港口工程桩基高应变动力检测.docx

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港口工程桩基高应变动力检测

3.1一般规定

3.1.1高应变动力检测，应通过分析桩在冲击力作用下产生的力和加速度，确定桩的轴向承载力，评价桩身完整性，并分析土的阻力分布、桩锤的性能指标、打桩时桩身应力及瞬时沉降特性。

当有静载荷试验时，高应变动力检测的轴向承载力结果应与静载荷试验结果进行对比。

3.1.2高应变动力检测成果可为下列工作提供依据：

（1）校核桩设计参数的合理性；

（2）选择沉桩设备与工艺；

   （3）桩基施工质量动力检测评定。

3.1.3检测桩的数量应根据地质条件和桩的类型确定，宜取总桩数的2%～5%，并不得少于5根。

对地质条件复杂、桩的种类较多或其他特殊情况，可适当增加检测数量。

3.1.4当进行桩的轴向极限承载力检测时，检测桩在沉桩后至检测时的间歇时间，对粘性土不应少于14天，对砂土不应少于3天,对水冲沉桩不应少于28天；对灌注桩，除应满足上述有关时间规定外，其混凝土的强度等级尚应达到设计要求。

3.1.5采用高应变动力检测时，应具备下列资料:

（1）有关的工程地质、地形和水文资料；

（2）桩基础施工图；

   （3）桩基施工记录；

   （4）检测桩混凝土强度试验报告；

   （5）检测桩桩顶处理前、后的标高。

3.1.6高应变动力检测结果应形成检测报告，检测报告应符合附录A的有关规定。

条文说明

3.1.1港口工程桩基施工前，在很多情况下需进行静载荷试验，此时应先在静载荷试验桩上进行高应变动力检测，并将取得的动力检测数据与静载荷试验数据在同等条件下作对比分析。

一方面验证动力检测数据的可靠性；另一方面如静载结果可信，而对比误差较大，就要对动测参数进行修正，以便为该工程进一步的检测及今后其他工程的检测积累数据。

3.1.3对作过静载荷试验的桩基工程，其工程桩的检测桩数可取总桩数的2%，并不得少于5根；对于未作过静载荷试验的桩基工程，其检测桩数可取总桩数的5%，并不得少于5根。

3.1.4沉桩时，由于桩在土中的冲剪排挤作用，使土体受到破坏；沉桩后，桩周土体强度随时间的推移而不断得到恢复，这种作用可称作时间效应。

根据岩土工程方面的研究，时间效应的规律一般可用指数曲线反映。

在沉桩之初，承载力的变化极为迅速，随着时间的推移越来越慢。

土的粘性越大，变化的速度也越慢，趋于稳定所需的时间也越长，因此从沉桩至复打检测要规定一定的间歇时间。

本条规定的间歇时间与现行行业标准《港口工程桩基规范》（JTJ254—98）相一致。

3.1.5要求具备的技术资料，一方面可作为检测的依据，另一方面也可对检测结果进行校验，有利于提高检测结果的可靠性和准确度。

3.2仪器设备

3.2.1检测仪器应具有现场显示、记录、存储实测力与加速度信号的功能，并能进行数据处理、打印和绘图，其性能应符合下列规定。

 3.2.1.1数据采集的模拟数字转换器的位数不应小于16位，通道之间的相位差应小于50μs。

 3.2.1.2力传感器应采用工具式应变传感器，应变传感器安装谐振频率应大于2000Hz，在1000με测量范围内的非线性允许误差应为1%，因导线电阻引起的灵敏度降低值不应大于1%。

