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建筑工程质量专项检测培训 地基基础工程检测 高应变法动力试桩 刘兴录 目录 1 高 低应变法动力试桩的区分 2 高应变法动力试桩的主要功能 3 建筑基桩检测技术规范 JGJ106 2003 对高应变法动力试桩适用范围的具体规定 4 高应变法动力试桩的进展和主要方法 5 国外有关规范 标准和文献对桩动测法的规定 6 高应变法动力试桩的基本理论 7 仪器设备 8 Case 法 9 波形拟合法 10 工程实例 11 高应变法还不能解决的桩基工程问题 12 高应变法动力试桩的目前存在的问题 1 高 低应变法动力试桩的区分 1 动力试桩是在桩顶作用一动态力 动荷载 在桩顶量测桩土系统的动力响应 如位 移 速度或加速度信号 对信号的时域和频域进行分析 可以对单桩承载力和桩身完 整性进行评价 2 高应变法 用重锤 重量为预估单桩极限承载力的 1 1 5 自由下落锤击桩顶 使其应力和应变水平接近静力试桩的水平 使桩土之间的土产生塑性变形 即使桩产 生贯入度 一般贯入度 2mm 但 6mm 桩对外有抗力 承载力 是通过位移产生 有了位移 桩侧土强度得到充分发挥 桩端土强度也得到一定程度的发挥 此时 量 测的信号含有承载力的因素 但对于嵌岩桩和超长的摩擦桩 要使桩端土强度发挥几 乎是不可能的 3 低应变法 用手锤 力棒敲击桩顶 或用激振器在桩顶激振 其产生的能量小 动应 变约 10 5 高应变动应变为 10 3 通过桩顶量测速度时域波形 对桩身完整性进行 判定 2 高应变法动力试桩的主要功能 1 判定单桩竖向抗压承载力 简称单桩承载力 单桩承载力是指单桩所具有的承受荷 载的能力 其最大的承载能力称为单桩极限承载力 高应变法判定单桩承载力是桩身结构强度满足轴向荷载的前提下判定地基土对桩的 支承能力 2 判定桩身完整性 高应变作用在桩顶的能量大 检测桩的有效深度大 对预制方桩和 预应力管桩接头是否焊缝开裂等缺陷判断优于低应变法 对等截面桩可以由截面完整 系数 定量判定缺陷程度 从而判定缺陷是否影响桩身结构的承载力 3 打入式预制桩的打桩应力监控 桩锤效率 锤击能量的传递检测 为沉桩工艺 选择 锤击设备提供依据 4 对桩身侧阻力和端阻力进行估算 3 建筑基桩检测技术规范 JGJ106 2003 对高应变法动力试桩适用范围的具体规定 1 高应变法动力试桩只能作为检验性试桩 校核单桩承载力是否满足设计要求 不能 作为设计性试桩 为设计提供单桩承载力依据 2 当有本地区相近条件的对比验证资料时 可以作为单桩竖向抗压承载力验收检测的补 充 3 用于灌注桩时 应具有现场实测和本地相近条件下的可靠对比验证资料 4 大直径扩底桩和 Q s 曲线缓变形的大直径灌注桩不宜采用 4 高应变动力试桩的进展和主要方法 100 多年前有学者假定桩 锤为刚体 利用牛顿碰撞理论推导得到打桩公式 用于打桩 施工质量的监控 有成熟经验的地区 也用于单桩承载力的估算 1931 年有学者认识到打桩是个应力波传播过程 将埋入土中的一维杆引入波动方程 研 究应力波在杆中的传播 但是限于当时的电子技术发展水平和计算机技术 无法用于实 际工程 致使应力波理论在桩基工程中的实际应用晚于应力波理论足有 100 年 1960 年 A Smith 提出了差分数值解法模型 该模型将锤体 铁砧 桩帽简化为刚性质 量块 锤垫和桩垫简化为无质量的弹簧 桩离散为许多桩段单元 单元间用弹簧连接 桩单元周围土体用弹簧和摩擦键模拟其弹 塑性静阻力 动阻力用黏壶模拟 建立了较 完整的锤 桩 土系统的打桩波动问题 用电子计算机进行迭代运算 从而使打桩的波 动方程分析进入实用阶段 1970 年美国 G G Goblt 教授发表了 关于桩承载力的动测研究 一文 1975 年发表了 根据动测确定桩的承载力 研究报告 1978 年美国 PDI 公司生产 PDA 