高应变检测单桩承载力的推广应用.docx
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高应变检测单桩承载力的推广应用
高应变检测单桩承载力的推广应用
作者/刘红生智广吴伟明王启新丁小文刘学斌
摘 要：
我省交通工程中，大直径桩基采用的越来越多，对桩基的检测（包括成桩质量与单桩承载力的检测）也要求的越来越高，高应变检测单桩承载力的方法在国内有些工程中已得采用，我们在近几年的工作中，对该方法进行了掌握、研究、开发、并在实际工程中推广应用，取得了良好的效果。
关键字：
高应变单桩承载力检测
1、方法的提出
2、方法简述
3、仪器的性能要求及定型
4、试验
5、工程应用
6、结束语
2、方法简述
高应变动力试桩法的特点是瞬态的高应力应为状态来测试桩，提示桩土体系接近极限状态时的实际工作性能，从而对桩的合格性作出正确的评价，具体做法是：
1．用动态的冲击荷载代替静态的维持荷载进行试验，桩身动应变峰值与载试验至极限承载力时静应变在体相当，因此，该方法实际是一种快速的荷载试验。
2．实测时采集桩顶附近有代表性的桩身轴向应变和桩身运动速度（或加速度）的时程曲线，再用一维波动方程的理论去分析，推算出桩周土对桩的阻力分布及土的力学参数，在充分的冲击作用下，就能获得岩土对桩的极限阻力。
3．根据岩土极限阻力分布和其它力学参数，进行分级加载模拟计算，求得静载试验下P-S曲线最终确定合理的单桩设计承载力。
2．1CASE法
2．1．1CASE法的基本公式
桩身受一向下的锤击力后，桩身向下运动，桩身产生压应力波P（T），在桩身的每一载面Xi处作用有土的摩阻力R（I,t），应力波到达该处后产生生一新的压力波向上和向下传播。
上行波为幅值等于1/2R（I,t）的压应力波，在桩顶附近安装一组传感器，可接收到锤击力产生的应力波P（T）和每一载面Xi处传来的上行波。
同样，下行波是幅值为1/2R（I，t）的拉力波，到达桩尖后反射成压力波向桩顶传播，到达传感器位置后被传感器接收，这些波在桩身中反复传播，每到传感器位置时均被传感器接收，在公式的推导过程中不考虑应力波的传播过程中能量的耗散，可得桩的静极限承载力为
式中 L为桩长，
c为应力波波速，c=√E/ρ，
Z为桩身材料的波阻抗，Z＝AE/c。
桩侧摩阻力为
2．1．2参数的取值
在凯斯法中，需要人为选取的参数是土的阴尼系数JC。
国外资料数据见表1和表2。
表1 凯斯阻尼系数建议值
表2 瑞典PID公司的凯斯阻尼系数建议值
2．1．3用高应变检测桩身质量
由于锤击所产生的压力波向下传播，在有桩侧摩阻力或桩载面突然增大处会产生一个压力回波，这一压力回到桩顶时，将使桩顶处的力增加，速度减少。
同时，下行的压力波在桩载面突然减小处或有负摩阻力处，将产生一个拉力回波。
拉力波返回桩顶时，将使桩顶处的力值小，速度增加。
掌握这一基本概念就可在实测的力波曲线和速度曲线中，两者变化关系来判断桩身的各种情况。
根据收到拉力回波的时刻就可以估计出拉力回波产生的位置，即桩身缺损使声阻抗变小的位置。
缺损的损坏程度，我们用损坏载面的声阴抗值Z2与正常载面的声阻抗值Z1的比值β来描述。
β为桩身载面的完整性指标，有
α为缺陷处应力波上下行波幅值的比值。
根据观察到这一异常信号的时刻Tx，即可求得缺陷距传感器的距离
式中，c为波在桩身中传播的速度。
由β值即可判断该载面上缺损的程度。
高勃乐提出了一个鉴别标准，见表3。
表3 桩身缺损鉴别标准
