成都课件高应变测试技术062210Word格式文档下载.docx
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③力时程曲线最终应回零，如采样时间不够或混凝土桩顶开裂、严重塑性变形等都会引起力曲线不回零。
④力时程曲线与速度和阻抗乘积的时程曲线在第一峰值前的起始段应重合，第一峰值出现在同一时刻且幅值相差不大（当实测的力和速度信号在第一峰起始段不成比例时，不得对实测力或速度信号进行调整），由于桩侧土阻力作用，第一峰值后从土阻力作用开始至2L/C时段内两曲线逐渐分离，侧摩阻力引起的波会降低桩身质点运动速度，从而使F-t曲线在上，V*Z-t曲线在下。
曲线形状特征与桩周土的特性相对应，摩阻力愈大，两曲线分开也大，从两曲线拉开的距离和规律大致可以判断桩侧阻力的变化规律。
⑤实测波形的特征应与桩、土的实际情况相符。
如混凝土桩的接桩部位、桩身截面突变部位、桩身缺损部位以及土层变化部位等均会引起波形变化。
⑥应有较明显的桩端反射波。
当需要检测桩的极限承载力时，单击贯入度宜在2mm~6mm范围。
若桩未打动，贯入度接近零时，表明锤击能量不足，桩周土阻力未能得到充分发挥；
贯入度太大又会使桩、土之间的实际状况与计算模型不符。
图1波形中的F-t波与V*Z-t波在起始段不重合，F-t波出现高频振荡且尾部未回零，经查是其中一只力传感器固定螺栓松动引起的，该波形不能用。
图1
图2中曲线虽无高频振荡，力曲线也基本回零，但力与速度和阻抗乘积的峰值相差过大，且起始段也不重合，属于异常波形。
出现这种现象的原因可能是锤击时桩顶混凝土已开裂或有严重的塑性变形。
图2
图3波形起始段正常，两峰值基本重合，有明显的桩端反射（2L/C处），该桩是一根打在海洋中的Φ500mm钢管桩，桩端进入极密实的粗砂层，波形中在2L/C前有一段力曲线上升、速度曲线下降，这是桩端进入密实砂层的反射结果。
该波形的缺点是采样时间过短（44ms），力曲线最终未回零，对计算承载力有一定影响。
图3
图4是一较理想的实测波形，有较明显的桩端反射波，曲线特征反映出该桩为一根摩擦型桩。
图4
用高应变法检测桩的承载能力以及判别桩身质量，都是依据实测波形，因此波形采集的质量是高应变判别的关键，各有关规范也都提出了高应变实测波形的标准，如《建筑基桩检测技术规范》规定了下列情况的波形不能作为承载力分析计算的依据；
①力时程曲线最终未归零；
②锤击严重偏心，两侧力信号幅值相差超过1倍；
③四通道测试数据不全。
3、CASE法确定承载力
（1）不符合CASE法的基本假定
CASE法的基本假定
桩为一维弹性杆件，桩身材料不变，截面相等；
应力波在桩身传递过程中无能量耗散；
假定锤击时的动土阻力集中在桩尖，且与桩尖的运动速度成正比：
根据上述假定，适合CASE法分析的桩，首先要截面相等、材料相同，因为当桩身材料阻抗有突变时，锤击产生的下行波和上行波每次经过截面变化处都要产生反射和透射，而CASE公式中未包含这些反射和透射信息，因此桩身缺陷越严重，CASE法计算误差也就越大，原则上不适合使用CASE法。
其次CASE法只适用于中、小直径桩，且桩长不宜过长。
（2）CASE阻尼系数
是无量纲阻尼系数，与土的类别有关，但又不限于土性，
实际上是一个经验系数，可以通过下述两种方法得到：
①通过同一根桩（或同一工程中相同边界条件桩）的动、静对比得出；
②通过同一工程中相同边界条件桩的高应变实测曲线拟合得出。
［例］：
图5
图6
［例］
图7
（3）波速的影响
波速
的大小直接影响到计算的力和速度值，对动测计算结果影响很大。
从实测桩身弹性模量计算公式
也可以看出，
和
成正比。
而桩身力
也就是由实测应变推算的力大小与
例如波速
增加10%，力就要增加21%，因此准确的确定波速就成为计算桩身力和承载力的关键，无论是CASE法还是后面介绍的曲线拟合法都是一样。
根据实测波形确定