打桩分析仪 为高应变动力试桩的专用仪器 并用 Case 法判定单桩承载力 仅 80 年代我国从美国购进 PDA 打桩分析仪有 10 多台 80 年代美国又把桩作为连续模型 研制成波形拟合分析软件 CAPWAP 软件 根据实 测波形进行桩侧阻和端阻的计算分析 相继荷兰生产了 TNO 测桩仪 在国际上有一定 的销量 1989 年加拿大伯明翰公司和荷兰皇家科学院建工研究所 TNO 联合研究静 动法试桩 1972 年湖南大学周光龙教授研制动力参数测桩法 1976 年四川建筑科学研究所和中国建筑科学研究院共同研制了锤击贯入法高应变动力 试桩 1978 年以东南大学唐念慈教授为主的多家单位在渤海 12 号储油罐平台进行 2 根钢管桩 波动方程打桩分析 编制 BF81 计算程序 并和静载试验结果进行对比 1980 年西安公路研究所研究了稳态激振机械阻抗法和水电效应法测桩方法 并生产我国 最早的低应变测桩仪 1985 年甘肃建筑科学研究所和上海铁道学院共同研制了我国最早的高应变测桩仪 1986 年中国科学院武汉岩土力学所研制了 RSM 桩基动测仪 1992 年中国建筑科学研究院研制 FEI 桩基动测分析系统 并编制 EFIPWAPC 波形拟合 分析软件 80 年代交通部三航局科研所研制了 SDF 1 型打桩分析仪 90 年代成都工程检测研究所研制了 ZK 系列测桩仪 1992 年武汉岩海工程技术开发公司研制了 RS 系列测桩仪 1993 年颁布了中国工程建设标准化协会标准 贯击贯入试桩法规程 1995 年颁布了行业标准 基桩低应变动力检测规程 JGJ T93 95 1997 年颁布了行业标准 基桩高应变动力检测规程 JGJ106 97 1999 年颁布了地方标准 深圳地区基桩质量检测技术规程 SJG09 99 2000 年颁布了广东省地方标准 建筑基桩检测技术规程 DBJ15 27 2000 2002 年颁布了天津市地方标准 建筑基桩检测技术规程 DBJ29 38 2002 2003 年颁布了行业标准 建筑基桩检测技术规范 JGJ106 2003 1994 年 1998 年建设部委托国家建筑工程质量监督检验中心分别在北京龙爪树 郑州荥 阳进行三批足尺桩的现场动测考试 参加单位 400 多家 参加桩基有关规范和桩动测基 本理论和原理笔试的近 4000 人 桩的动测技术在计算机技术发展前提下 近二三十年发展相当迅速 主要在计算软件的 完善和测桩设备的更新和改进 致于土的模型 参数 基本原理和测试方法等方面没太 大进展 主要原因土是具有弹 塑性性质的三相物质 土颗粒 水和空气 其应力 应 变关系的非线性 加上地基土的复杂性 分布不均匀性以及土的动态本构关系极为复杂 等所致 高应变动力试桩有以下几种方法 1 动力打桩公式法 2 锤击贯入法 3 Smith 波动方程分析法 4 Case 法 5 波形拟合法 6 静 动试桩法 5 国外有关规范 标准和文献对桩动测法的规定 1 1983 年 国际土力学基础工程学会 ISSMFE 野外试验室委员会推荐的 桩轴向荷 载试验 动荷载方法 中谈到 高应变法可以确定桩承载力 桩承载力的动测方法 可以用于设计 也可作为施工控制 如果锤击能量不足以充分发挥土的强度 那么任 何动承载力的测定方法都将不能准确测定桩的承载力 如同静荷载试验中没有施加足 够的作用荷载一样 也不能测得桩的极限承载力 2 1987 年 加拿大结构规范 国家标准 的桩基础一节 认为可以用打桩分析仪进行 打桩监测 确定桩的性能 测定发挥的静承载力和初 复打的贯入阻力 3 1989 年 美国材料试验学会 ASTM 列入桩的高应变动力试桩方法和标准 D4945 89 其意义和用途一节谈到 本试验方法用于获得桩在冲击力作用下产生的应 变或力 以及加速度 速度或位移数据 应用这些数据可以估计桩的承载力和完整性 还可以估计锤的性能 桩的应力和土的动力特性 本方法不能代替静荷载试桩 在测试结果分析一节谈到 