2．1．4记录波形的选取
当在现场测得一组数据后，进行计算，结果的可信度怎样与测试的波形有很大的关系。
什么样的波形算出的结果才是可信的？
下面的两点将是非常有用的。
（1）测试曲线将由加速度和应变曲线组成，通过计算转化为Zv曲线和F曲线，根据行波理论，当桩测摩阻力未发挥时：
P和Zv在起妈段不重合，说明测量到的值不可靠，应仔细检查传感器的安装。
图1为典型的凯斯法波形图。
（2）极限承载力的确定：
每一次锤击都有能求到一个最大的静阻力，这个静阻力是否为桩的极限承
载力值，根据桩与土的作用机理，只有当桩与土发生相对运动时，静摩阻力才发挥出来。
一般有两面种判别标准，一种是测定桩的永久变形，据资料分析，当桩的贯入度达到2mm左右时，桩的摩阻力已得到民挥，测得的静阻力即为极限承载力，另一种判别办法是通过不同的落锤高度，如果桩的摩阻力已充分发挥，则增加的锤击能量将转化为桩的运行，也就是如果不同高度得到的静阻力值接近，则这种阻力值即为极限承载力。
2．2CAPWAPC方法
2．2．1方法简述 图1 典型的凯斯法波形图
Case法的计算承载力结果取决于一个假定的阻尼系数JC，它需要经过一系列的动静对比试验来确定阻尼系数的取值，为此，Smith于1960年建议采用通过测量桩头力与速度的变化，结合反映桩土模的波动方程，给出一组Smith类型的土参数的质弹模型（capwap）。
Capwapc是在capwap的基础上发展起来的。
2．2．2capwapc过程描述
CAPWAPC的结果是基于计算出的桩头参数（即桩头力）与实测值之间的最佳拟合，一旦拟合最优，分析告完成，如果两种参数之间的拟合不令人满意，就要不断改变土阻力参数，重新计算桩头参数。
（1）桩摸型
桩被分割成长为1M左右的桩段（用户也可以改变桩段长）桩段长根据力波在桩段中传播的时间相等进行计算，仅仅对于由不同材料组成的桩，才需要不同的桩段长。
假设桩段载面均匀，每个桩段i，其长度为DL1，其中波的传播时间为Dti。
等于分析时的时间增量，DT，因此，对于可变的桩性质Ei，Wi（弹性模量、重量Wi=pig），每段I的波速Ci为
Smith模型中的N是桩段和桩侧摩阻力的个数，在连续模型中，Np是土段的个数，Ns是侧摩阻力个数。
注意，如果在相应的长度增量内，桩的性质是变化的，则Ci,Ei,Wi可能是桩段长度内的平均性质。
由于每个桩段是均匀的和线弹性的，土段I顶部j时刻的下行波Fij，与土段I，底部j+1时刻的下行波相等。
对于有变截面的桩，在具有不同性质的变截面处就会发生反射，阻力与桩底也引起上行的反射波，在分析中要跟踪上、下行波，根据应力波理论，结合桩段的上、下边界条件，对两种类型的波进行迭加，速度Vi通过积分变换成段I的位移Ui,进一步详细描述见下述第（3）点第f条。
（2）土模型
桩段相对于土（注意，在Smith方法中，认为是固定不动的）的位移和速度计算土阻力基础。
Smith土模型由一个弹塑性弹簧和一个线性阻尼器组成。
在桩段i，阻力发生作用通过三个变量来表述：
极限阻力Rui，弹限qi，以及粘性阻尼系数Ji。
总的静承载力Rut，就是所有的Rui总阻力（静阻力加动阻力）Ri由下式计算：
式中，Rsi和Rdi是段I的当前静、动阻力，即
则称Vai为Smith阻尼系数。
如果
则称Jvi为Viscs（粘性）阻尼系数。
另外要说明，桩段数Np可能与侧摩阻力数Ns不等，考虑一个"土段"k,在桩段I内，假设已知桩段速度Vi以及位移ui，粘性阻尼数jk,则第K段阻力变为
其中
