（环境工程专业论文）基桩动力测试实测曲线拟合法的分析与应用.pdf

摘要 高应变动力试桩法就是用一种高能量的动态冲击荷载代替静态维持荷载，使桩周 土阻力充分发挥，通过波动方程求解得出单桩极限承载力的方法。 目前此种方法虽已成熟，但还不完善。对其开展深入研究与分析，有其理论意义 和应用价值。 本文紧紧围绕高应变动力试桩分析法中的实测曲线拟合法这一主旨，阐述了高应 变动力试桩法的基本原理；对携带桩身变阻抗及土阻力信息的典型实测曲线进行了分 段、分层的解析并给予了总结：利用工程实例，对比、分析了目前高应变动力试桩法 中的另一种分析方法一c a s e 法，验证了其适用的条件性：对实测曲线拟合法的基本 原理及计算方法，实测曲线拟合法参数设置中存在的问题进行了研究和探讨，指出了 实测曲线拟合法程序中存在的不足，并对存在问题进行了订正，使实测曲线拟合法更 趋于完善；利用大量静动对比工程实例，总结了几种典型桩基础中拟合参数的作用规 律及其取值范围。 全文主要内容分为四个部分： 第一部分：本部分综述了桩基的高应变动力测试的基本原理，它是利用一种高能 量的动态荷载确定单桩极限承载力的方法；对典型实测曲线进行了分析：指出c a s e 法适用的条件性。 第二部分：对实测曲线拟合法进行了分析；阐述了桩、土的计算模型：分析了根 据桩端反射确定桩长和总体平均波速的方法；并对实测曲线拟合法的计算方法进行了 阐述及公式推导。 第三部分：利用工程实例指出了实测曲线拟合法中存在的不足，并给予了订正， 在程序中加入了残余应力、软化性能的拟合参数，使得程序更完善。 第四部分：利用大量工程动静对比实例，总结一些桩基础中拟合参数的选取范围 及作用规律；展望了桩基础的发展方向。 关键词：桩土体系，高应变，c a s e 法，实测曲线拟合法，阻尼系数，弹限， 动静对比，单桩极限承载力，拟合质量系数，土阻力，阻抗 a p p l i c a t i o na n da n a l y s i so f m e a s u r e dc u r v em a t c h i n g i nh i g hs t r a i nd y n a m i c t e s t i n gp i l e r e s e a r c hf i e l d ：e n v i r o n m e n te n 舀n e e r i n g a b s t r a c t h i g hs t r a i nd y n a m i ct e s t i n gp i l ei sam e t h o dt h a th i g h - e n e r g yd y n a m i ci m p a c tl o a d r e p l a c es t a t i cm a i n t e n a n c el o a dt om a k ep i l es u r r o u n d i n gs o i lr e s i s t a n c ef u l l yp l a y , a n d d e r i v es i n g l ep i l eb e a t i n gl i m i tt h r o u g hf l u c t u a t i o n se q u a t i o n s s u c hm e t h o dh a sm a t u r e d n o w , b u ti ss t i l ln o tp e r f e c t t h er e s e a r c ha n da n a l y s i si n - d e p t h ，i so ft h e o r e t i c a la n da p p l i e d v a l u e f o c u s i n go nm e a s u r e dc u r v em a t c h i n go fh i 【g hs t r a i nd y n a m i ct e s t i n gp i l e ，t h eb a s i c p r i n c i p l e sh a v eb e e nd e s c r i b e d g r a d ea n dg i v eas u m m a r yc h a r tt ot h et y p i c a lm e a s u r e dc u r v et h a tc a r i n gr e s i s t a n c e i n f o r m a t i o na n di m p e d a n c ev a l u e s u s eo fe 1 【g i n e e r i n ge x a m p l e s ，c o n t r a s ta n da n a l y s i sa n o t h e rc u r r e n ta n a l y t i c a lm e t h o d s c a s el a w , a n di d e n t i f yi t sc e r t i f i c a t i o no ft h ea p p l i c a b l ec o n d i t i o n s s t u d ya n dd i