值的方法有以下几种：
①当有明显的桩端反射波时，可通过下行波起升沿的起点到上行波下降沿起点之间的时间差和已知桩长确定（图8）。
设桩长为
，桩顶到传感器之间的距离为
.时间差为
，则该桩的平均波速为：
（5-16）
图8按上、下行波确定波速
②当有明显桩端反射波时，也可以通过速度波起升沿的起点到桩端反射波起点的时间差，或者是速度波第一峰值到反射波峰值之间的时间差确定（图9）：
（5-17）
图9按峰-峰确定波速
③若桩端反射波不明显时，可采用同一种工程中相同条件下（即成桩工艺、桩身材质，桩长等）桩的实测波速代替。
上述确定波速的几种方法中，按上、行波方法确定的波速精度较高，第3种方法在预制打入桩上还可以，因预制桩的桩长确定，桩身材质离散性小，不同的桩之间波速离散性也小。
但在混凝土灌注桩中要尽量避免采用第3种方法。
还需要补充说明的是，不能用低应变或超声波法检测得出的波速去替代高应变实测值，因为低应变和超声波测出的波速都比高应变测出的波速要大。
4、拟合法确定承载力
（1）曲线拟合法的特点
a、不要求桩身等阻抗；
b、可以考虑桩身内阻尼对应力波衰减的影响；
c、假定动阻尼力存在于桩侧和桩端，各单元上土的动阻尼力与静阻力和桩土相对运动速度成正比：
J为Smith阻尼系数，是一个有量纲的系数，它与CASE阻尼系数不同。
（2）Smith阻尼系数推荐值
Smith推荐：
不分土类，桩侧Js＝0.16秒／米；
桩尖
。
三航科研所推荐值：
中粗砂：
，
粉、细砂：
粘土：
里斯等人推荐值：
砂土：
（3）土的最大弹性变形值Q
Smith建议值：
不分砂土和粘土，也不分桩侧和桩尖，Q值一律取0.1吋（2.54mm）；
三航科研所建议值：
Q＝1～4mm。
一般桩端应大于桩侧；
对大直径闭口桩及半闭口桩，Q值还应大些。
里斯等人建议值：
对大直径桩，粘土取1.3～7.5mm，砂土取1.3～5mm。
注意：
各单元输入的土的最大弹性变形值不应超过相应桩单元的最大位移值，否则会出现土阻力未充分发挥时承载力外推。
（4）实测曲线拟合法存在的主要问题
（a）计算曲线与实测曲线偏离太大，谈不上吻合；
（b）输入参数不合理
按设计要求输入土阻力，违背拟合法的基本原则，人为制造假数据。
输入土参数不合理（Js、Q）。
（c）桩身明显缺陷或严重缺损的桩，曲线拟合会产生一定的误差。
5、拟合质量系数
前面提到判别曲线拟合质量的其中一个重要标准是最终的拟合曲线应与相应的实测曲线基本吻合。
为了有一个“吻合”的量的概念，CAPWAPC程序中采用加权方式计算，得出一个称为拟合质量系数的值Er，该方法首先假定土阻力影响区的长度为
左右，然后将拟合完成时的土阻力影响区分成四个区段（见图10）。
时间段1从冲击开始到
时为止，这一区段的波主要用于修正桩侧摩阻力的分布情况。
对以侧摩阻力为主的摩擦型长桩，这一段所占的比重很大；
时间段2是以第一时间段的终点为起点，区段长度为
是从冲击波开始到速度峰值之间的时间。
该区段主要用于桩端土阻力和总土阻力修正；
时间区段3仍以第一时间区段的终点为起点，但区段长度为
，这一段以调整土的阻尼系数为主。
第四时间段以第二时间段的终点作为起点，区段长度20ms左右，这一区段主要用于修正土的卸载系数，如卸载时土的最大弹性变形和土的最大负阻力等。
图10拟合曲线的四个时间区段
拟合质量系数
的计算公式如下：
（
=1,2,3,4）
式中的
为计算的桩顶力波，
为实测的桩顶力波，
为实测桩顶冲击力峰值。
从
的计算方法可以看出，四个区段中以桩端处的权值最重。
愈小，说明拟合曲线与相对应的实测曲线愈接近，相应的土参数也相对合理。
由于不同实例曲线拟合程序中考虑拟合质量系数的方法不尽相同，很难用一个统一的标准衡量拟合曲线的吻合程度，为此《建筑基桩检测技术规范》等标准中均未列出具体的拟合质量系数标准。