记录的数据可以用计算机分析 包括桩的完整性评价 打桩系统的功效和最大的打桩应力 试验结果也可以作用估计试验时土的静阻力及沿 桩身分布 分析结果可能和静荷载试桩结果吻合或不吻合 经常做静 动对比试验是 必要的 4 1988 年 英国土木工程师协会的英国桩工专业联合会 桩试验规范 谈到 桩的动 力试验是对单桩采用冲击方式进行试验 可用落锤或其他冲击装置测定桩的动态响 应 并以此得出土对桩的动阻力及有关的参数 诸如单桩承载力 土阻力分布 瞬时 沉降特性 打桩应力和桩锤特性 不出现相对的桩土位移的贯入是不可能充分测定单 桩极限承载力的 桩的完整性检验是为了在尽可能的范围内研究埋入土中桩的结果完好程度 它不 作为确定单桩承载力方法 桩身结构完整性的检测可以用反射波法 振动法和声波透 射法等方法中的一种 5 1988 年 英国土木工程师协会的 英国桩工规范合同文件与测量 谈到 桩动力试 验一般是用来估计桩的承载力 土的阻力分布 瞬时沉降特性 桩锤能量传递和打桩 应力 其结果都直接和动荷载的条件有关 桩的动力试验 特别是试验数据的分析 一定要由经训练有素的工程师负责完 成 桩的位移太小 就不足以发挥可能出现的土的全部阻力 桩身结果完整性可用反射波法 荷兰应用科学研究中央国家委员会 TNO 和法国 建筑与公用工程试验研究中心 CEBTP 研制的 振动法 稳态激振 法国 CEBTP 研 制的 和声波透射法之一进行检测 习惯上是用开挖和钻芯法对其检测结果进行验证 桩身结构完整性检测结果应由有经验的工程师分析 因为所有方法都有局限性 反常的结果也会出现 不能认为可以查出所有缺陷 检测结果可能作出这样或者那样 的解释 工程师得用自己的经验和判断力决定某根有缺陷桩的取舍 6 瑞典建筑规范 SBN1975 8 近年来补充了高应变动力试桩内容 对于打入桩 如 果抽总桩数 5 的工程桩进行应力波测试和 CAPWAP 程序分析的 安全系数 对落 锤施打取 3 液压锤施打取 2 5 抽总桩数 25 进行监测的 安全系数可分别降至 2 2 和 2 0 7 澳大利亚桩基设计施工规范 AS2159 1978 规定 如有可靠依据 也可采用高 应变动测法或其他有效方法确定单桩竖向承载力 8 1991 年 西德土力学基础工程学会 AK5 分委员会 关于桩的动测建议 谈到 动测 结果不仅取决于仪器 而且在很大程度上取决于检测人员的经验和技术 Case 法不 宜用于桩径大于 0 6 的灌注桩 对于桩结构完整性试验 即使有经验的专家也可得到 下面不同的结论 完整桩 缺陷桩 可能缺陷桩 实测信号无法解释 9 挪威 近海结构物的设计 建造和检验规范 动力公式应用一节规定 依据应力波传 播理论确定的动力打桩公式可用于确定打桩期间的贯入阻力和静荷载的关系 并用于 检查打桩期间和打桩后桩土单元的应力关系 用波动方程法需输入大量的参数 10 丹麦 基础工程应用规范 DS415 1965 规定 打桩时 在一定的锤重和一定 的落高锤击下 量测桩的贯入度 动承载力可以采用动力打桩公式确定 动力打桩 公式原则上只能用于持力层为砾石 砂或坚硬的含漂石的粘土的桩 11 前苏联 建筑法规 II 5 67 桩基设计 规定 桩的动力试验应记录每 米击数 锤平均落高 贯入度和吸着系数 吸着系数可以用复打和初打贯入度比值 得到 处于中密和密实的饱和砂以及卵石中的桩 吸着效应不明显 处于可塑的粘土 和亚粘土 松散砂类土中的桩 吸着效应明显 当锤重与桩重之比大于 2 时 任何土层吸着效应都不体现 因为锤击的力已大 于休息后所恢复的桩侧土强度 12 欧洲地基基础规范 EUROCODE7 桩基础一章规定 如果进行了场地详堪 并且 动力试桩已和相似场地的同类型桩的静荷载试验进行对比试验 可采用动测结果 动测结果必须综合评价 其可靠性可通过静荷载试验加以验证 桩的质量和施工程序密切相关 而且没有可靠方法进行监督 施工中已发现疑 点的桩 