（3）行波算法
a、均匀桩
在任一时刻tj，在段I内，存在上行波Fu,I,j和下行波Fu,I,j，对于具有同样性持的相邻丙段I-1,I,I+1,则有
B、非均匀桩
段I的阻阻力
式中，Ai为段I的平均截面积，为了简化，定义
如果段I和I+1具有不同性质，J+1时刻上行波可由时刻J的值计算出
C、桩阻尼
引入桩身材料内阻尼Cp，计算桩身各处的力值
式中，Cp通常小于等于0。
02
D、桩头参数
在桩头可用力Fm,j或Vm,j或下行波Fdm,j（M表示实测，J表示时刻）来描述，相应的计算为：
注意，在波的拟合完成以后，为了进行与实测值的比较，计算的桩头力实测下行波与计算上行波之和，CAPWAP的计算结果应该包括计算与实测桩头力的比较。
E、桩尖
在桩尖
式中，Rns+1为桩尖阻力，Rns为最下一个桩段的桩身阻力。
F、桩变量
段I的力
速度
位移
2．2．3CAPWAPC过程
（1）未知变量
桩被分成Np段，土段Ns因为对于带有三个知数的每个土阻力，则总未量为3（Na+1），在部分情况下，所有的侧面土弹限和Smith侧面阻尼因子都是相同的，这等效于粘阻因子静摩阻成比例，所以，有Na+1未知数Rui和两个未知量：
阻尼，弹限。
加上桩尖的土体质量Ws，土体阻尼Jms共有总未知变量：
Na+1+2+2=Ns+5
A、侧面土弹限
为了数值分析的稳定性，侧面土弹限不能为零（理想塑性情况）。
它们不能超过最大桩位移，否则阻力便不能充分调动，大的侧面土弹限使阻力发挥滞后。
所以，当侧面土弹限较大时，计算的上部土体的阻力就大。
最好是使用桩侧土弹限接近2.54MM，除非是最后计算的力太低，没有其他办法来增加它们。
B、桩尖土弹限
桩尖土弹限不能为零，也不能越过最大桩尖位移与桩尖裂隙厚度之差，它的作用与侧面土弹限是一样的，另外，大的桩尖土弹限在高的桩尖承载力情况下允许2L/C时出现大的拉伸波，除非桩打入岩石中，桩尖土弹限通常大于侧面土弹限。
C、桩侧土阻尼
这个非常重要的参数，可以用两种不同的方式说明，首先，凯斯阻尼第数法是有效的，Jskn可以列为无量纲参数，它也可以小到零（尽管常见），也可以大到3，然而，没有任何理由说明为什么Jskn对于低阻抗的长桩不能很大，但是，对于任何单元都不存在凯斯阻尼系数大于1。
0的情况。
Smith阻尼系数法比Case阻尼系数法好，它与土的静阻力有关，在这种意义上，SSkn（Smith桩侧土阻尼）的值是由CAPWAPC计算出来的，土阻力的任何改变将导致SSKN的改变，由此Jskn为常量。
推荐Smith测阻尼值的范围为0。
075～1.0S/M。
然而，在实际中也可能会出现过大或过小的值。
D、桩尖土阻尼
桩尖土阻尼也可以由Case法或Smith法来进行说明，最大的Case桩尖阻尼值小于是1.0。
Smith桩尖阻尼通常与桩侧Smith阻尼是相同的。
E、桩尖土阻尼，
该质量加入模型延缓了桩尖阻尼器的效果，它用重量Ws表示。
推荐值可从桩尖土算起，直到3倍的桩直径的土体质量。
F、桩尖土阻尼器
该参数常用于未嵌入土或岩石中的桩，通常该参数为零，如果由于桩尖幅射阻尼的问题，它可以不为零，它可以小于0.2（单位为EA/C）。
G、桩身内阻尼
桩身内阻尼可以用来光滑拟合曲线，但必须引起注意，例如，钢桩的内阻尼可能相当低（0.01%），混凝土的内阻尼Cp=0.02，木桩的值可能稍高一些，对于非常长的桩，必须将材料阻尼减少许多。
CAPWAPC未知量一览表如表4。
（2）拟合质量评价