国内也有部分地方规程参照CAPWAPC程序，规定了混凝土预制桩和钢管桩的最终拟合质量系数宜小于3%，混凝土钻孔灌注桩的拟合质量系数宜小于5%，并以此作为拟合是否达到要求的标准。
6、主要参数对拟合曲线的影响
下面介绍几个主要土参数对拟合曲线的影响（仅指力波）；
⑴将某一桩单元处的土阻力增加（或减少），会使力的拟合曲线从该单元往后上抬（或下降）。
图11中力拟合曲线在
之前偏低，且
后接近平行，因此只要将
前的一段自左至右适当增加单元土阻力，可达到拟合目的。
图12的拟合曲线在4~8单元偏低，9单元后又偏高。
拟合时宜先增加4~6单元土阻力，再从第7单元起适当降低土阻力，直至
前两力曲线基本吻合。
图11图12
⑵将总土阻力增加，会使整个力拟合曲线上抬。
若在总土阻力不变的前提下降低桩端土阻力，则会使桩端前面部分曲线上抬；
相反，在总土阻力不变的前提下增大桩端土阻力，又会使桩端前面部分的曲线下降。
图13在总土阻力不变的前提下，端阻力占50%时曲线拟合效果较好（上）；
端承力占6%时桩端及前面一段拟合曲线明显偏高；
端承力占90%时拟合曲线又明显偏低。
图13总土阻力不变，不同端阻力对曲线的影响
⑶图14中的拟合力曲线在2L/C及之后的一段出现明显的振荡波，这一现象在平时工程桩的检测分析中较为多见。
遇到这种情况应首先增大桩端Smith阻尼系数，减少高频振荡，然后再根据曲线情况作其它调整。
阻尼系数太大又会使拟合的曲线过于平缓，且承载力偏低。
图14
⑷降低桩端土的最大弹性变形值会引起桩端土快速卸载，从而使2L/C时刻以后的力曲线下降。
图15中拟合的力曲线在2L/C时刻后明显偏高，此时应适当降低桩端土的最大弹性变形，使2L/C时刻后的计算力曲线下降，但这样又会引起2L/C处曲线上抬，需再通过下移静土阻力等措施调整。
图15
目前使用中的曲线拟合软件都有自动拟合的功能，程序能按照给定的数学模型及程序编制者事先设定的土参数变化范围进行试算。
但仅依靠自动拟合是不够的，应在自动拟合的基础上进行人工干预，按照自动拟合结果，根据工程实际的土质情况及使用经验对土参数适当调整。
用自动计算和人工计算相合的方法，会达到较理想的效果。
7、超范围使用高应变检测
a、为设计提供依据的单桩承载力检测应采用慢速维持荷载法；
b、桩身存在严重缺陷的桩一般不要用高应变；
c、高应变难以判别桩身浅部缺陷。
8、桩承载力时间效应
1.打入（压入）式桩的时间效应
几乎所有的桩基试验规范中都对桩从施工结束到承载力试验之间的休止期作出了规定。
“建筑基桩检测技术规范”（JTJ106-2014）规定的休止时间为：
饱和粘土中不少于25d,非饱和粘土中不少于15d，砂土不少于7d，粉土中不少于10d等等。
上述规定的时间都是最少的休止期，有条件时还应适当延长，此外还要根据具体土质情况和当地的经验而定。
桩在打入（压入）土中时，桩周土体受到扰动和侧向挤压，土的颗粒结构发生变化，孔隙水压力增大，土的有效应力降低，引起桩的侧壁摩阻力下降，这在饱和粘土中尤为明显。
随着沉桩结束后的休止，桩周土中的超孔隙水压力逐渐消散，土强度得到恢复，桩的承载力也随之增大，总的规律是在休止的最初一段时间内承载力增长速度较快，随后逐渐变缓，到一定的时间后趋于相对稳定状态。
承载力恢复的速度、时间及增长幅度与桩周土的性质、桩型尺寸、施工过程中土的扰动程度及沉桩后的休止时间等因素有关，难以用简单公式表达清楚。
已有的试验成果和研究资料表明，粘性土中桩承载力的恢复增长速度与土中孔隙水压力的消散过程关系密切（图16），增长幅度可以达到桩打入时的一倍甚至数倍，且群桩中的单桩承载力增长幅度最终会大于独立的单桩，尽管独立单桩的承载力在休止的早期增长较快，但后期一般会慢于群桩。
图17是饱和粘土中打入法施工的混凝土预制桩承载力随时间变化曲线，图中桩的截面尺寸为250×
250mm～350×
350mm，桩长5～9m。
从图中可以看出以下几点：
（1）独立单桩的承载力在休止的前段时间增长速度较快，但后期的增长速度不如群桩中的单桩；