 3.2.1.3加速度传感器安装后，在2～3000Hz范围内灵敏度降低值不应大于5%，冲击加速度在10000m/s2范围内的幅值非线性允许误差应为5%。

3.2.2检测仪器应定期进行标定，标定的周期应符合国家计量法规的有关规定。

3.2.3打桩机械或类似的装置均可作为锤击设备。

重锤宜用铸钢或铸铁制作，且应质量均匀、形状对称、锤底平整。

当采用自由落锤时，锤的重量应大于预估单桩极限承载力的1%。

3.2.4检测时，桩的贯入度可采用水准仪等光学仪器测定。

条文说明

3.2.2仪器系统使用过程中，精确度会发生变化，因此需要定期标定。

3.3检测技术

3.3.1现场检测参数的取值应符合下列规定。

 3.3.1.1检测桩的截面积、桩材的重度和弹性模量应在测点处取值。

 3.3.1.2桩长应取传感器安装位置至桩底间的距离。

 3.3.1.3桩身应力波波速的设定应符合下列规定：

（1）对钢桩，波速值应设定为5120m/s；

（2）对混凝土桩，应根据经验波速设定，并根据实测波速进行调整。

实测波速的确定方法应符合第3.4.2条的规定。

 3.3.1.4桩材重度的设定应符合下列规定：

（1）对钢桩，重度应设定为78.5kN/m3；

（2）对混凝土预制桩，重度宜设定为24.5～25.5kN/m3；

   （3）对混凝土灌注桩，重度宜设定为24.0kN/m3。

 3.3.1.5桩材弹性模量设定值应按下式计算：

                           （3.3.1）

式中E——桩材弹性模量（MPa）；

    C——桩身应力波波速（m/s）；

    γ——桩材重度（kN/m3）；

     g——重力加速度（m/s2）。

 3.3.1.6力传感器和加速度传感器标定系数应采用国家法定计量机构开具的标定系数。

3.3.2现场检测应符合下列规定。

 3.3.2.1检测桩桩头应能承受重锤的冲击，对已受损或其他原因不能保证锤击能量正常传递的桩头应在检测前进行处理。

混凝土桩头的处理方法可按附录B的规定执行。

 3.3.2.2桩顶应设置桩垫，桩垫宜采用胶合板、木板或纤维板等材质均匀的材料。

 3.3.2.3传感器安装应满足下列要求：

（1）应在桩身两侧沿桩轴线对称安装两只加速度传感器和两只力传感器，见图3.3.2；传感器的中心应处于同一横截面上；传感器与桩顶间的垂直距离，对一般桩型不宜小于2倍桩径或边长，对直径大于1m的桩，不宜小于1倍桩径；

图3.3.2 测点处传感器安装示意图

（a）混凝土方桩；（b）混凝土灌注桩；（c）H型钢桩；（d）管桩

l—传感器与桩顶间的距离（m）；d—桩径或边长

（2）安装传感器的桩身表面应平整，且其周围无缺陷或截面突变；

   （3）传感器的安装宜采用膨胀螺栓固定，螺栓孔应与桩侧面垂直，安装后的力传感器和加速度传感器应紧贴桩身；

   （4）水上检测时，应采取措施预防传感器或导线接头进水；

   （5）锤击时，应将传感器电缆线固定在桩身上，预防振动受损。

 3.3.2.4当检测出现下列情况时，应及时检查、调整或停止检测：

（1）测试仪器失灵；

（2）传感器松动、测点处混凝土开裂、桩身出现明显缺陷且缺陷程度加剧；

   （3）测试信号异常或连续采集时信号无规律、离散性较大。

条文说明

3.3.1高应变动力检测中，对实测曲线进行分析计算需从时间、长度、波速中根据已有的技术资料和检测数据确定两者，而求出第三者。

港口工程桩大多以打入桩为主，其桩长较易确定，因此应尽可能以实际桩长作为已知条件；至于波速，除钢桩的桩身波速可视为定值外，混凝土桩的波速一般在3600～4400m/s之间，检测时，可预先设定经验波速，然后根据实测波形计算后加以调整。