s c u s st h e b a s i cp r i n c i p l e s ，c a l c u l a t i o nm e t h o da n dt h ee x i s t e n c ep r o b l e m so fp a r a m e t e r ss e tu po f m e a s u r e dc u r v em a t c h i n g p o i n to u tt h ed e f i c i e n c i e so ft h em e a s u r e dc u r v em a t c h i n g p r o g r a ma n dm a k ec o r r e c tc o r r e s p o n d i n gl e n d i n gt h em e t h o dt ob em o r ep e r f e c t b yu s i n g l a r g en u m b e r so fe n g i n e e r i n ge x a m p l eo fs t a t i ca n dd y n a m i cc o n t r a s t i n g ，s u m m a r i z e st h e s c o p ea n dr o l eo fs e l e c t e dp a r a m e t e r so fs e v e r a lt y p i c a lp i l ef o u n d a t i o n sf i t t h em a i nc o n t e n ti sd i v i d e di n t of o u rp a r t s p a r tip r o v i d e sa no v e r v i e wo ft h e f o u n d a t i o no ft h eb a s i cp r i n c i p l e so fh i g hs t r a i nd y n a m i ct e s t i n gp i l e ；i ti st h em e t h o d st h a t u s eo fa h i g h e n e r g yd y n a m i cl o a dt oe s t a b l i s hs i n g l ep i l eb e a r i n gl i m i t s t y p i c a lm e a s u r e d c u r v e sh a v e b e e na n a l y z e da n da p p l yc o n d i t i o n a l i t yo fc a s el a wh a sb e e np o i n to u t i np a r ti i ，t h em e a s u r e dc u r v em a t c h i n gh a sb e e na n a l y z e d ；p i l e sa n ds o i lc a l c u l a t i o n m o d e l sh a v eb e e ne x p o u n d e d t h eo v e r a l la v e r a g ew a v ev e l o c i t ya n dt h el o n e n e s so fp i l e s d e t e r m i n e db yp i l e s - r e f l e c t i o nh a v e b e e na n a l y z e da l s o ；a n df i n a l l yt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a h a v e b e e nd e r i v e da n de l a b o r a t e d i np a r tt h r e e ，t h ed e f i c i e n c i e so ft h em e a s u r e dc u r v em a t c h i n gp r o g r a mh a v eb e e np o i n t o u t ，t h ec o r r e c th a sb e e nm a d e ，a n dt h er e s i d u a ls t r e s s ，f i tp a r a m e t e r so fs o f t e np e r f o r m a n c e h a v e b e e nj o i n e di nt h ep r o g r a m s i np a r tf o u r , s u m m a r i z e sh a v eb e e nm a d et ot h es c o p ea n dr o l eo fs e l e c t e dp a r a m e t e r so f s e v e r a lt y p i c a lp i l ef o u n d a t i o n sf i t ，b yu s i n ge n g i n