桩群中桩数越多，时效引起的承载力增幅越大。
（2）无论单桩还是群桩，都是休止前期的承载力增长速度快，后期渐趋缓慢。
（3）在其他条件不变的情况下，桩愈长，承载力恢复所需时间也延长，且增长幅度也大。
图16桩侧阻力随时间的增长图17单桩和群桩承载力随时间变化
表1是某工程中的试桩结果，试验桩为直径为900mm、长58m～72m的钢管桩，地面以下33m为粘性土，再往下是砂性土。
钢管桩在不同休止期承载力检测结果表1
桩号
桩长（m）
初压
复压1
复压2
休止天数
承载力（kN）
1
58
19d
10800
34d
11400
205d
14400
2
21d
10200
200d
13200
／
3
72
16d
12000
134d
16200
4
15d
135d
表中的承载力为极限承载力，所有试验都进行到地基土破坏。
从表中数据可以看出，对锤击打入施工的长桩，即使桩身大部分处在砂土层中，桩承载力还是有明显的时间效应，沉桩后休止134d～205d的单桩极限承载力比休止15d～20d时要增大33%～35%，尽管15d～20d的休止时间已满足规范要求。
表2是一根长45m、直径600mmPHC桩的试验结果，该桩全处在饱和粘土层中，休止112d测得的单桩极限承载力达到14d时的1.5倍。
同一根桩不同休止期的承载力比较表2
14
28
56
112
224
极限承载力（kN）
2400
3200
3500
3600
混凝土钻孔（挖孔）灌注桩属于非挤土桩，施工时对周围土体的扰动较小，也不会产生超孔隙水压力，因此桩承载力的时间效应相对打入桩要小得多，干作业成桩的承载力时间效应比泥浆护壁桩更小。
大多数试桩规范都规定，在检测桩的承载力时，采用钻孔（挖孔）的混凝土灌注桩从施工结束至试桩开始的休止期为28d，主要是考虑桩身混凝土强度，也包括桩侧壁泥皮的硬化过程。
表3中列举了部分泥浆护壁钻孔灌注桩在不同休止期的单桩轴向抗压承载力实测结果，除工程①是在同一根桩上多次反复试验外，工程②和③均是在不同桩上的试验结果，表中的实测数据表明，对采用泥浆护壁的混凝土钻孔灌注桩，成桩休止期一个月以后的承载力增长幅度很小。
钻孔灌注桩不同休止期承载力实测值（kN）表3
工程
桩型尺寸
休止期（d）
30～39
108
156
165
171
Φ600mmL=40m
3750
3900
4200
Φ700mmL=59m
7000
Φ850mmL=59m
8100（36d）
7700（63d）
8100（159d）
Φ600mmL=26m
1200（34d）
1420（1900d）
1500（39d）
图18
二、如何通过高应变对低应变结果进行验证
当低应变检测被判为
、
类桩，或低应变检测难以对桩的完整性分类时，可采用高应变抽样检测验证，特别是对那些有接头的预制桩、有严重扩径的钻孔灌注桩或者缺陷埋深较深的桩，用高应变检测桩身完整性的结果可靠性高。
桩身完整性系数
值的物理意义如下：
即桩被测截面阻抗与完整截面的阻抗比。
当桩为一根没有任何阻力的自由杆时，上式成立。
但有二种情况值得注意：
1、高应变检测时推算
值的公式为：
桩侧土阻力及被测截面前面的缺陷均会对
产生影响，测出的
值有一定误差。
2、当缺陷处有其他介质（如土）存在，因这些介质也能传递部分能量，此时
为两种介质的声阻抗之和，
值会大于两截面的面积比，因此当桩在土中完全断开后，
值一般也不等于零。
鉴于上述情况，测出的
值只能作为参考，还要结合其他情况综合判别。
规范中
值判定如下：
类别
值
3、混凝土预制桩的接桩部位、钢桩的高频振荡波等均会出现
值小于1.0，因此在判断桩身完整性时要根据桩身结构、入土深度及经验积累综合评价。
图19
图20
图21
图22
三、试打桩与打桩监控
高应变除了用于检测单桩轴向抗压承载力和判定桩身质量外，还可以用於工程桩正式施工前的试打桩和施工过程中的打桩监控，使得桩基础的设计和施工更加合理。
