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高應(yīng)變信號CAPWAP擬合流程全解

發(fā)布時間：2021-01-18 瀏覽次數(shù)：51357 來源：歐美大地

● 簡介

CAPWAP分析不應(yīng)該只是盲目地追求計算曲線與實(shí)測曲線差異較小化。在擬合分析的過程中，分析人員應(yīng)該對每一個參數(shù)的選擇有充分的認(rèn)識。只有所有的模型參數(shù)能夠形成一個合理的組合，這時最低的擬合質(zhì)量數(shù)才可作為衡量擬合效果的標(biāo)準(zhǔn)。例如，在樁運(yùn)動速度非常低的情況下（沖擊速度低，阻力相對較高），或者土層是高粘性土或淤泥質(zhì)粘性土，使用非常高的阻尼系數(shù)是可以解釋的。相反，如果樁是打入巖層的，那么高阻尼就不太說得通了。

自動擬合AC，基本上遵循的是推薦的擬合流程，不過，建議先人工擬合到一個相對理想的階段再使用自動擬合。然后自動擬合可以對其進(jìn)行獨(dú)立的檢查優(yōu)化。在CAPWAP2014中，是不允許上來就使用AC的，要求我們必須通過手動擬合，將MQ降低25%之后，才可以使用AC。最后，因?yàn)镃APWAP分析涉及到土壤的非線性行為，以及大量的未知數(shù)，所以，在開始分析的時候，嘗試多種不同的參數(shù)組合，再給出最終結(jié)論就很重要了（比如，端阻力和側(cè)阻力的不同分布，或者阻尼系數(shù)和彈限的變化）。此外，在輸出最終擬合結(jié)果之前，建議適當(dāng)調(diào)整靜阻力值（使用RD或AQRD功能），以便達(dá)到較好擬合效果（MQ值較低）。

● CAPWAP中包含的未知數(shù)

CAPWAP擬合分析中，需要分別建立樁模型和土模型，一般樁模型以傳感器以下樁長LE為基礎(chǔ)，1米一個單元，共Np個樁單元（p即pile）；而土模型則以入土深度LP為基礎(chǔ)，通常2米一個單元，共Ns個土單元（s即soil）。因此在擬合之前，應(yīng)確保原始數(shù)據(jù)中LE、LP參數(shù)正確輸入。所以，常規(guī)分析包含以下未知數(shù)（Ns=樁側(cè)土阻力單元數(shù)）：

1個極限端阻力值，R（Ns+1）
1個樁側(cè)彈限（QS）+1個樁側(cè)卸載彈限系數(shù)（CS）
1個樁端彈限（QT）+1個樁端卸載彈限系數(shù)（CT）
1個樁側(cè)阻尼系數(shù)（SS）
1個樁端阻尼系數(shù)（ST）
1個卸載水平系數(shù)（UN）
1個土隙（TG）
1個樁端阻尼選項(xiàng)（OP）
1個樁側(cè)阻尼選項(xiàng)（SO）
1個樁端土塞質(zhì)量（PL）

因此，正常情況下，就有Ns+12個未知數(shù)。當(dāng)然了，如果再使用單個單元不同的彈限，不同的阻尼值或乘子，1-2個額外的樁端阻力值，不同的重復(fù)加載水平，輻射阻尼，樁側(cè)土塞，樁側(cè)阻尼類型選項(xiàng)，以及殘余應(yīng)力分析，那么未知數(shù)的數(shù)量又會大大增加。考慮到增加這些參數(shù)會很大程度上增加分析的不確定性，所以建議只有當(dāng)常規(guī)參數(shù)都調(diào)整了，但分析結(jié)果還不理想的時候再使用這些參數(shù)。

● 分析步驟

進(jìn)行擬合分析的時候，應(yīng)遵循以下步驟：
1	選擇合適的信號
2	檢查數(shù)據(jù)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整
3	建立樁模型（指非均勻樁；如果是均勻樁，則軟件自動建立模型）
4	信號擬合，得到擬合結(jié)果
5	輸出擬合結(jié)果
6	輸出結(jié)果解釋

每一個步驟都要求仔細(xì)分析并檢查。鑒于復(fù)雜的工程情況，如錘類型及性能各異，樁身尺寸，材料，施工過程，土類型，測試的時間及方式都有很大差異，因此，我們只能大概的總結(jié)出一個成功分析的框架。而且，每一次對實(shí)際案例的分析過程，都可以為分析人員提供一次全新的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。以下，我們會對一些必要的分析步驟進(jìn)行講解，您可以從軟件的“HELP”菜單中找到更多的細(xì)節(jié)信息。