e e r i n ge x a m p l eo fs t a t i ca n dd y n a m i c c o n t r a s t i n g t h eo u tl o o kh a sa l s ob e e nd o n et o t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f p i l e f o u n d a t i o n k e y w o r d s ： p i l es o i ls y s t e m ，h i g hs t r a i n ，c a s el a w ，m e a s u r e dc u r v em a t c h i n g ，c o e f f i c i e n to fd a m p ， p r o o f ，f o r t h c o m i n gc o n t r a s t ，e l a s t i cl i m i t ，l i m i tb e a r i n go fs i n g l ep i l e ，f i tq u a l i t yf a c t o r ， s o i lr e s i s t a n c e ，r e s i s t a n c e 论支班钊性声叨 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除沦文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包 含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：石蝴，。一占年争月带日 1 论吏知识产权仅属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利 等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：冯嘲。年4 月j 孑日 导师签名锶万年乒月扩曰 第1 章绪论 随着我国建筑工程事业的蓬勃发展，在高层建筑、重型厂房、桥梁、港口、码头、 海上采油平台、核电站的工程中，大量采用桩基础。由于桩能将上部结构的荷载传到 深层稳定的土层中去，从而减少了基础的沉降和建筑物的不均匀沉降，而且能够承受 上拔力。所以，桩基础在地震区、软土地区、湿陷性黄土地区、膨胀土地区以及冻土 地区等得到广泛的应用。实践证明它是一种极为有效的、安全可靠的基础形式。这样， 桩基成为我国工程建设中很重要的一种基础形式。据不完全统计，目前我国每年的 桩用量约为3 0 0 多万根，而且桩基的造价较高，通常为工程总造价的四分之一以上”1 ， 由于许多机械成孔的灌注桩常出现缩颈、断裂、夹泥、沉渣等质量问题，影响桩基的 承载力。因此需要对工程桩的施工质量进行检查，以便及时采取相应措施，防止工程 事故的发生。如何快速准确的检验工程桩的施工质量，以满足日益增长的桩基工程的 需要，是目前工程界十分关心的问题，也是长期以来国内外许多学者，研究人员和工 程技术人员所从事的一个研究课题。 1 1 桩基动测的意义和目的 1 1 1 桩基动测的意义 建筑物的全部荷载是加在其下部结构一基础结构之上的，并通过基础结构将荷载 传递给地基来承受的。因此，地基和基础结构是建筑的根基，直接关系着建筑物的安 危。”1 实践证明，建筑物事故的发生多数是由于地基或基础结构质量的问题而引起的， 而基础结构的工程造价往往要占整个建筑物造价的百分之几甚至几十。因此，基础结 构工程对国民经济的重要性显而易见。基础结构一般分为浅基础与深基础两类。当浅 层土质松软，不能满足建筑物对地基的强度和变形方面的要求时，就要利用深部坚实 h 土层或岩层作为地基来建造涑基础结构工程。深基础结构主要有桩基、墩基、沉井和 连续墙等几种形式。近年来，随着国民经济的飞速发展，高层建筑的建造量大大的增 加，桩基结构由于具有抗震性能好，成本较低，有利于实现基础结构工程的机械化和 工业化等优点，成为一种常用的深基础形式，也是一种颇有发展前景的深基础形式。 虽然，桩基在深基础形式中相对来说比较经济，但总的来说，桩基是较昂贵的基 础形式，一根普通的钢筋混凝土桩，根据其桩长和桩径大小，其价格可为9 0 0 - 9 0 0 0 元甚至上万元。因此，保证桩基质量充分发挥桩的作用，满足设计的需要，是桩基工 程的关键。由于桩基工程为地下隐蔽工程，加之地下情况复杂多变，基桩的施工质量 往往不易控制。据国内的粗略统计“1 ，桩基工程的施工质量的完好率平均为8 0 左右。 目前，我国桩基施工队伍庞杂，施工工艺各异，施工机具莨莠不齐，桩基的施工质量 不佳是较为普遍的问题，甚至有偷工减料的现象。如果不及时查出并采取补救措施， 将会对整个工程造成不可估量的损失。这已被许多严重的桩基工程事故所证实。对此 不能有任何侥幸的思想。由此可见，从保证桩基工程的质量和安全需要来讲，必须及 时进行桩基的检验和测试。 l 1 2 桩基动测的目的。 桩基的承载力主要由桩身材料和桩端土的承载力决定。但基桩特别是混凝土灌注 桩在施工过程中因旋工工艺、地质条件变化、施工队伍素质低对质量控制不严等问题 造成工程桩缩颈、离析、断桩、扩颈等缺陷。