1、试打桩
一般的桩基工程是先由设计人员根据结构物荷载要求和工程地质勘察资料，确定工程中使用的桩型尺寸，施工部门按照设计的桩型选择沉桩设备，包括打桩锤型号、垫层材料等，但这类桩型和沉桩设备的选择往往根据各自的经验，一旦选型不合理，将会造成桩承载力不满足要求或施工困难，为此在桩基工程正式施工前宜进行试打桩，对海洋和港口桩基工程以及地质条件复杂的地区尤为必要。
试打桩有两个目的：
一是检验设计确定的桩型是否合理，如桩的承载力是不是能满足要求，桩长是否合理等；
二是为施工选择合适的沉桩设备及沉桩工艺提供依据。
试打桩前首先确定试打桩位置，一般应选择在该工程区域有代表性的地方：
如地质有软夹层、桩的锤击贯入度可能会突然增大、甚至可能出现“溜桩”的区域；
有硬夹层，估计沉桩会遇到困难的区域；
持力层埋深较浅、桩入土深度较少的区域等。
按预先确定的桩型和沉桩设备（锤型及垫层材料）进行试打桩。
对试打的桩应该进行全过程监测，内容包括锤击贯入度、锤击数、桩身锤击压应力和锤击拉应力、落锤高度、传到桩身有效锤击能量、打桩对邻近建筑物及岸坡的影响等等。
上述内容可以根据不同工程情况有选择的进行，数据采集可以是全过程的，也可按照桩端进入不同土层和不同深度分别采样，其中对打桩刚开始的一阵锤击、桩端穿透硬层进入软夹层以及桩端进入密实砂层和持力层等几种关键工况要重点监测并详细记录。
对于同一根桩，当落锤高度和垫层材料不变，桩身最大锤击压应力一般出现在桩端进入密实土层或岩层时。
如果是摩擦型桩，最大压应力位置在桩顶附近，端承桩的最大锤击压应力可能出现在桩端。
桩身最大锤击拉应力往往出现在刚开始锤击的软土层中或桩端穿透硬层进入软夹层的一瞬间，最大拉应力位置大多在距桩顶0.2L~0.5L范围（L为桩长）。
除了上述监测内容外，对每一根试打桩还应记录垫层材料的种类、开锤前的厚度与打桩结束时的厚度和状态。
根据需要也可以在同一根试打桩上采用不同落锤高度、不同垫层进行对此试验。
通过试打桩还可以了解特定桩型在不同入土深度时的总土阻力和静土阻力值，这时应尽量选择桩端进入硬层及最终持力层进行测试，且在桩端达设计标高前的50cm~100cm范围内宜连续监测。
通过现场测试和计算分析，可以得到桩端在不同标高时的总土阻力值和静土阻力值，由总土阻力结合打桩贯入度和桩端实测波形反射情况可以大致判别地质概况，进而判别使用的桩锤能量是否合适。
根据静土阻力值可大致判别设计的桩型及入土深度能否满足设计承载力要求。
打桩终了时测出的桩静土阻力与桩周土体经恢复后的单桩承载力是两个不同的值，绝大多数情况下前者小于后者，在灵敏度较高的粘性土中，这一差别可以达到2~3倍。
若要准确了解试打桩的单桩轴向极限承载力，应按照相关规范要求，在桩打入土中休止一定时间后再进行复打试验。
复打时锤必须有足够的冲击能量，使桩周土阻力得以充分发挥，然后再通过曲线拟合法得出桩的承载力值。
通过正式施工前的试打桩检测可以得到许多有价值的资料，为设计和施工及时调整方案提供可靠依据。
图23是一工程钢管桩高应变实测波形，原设计桩端标高为-54m，在两根试打桩监测过程中，发现桩端在接近原设计高程时不仅桩的贯入度增大，桩端处的力波和速度波曲线也较上面反射强烈，桩端承力减小。
根据试打桩实测结果，设计人员及时调整了工程桩的长度。
图23不同深度时测试波形
2、打桩监控
在某些情况下，即使有了施工前的试打桩测试和静载试验资料还是不够，如地质条件的差异、沉桩设备性能的改变、群桩挤土影响等，都会对工程桩的施工带来影响，这时就需要在工程桩施工过程中进行打桩监控，通过监控测试结果指导及补充后续的施工控制标准。
打桩监控的抽样率应根据具体工程而定，检测内容可参照试打桩。
在地质条件复杂、持力层起伏大的区域，既不能按桩端高程
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