必须用动测法检验完整性或抽芯检验 6 高应变法动力试桩基本理论 6 1 一维波动方程 桩动测技术是以一维波动方程为理论基础 假设桩为等截面细长杆 杆四周无侧阻力作用 杆顶端 受撞击后 杆截面在变形后仍保持平面 如图 6 1 图 6 1 杆的受力 取微分单元 aba b 其应变为 u 为沿 z 方向位移 ab 截面受力 E F M 1 A A E AE a b 截面受力 F M AE AE dz 式中 A 杆截面 E 杆材料弹性模量 z u z u z u z 单元 aba b 受力为 单元 aba b 力的平衡 F ma m W g 加速度 a 为位移两次求导 式中 W 单元重量 g 重力加速度 杆重量密度 c 6 1 6 1 方程为二阶偏微分方程 c 应力波波速 6 2 波动方程的波动解 方程 的波动解为二个反向波的叠加 U z t f z ct g z ct 6 2 波 f z ct 以波速 c 沿 x 轴正向传播 g z ct 以波速 c 沿 x 轴负向传播 如图 6 2 2 2 2 2 t u g W dz z u AE Adz gW Adz m E 2 2 2 2 2 z u c t u dz z u AEdz z u AE z u AE z u AEFF MM 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 z u c t u 图 6 2 6 3 应力波沿细长杆的传播 设波 f z ct 为下行波 入射波 Wd Wd f z ct f z ct Wd分别对 x 和 t 取偏导数 E c2 上式两边乘杆截面积 A 得 6 3 Z Ac 为杆力等阻抗 质点运动速度 假设杆端自由 当敲击的压应力传至自由端时 杆端力为零 由力的平衡条件 从自 由端反射回来的波为拉力波 F Fd Fu 0 Fd Fu 6 4 因此 应力波沿细长杆传播结果为 1 下行压力波 向下 遇自由端反射为上行拉力波 向下 端点 F 0 加倍 2 下行压力波 向下 遇固定端反射为上行压力波 向上 端点 0 F 加倍 3 下行拉力波 向上 遇自由端反射为上行压力波 向上 端点 加倍 4 下行拉力波 向上 遇固定端反射为上行拉力波 向下 端点 0 6 4 打桩时应力波的传播 打桩时 当锤重远小于桩重 锤对桩的作用可假定是半正弦压力脉冲波 c z W dt dW x W ddd z Wd F t F0sin t 桩顶处应力 0 t F0 A sin t 式中 脉冲力持续时间 A 桩截面积 F0 脉冲力峰值 下行应力波 z t f z c0t 桩顶 z 0 处 0 t f cot F0 A sin t F0 A sin c0 cot z t F0 A sin c0 z cot 在 t 时 即锤击过程结束的瞬时 z t F0 A sin z c0 1 6 5 当 t L c0即应力波到达桩底后将产生反射 后续行为将依赖于桩端支承条件 图 6 3 打桩时应力波的传播 a 固定端 b 自由端 如果桩尖持力层为基岩 可近似视为固定端 此时入射压力波反射仍为压力波 桩端 总应力等于入射波和反射波相加 压力波如图 6 3 a 阴影部分所示 如果桩端持力层为很软的软土 不能限制桩端位移 可近似为自由端 反射的应力波为压 力波 桩端总应力为入射波和反射波的代数和 其拉力波如图 6 3 b 阴影部分所示 实际大部分工程桩桩端持力层介于以上两种情况之间 反射的上行波是压力波还是拉力波 视桩端土层情况 如果桩较长 桩端土为粘性土 往往反射的上行波为拉力波 当拉应力 超过混凝土的抗拉强度时 会在据桩尖一定位置把桩拉裂 工程中打桩 一般锤重为桩重的一半左右 而不是远小于桩重 又加有锤垫和桩垫 实际脉冲力不是简单的半正弦脉冲 比半正弦要复杂的多 6 5 上 下行波的计算 图 6 4 应力波沿杆件传播 自由杆受锤击后 将产生以波速 c 向下传播的压缩波 下行波 经过 dt 时间 