缺陷的存在必然给桩基承载力带来不同 程度的影响，严重者甚至使单桩承载力丧失。所以，如果不能准确的判断出缺陷的类 型、测出缺陷的位置及程度，采取补救措施，必然给建筑物造成事故隐患，使国民经 济遭受损失。只有准确得出基桩的桩身质量情况，对桩做出确切的评价，才能采取必 要的合理的补救措施或采用合理的基础形式，避免造成重大的经济损失。因此，当前 桩身的质量检测对桩基工程而言具有极为重要的意义。 1 2 动测技术的概况和发展现状 1 2 1 桩基检测技术在国外的应用和发展“”“1 桩的动测方法在国外已有1 0 0 多年的历史，最早的动测法就是在能量守恒定理的 基础上，利用牛顿碰撞定理根据打桩时测得的贯入度来推算桩的极限承载力。实际 上，桩作为一种细长的杆件，在桩顶施加一激励力后，应力是以波的形式在桩身中传 播的，因此以应力波为基础的各种动测法技术由于更符合实际情况、能更准确地描述 桩的动态反应特性而得到了迅速的发展。 早在3 0 年代，应力波理论就被用以分析打桩工程，1 9 3 1 年伊萨克斯( d v i s a a c s ) 首先指出，桩顶受到桩锤冲击后，冲击能量是以波动的形式传到桩底，因此可用一维 波动方程来描述，但其解过于复杂，只能用于极简单的边界条件，无法解决工程实际。 1 9 5 0 年史密斯( e a s m i t h ) 对锤一桩一土体系提出了用一系列质量块、弹簧和阻尼器 组成的离散化计算模型，并用差分方程和计算机进行计算，求得精确的数值解。1 9 6 0 年他发表了“打桩分析的波动方程法”这一著名论文，对打桩中的贯入性状进行了分 析，并讨论了桩锤、锤垫、桩帽、桩垫及桩和土的模型问题。在文中定义了模拟中涉 及的全部参数，并从各种不同的应用波动方程的打桩实例中提供了这些参数的建议 值，从而使波动方程分析方法开始进入实用阶段。2 0 世纪6 0 年代中后期，法国建筑 与公共工程研究中一l , ( c e b t p ) 开始研究“机械阻抗法川“，并在法、英等国付诸实际应 用。2 0 世纪7 0 年代，j 斯坦巴克等提出了应力波传播法，并研究用于实际。 其后各国的专家学者们作了大量的研究工作，动力测桩技术日益完善，各种测试 方法及相应的仪器设备相继被开发出来。其中c a s ew e s t e r nr e s e r v eu n i v e r s i t y c c w r y 的动测学者们发展的c a s e 动力试桩法和c a p w a p c a p w a p c 波动分析程序以在全 世界获得了广泛的应用，瑞典的p i d 、美国p d i 的p i t 、p d a “( p i l ed r i v i n g a n a l y z e r ) 、 荷兰的t n o 诊断系统则是在世界各地使用的最多的测试设备。 目前在该领域，已有人开始将神经网络和专家系统用于桩基动测，有的甚至己编。 制了相应的应用程序，也有的将边界元、有限元、三维有限元，甚至边界层理论用于 桩基动测之中，但是这种分析目前仍停留在研究摸索状态，尚不能步入成熟应用。地 质雷达在桩基检测中的应用，也是一个新的动向，但仍需要进一步研究和总结经验。， 1 2 2 桩的动测技术在我国的发展和应用”“8 1 我国在动力测桩方面的研究起步较晚，前后才3 0 多年的历史，但是发展相当迅 速，取得了不斐的成绩。 早在1 9 7 2 年湖南大学周光龙教授提出了基桩参数动测法，对开创我国桩的动测 研究起了积极的作用。 1 9 7 6 年四川省建筑科学研究院和建设部中国建筑科学研究院共同研究成功了锤 击贯入高应变测桩法，并于己于1 9 8 1 年通过了部级鉴定。 1 9 8 0 年西安公路研究所研究了稳态激振机械阻抗法，和中国科学院电工研究所 共同研究成功的水电效应法亦在1 9 8 5 年通过了部级鉴定。 冶金部建筑研究总院工程抗震研究室提出了共振法测试技术，该法在1 9 8 5 年通 过了部级鉴定。编制了共振法试桩操作规程，并于1 9 8 6 年研制成g z d - 8 6 型桩动 测自动控制系统，该系统通过了部级鉴定。 1 1 9 8 9 年交通部三航局科研所研制了8 d f 一1 型打桩分析仪。 1 9 9 2 年中国建筑科学研究院推出了f e i a 型桩基动测分析系统，具备高低应变 检测法功能。同时还研$ c r 以m c s 一5 系列的8 0 c 3 1 单片微机为核心，全部程序固化在 e p r o m 屯的低应变瞬态桩基检测仪。它具备轻便、操作简单和抗干扰强等优点。 球击法是机械工业部设计研究院的研究成果，主要用于推算单桩承载力标准值。 由于动力测桩技术具有实用性强，灵活轻便，简单快捷，耗资少，对桩身质量检 测效果明显，可进行普查等优点，日益受到土木工程界的关注和欢迎，已成为当前桩 基桩身质量检测的主要手段之一。我国已在1 9 9 5 年就颁布了关于基桩桩身质量检测 的相关规程及规范。由于计算机技术的发展，测试仪器精度的提高，使桩基动力测试 法在使用中更具有优越性。迄今为止，基桩动力测试虽己发展的比较完善，但是，不 免中还由一些缺点和不足之处还有待研究。 1 2 3 桩基检测方法。 桩基检测根据检验目的不同，其检测方法很多。