拟合质量是通过桩头计算与实测值的相对误差的绝对值进行求和一评价的，在一定时刻K内，拟和质量数为
式中，Fjc为桩头力的计算值（J时步），Fjm为桩头力的实测值（J时步），Fm为桩头实测力的最大值，SUM为对拟合时间段求和。
在国家建筑工程质量监督检测中心发布的《高应变动力试桩法暂行规定》中提到，对于混凝土桩其MQ值小于10。
2．2．4用非线性有限元模拟P-S曲线
桩的破坏模式主要取决于桩周土的抗剪强度，桩端支承情况、桩的尺寸以及桩的类型等条件。
摩擦桩、端承摩擦桩、摩擦端桩和端承桩的破坏模式各有不同。
常规的桩顶荷载一桩顶下沉量（P-S）曲线基本上反映这样情况。
在拟合程序中，根据高应变法实测的桩顶Fm（t）t和Vm（t）,用波动程法反演桩周土阻力及桩尖土阻力分布，得出桩的极限承载力，因此，可给出模拟静载的P-S曲线。
3、仪器的性能要求及定型
一套完整的测桩仪，应能够足现场测试及数据分析的要求，而且仪器的配套性及维修方便性亦要满足使用要求，一种高品位的测桩仪至少应在以下几个方面达到很高的水准。
3．1议器的硬件要求，包括A/D转换器、前置放大和滤波器、稳定性和适用性
3．2仪器的配件性和维修方便性亦应满足现场测试、记忆、再现功能，合理正确的实时分析功能，美观的图形打印与显示功能等。
3．3仪器的配套性和维修方便性亦应满足现场测试要求。
经过各种比较，包括从技术、质量、经济各个方面考虑，我们对国内多家生产测桩仪器的厂家进行了产品性能的调研，最后选择购买了中科院武汉岩土力学研究所生产的FD-P204B型浮点测仪，其性能指标如下：
FD-P204B性能指标：
（1）触发通道：
8道可选（CH1、CH2、CH3、CH4、CH1和CH2、CH3、CH4、EXT、手动）
（2）触发方式：
前置、延迟
（3）触发电平：
5档（0.4V、0.6V、0.8V、1.0V、1.2V）
（4）信号通道：
共4道
（5）放大器带宽：
0～350kHz通整要带宽0～1.5kHz
（6）放大器增益：
浮点1～253倍。
前置放大器增益100倍，整机放大器1～25600倍
（7）系统误差≤1%
（8）滤波器：
20、40、80、100、250、1K、3K、20KHZ八档低通
（9）A/D转换精度：
4道独立并行同步，最快转换时间10US（100KHZ）
（10）A/D转换间隔：
16位，±1/2LUS
（11）A/D采样间隔：
10us～653535us（步距lus）
（12）采样点数：
1024、2048、4096、8192选置
（13）电荷放大器：
2道
（14）动态应变仪：
2道
（15）标准并行口：
可与任何配有标准并行口的计算机通讯
由于上面的指标可以看出，FD-P204浮点动测仪无论从A/D转换器的性能，前置放大、采样精度均完全能够满足高应变现场测试的要求。
4、试验
高应变动力试桩法的形容应用我们很早已开展了这方面的工作，我们本着边研究、边开发、边应用的原则，在该方法在交通工程中推广应用之前，已在建筑系统的诸多工程中推广应用了，根据我们近两年更深一步的研究，积累了大车的现场检测经验与仪器操作要点，并收集了大量的动静对比资料。
4．1现场检测操要点
4．1．1试桩桩头处理
高应变试桩是用落锤直接锤击桩头，在桩头上将会产生很大的局部应力，为避免桩头破坏，保证锤击力的正常传递，必须对试桩桩头进行处理，根据我们的经验，桩头应作如下处理：
（1）桩头应作加固处理，桩身主筋应在同一平面上，并在桩头砼保护层之下；