● 信號的選擇

有證據(jù)表明，信號選擇是CAPWAP分析中重要的一步：如果選擇的信號質(zhì)量有問題（比如偏心嚴(yán)重，螺栓松脫，標(biāo)定系數(shù)錯誤，電纜問題等），或者是難打情況中的低能量信號，易打情況中的高能量信號，復(fù)打中較靠后的信號，或者距離打樁結(jié)束太靠前的信號等，CAPWAP分析得出的結(jié)果可能都不是我們想要得到的結(jié)果。

以下，我們總結(jié)了一些關(guān)于信號選擇的指導(dǎo)，不過，我們應(yīng)該意識到，任何指導(dǎo)都不可能面面俱到或者是完美的，因而分析人員自己也要做出一定的判斷：

如果平均每錘貫入度低于3mm（錘擊數(shù)超過300錘/米），選擇能量與力值較高的信號，以免出現(xiàn)低估承載力的情況。

如果平均每錘貫入度高于12mm（錘擊數(shù)低于83錘/米），選擇錘擊能量較低的信號，以免高估承載力，如果沒有這樣的信號可以分析，那么擬合的難度勢必會增加。

對于貫入度在3-10mm之間的情況（100-300錘/米），選擇平均能量的信號，這樣可以得到一個平均水平的承載力結(jié)果。

選擇的信號，偏心影響應(yīng)較小（檢查單獨(dú)的力通道），信號中沒有毛刺或電子噪音，速度曲線歸零，最終位移等于實(shí)測貫入度，力信號歸零，或只有輕微的負(fù)值，比例性好（樁是均勻樁，且傳感器安裝位置與土阻力發(fā)揮位置之間的距離的影響也比較大）。如果力曲線尾部為正，且速度曲線明顯歸零，則表明樁身材料已出現(xiàn)屈服，該信號不可用，因?yàn)闃渡硪呀?jīng)不再是線彈性的。

在復(fù)打測試中，應(yīng)該選擇較早的信號；如果早期的信號能量很低，且貫入度也很低，那么就需要做一些折中的選擇了?！暗谝粋€高能量錘擊”是不錯的選擇。如果測試是在復(fù)打比較靠后的階段進(jìn)行的，因?yàn)橥磷枇謴?fù)而獲得的承載力已經(jīng)重新?lián)p失掉了，那么可以通過疊加分析來獲得一個相對合理的結(jié)果，不過這只有在貫入度很低的情況下才可以。

初打的后期，選擇靠后的信號。

不管什么情況，選擇數(shù)據(jù)質(zhì)量好的信號都是至關(guān)重要的，如果選擇的信號質(zhì)量不好，可能導(dǎo)致你多花好幾個小時的時間去分析，最后還是不能得到一個很好的擬合結(jié)果。即使擬合的結(jié)果還不錯，這個結(jié)果也是不可靠的。數(shù)據(jù)質(zhì)量不好的情況可能有以下幾種：

電子干擾，有可能是電纜損壞，或者附近有比較強(qiáng)的發(fā)射信號，或者有高壓線；

力信號變形，可能由于樁頭變形過大，甚至破壞；

力信號變形，由于局部變形，或者剪力的影響。傳感器安裝一定要避開鋼樁焊接的位置，以及混凝土樁接頭的位置；另外，需遠(yuǎn)離樁身截面尺寸變化的位置；

因?yàn)閭鞲衅靼惭b問題導(dǎo)致的力信號或速度信號變形；

加速度信號過載（比如沒有設(shè)置樁墊，水平向加速很高）；過載的話，會導(dǎo)致速度信號在峰值后迅速下降；

力或者加速度傳感器標(biāo)定系數(shù)輸入錯誤。

所以，我們可以通過以下標(biāo)準(zhǔn)來對信號質(zhì)量進(jìn)行大致的評估：

力與速度信號比例性好，除非樁本身就是非均勻樁，或者靠近傳感器位置有土阻力作用；簡單來說就是力與速度曲線在第一個峰值以前一般都是重合的，如果土阻力發(fā)揮較早，可能會出現(xiàn)力曲線高于速度曲線的情況；如果出現(xiàn)速度曲線高于力曲線的情況，則需要檢查原因，如WS輸入是否正確，樁頂附近是否存在變截面的情況等等。