现就具有检验单桩极限承载力的 检测方法摘录如下： ( 1 ) 单桩竖向抗压静载试验 主要目的为：确定单桩竖向抗压极限承载力：判定竖向抗压承载力是否满足设计 要求；通过桩身内力及变形测试，测定桩侧、桩端阻力；验证高应变法的单桩竖向抗 压承载力检测结果。 ( 2 ) 高应变动力试桩法 主要目的：判定单桩竖向抗压承载力是否满足设计要求；检测桩身缺陷及其位置， 判断桩身完整性类别；分析桩侧和桩端土阻力。 1 2 4 桩基动力测试优点、存在问题及发展的探讨 1 优点： ( 1 ) 和静荷载试桩比较，仪器设备轻便，检测速度快和费用低； ( 2 ) 具有静荷载试桩不具备的功能： 动力试桩除了和静荷载试桩一样可测定单桩极限承载力外，还具有桩身结构完整 性检测，沉桩能力分析、施工机械监控和桩动态特性测定等功能。 ( 3 ) 可区分是土的变形还是桩身的结构破坏引起的沉降“； 桩的承载力取决于桩身结构强度和地基土对桩的支撑了。静荷载试桩是量测荷载 和桩项下沉量，得到q s 曲线，当桩顶的下沉量达到人们规定的条件或某一数值时， 认为桩侧阻和端阻已充分发挥，即通常所说的桩已“破坏”c n 从而求得单桩极限承 载力，但是桩顶的下沉量可以是土的变形引起，也可能由于桩身有缺陷，结构破坏引 起，两者的沉降从q s 曲线上一般是难于区分的。而动力试验可以检测桩身缺陷及 其位置，容易对两者的沉降进行区别。 ( 4 ) 可对工程桩进行质量普查； ( 5 ) 实测曲线拟合法不仅可得到单桩总极限承载力，还可得到计算的侧阻分布 和计算的q s 曲线。 2 存在的问题3 m “： 尽管桩基动测技术有效地弥补了静力试桩的不足，满足了桩基工程发展的需要， 各种动测法特别是高应变动测方法在多年的实际应用中，都不同程度地存在一些问 题，有待于进一步研究解决。这些问题也是造成测试结果有时误差较大的主要原因， 大量静动工程对比实践证明，其误差范围约为2 0 。 ( 1 ) 方法本身的缺陷：所有动测法都需要对桩和土作出一些假定，以达到以“动” 求“静”的目的，因此不可避免地带来一定的误差。有些方法的假定与实际情况出入 较大，从而误差也大；有些方法虽能较好地反映实际，但有时现场条件的变化也会造 成测试结果误差大。 ( 2 ) 参数的误差：有些动测方法中除了现场试验确定的参数外，还有一些需靠 经验或已有动力与静力对比试验资料确定的参数，这些参数本身与实际均有一定出 入。 ( 3 ) 试验误差：动力试桩中所用的测试仪器本身带有的误差一般不是很大，但 是测点安装不当、误操作以及现场干扰等因素往往会引起较大的误差。 ( 4 ) 分析误差：由于动测的波形判读和资料分析比较困难，如果没有对动测法 很熟悉的并有一定理论基础和实际经验的专业人员来分析，可能导致不准确的分析结 果，甚至出现误判。 ( 5 ) 地质条件引起的误差：地质条件是以地质报告为依据，但具体到每根桩的 桩周土的情况时，存在一定差异。 ( 6 ) 测试设备引起的误差：检波器的安装非常重要，应当依据规范来安装，否 则结果差异很大，这在实际工程中已经得到验证。 1 3 本文主要研究的内容 目前高应变动力试桩法虽已成熟，但还不完善。对其开展深入研究与分析，有其 理论意义和应用价值。 本文紧紧围绕高应变动力试桩分析法中的实测曲线拟合法这一主旨，叙述了高应 变动力试桩法的基本原理；对携带桩身变阻抗及土阻力信息的典型实测曲线进行了分 段、分层的解析并给予了总结；利用工程实例，对比、分析了规范中目前高应变动力 试桩法中的另一种分析方法一c a s e 法，验证了其适用的条件性指出其不足之处；阐 述了实测曲线拟合法的基本原理及计算方法：对实测曲线拟合法参数设置中存在的问 题进行了研究和探讨，指出了实测曲线拟合法程序中存在的不足，并对存在问题进行 了订正，使实测曲线拟合法更趋于完善；利用大量静动对比工程实例，总结了几种典 型桩基础中拟合参数的作用规律及取值范围。 2 1 概述 第2 章高应变动力试桩法基本原理 高应变动力试桩法是用动态的冲击荷载代替静态的维持荷载对试桩进行检测的 方法，它利用几顿甚至十几顿的重锤打击桩顶，使桩顶产生的动位移接近常规静力压 桩试验的沉降量，以便使桩周围土的阻力充分发挥。通过波动方程求解，直接计算与 桩运动相关的土的静、动阻力以及桩的缺陷程度，以便对桩的极限承载力和桩身结构 完整性进行定量评价。这种方法包括： 1 打桩公式法“，用于预制桩施工时的同步测试，采用刚体碰撞过程中的动量 与能量守恒原理，打桩公式法以工程新闻公式和海利打桩公式最为流行； 2 锤击贯入法“，简称锤贯法，曾在我国许多地方得到应用，仿照静载荷试验 法获得动态打击力与相应沉降之间的q 一e 曲线，通过动静对比系数计算静承载 力，也有人采用波动方程法和经验公式法计算承载力： 3 s m i t h 波动方程法“，设桩为一维弹性杆，桩土间符合牛顿粘性体和理想弹 塑性体模型，将锤、冲击块、锤垫、桩垫、桩等离散化为一系列单元，编程求解离散 系统的差分方程组，得到打桩反应曲线，根据实测贯入度，考虑土的吸着系数，求得 桩的极限承载力： 4 c a s e 法也称波动方程半经验解析解法“，将桩假定为一维弹性杆件，土体 静阻力不随时间变化，总阻力仅集中在桩尖。