（2）桩头平面应平整，水平；桩头中轴线应与桩身中轴线重合，桩头截面积应尽量与桩身截面积相同；
（3）桩头砼强度应比桩身砼强度高1~2个等级，且不得低于C30；
（4）测试时桩头上垫以硬橡胶板、胶木板或2CM厚细沙作为锤垫。
4．1．2试验设备准备
（1）动态检测仪，包括便携式微机、数据采集仪、应变与加速传感器，打印机；
（2）一些必要的附件，包括冲击钻、电源稳压器、贯入度观测仪，电工工具；
（3）锤击装置，包括重锤与脱钩装置；
（4）进场检测前，应对仪器进行全面的试机与调试，检查脱钩装置的性能。
4．1．3试验操作要点
（1）现场试验仪器应具有现场显示、记录、保存实测力与速度的功能，并能进行数据处理、打印和绘图，仪器设备装置示意图见图2。
（2）为减少可能出现的偏心锤击的影响，试验时必须安装应变传感器和加速度传感器各两只，其安装应符合如下规定：
A、传感器分别对称安装在桩顶以下桩身两侧，与桩顶之间的垂直距离不宜小于2d（d为桩直径），对于大直径桩，传感器与桩顶垂直距离也不得小于1d；
B、安装传感器的桩身表面必须平整，且其周围不得有缺损或断面突变，安装范围内的材质和截面尺寸必须与原桩身等同；
C、应变传感器的中心与加速度传感器中心位于同一水平线上，两者之间的水平距离不宜大于10cm；
（3）传感器宜用膨胀螺栓固定，安装应符合下列规定：
a，螺栓孔应与桩身中轴线垂直，膨胀螺栓安装好后应很牢固；
b，安装完毕后应变传感器应紧贴桩身表面，初始变形不得超过规定值，中轴线应与桩身中轴线平行，测试过程中不得产生松动，但亦不宜拧得过紧，否则测试时应变传感器容易损坏；
c，当进行连续锤击试验时，应先将传感器引线与桩身固定可靠，防止引线振动使得测试信号质量变差或传感器受损；
d，螺栓固定后宜在加速度传感器底座上用石膏与桩身表面粘结，以增加螺栓的刚度，消除寄生振荡。
现场检测传感器安装具体示意图见图3；
4．1．4测试技术要求
（1）测试仪器距离试桩5--15cm，且仪器与试桩之间的视线无障碍；
（2）测试前认真检查确认整个测试系统处于正常状态，仪器机壳接地良好，并事先设定各类参数，直至确认无误时，方可开始试验；
（3）测试信号应有足够持续时间，力和加速度时程曲线最终均必须归零；
（4）测试时宜实测每一锤击作用下桩的贯入度，单击贯入不宜小于2mm；
（5）测试时应及时检查每锤所采集数据的质量并及时调整各项参数，如发现桩身质量有明显缺陷程度加剧，应停止试验，进行检查；
（6）当锤击后发现下列情况之一时，应及时采取有关措施补救，且其所测数据不得作为分析计算依据；
a．传感器振动或安装不良造成信号有寄生振荡；
b．严重偏心锤击，一侧信号呈现严重受拉；
c．传感器出现故障未采集到信号；
d．传感器安装处混凝土开裂；
（7）按规定填好现场测试记录，记录中应包括现场情况描述，测试参数的设置，有关的桩基施工记录。
测试过程中出现的有关异常现象；
（8）参加试验的全部人员应严格要求，认真负责，仔细操作，密切配合，按规定进行测试。
（9）检测完毕后应立即出具检测报告，检测报告的格式应符合标准，措辞严谨，结论准确。
4．2动静对比试验与资料的收集
4．2．1动静对比试验
为实际检验该方法的准确性，我所在近年的建筑工程应用实践中，做了大量的动静对比试验，下面为我所所做的典型对比试验资料。
（1）南昌沙井住宅小区试2#桩，图4为该桩实测与计算波形曲线，动测极限力为1436kN，静压结果为1440kN，动测结果与静压值得接近。