信號沒有高頻噪音；混凝土樁，尤其是預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的高應(yīng)變測試信號一般高頻噪音較小，當(dāng)然，這也與是否使用合適的樁墊關(guān)系很大；而鋼管樁因?yàn)殄N與樁之間一般不設(shè)置墊子，所以測試的高應(yīng)變信號一般高頻噪音都比較大，可以使用軟件中FF進(jìn)行適當(dāng)濾波。

速度信號尾部歸零，或者在零線附近震蕩；

最終位移與實(shí)測貫入度吻合（如果有精確測量，數(shù)據(jù)信號時長足夠），如果速度曲線尾部不歸零，那么應(yīng)該做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，不過，如果信號看起來合理，且傳感器沒有問題，則不應(yīng)該做調(diào)整。在擬合過程中可能還需要對這些調(diào)整進(jìn)行改進(jìn)。（注意：如果最終位移與實(shí)測貫入度不相等，或者實(shí)測貫入度是估計值，那么不要使用錘擊數(shù)擬合。

力信號尾部歸零（或有少許負(fù)值）（說明不存在因?yàn)榛炷了榱褜?dǎo)致的材料屈服，或者傳感器滑動）。

● 數(shù)據(jù)調(diào)整

對于所有的測試來說，往往都不可能是完美的，而CAPWAP分析又需要相對精確的數(shù)據(jù)，所以，就有可能也有必要對實(shí)測的力和速度數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的調(diào)整。其他還有一些參數(shù)可能需要調(diào)整，如標(biāo)定系數(shù)，濾波或者光滑，時間調(diào)整，幅值調(diào)整等。有三個不同的調(diào)整是必須要考慮的：

標(biāo)定系數(shù)在一定范圍內(nèi)調(diào)整時可以的。因?yàn)榱图铀俣葌鞲衅鞯臉?biāo)定系數(shù)總體上存在大約2%的誤差，混凝土和鋼的材料特性，也可能導(dǎo)致標(biāo)定系數(shù)出現(xiàn)一定的誤差。所以回放系數(shù)RF（Replay Factor）在0.98-1.02之間調(diào)整是合理的，一般不要超出0.95-1.05。

對于很長時間段內(nèi)的加速度進(jìn)行積分，可能會積累產(chǎn)生所謂的加速度零漂。所以就有必要對加速度零線進(jìn)行輕微的調(diào)整。加速度調(diào)整可能是最復(fù)雜的調(diào)整了，它可能會對擬合過程產(chǎn)生影響，從而也會影響到承載力，使用也相對比較頻繁。不過，這個調(diào)整非常重要，尤其當(dāng)選擇了錘擊數(shù)擬合的時候。相比于樁頂附近實(shí)測的加速度值而言，這些調(diào)整的幅值是非常小的。

另一個調(diào)整，時間或者相位調(diào)整（PDA中稱之為VT），就相對沒那么重要，偏修飾性的調(diào)整。這個調(diào)整的量正常只有一個時間增量的級別（通常1ms以內(nèi)）。調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)是使得上行波在速度曲線的第一個峰值處更平滑。

一般來說，我們都建議先不對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，而只有在擬合過程中明確發(fā)現(xiàn)，不調(diào)整就很難得到好的擬合結(jié)果的時候，才進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)整。PDA軟件的默認(rèn)調(diào)整一般都能得出比較合理的結(jié)果。

● 信號擬合

數(shù)據(jù)導(dǎo)入，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，建立了正確的樁模型后，就可以開始信號擬合了。擬合過程必須從左往右進(jìn)行，從錘擊開始到信號結(jié)束。在擬合剛開始的時候，CAPWAP會以凱斯法為基礎(chǔ)給出一個承載力值，以上行波的形狀為基礎(chǔ)給出一個初步的阻力分布，對于短樁來說，可能就是三角形分布。同樣，CAPWAP也會給出波動方程的一些標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，如阻尼和彈限。

用戶需要完成以下工作：

對于非均勻樁，在PM中輸入樁模型，前提是樁模型已知，對于灌注樁，截面積沿著樁長的變化可能是未知的，這就需要有經(jīng)驗(yàn)的分析人員根據(jù)混凝土澆灌記錄，以及土層信息進(jìn)行判斷，給出一個合理的模型。