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1银川地区桩基高应变测试浅析兰宁（宁夏科震岩土工程有限责任公司）摘要：主要通过讨论桩基高应变动力测试方法的可靠度，以及在银川地区的适用情况，分析了对测试结果产生影响的因素，并提出了提高检测精度的主要措施。关键词：桩基测试高应变随着西部大开发的进程、城市化建设进程的加快，越来越多的高层建筑、工业项目拔地而起，而桩基础以其自身承载力大、施工工艺简单等特点逐渐成为建筑的基本形式。众所周知，桩基工程施工质量直接关系着建筑结构的安全，然而在实际施工过程中，桩基工程各项指标不可避免会受到地下水等不良因素、施工工艺缺陷的影响，加上桩基工程属于隐蔽工程，大大加大了施工质量审查难度。桩基的检测工作可以有效实现对建筑工程的质量控制，而高应变检测技术更是以自身操作简单、可靠度高、省时省力、成本低等优点迅速应用到实际工程中，并成为当前桩基工程中桩基承载力确定、桩身质量控制的重要手段。桩基础的作用是将外荷载传递到深层土体，而如何既经济又安全地完成这一过程，就要看桩身的质量与桩基承载力能否达到设计要求。对桩基进行测试，其主要内容有：(1)对桩基桩身质量进行检测，查清桩身缺陷及位置，以便对影响桩基承载力和寿命的桩身缺陷进行必要的补救，同时达到对桩身质量普查的目的；(2)对桩基承载力进行检测，判定与评价桩基承载力是否满足设计要求。同时桩基的检测可进一步延伸到对桩基础质量的验收与评定。高低应变动力检测法是可靠的桩基检测完整性的检测手段之一，同时也能快捷地得到桩基的承载力。一．高应变测试法原理高应变动力检测是用重锤在桩顶给一个竖向冲击荷载，在桩两侧距桩顶一定2距离对称安装力和加速度传感器，量测力和桩、土系统响应信号，从而计算分析桩身结构完整性和单桩承载力。高应变动力试桩作用的桩顶力是瞬间力，大小接近桩的实际应力水平，桩身产生的应变相当于工程桩应变水平，冲击力的作用使桩-土之间产生相对位移，从而使桩侧摩阻力充分发挥，端阻力也相应被激发，因而测量信号中含有承载力信息。高应变检测方法有很多，目前工程界应用最广的是CASE法和曲线拟合法(CAPWAP)。1.现场实测的物理量高应变测试主要通过加速度传感器、位移传感器得到：桩顶加速度随时间的变化曲线、桩顶应力随时间的变化曲线；还需要测量和计算桩体贯入度、弹性变形值、桩顶冲击能等。主要结果：（1）预估竖向极限承载力；（2）测定有效锤击能力；（3）检测桩身质量、桩身缺陷位置；（4）计算桩底及桩侧摩阻力和有关参数；（5）模拟桩的静荷试验曲线。2.CASE法测试原理CASE法是一种建立在一维应力波理论基础上的以确定单桩极限承载力为主的一种高应变动力试桩方法。它有3条基本假定：桩身是等阻抗（即等截面）的；桩周与桩尖土对桩的运动阻力分为动阻力和静阻力两部分，动阻力全部集中在桩尖，忽略桩侧土阻力；静阻力模型为理想刚塑性体，忽略应力波在传播过程中的能量损耗，包括桩身中内阻尼损耗和向桩周土的逸散。它主要把桩体作为连续的弹性杆件，根据行波理论，将实测到的桩体上部某截面的应变和加速度时程曲线经过一定的简化，并引进其他有关参数，由下式确定单桩的极限承载力：Rc=12(1−Jc)∙[F(t1)+Z∙V(t1)]+12(1+Jc)∙[F(t1+2Lc)−Z∙V(t1+2Lc)]式中：Rc为由CASE法判定的单桩极限承载力，kN；Jc为CASE法阻尼系数；t1为速度峰对应的时刻，ms；F(t1)为t1时刻的锤击力，kN；V(t1)为t1时刻质点的运动速度，m/s；Z为桩身截面的力学阻抗；A为桩截面积，m2；L为测点下桩长，m；E为桩材料弹性模量，MPa；c为桩身内应力波传播速度，m/s。3.曲线拟合法测试原理曲线拟合法是目前被认为是确定单桩承载力最准确的方法。它是通过现场把3实测力波和速度波输入计算机进行迭代计算，把桩-土系统变为离散的质弹模型，假定各单元桩和土参数，以实测的桩顶速度波(或力波)作为边界条件，用特征线法求解波动方程，反算桩顶力波(或速度波)，使计算的波形和实测波形拟合。