一维波动方程推导.ppt

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1.3 高应变时程曲线的判读 1.3.1 利用F和V曲线查找系统故障 要想正确判读F、V曲线,必须首先了解各种桩型的“标准”曲线。不同的桩型其“标准”曲线也不尽相同,下面列出目前我国使用较多的几种桩型的正常的F、V曲线。混凝土预制桩(柴油锤作为动力系统,否则同灌注桩)的标准曲线如图6所示,图7是使用自由落锤锤击混凝土灌注桩时测试的正常曲线。 图6正常的混凝土预制桩信号 图7常的混凝土灌注桩信号 第三十页,编辑于星期二:十八点 五分。 高应变法检测基桩的现场采集工作比较复杂和繁琐,要顺利完成整个试验过程,牵涉到各方面的准备和协调工作,如传感器的安装、仪器连线、参数的输入、锤击系统的调整、锤垫的选择等,如何协调这么多环节,可以通过F、V曲线的判读边做边指导。试验时可现将锤落距调低一点,或者采用轻锤锤击桩顶,观察所测得的F、V存在什么问题,以便及时校正系统的各个环节。 图8 力传感器松动时的信号 图9 双边力严重偏心信号 第三十一页,编辑于星期二:十八点 五分。 应力波反射法检测基桩原理 第一页,编辑于星期二:十八点 五分。 1.1 基桩动测技术的发展及国内外研究现状 一百年以前,动力打桩公式 1865年B.de Saint Venant提出一维波动方程 50年代后期A.Smith提出了波动方程在桩基中应用的差分数值解法,它把锤一桩一土系统简化为质量块、弹簧和阻尼器模型从而使波动方程打桩分析进入实用阶段。 第二页,编辑于星期二:十八点 五分。 1967年美国G.G.Goble等人发表了“关于桩承载力的动测研究”一文, 1975年发表了“根据动测确定桩的承载力”研究报告 1970年以后,美国己把动力试桩技术用于实际工程 1977年PDI公司开始生产以PDA(Pile Driving Analyzer)打桩分析仪 采用波动方程程序(Case Pile Wave-equation Analysis program/contimuous,简CAPWAPC程序)对桩的侧阻分布、端阻和桩身缺陷进行实测波形的拟合法分析。 第三页,编辑于星期二:十八点 五分。 方便、快捷、一定的准确度被各国接受 要求较高的人员素质、专业理论知识、 丰富的工程经验 缺乏与静荷载试验在桩周分层摩阻力和端阻力方面对比。 第四页,编辑于星期二:十八点 五分。 1.2.1 一维杆的纵向波动方程 一根材质均匀的等截面弹性杆,长度为L,截面积为A,弹性模量为E,体密度为ρ。若杆变形时符合平截面假定,在杆上端施加一瞬时外力,单元受力如图所示。图中包含外力、土阻力、阻尼力的作用。 第五页,编辑于星期二:十八点 五分。 杆单元受力图 第六页,编辑于星期二:十八点 五分。 以单元dx为对象,建立x方向的平衡方程得 (1) (2) 令 ,即得著名的一维波动方程 (3) 由材料力学知识得: 将式(2)带入式(1): 第七页,编辑于星期二:十八点 五分。 1.2.2一维波动方程的解 求解一维波动方程有多种方法,常用的有行波法、分离变量法、特征线法,这里主要介绍基桩检测常用的行波法。 作变量代换: (4) 第八页,编辑于星期二:十八点 五分。 (5) (6) (7) (8) (9) 将式(5)~式(8)代入式(4) 第九页,编辑于星期二:十八点 五分。 对式(9)连续两次积分得到方程的通解: 通解中的函数f和g是具有两阶连续偏导数的任意函数,由波动的初始条件确定。 设问题的初始位移和初始速度分别为: (11)、(12) 积分(13)有: (10) (11) (12) (13) (14) 第十页,编辑于星期二:十八点 五分。 因此一维波动方程的定解问题的通解可以最终表示为: 这一通解公式称为D`Alembert 公式。可以证明该解是唯一的,而且是稳定的。 (15) (16) 第十一页,编辑于星期二:十八点 五分。 1.2.3 解的物理意义 假设式(16)的第二式为零,即 ,当波速一定时,随 着时间的 增长,位移逐渐沿x轴向下传播,因此我们习惯称为f下行波。同理 称为g上行波。上下行波在传播过程中,由于函数f和g都不发生变化, 因此,波的形状不变,在不考虑杆周围介质的影响,其幅值也不变。 前面假设杆的材质是均匀的,经过t0时刻,波形移动了c×t0的距离, 波速为c×t0/t0=c,这表明波在传播中速度不变。 物理现象为杆上各点,振动未传到时,处于平衡状态,振动传到 时,相应点将发生位移的变化,振动穿过后,该点仍回到平衡位置。 第十二页,编辑于星期二:十八点 五分。 1.2.4 一维波动方程的解在基桩测试中的应用 1 假设桩身中只有下行波(压力波为例),即

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