波行 走距离为 dL dL cdt dL 长度范围内受到压缩的变形 du 则应变为 du dL du cLt 由虎克定律 杆内应力为 F A E F A E du cLt 质点 O 运动速度为 V du dt F c E A F EA V C EA c Z F Z V 6 6 式中 A E 杆截面积和弹性模量 Z 杆力学阻抗 由式 6 6 表明 在反射波来到之前 即无上行波时 力和速度是成比例的 比例系 数为 Z 所以实测的力和速度波形 只有下行波时 F 和Z V应该是重合的 假设上 下行波分别为 Wu t 和 Wd t 由式 6 6 知 应力波在杆件中任何截面的轴 力和运动速度之间 在数值上保持比例关系 因此得到 下行波 Wd t ZV t 6 7 上行波 Wd t ZV t 6 8 根据线性叠加原理 杆件任一截面在不同时刻的轴力和运动速度是上 下行波的叠加 F t Wd t Wu t 6 9 V t Wd t Z Wu t Z 6 10 由 6 9 6 10 得 F t V t Z 2 Wu t 6 11 由 6 9 6 10 得 F t V t Z 2 Wd t 6 12 联立方程 6 11 和 6 12 得到上 下行波计算公式 下行波 Wd t 1 2 F t V t Z 6 13 上行波 Wd t 1 2 F t V t Z 6 14 6 6 桩侧阻力的反射波 桩顶受锤击作用 应力波沿桩身传播 遇桩侧土摩阻力 R 时将产生上行的压力波和下 行的拉力波 图 6 5 图 6 5 侧阻力波的传播 上行压力波 因是压力波 Wu为正 运动速度向上 Vu为负值 Vu Wu Z 6 15 下行拉力波 拉力波 Wd为负运动 速度向上 Vd为负值 Vd Wd Z 6 16 由截面处的介质连续条件 Vu Vd 0 6 17 式 6 15 和 6 16 代入 6 17 得 Wu Wd Z 0 6 18 由截面力的平衡条件 R Wu Wd 6 19 联立式 6 18 和式 6 19 得 Wu R 2 Wd R 2 6 20 所以应力波传播过程 遇到桩侧土摩阻力时 将产生上行的压波和下行的拉力波 数 值分别为摩阻力的一半 上行为 R 2 的压力波 经 2X c 时刻到达测点 它对测点波形影响是 使力值增加 它对测点波形影响是 使力值增加 速度值减小 也就是力和速度波形分开 分开距离在数值上正好是桩侧摩阻力值 速度值减小 也就是力和速度波形分开 分开距离在数值上正好是桩侧摩阻力值 数值 R 2 的下行拉力波将和下行的锤击波 F t 叠加 传播至桩底后产生反射 6 7 桩身阻抗变化的反射波 根据反射系数公式 RV Z1 Z2 Z1 Z2 应力波沿杆体传播过程 当遇阻抗变小时 Z2 Z1 反射系数 RV为正 反射波与入 射压力波同相位 即运动速度皆向下 上行波必为拉力波 所以遇阻抗变小 如缩颈 断 桩 混凝土离析或夹泥 其反射波为拉力波 拉力波到达测点 对波拉力波到达测点 对波形影响 使力减小 形影响 使力减小 速度值增大 即力波形下移 而速度波形上移 速度值增大 即力波形下移 而速度波形上移 应力波沿杆体传播过程 当遇阻抗变大时 Z2 Z1 反射系数 RV为负 反射波与入 射压力波反相位 即运动速度前者向上 后者向下 所以遇阻抗变大 如扩颈或嵌岩桩 产生的反射波为压力波 压压力波到达测点 对波形影响 使力力波到达测点 对波形影响 使力增大增大 速度值 速度值减小减小 即力波 即力波 形形上上移 而速度波形移 而速度波形下下移 移 例 例 已知一根预应力管桩的实测力和速度波形 图已知一根预应力管桩的实测力和速度波形 图 6 6 如何计算在 如何计算在 t1和和 t2时刻的上 时刻的上 下行波 下行波 已知已知 E 3840kN cm2 A 2083cm2 c 4000m s 图 6 6 上 下行波计算 在 t1时刻力和速度峰值相等 说明 t1时刻只有下行波 则 F Z V Z F