若两者不吻合，调整桩土参数，再次计算，直至吻合。此时各参数是最佳估算值。这种算法是以实测值为客观标准来反推桩土参数。最终求得承载力、桩身剖面形状、土参数分布(如土阻沿桩身分布)和根据桩土参数进行静力分析模拟出的静荷载-沉降曲线。二．高应变测试法的不足1.桩基动力测试中的不足桩基的动力检测方法（包括低高应变检测方法）在应用中存在以下不足：(1)基本不能对截面变化程度做出定量评定，而只能对桩身缺陷的存在作出定性和定位的判断；(2)能检测出基本完整装和严重破损桩，对中等破损桩较难作出判断；(3)很难判定缺陷的具体类型，必须结合工程地质条件、桩形和成桩工艺等进行综合判断。(4)物理数学模型、力学模型、计算公式等都在分析计算上存在一些问题，这些问题会导致最终计算的系统误差；(5)检测精度易受主观因素影响。2.高应变检测的影响因素高应变检测的影响因素有：(1)原始资料的掌握程度。土层的贯入阻力分布、砂土的密实度、黏性土的稠度、土层埋深以及其他一些性质指标是计算参数选取的重要依据。(2)锤击能量的影响。高应变动力检测所测桩的承载力实际上是实测结果中计算求得的试验当时实际激发的土阻力。锤击能量的选择实际上就是选择合适的锤重和落距，使土阻力能充分激发出来。如果锤击能量低，则桩周土的阻力不能完全被激发出来，导致结果偏低；如果锤击能量过高，则导致桩身位移过大，易造成薄弱截面的破损。在高应变动测过程中，应遵守重锤低击的原则。(3)传感器的影响。高应变动力检测是通过在桩顶附近采集得到的桩身力信4号和运动速度信号，计算得出桩周土对桩产生的阻力，实际检测中传感器直接获得的是其安装截面的应变和加速度，要获得力信号和速度信号还要人为地输入一些计算参数，如弹性波速、弹性模量和传感器安装截面积等。这些数据越接近传感器安装截面的实际情况，力和速度信号的定量精度就越高。(4)桩土时间效应的影响。成桩后，岩土对桩的阻力是随时间的延长而不断发生变化的，一般情况下，岩土阻力随歇后时间的延长而增大，其原因是受成桩过程中土体强度的恢复、孔隙水消散和桩土界面上的一系列物理化学过程的影响。除了设计、施工的因素外。某些特殊的桩端持力层由于施工的扰动或地下水的浸入等其他因素也会使强度下降。3.CASE法的缺陷(1)CASE法基本假定不完全符合桩的实际工作状态。其假定动阻力集中在桩尖，而桩侧无动阻力存在，这是不符合实际的。对以侧摩阻为主的桩，桩存在较大动阻力。关于桩身阻抗不变的假定，对灌注桩亦是难以满足的。(2)CASE法阻尼系数cJ不完全是与桩底土颗粒粗细程度和土性有关的一个参数，它还与桩型有关，应用静动对比试验反求得到。该参数凭经验取值，变异性较大。(3)CASE法实测的力和速度时程曲线虽然包含有桩身阻抗变化和土阻力的全部信息，但CASE法仅用了1t和12/tLc+两个时刻的参数，所以对桩身有缺陷的桩，CASE法所确定的承载力是很不可靠的。4.曲线拟合法的缺陷波形拟合法具有多解性，计算结果无唯一解。在拟合过程中可调整的参数有侧阻、端阻、总阻、最大弹性位移、土阻尼系数、桩身阻尼系数、桩截面积、波速和混凝土弹性摸量等可调参数。测试人员应改变那些参数，那就必须有应力波理论知识和实践经验、土力学知识和桩基工程经验。测桩人员只有对土质情况、桩型和施工工艺有所了解，才能对承载力、侧阻分布做出估计。三.高应变测试方法优质的实测数据是高应变法分析计算的基础，需要检测的项目有：桩头范围内某个选定截面M的平均内力Fm和平均速度Vm,借此全面掌握一个界面的动力5状态。希望测定的项目：桩顶在每次锤击下得贯入度sd,主要用来验证分析结果。1、检测截面M的选择①、检测截面与桩顶的间距原则上不小于桩径的1.5倍，最好相距2～3倍桩径，再困难条件下也不得小于1倍桩径。②、初始应力应力波信号的波峰前后区段对数据质量的判断极为重要，应尽可能避免受到各种条件的干扰和重叠；因此检测截面附近不得存在阻抗突变的截面。