 3.3.2.3实践证明，传感器安装技术是检测成功与否的先决条件，应予以高度重视，安装务必规范化。

对安装传感器的间距作出要求，主要是为了确保得到高质量的实测信号。

3.4轴向承载力确定和桩身完整性评价

3.4.1测试信号的选取应符合下列规定。

 3.4.1.1锤击后出现下列情况，其信号不得作为分析计算的依据：

（1）力的时程曲线最终未归零；

（2）锤击严重偏心，一侧力信号呈现受拉状态；

   （3）传感器出现故障；

   （4）测点处桩身混凝土开裂或有明显变形；

   （5）其他信号异常情况。

 3.4.1.2分析计算轴向承载力的信号，宜取锤击能量较大的测次。

3.4.2分析计算前，应根据实测信号按下列方法确定平均波速。

 3.4.2.1桩底反射信号较明显时，可根据下列方法确定波速：

（1）根据速度波第一峰上升沿的起点到桩底反射峰上升沿的起点之间的时差与已知桩长值确定平均波速，见图3.4.2-1；

图3.4.2-1速度波法桩身波速的确定示意图

F-某时刻测点处实测的锤击力（kN）；L-测点以下桩长（m）；

V-某时刻测点处实测的速度（m/s）；Z-桩身截面力学阻抗（kN·s/m）；

t-锤击力作用下应力波反射到测点处的时间（ms）；C-桩身应力波波速（m/s）

（2）根据实测信号下行波上升沿的起点和上行波下降沿的起点之间的时差与已知桩长值确定平均波速，见图3.4.2-2，下行波和上行波的幅值应按下列公式计算：

                      （3.4.2-1）

                      （3.4.2-2）

式中Fd——某时刻测点处测得的下行波的幅值（kN）；

   Fu——某时刻测点处测得的上行波的幅值（kN）；

   F——某时刻测点处实测的锤击力（kN）；

   V——某时刻测点处实测的速度（m/s）；

   Z——桩身截面力学阻抗（kN·s/m）。

 3.4.2.2桩底反射信号不明显时，宜根据桩长、混凝土的经验波速和邻近桩的波速值综合确定。

图3.4.2-2下行波法桩身波速的确定示意图

F-某时刻测点处实测的锤击力（kN）；Fd-某时刻测点处测得的下行波的幅值（kN）；

Fu-某时刻测点处测得的上行波的幅值（kN）；L-测点以下桩长（m）；

C-桩身应力波波速（m/s）；t-锤击力作用下应力波反射到测点处的时间（m/s）

3.4.3单桩承载力的确定应符合下列规定。

 3.4.3.1确定单桩承载力宜采用实测曲线拟合法，并应符合下列规定：

（1）桩和土的力学模型应能反映桩土系统应力应变的实际性状；

（2）可用实测的速度、力或上行波信号作为边界条件进行拟合；

   （3）曲线拟合时间段长度，不宜小于5L/C；

   （4）拟合分析所选参数应在岩土工程的合理范围内，各单元所选取的土的最大弹性位移值不得超过相应桩单元的最大计算位移值；

   （5）最终的拟合曲线应与实测曲线基本吻合；

   （6）贯入度的计算值应与实测值基本吻合。

 3.4.3.2采用CASE法确定单桩承载力时，应符合下列规定：

（1）检测桩应材质均匀、截面相等或基本相等；

（2）宜根据同一工程中相同类型桩的动、静对比试验确定土的阻尼系数；当不具备动、静对比试验条件时，可通过实测曲线拟合法确定土的阻尼系数，其拟合桩数不应少于该工程动测桩数的30%，且不得少于3根。