根据应力波理论，同时分析桩身完整性 和桩土系统承载力； 5 实测曲线拟合法“，其模型较为复杂，只能编程计算，是目前广泛应用的一 种较合理的方法； 6 静动法( s t a t n a m i c ) 1 ，也称伪静力法，其意义在于延长冲击力作用时间( l o o m s ) ，使之更接近静载荷试验状态。 c a s e 法和实测曲线拟合法是规范目前常用的两种高应变动力试桩分析方法。它 们的现场测试方法和测试系统完全相同，通过重锤冲击桩头，产生沿桩身向下传播的 应力波和一定的桩土位移，然后采用不同的分析方法计算基桩的承载力和相应桩身质 量完整性指数( 图2 1 1 ) 。 日 图2 1 1 ：高应变动力试桩现场测试示意图 在高应变试验采样得到的实测数据基础上，主要采用以下两种不同的分析方法： ( 1 ) c a s e 法：c a s e 法由于分析较为简单，适合于现场快速分析，其可以直接 利用采集仪器采集到的数据，在现场实时地提供打桩阻力、桩身运动和桩身受力等方 面的一系列极值。主要适用于打入桩的工程检测和监控”“。其只有在其它可靠方法的 支持下，才被广泛用于评定工程桩的验收合格性。 ( 2 ) 实测曲线拟合法：实测曲线拟合法是高应变动力试桩法的正规分析方法“， 它能够充分利用实测时采集到的两条曲线( 其中包含了几千个离散的数据) ，发挥应 力波方法的分层解析能力，分析得到桩周土在测试时实际作用于桩身的分层静阻力值 和桩身的分段阻抗变化。被认为是最有希望替代静载荷试验来检测各种类型工程桩承 载力的方法。 以上两种方法的原理、方法及实际工程中的应用，在后面的章节中将具体给予阐 述。 大量工程实践证明。1 ，高应变动力试桩法能够有效地补充和部分取代传统的静载 荷试验。应用动测方法的国家和地区，试桩数量大大增加而静载荷试验数量大为减少， 检测费用和检测对工程的延误都大幅度下降，与此同时，桩基工程的质量却得到了更 好的保障。我国现有的建筑基桩检测技术规范( j g j l 0 6 - - 2 0 0 3 ) 中对基桩高应变 动力测试都有明确的规定。 在高应变动力试桩法中，为了获得可靠的数据，运用了近代的振动测试手段和技 术：为了分析波动过程，又运用了近代的数学力学方法、信号处理技术和计算机技术。 高应变动力试桩法是一种近代高新技术的成果，它能提供大量有用的数据，能揭示的 桩土体系的内在问题和工作机理，在传统技术方面是无法与之相比的。 概况来说，高应变动力试桩法的主要用途可归结为以下三个方面： 检测： 程桩的承载力，确定工程桩的验收合格性； 检测：【程桩的桩身完整性，对工程桩的桩身缺陷作出定性、定位乃至定量的评 定；( 对于桩身完整性检测，一般采用低应变检测) 检测桩在打入过程中的桩身应力和输入能量，确定贯入度、入土深度和承载力 之间的关系，为预制桩的打桩工艺和收锤标准提供依据，并对打桩机的运作性能作出 评价：( 此种方法在国内现较少应用) 这种试桩方法还可以运用于桩的设计阶段，为设计单位提供许多有用的辅助信 息；对于发生工程质量事故的桩，这种方法也常常能帮助工程师查清问题，提供事故 处理的科学依据。 2 2 高应变动力试桩法桩土体系的基本假定。”2 ” 高应变动力试桩法主要运用一维波动方程对桩身阻抗和土阻力实现分段分层的 分析和计算。桩身和桩周土是一个体系，在外荷载作用下两者将在一种非常密切的相 互关系下共同工作而产生非常复杂的反应。高应变动力试桩法中，在很高的锤击力作 用下，土体中将产生极为强烈的非弹性变形，桩身中也不可避免产生一定的非弹性变 形，特别是在某些局部的薄弱环节上。但是，大量的实践表明，我们仍然可以对桩土 体系作以下四个基本假定而不致产生严重的误差： ( 1 ) 桩土体系是一个时不变的系统，即桩土的基本特性在每次测试所涉及的时 间段内可以看作是固定不变的。 ( 2 ) 桩是一个线性系统，即桩在总体上是弹性的，所有的输入和输出都可以简 单叠加。 ( 3 ) 桩是一根一维的杆件，即计算所涉及的每个桩身截面上的应力应变都是均 匀的，可以用它的平均应力应变来加以描述而不必研究其在桩身截面上的分布。 ( 4 ) 破坏发生在桩土界面，可以取桩身作为隔离体来进行波动计算，桩周土的 影响都以作用于桩侧和桩端的力来取代而参加计算。其并不违背破坏发生在桩周土体 内的情况，为此只要把破裂界面以内的部分土体看作是桩身上的附加质量即可。 在上述假定下，我们的问题在原理上被简化为一维的线性波动力学问题。 2 3 高应变动力试桩法的具体做法 ( 1 ) 用高能量的冲击荷载实际考核桩土体系。在这种情况下，桩土体系进入充 分的非弹性工作阶段，桩和桩周土之间出现瞬时的剪切破坏模式，从而相当充分地激 发桩周土对桩的全部阻力作用。它仍属于载荷试验的范畴，只是利用快速加的动荷载 口 取代了缓慢的静荷载。 ( 2 ) 实测时，采集桩顶附近有代表性的桩身截面m 的轴向应变和桩身运动加速 度的时程曲线，通过必要的布点和计算，获得该截面的轴向平均内力e ( r ) 和轴向平均 运动速度一( r ) 。 ( 3 ) 由于所施加的锤击力是一个相对较短暂的脉冲力，在桩身中可以观察到应 力波的传播过程。因此，在实测数据中包含了桩身阻抗和阻力的分段分层的信息。 ( 4 ) 根据桩土体系的实际工作机理建立数学模型，运用一维波动方程分析实测 数据，就能获得有关桩身完整性和桩土体系承载力的结果。 ( 5 ) 在长期的和大量的静动对比基础上，可以根据上述的实测数据和分析结果 有根据地推断单桩极限承载力。在一定条件下，还可以完成模拟的静力计算，推断相 应的静载荷试验下的o s 曲线。 2 4 桩中应力波的基本描述及其作用规律n “2 ”n ”n ” 当应力波沿着一根弹性杆件传播时，在杆件上可以同时从两个不同的角度观察到 它的作用： 一是杆件的每个截面都将受到某个轴向力f ( x ，t ) 的作用，产生相应的应力o ( x ，t ) 和应变e ( x ，f ) ； 二是每个截面都将产生轴向运动，产生相应的位移u ( x ，t ) 、速度v ( x ，f ) 和加速度 a ( x ，t ) 。因此，对于同一个应力波，可以分别从受力和运动两个方面来加以观察和描述。 从桩身受力方面来说，有受压和受拉之分，从桩身运动方面来说，有产生向下运 动和向上运动之分。按照动力试桩行业的习惯，我们把桩身受压( 不论是内力、应力 还是应变) 看作是正的，而把桩身受拉看作是负的；把向下的运动( 不论是位移、速 度还是加速度) 看作是正的，而把向上的运动看作是负的。 由于应力波在其沿着桩身的传播过程中将产生错综复杂的透射和反射，把在桩身 中运行的各利，应力波划分为下行波和上行波两大类是十分必要的。 由于下行波的行进方向和规定的正向运动方向一致，在下行波的作用下，正的作 用力( 即压力) 将产生正向的运动，而负的作用力则产生负向的运动。也就是，下行 波所产生的力和速度的符号永远保持一致。上行波则正好相反，上行的压力波( 其力 1 0 的符号为正) 将使桩身产生负向的运动，而上行的拉力波( 力的符号为负) 则产生正 向的运动。也就是，上行波所产生的力和速度的符号永远相反。 我们在桩身某个截面上分别安装应变传感器和加速度计，独立地测得桩身该截面 的力f p ) 和运动速度v ( t ) 。在高应变试验中，由于桩顶不可避免地处于不均匀的应力 应变状态中，同时也由于施加锤击的需要，传感器的安装截面照例要选择在距离桩顶 不少于1 2 倍桩径处。为了方便，这个截面以后称为“检测截面”，简称为“截面m ”。 应力应变和运动速度是同一个应力波在桩身中传播的表现，两者之间必然有着某 种内在的联系。 f 影响所及 f t 时段内收到一 截面的轴向 的桩段的长度 。一应力波影响的桩段一 i 来受到应力披 髟响的柱段 图2 4 1 ：由于应力波的影响而产生的截面运动 我们分析一下一个下行的应力波在传播过程中所产生运动速度和应力、应变之间 的关系图2 4 1 中所示是一个桩段，假设在某个时刻在其上表面受到一个锤击力的 作用，产生一个压力波向下传播。经过一个微小的时段a t 之后，压力波从其上表面 行进至某一深度，使l 桩长范围内受到其作用而产生变形。与此同时，上表面将产 生正的运动速度v 并产生正的位移a u 。有： l2 c a t l ( 2 - 1 ) a u 。v 。a t j 因此，影响段的应变应为： a u 坐 c f 得：v = c( 2 3 ) 特别说明：y 和c 虽然都是速度的一种，具有同样的量纲m s ，却是完全不同的 两个物理量。v 是桩身截面在应力波作用下实际获得的质点运动速度，而c 则是应力 波在介质中的传播速度。从公式可见，两者在数量级上相差甚远。实际上，动力试验 时桩身的运动速度v 一般都在( 3 5 ) m s 以下，而应力波在钢桩中的传播速度c 则 是5 1 2 0 i n s ，即使在混凝土桩中，也在( 3 0 0 0 4 3 0 0 ) m s 之间，两者的相差达到三 个数量级。 对于一维弹性杆件，应力和应变之间将遵循虎克定律仃= e e ， 后移项，得到下行波作用下应力和速度之间的关系式： 盯 一 y c 在上行波作用下，如上所述，公式将相差一个负号，即 代入公式( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 里：一旦( 2 5 ) vc 由于e 和c 都是桩身的材料常数，这两个公式说明，应力波在弹性杆件的截面上所 产生的应力和运动速度，在幅值上将始终保持一定的正比关系，而且仅仅和杆件的材 料特性有关。 在公式两边乘以桩身截面积a ，就得到内力和速度的关系： 一f q ) u q ) a ：坐：z ( 2 6 ) v q )v q ) c 式中的正号适用于下行波，负号适用于上行波。参数z 被称为桩身的动力学阻抗 ( 简称阻抗) ，其单位是k n s m 。取决于桩身材料特性和截面积的大小。 从公式( 2 6 ) 可知，当把实测得到的速度曲线乘以相应截面的阻抗z ，该曲线将 保持速度的变化规律而按照一定的比例转换为力的单位。如果这时把它和实测的力画 在一个坐标体系中，我们就可以直接对比两者的关系。这种描述方式已成为行业默认 的惯例而常常无须另加说明。 用符号( f ) 和w ( f ) 来分别代表下行波和上行波，其单位仍是力的单位，则上式 可改写为以下两个式子： 幽：z ( 2 7 ) v q ) 墅盟。一z ( 2 8 ) v q ) 在经过实测获得了某个截面m 的内力( f ) 和速度屹o ) 之后，根据上述的关系 式，我们可以直接通过计算而求得通过该截面的下行波和上行波的时程曲线。 