（2）南昌新博物馆工地作试1#、2#、3#桩，图5、6、7为三桩实际与计算波形曲线，根据甲方与设计单位要求，三桩静压值只加至设计荷载，试1#，试2#桩加至设计荷载时，桩顶下沉量较小，试1#桩为11.97mm，试2#桩为15.69mm，两桩实际极限承载力应比静压值高出较多，试3#桩力，动测结果为试1#桩桩顶下沉量较大，达到24.32mm且最后一级荷载下沉值达5.78mm，静压值已接近实际限承载力，动测结果为试1＃桩极限承载力8198kN，试3#桩5968kN，由以上可得出，动测结果与实际桩基承载力情况很接近。
4．2．2动静对比资料的收集
在近几年的研究工作中，我所收集了大量的动静对比资料具体如表5。
从上面的对比可以看出，动测所测单桩承载力与实际静压值的相对误差在10%以内，在积累了一定数量的动静对比资料与地区经验之后，可以用动测法代替静载试验。
特别是交通工程中的大型桩基，采用动测法确定桩的承载力，检查桩的质量，可使工程建设费用降低，且抽检率提高，施工周期缩短。
5、工程应用
经对动测法检测单桩承载力方法的研究，开发，吸收之后，我所课题组在我省交通工程中进行了该方法的实际工程应用。
在我所课题组前期的研究工作中，动测法确定单桩承载力采用Case法计算，该方法中有一桩尖阻尼Jc值需人为根据经验确定，为更准确的根据动测法缺点单桩承载力，在交通工程的应用中，课题组对承载力的计算方法进行了改进，采用CAPWAPC方法，该方法不仅能提供单桩极限承载力，还可提供桩身阻力分布曲线和模拟静载P---S曲线。
根据昌樟速公路工程指挥部要求，对药湖高架桥三根有怀疑的桩进行了承载力检测。
检测中采用了本课题专门设计的击震系统，该击震系统经实际应用表面：
击发能量，击发波形满足要求，工作平衡，安全，起吊，运输方便。
图8、9、10分别在三桩65#左、65#右、67#左桩实例与计算桩头力波曲线，从图上可以看出，三桩实例与计算力波曲线均拟合得很好，曲线表面65#左桩，65#右桩桩身完整，67#左桩在6m处有括颈，与高应变测试进行的小应变测试结果完全吻合。
检测结果表明，三桩承载力与地质，施工情况相吻合，所测三桩承载力均能满足设计要求，消除了工程指挥部的疑虑，获得了工程指挥部的好评。
6、结束语
通过我们的研究与实际应用，高应变动力测桩法与静载试验相比有以下特点：
1．测试费用低。
在昌樟高速公路工程的应用中，静载试验预算费用为每条桩10万元，而高应变方法为1万元，高应变方法仅为静载的1/10。
2．测试设备轻便。
测试承载力1400T的桩，静载设备重达65吨，主梁长达20多吨，给进出场带来很大的困难，高应变设备仅12T，一辆加长东风汽车即可运进场。
3．测试时间短。
静载方法测试单桩需20多天，高应变方法一天即可3条桩的现场检测。
4．检测精度满足要求，结果更完善。
静载方法可提供P---S曲线，单桩承载力。
高应变同样可提供上述数据，承载力误差在10%以内，而且还可提供桩身质量评价，桩身阻力分布曲线。
我所《高应变检测单桩承载力的推广应用》课题组经多年来对该方法的研究，开发，吸收，应用，现已取得了一定的应用成果。
使我省交通工程桩基检测水平达到了国内先进水平，现已能够对交通工程中多种地质条件，多种施工工艺下的各类桩进行承载力的确定。
其基础上的应用，有效地促进了桩基工程质量水平的提高，有利于工程施工质量控制与把关，及时发现，清除工程隐患，其社会效益与经济效益是显而易见。
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