V 8000 4 2000 kN s m 由上 下行波计算公式 6 13 和 6 14 计算如下 t1 时刻 下行波 Wd t1 Ft1 Vt1 Z 2 8000 2000 4 2 8000 kN 上行波 W u t1 Ft1 Vt1 Z 2 8000 2000 4 2 0 kN t2时刻 下行波 Wd t2 Ft2 Vt2 Z 2 3500 2000 0 7 2 1050 kN 上行波 W u t2 Ft2 Vt2 Z 2 3500 2000 0 7 2 2450 kN 7 仪器设备 7 1 锤击装置 1 自由落锤 锤重 1 0 1 5 Qu Qu预估单桩极限承载力 高径 宽 比 1 铸铁或铸钢整体锤 组合锤 2 筒式柴油锤 蒸汽锤 液压锤 不宜采用导杆式柴油锤 锤下落压缩汽缸中气体对 桩施力 F V上升缓慢 V畸变 7 2 桩垫 厚 10 30 的木板或胶合板 面积比锤底面积稍大 7 3 传感器 1 应变式力传感器 应变测量范围 混凝土桩 1000 钢桩 1500 2 加速度计 a 带内装放大压电式加速度计 b 电荷放大压电式加速度计 量程 桩混凝土 1000g 2000g 钢桩 3000g 5000g 7 4 传感器安装 桩径 D 800 对称安装在 2D 处的桩侧表面 D 800 对称安装在 1D 处桩侧表面 加速度和速度传感器距离不大于 80 传感器中心轴和桩中心轴 保持平行 7 5 测桩仪 采样时间间隔 50 200 s 信号采样点 1024 点 应具有保存 显示F V 信号 信号处理和分析的功能 7 6 贯入度量测 采用精密水准仪 采用加速度信号二次积分所得位移作为实测贯入度 办法 存在问题 1 贯入度为静态位移 当频响为零时的位移为贯入度 但是加速度计频响永远达不 到零 2 静态位移为位移不随时间变化时的值 但动测信号采集时间短 采集结束时桩运 动还未停止 所以用加速度二次积分得到的动位移曲线最大值和激光位移计量测 结果接近 但残余变形 贯入度 误差大 有时还会出现负值 8 Case 法 8 1 力信号量测 高应变法力信号量测是将铝合金制作的应变式传感器 如图 7 1 用胀锚螺栓紧固 于桩侧表面 量测标距 77 桩身的应变值 由应变值换算桩身内力 图 7 1 工具式应变传感器 L L 7 1 E c 2 7 2 F A c 2 A 7 3 式中 c 测点处桩身应力波波速 桩身材料应变值 E 桩身材料弹性模量 材料质量密度 A 测点处桩截面积 F 分别为测点处桩身应力和轴力 式 7 3 中 A 为已知常数 应变值 由测桩仪量测得到 c采用整根桩长的平均 波速 一般平均波速小于桩身测点处的波速 所以用应变式传感器实测的力值有一定误差 当波 速误差 10 时 可以引起 20 的力值误差 8 2 波速的确定 波速和桩材料性质有关 要准确确定波速 条件是知道真实桩长和波形有明显桩底反 射 知桩长 看不到桩底反射 只能假定波速校核桩长 这时桩底附近存在缺陷时和真 正桩底难于识别 不知桩长 能看到桩底反射 只能假定波速计算桩长 如桩长 20m 假定波速误差 为 5 则推断的桩长误差为 10m 这时无法避免把桩底附近缺陷当作桩底 不知桩长 也看不到桩底和缺陷反射 则无法确定波速 高应变从实测波形确定波速的三种方法 1 峰 峰法 如图 7 2 所示 桩底反射峰较尖锐 可用波速的最大峰与桩底反射波峰的时间差 t 确定c值 c 2L t 图 7 2 峰 峰法 2 上升沿 上升沿法 如图 7 3 所示 桩底反射波峰较宽 用峰 峰法误差较大 可用上升沿 上升沿法 即速度波上升沿 速度峰值 10 位置为起点 到反射波上升沿的时间 t 确定波速 图 7 3 上升沿 上升沿法 3 上 下行波法 如图 7 4 所示 其反射峰不明显时 可用上 下行波法 即下行波峰值到上行波谷值 的时间差 t 确定波速 图 7 4 上 下行波法 8 3 Case 法的基本假定 1 桩身是等阻抗的 