对于弹性的桩身，任意截面的内力f ( f ) 和速度v q ) 将是当时行经该截面的全部上 下行波作用的代数和。因此，如果我们已知当时通过该截面的下行波和上行波，就可 以直接求得截面的内力和速度，公式是： f ( f ) = ( f ) + 睨o ) ( 2 9 ) y ( f ) ； ( f ) + 睨( f ) z ( 2 1 0 ) 反之，在已知截面的内力和速度时，我们也可以求得当时的上下行波，公式是： w e ( t ) 2 i 1 f ( f ) + z y ( f ) 】( 2 - 1 1 ) 睨( f ) = 掣1f ( f ) 一z + 唧) 】( 2 - 1 2 ) 虽然上述公式非常简单，但在应用中却极为重要，因为对于上下行波的观察和分 析，常常能够直接获得一系列桩土体系的内在信息，从而查清许多问题。 综上所述，在高应变动力试桩法中我们对实测数据的基本表达方式有两种：一是 桩身内力和速度( 按惯例乘以桩身阻抗z ) 的时程曲线，称为f v 图( 实际上是f z v 图) ；二是下行波和上行波的时程曲线，称为( f ) 一睨o ) 图。两种表达方式的 坐标体系一样，都是力和时间。 在这样的体系中，根据上面所讲的原理，我们得到下列几点推论： ( 1 ) 在卜v 图中，下行波的作用将使f ( t ) 曲线和z v ( t ) 曲线产生等幅而同相 的移动，原有距离保持不变；上行波的作用则将使两者产生等幅而反向的移动，互相 靠拢或相互分离。 ( 2 ) 在卜v 图中，在锤击力所产生的下行波作用下，f ( t ) 曲线和z v ( t ) 曲线 将永远保持重合，直到自下而上的上行波到达检测截面。 ( 3 ) 在卜v 图中，f ( t ) 曲线和z v ( t ) 曲线的相对移动直接反映了上行波的作 用。 2 5 弹性波速。4 “嘲 如上所述，伴随着应力波的传播，实际上同时发生了力的传播和速度的传播。众 所周知，应力波在弹性杆件中的传播速度仅仅取决于杆件本身的材料特性，其表达式 为： c 2 = 墨：巫( 2 1 3 ) py 式中：c 一应力波在弹性杆件中的传播速度，m s e 一弹性杆件的弹性模量，k p a p 一弹性杆件材料的密度，k n m 3 y 一弹性杆件材料的重度，k n m 3 g 一重力加速度，一般可取为9 8 1m s 2 如果弹性模量的单位按照工程习惯取为m p a ，则上式的右边应乘以1 0 3 。 在高应变法和在低应变法中一样都是利用脉冲反射波法来分析桩身完整性。但 是，在高应变法中，同时还检测到截面的受力，即其应力和应变，并由此而计算桩身 内力 在一维弹性杆件的假定下，检测截面的内力o ) 可以从所测得的应变按下式计 算出来： 巴o ) = 4 ，l e 。( f ) ( 2 - 1 4 ) 对于钢桩来说，弹性模量e 是一个常数。但是，混凝土桩瓯则是一个变量，随 其配料特性和配比而异。因此，在实际测试中常常要根据混凝土的实际情况先为检测 截面设定一个波速巴，用公式( 2 1 3 ) 推算已，然后在按公式( 2 1 4 ) 求得检测截 面的桩身内力。把公式( 2 1 3 ) 代人公式( 2 1 4 ) ，得： ( f ) = 以- e r n ( f ) y g ( 2 1 5 ) 混凝土的重度y 值变化不大，通常可假定为( 2 4 2 5 ) k n m 3 。 从公式( 2 1 5 ) 知，c m 设定不准，计算内力以及随后所有的汁算结果就都有一定 误差。这个问题在实测时可以通过一定的校核和修正得到改善，但是，一般并不能完 全解决。表2 5 1 在实践经验的总结。”的基础上给出了波速与混凝土强度等级间的对 应关系，作为参考。 一维波波速与混凝土强度等级间的对应关系表2 5 - l 混凝土强度等级 c 1 5c 2 0c 2 5c 3 0 c 3 5 c 4 0 i 波速范围( m s )2 5 0 0 - 3 0 0 02 8 0 0 - 3 5 0 03 3 0 0 ，3 8 0 03 6 0 0 - 4 0 0 03 8 0 0 4 2 0 04 1 0 0 - - 4 4 0 0 l 特征波速( m ) 2 9 0 03 2 0 03 5 0 03 8 0 04 0 0 0 4 2 0 0 一般，为了进行波动计算，通常从桩身的总体情况出发取个平均的应力波传播速 度，称为总体平均波速c a 。c a 的值( 3 4 有详细说明) 应根据应力波通过整个有 效桩长( 从检测截面到桩端) 所需的时间来定。显然，这个数值只有在获得实测信号 之后方能确定。 钢是一种弹性和均匀性都比较好的材料，其波速一般可取为定值。混凝土桩在高 能量冲击下，桩身中实际将产生一定的非弹性变形，采用的弹性模量将是一定动应力 应变幅值下的割线模量。大量的实测结果表明，试桩在高应变动力试桩时所表现的弹 性模量明显不同于其它试验的实测结果。因此，在设定和估计混凝土桩的波速值时， 不能引用混凝土设计规范所建议的取值，也不能简单套用低应变试验或在声波投射法 中实测得到的波速值。 利用公式( 2 1 3 ) ，我们可以把桩身z 的公式转化为以下几种表达式： z ：掣：p c a ：y c 彳g ( 2 1 6 ) 对于截面阻抗有一定变化的桩，如灌注桩，必要时可以用所谓平均阻抗z 。来表示。