   （3）单桩承载力可按下式计算：

Rc=（1-Jc）[F（t1）+Z·V（t1）]/2+（1+Jc）[F（t2）-Z·V（t2）]/2 （3.4.3-1）

Z=A·E/C                                       （3.4.3-2）

t2=t1+2L/C                                        （3.4.3-3）

式中 Rc——CASE法确定的单桩极限承载力（kN）；

     Jc——CASE法阻尼系数；

     F——某时刻测点处实测的锤击力（kN）；

  t1、t2——速度第一峰和第二峰对应的时刻（ms）；

F（t1）、F（t2）——t1、t2时刻测点处实测的锤击力（kN）；

V（t1）、V（t2）——t1、t2时刻测点处实测的速度（m/s）；

    Z——桩身截面力学阻抗（kN·s/m）；

    A——桩身截面积（m2）；

    E——桩材的弹性模量MPa；

    L——测点以下桩长（m）；

    C——桩身应力波波速（m/s）。

3.4.4桩身完整性评价可采用β法，宜按表3.4.4进行，并应符合下列规定。

桩身完整性评价标准      表3.4.4

β值

完整性评价

β=1.0

完整桩

0.8≤β<1.0

基本完整桩

0.6≤β<0.8

明显缺陷桩

β＜0.6

严重缺陷桩或断桩

 3.4.4.1在使用表3.4.4时应结合桩身结构性状综合判别。

 3.4.4.2桩身完整性系数可按下式计算：

                  （3.4.4-1）

式中         β——桩身完整性系数；

F（t1）、F（t2）——t1、t2时刻测点处实测的锤击力（kN）；

V（t1）、V（t2）——t1、t2时刻测点处实测的速度（m/s）；

      tx——缺陷反射峰所对应的时刻（ms）；

 F（tx）——缺陷反射峰对应时刻测点处实测的力（kN）；

 V（tx）——缺陷反射峰对应时刻测点处实测的速度（m/s）；

     ΔR——缺陷以上部位土阻力的估计值，等于缺陷反射起始点的锤击力减去速度与桩身截面力学阻抗的乘积，取值方法见图3.4.4；

      Z——桩身截面力学阻抗（kN·s/m）。

图3.4.4桩身结构完整性系数计算示意图

 3.4.4.3桩身缺陷断面位置可按下式计算确定：

X=C（tx-t1）/2                   （3.4.4-2）

式中X——计算点与测点间的距离（m）；

   C——桩身应力波波速（m/s）；

   tx——缺陷反射峰所对应的时刻（ms）；

   t1——速度第一峰所对应的时刻（ms）。

 3.4.4.4在判别桩的缺陷位置或缺陷程度时，应注意对实测力信号和速度信号的判别分析，并观测在连续锤击情况下缺陷程度的变化情况。

条文说明

 3.4.1.1检测结果的可信度与测试信号有密切关系，因此要求选取的测试信号规范并具有代表性。

 3.4.1.2采用打桩机锤击沉桩时测到的锤击信号，不同击次下锤击能量有所变化，锤击能量越大，桩周土阻力发挥越充分。

 3.4.3.1本条对曲线拟合时间段长度作出规定，是为了取得必要的计算分析数据。

港口工程桩一般以长桩为主，取5L/C已能满足上述要求。

 3.4.3.2CASE法确定单桩承载力的关键在于选取合理的阻尼系数。

本条规定阻尼系数应根据动静对比试验或实测曲线拟合法来确定。

阻尼系数只是经验参数，不同地质条件、不同类型的桩，其阻尼系数也不同，因此CASE法确定承载力宜谨慎采用。

3.4.4高应变桩身完整性检测，通常随单桩承载力检测同步进行，因其能量较大，在测试深度及准确性方面均优于低应变检测，但与低应变检测相比，费用较大、时间较长，因此一般未普遍采用。

3.5桩的试打测试及打桩监测

3.5.1桩的试打测试可为选择工程桩的桩型、桩长、桩端持力层和沉桩锤型提供依据。

桩的试打测试，应按实际需要确定所需测试的土层和标高。

试打桩位置的工程地质条件应具有代表性。

3.5.2桩端持力层宜根据试打桩实测承载力与贯入度的关系，并结合场地工程地质勘察资料综合确定。

3.5.3打桩终锤标准宜通过试打桩测得的承载力与贯入度的关系，以承载力为基准制定，代表桩数不宜少于3根。

3.5.4根据桩的试打测试所估算的桩的承载力值，应为初打测得的静土阻力值与地基土的强度恢复系数的乘积，并应进行复打测试校核，复打桩数不宜少于3根，复打至初打的间歇时间应符合第3.1.4条的有关时间规定。