2、测点的选择和准备①必须严格保证每组传感器安装位置在检测截面的对称性，每组传感器的两个测点和检测截面的中心轴的距离必须相等，其连线必须通过中心轴；只有满足这两个条件，两个测点的实测结果的平均值才有可能代表桩身的轴向力和速度。②每侧的测力和测速度的传感器应尽可能相互靠近，以利于数据的一致性；同侧的传感器的横向间距不得超过80～100mm。③用于测力的工具式应变计在安装表面上将跨越一定距离，两端的两个接触面不仅必须平整，还必须严格处于同一处理平面之中，才能保证传感器以一定压力紧贴时不产生过大的初始初始变形，此外为了提供必要的摩擦力，平整的表面有不可过于光洁。3、锤重的选择选择锤重的目的主要在于激发衰减缓慢的应力波，增大脉宽，同事也有利于提高峰值；合起来就是增大能够促使桩身贯入土中的那一部分有效的输入能量以保证土的静阻力的充分发挥。实际上由于弹性的桩身在土中以蠕动的方式向下进行，每个桩段的阻力都在不断发生变化，应力波本身也在不断衰减之中，问题本身的关键是下行的应力波能否到达桩底并使桩身下部和底部产生足够大的位移而充分调动底部桩周土的静阻力；事实上，锤重和落高只能影响桩顶初始的应力波脉冲，而充分影响桩底的问题则还要取决于两个因素：一是传播过程中的能量的损失，二是桩底端承阻力的激发机理。理论上讲，最容易激发全部土阻力的桩型是纯支承桩，常见条件下的锤击能6激发的应力波峰值大体可达其锤重的100倍，而毫无损失的下行波抵达桩底时，遇到刚度无穷大的持力层最多激发2倍的支承阻力。把下限提高，执行的要求过死，实际上并不恰当；具体来说对于粗短的端承刚度很大的端承桩，锤重也许只需不小于承载力的0.5%就够用了；而反过来对于超长的摩擦桩，特别是遇到桩底存在一定软弱过渡层的灌注桩，1.5%也不一定够用。研究证明，只要锤击能量足以使桩产生可测得贯入度，随着锤击能量的继续提高，土阻力和贯入度都将随之增大；当锤击能量提高到某个临界值时，只有贯入度的继续增大而土阻力则因已经能够被充分激发而转为常量。4、桩垫的选择自由落锤下得桩垫所起的作用①缓冲：垫层的直接效果是使锤击力峰值降低而脉宽增大，对于弹性垫层来说垫层的刚度越小，作用越显著。②调节对中③防止横向劈裂④调节高度5、确保现场采集的数据记录符合质量要求6、现场检查数据记录质量的办法1）根据实测曲线的变化规律和基本特征作直观的判断根据高应变检测所获得的实测曲线作出以下规律性的描述①初始的下行应力波是一个单峰的，前陡后缓、衰减较慢而波宽较大的脉冲信号；前面从零开始、后面大体归零。②在初始应力波作用下，速度和力的幅值必然保持正比；比例常数等于Zm;因此在只有初始应力波作用的时段内，速度Vm(t)是一个和力Fm(t)完全相似的脉冲信号；检测截面的Fm(t)和Z﹒Vm(t)将完全重合。③由于下行波所引起的力F↓和速度V↓的符号永远一致，而上行波所引发的力F↑和速度V↑的符号永远相反，一旦有上行波到达检测截面，原本重合的Fm(t)和Z﹒Vm(t)曲线必然开始分离。④离开检测截面距离为X的桩侧土阻力和桩身变阻抗截面都将引发上行波，并依次在2X/c时刻到达检测截面上行的压力波将导致Fm(t)的增大和Z﹒Vm(t)的减小；反之，上行的拉力波则导致Fm(t)的减小和Z﹒Vm(t)的增大；在任何一个上行波的影响下，Fm(t)和Z﹒Vm(t)都将产生等幅而反号的变化。⑤桩底的变阻抗反射必然在2Le/c时刻出现，此时Fm(t)和Z﹒Vm(t)可能出7现比较剧烈的反向的变化。⑥桩侧的土阻力影响将出现在桩底变阻抗反射之前或与之相重叠；而桩底的土阻力则只有在初始的下行压力波到达桩底后，随桩底的向下运动并向桩底持力层施压时才产生；因此，桩底的土阻力完全有可能在桩底反射之后才出现，有时甚至会滞后很长一段时间。⑦Fm(t)和Z﹒Vm(t)曲线的后期将出现多次的反射所引发的多个上下行波的叠加，其中的成分将很难以直观的方式加以识别和辨认；如果桩身存在缺陷或者比较明显的变阻抗，多次反射波的叠加问题也可能提前出现干扰对实测曲线的直观分析。根据以上理论我们可以为高应变检测所