还不错,这个结果也是不可靠的。数据质量不好的情况可能有以下几种:

电子干扰,有可能是电缆损坏,或者附近有比较强的发射信号,或者有高压线;

力信号变形,可能由于桩头变形过大,甚至破坏;

力信号变形,由于局部变形,或者剪力的影响。传感器安装一定要避开钢桩焊接的位置,以及混凝土桩接头的位置;另外,需远离桩身截面尺寸变化的位置;

因为传感器安装问题导致的力信号或速度信号变形;

加速度信号过载(比如没有设置桩垫,水平向加速很高);过载的话,会导致速度信号在峰值后迅速下降;

力或者加速度传感器标定系数输入错误。

 

所以,我们可以通过以下标准来对信号质量进行大致的评估:

力与速度信号比例性好,除非桩本身就是非均匀桩,或者靠近传感器位置有土阻力作用;简单来说就是力与速度曲线在第一个峰值以前一般都是重合的,如果土阻力发挥较早,可能会出现力曲线高于速度曲线的情况;如果出现速度曲线高于力曲线的情况,则需要检查原因,如WS输入是否正确,桩顶附近是否存在变截面的情况等等。

信号没有高频噪音;混凝土桩,尤其是预应力混凝土管桩的高应变测试信号一般高频噪音较小,当然,这也与是否使用合适的桩垫关系很大;而钢管桩因为锤与桩之间一般不设置垫子,所以测试的高应变信号一般高频噪音都比较大,可以使用软件中FF进行适当滤波。

速度信号尾部归零,或者在零线附近震荡;

最终位移与实测贯入度吻合(如果有精确测量,数据信号时长足够),如果速度曲线尾部不归零,那么应该做适当的调整,不过,如果信号看起来合理,且传感器没有问题,则不应该做调整。在拟合过程中可能还需要对这些调整进行改进。(注意:如果最终位移与实测贯入度不相等,或者实测贯入度是估计值,那么最好不要使用锤击数拟合。

力信号尾部归零(或有少许负值)(说明不存在因为混凝土碎裂导致的材料屈服,或者传感器滑动)。

 

● 数据调整

对于所有的测试来说,往往都不可能是完美的,而CAPWAP分析又需要相对精确的数据,所以,就有可能也有必要对实测的力和速度数据进行一定的调整。其他还有一些参数可能需要调整,如标定系数,滤波或者光滑,时间调整,幅值调整等。有三个不同的调整是必须要考虑的:

01

标定系数在一定范围内调整时可以的。因为力和加速度传感器的标定系数总体上存在大约2%的误差,混凝土和钢的材料特性,也可能导致标定系数出现一定的误差。所以回放系数RF(Replay Factor)在0.98-1.02之间调整是合理的,一般不要超出0.95-1.05。

02

对于很长时间段内的加速度进行积分,可能会积累产生所谓的加速度零漂。所以就有必要对加速度零线进行轻微的调整。加速度调整可能是最复杂的调整了,它可能会对拟合过程产生影响,从而也会影响到承载力,使用也相对比较频繁。不过,这个调整非常重要,尤其当选择了锤击数拟合的时候。相比于桩顶附近实测的加速度值而言,这些调整的幅值是非常小的。

03

另一个调整,时间或者相位调整(PDA中称之为VT),就相对没那么重要,偏修饰性的调整。这个调整的量正常只有一个时间增量的级别(通常1ms以内)。调整的标准是使得上行波在速度曲线的第一个峰值处更平滑。

一般来说,我们都建议先不对数据进行调整,而只有在拟合过程中明确发现,不调整就很难得到好的拟合结果的时候,才进行数据调整。PDA软件的默认调整一般都能得出比较合理的结果。

 

● 信号拟合

数据导入,进行适当调整,建立了正确的桩模型后,就可以开始信号拟合了。拟合过程必须从左往右进行,从锤击开始到信号结束。在拟合刚开始的时候,CAPWAP会以凯斯法为基础给出一个承载力值,以上行波的形状为基础给出一个初步的阻力分布,对于短桩来说,可能就是三角形分布。同样,CAPWAP也会给出波动方程的一些标准参数,如阻尼和弹限。

用户需要完成以下工作:

01

对于非均匀桩,在PM中输入桩模型,前提是桩模型已知,对于灌注桩,截面积沿着桩长的变化可能是未知的,这就需要有经验的分析人员根据混凝土浇灌记录,以及土层信息进行判断,给出一个合理的模型。

02

通过调整单个土单元的阻力以及总阻力,来提升第一个2L/C内的拟合效果。在输入土阻力值的时候,Delta值可以起到辅助作用,Delta表示的是每个单元位置,计算的值与实测值的差值。

03

对于紧接着2L/C之后的部分,调整端阻力和桩端弹限(和/或土隙),或者同时调整总阻力和桩端弹限和桩端阻尼参数。

04

调整总阻力,桩侧和桩端阻尼来优化2L/C之后的曲线,然后回到第2步。

05

2L/C的位置,可以尝试选择不同的桩端阻尼类型OP来优化,OP通常不是0就是2,然后回到第3步。

06

对于曲线比较靠后的部分,可以通过卸载弹限和卸载参数来进行优化。因为这一步也会对曲线前部有影响,所以还需要回到第2步,再次分析。

07

尝试不同的总阻力,从第2步开始重新分析。

08

回顾一下,看是否需要修改桩模型,如果需要,从第1步开始重新分析。

 

CAPWAP

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