Z Ac Z 沿桩身不变 对预制桩 预应力管桩和钢桩在无桩 身缺陷情况下是符合的 因而实测信号除土阻力和桩底反射信号外 没阻抗变化的反 射波 2 动阻力集中在桩底 忽略桩侧的动阻力 3 忽略应力波在传播过程的能量损耗 即应力波在传播过程无波形畸变和幅值变化 8 4 Case 法的数学模型 1 桩体假定为均匀连续一维杆 并且桩身参数 E 在测试时间不变化 称为时不 变 2 桩周土模型 b a 图 7 5 土的模型 a 静阻力模型 b 动阻力模型 桩的承载力为土对桩的支承载力 桩承载力达极限值时 认为是桩土界面受剪破坏 实测总阻力为静阻力和动阻力之和 R Rs RD受 7 4 其中 Rs为静阻力 取决于土的位移 随着位移线性增加 直到土的最大弹性位移 Quake 值 后 Rs不随变形增加而增加 RD为动阻力 简化为与桩运动速度 V 成线性关系的粘滞阻尼模型 RD JcZV 式中 V 桩身运动速度 Z 桩身阻抗 Jc Case 阻尼系数 8 5 Case 法的单桩承载力 由式 7 4 所示 动测总阻力由静阻力和动阻力之和 但人们关心的是和静荷载试 桩相对应的静阻力 Rs 要想办法从总阻力分离出静阻力 Goble 教授研制的 PDA 打桩分析仪 从实测力波形和速度波形实现了这种分离 Rs R Jc 2Ft1 R 8 1 R 1 2 F t1 F t2 ZV t1 ZV t2 8 2 Rs 1 2 1 Jc F t1 ZV t1 1 2 1 Jc F t2 ZV t2 8 3 式中 t1 F t1 V t1 分别为速度第一峰的时刻 锤击力和质点运动速度 t2 F t2 V t2 分别为桩底反射时刻 锤击力和质点运动速度 例例 某预制方桩 截面某预制方桩 截面 0 30 3 0 3m0 3m 桩长 桩长 12m12m 持力层为粉土 用筒式柴油锤 持力层为粉土 用筒式柴油锤复打复打 进行高应变法动力试桩 实测如图进行高应变法动力试桩 实测如图 8 8 1 1 图 8 1 高应变法实测波形 已知 F t1 4150kN F t2 700kN ZV t1 4150kN ZV t2 3500Kn 试用 Case 法计算单桩极限 承载力 解 桩端持力层为粉土 根据 Goble 推荐的 Case 阻尼系数 Jc取 0 3 RS 1 2 1 Jc F t1 ZV t1 1 2 1 Jc F t2 ZV t2 1 2 1 0 3 4150 4150 1 2 1 0 3 700 3500 2905 1820 1085kN 单桩极限承载力为 1085 kN 9 波形拟合法 9 1 拟合原理 波形拟合法是利用计算机软件对波形问题进行数值计算 反演桩 土的参 数过程 将桩划分若干分段 单元 假定各单元的桩 土参数 桩 E A c 土 RS Ru Qk Sq Jc Jct 利用实测的速度波形 或力 上行波 下行波 作为输入边界条件进行 波动程序计算 反算桩顶力波形 或速度 上行波 下行波 若计算的波形和实测的波形 不吻合 改变桩 土参数 反复计算 直至两者吻合程变良好并且不易进一步改善为止 从而得到单桩极限承载力 桩侧 端阻分布 计算的Q s曲线和桩身完整性 9 2 拟合结果评价 良好的拟合结果应满足 1 选用的参数应在岩土工程合理范围 2 拟和时间段应在 t1 2L c 20ms 柴油锤打桩波形应在 t1 2L c 30ms 3 土阻力响应段波形应吻合 其他区段波形基本吻合 4 各单元假定的Qk Sq 值不大于计算值 5 贯入度计算值和实测值接近 10 工程实例 例例 1 直径直径 0 55 m 桩长 桩长 21m 预应力管桩 桩端持力层预应力管桩 桩端持力层硬塑 坚硬粘土 筒式柴油锤施硬塑 坚硬粘土 筒式柴油锤施 打 打 图图 10 1 为波形拟合法结果为波形拟合法结果 a 实测 实测 F V 波形 波形 b 拟合力波形 拟合力波形 c 拟合速度波形 拟合速度波形 d 上 下行波 上 下行波 