3.5.5试打桩的桩型、材质、沉桩锤型、桩锤落距和垫层材料应与工程桩相同。

3.5.6桩身锤击应力监测应包括桩身锤击拉应力和锤击压应力两部分。

3.5.7锤击时桩身应力最大值的监测应符合下列规定：

（1）桩身锤击拉应力宜在桩端进入软土层或桩端穿过硬土层进入软土层时测试；

（2）桩身锤击压应力宜在桩端进入硬土层或桩周土阻力较大时测试。

3.5.8最大桩身锤击拉应力可按下列公式计算：

          （3.5.8-1）

                           （3.5.8-2）

式中σt——最大桩身锤击拉应力（kPa）；

     Z——桩身截面力学阻抗（kN·s/m）；

 V（t2）——t2时刻测点处实测的速度（m/s）；

 F（t2）——t2时刻测点处实测的锤击力（kN）；

 F（ty）——ty时刻测点处实测的力（kN）；

  V（ty）——ty时刻测点处实测的速度（m/s）；

    A——桩身截面积（m2）；

    t1——速度第一峰对应的时刻（ms）；

    L——测点以下桩长（m）；

    X——计算点与测点间的距离（m）；

    C——桩身应力波波速（m/s）。

3.5.9最大桩身锤击压应力可按下式计算：

σp=Fmax/A                                （3.5.9）

式中σp——最大桩身锤击压应力（kPa）；

   Fmax——力传感器测得的最大锤击力（kN）；

     A——桩身截面积（m2）。

3.5.10锤击能量监测应符合下列规定。

 3.5.10.1桩锤传递给桩的能量可按下式计算：

                             （3.5.10）

式中En——桩锤实际传递给桩的能量（kJ）；

    T——采样结束的时刻（ms）；

    F——某时刻测点处实测的锤击力（kN）；

    V——某时刻测点处实测的速度（m/s）。

 3.5.10.2桩锤效率应为桩锤传递给桩的能量与桩锤额定能量的比值，单动柴油锤的桩锤效率宜取0.20～0.35。

条文说明

3.5.2通过对实测试打桩的承载力与贯入度的相关分析，可以对地质资料进行校核，并对设计持力层等有关参数提出修正意见。

3.5.3传统打桩终锤标准由设计人员根据打桩公式及经验确定，通常以贯入度或标高为依据，其理论根据是贯入度或标高与单桩承载力具有某种对应关系，出发点是为确保桩的承载力能满足设计要求。

由于设计人员受到经验和方法上的局限，地质资料不够详尽或数据不够准确，对不同的桩锤性能与贯入度的关系考虑得不够全面，有时按设计要求贯入度操作出现沉桩困难现象。

由于高应变动力检测技术可以即时、方便而又比较可靠地确定桩的承载力，故在沉桩过程中对不同贯入度情况下桩的承载力进行测试，可以得到满足承载力的贯入度。

在同一场地上选取几根有代表性的桩，测定其承载力相应的贯入度，进而根据贯入度与承载力的关系制定合理的打桩终锤标准。

显然，这样的终锤标准将会更加科学并符合实际。

3.5.4桩的承载力原则上应以桩周土壤强度完全恢复后的复打测试结果为准。

港口工程因施工工期紧、费用高，有时初打后打桩船难以重返原位，不具备复打条件；由于在地质条件相近的情况下，土壤恢复系数比较接近，因此，可以在检测过程中有选择地对一定数量的桩进行初、复打试验，从而得到该场地土体的平均恢复系数，然后推广到具有相同条件、相同规格的其他初打桩的测试。

3.5.10目前，港口工程施工中主要采用单动柴油锤，因此，本条仅列入该锤型的桩锤效率。