e 计算速度波形 计算速度波形 f 计算位移波形 计算位移波形 g 计算计算Q Q s 曲线和阻力分布 曲线和阻力分布 由此看出 1 该桩属摩擦端承桩 Qu 3960kN 端阻 1012kN 占 26 侧阻 2947kN 占 74 波速 c 4200m s 2 桩位移最大值滞后速度最大值 滞后时间 桩顶 2 6ms 桩中 6ms 桩底 4 5ms 图 10 1 预应力管桩波形拟合法 例 例 2 由实测的由实测的 F V 波形波形定性判断桩承载力大小 图定性判断桩承载力大小 图 10 2 图 10 2 打桩实测波形 根据图 10 2 中波形分析如下 例 例 3 由实测由实测波形波形定性判断打桩过程桩承载力变化 图定性判断打桩过程桩承载力变化 图 10 3 图 10 3 桩打入过程实测波形之一 应力波沿桩身传播 遇土阻力时要产生上行压力波 它使测点的力波上升 使速度波 下降 所以土阻力愈大 力和速度二者分开距离愈大 从图 10 3 看出 a b 波形表明 2L c 前力 F 和速度 V 波形分开距离不太大 桩尖反射强烈 说 明桩身处于较差土层 侧阻力不大 桩尖未进入持力层 端阻力很小 c 波形表明 桩已进入好土层 侧阻增大 端阻力在提高 d 波形表明 2L c 以后 速度波往下拉很多 桩已进好持力层 端阻力大大增加 例 例 4 初打和复打实测波形比较初打和复打实测波形比较 图 图 10 4 1 0 5 0 5m 方桩 桩长 37m 土层分布 淤泥 淤泥质粉土 持力层为残积土 a 初打实测F V波形 定性判断承载力极低 b 过 3d 复打 经波形拟合法分析Qu 2500kN 28d 后静载试桩 Qu 4500kN 20 5 0 5m 方桩 桩长 40m 土层分布同上 c 初打实测F V波形 定性判断承载力不高 d 过 4d 复打 侧阻 端阻明显提高 经波形拟合法分析 Qu 4500kN 图 10 4 初打与复打对比波形 例 例 5 由由实测波形定性判断桩身完整性 图实测波形定性判断桩身完整性 图 10 5 打桩时 应力波沿桩身传播 遇桩身有缺陷时 反射为拉力波 上行拉力波到了测点 使速度波上升 力波下降 图 10 5 中 a 波形表明桩身无缺陷 b c 波形的 2L c 以前速度波位于力波的上面 表明桩身有严重缺陷 该缺陷可能是桩身产生裂缝 而且 裂缝随锤击数的增加而加大 图 10 5 桩打入过程实测波形 例 例 6 由由实测波形判断波形异常原因 图实测波形判断波形异常原因 图 10 6 a 波形正常 b 波形异常 力传感器未上紧 波形震荡 c 波形异常 近测点混凝土塑性变形 波形不回零 d F大于V 近测点有扩径或混凝土硬块和桩相连 e V大于F 近测点有缩颈 f V大于F 同时 F 不回零 近测点有裂缝 或新接桩头和桩身没牢固连接 图 10 6 实测异常波形 例 例 7 摩擦摩擦桩桩实测波形和实测波形和静载静载承载力 图承载力 图 10 7 人工挖孔灌注桩 桩径 1 1 m 包含护壁厚 0 15m 地面下 3 0m 无护壁 桩长 12 4m 土层分布 粉质粘土 持力层为密实砂层 该桩为 1994 年全国第一次动测资质考试北京基 地考试桩 桩底放入 0 5m 稻草笼 对参考单位保密 a 为高应变实测F V波形 b 为静载试桩Q s 曲线 Qmax 1950kN s 22 按照桩顶沉降大于前一级荷下沉降量的 5 倍判定 其单桩极限承载力Qu 1800kN 相应沉降 s 6 9 该桩参考单位 104 家 用波形拟合法分析 45 家 所得Qumax 4060kN Qumin 1680kN 误 差 20 有 5 家 该桩静载荷试验卸载回弹率仅 10 a b 图 10 7 实测波形和静载Q s 曲线 a 高应变实测波形 b 静载Q s 曲线 例 例 8 图 10 8 a 钻孔灌注桩 桩径 0 67m 桩长 13 4 m 持力层强风化基岩 导管式 水下浇灌混凝土工艺 静载荷试桩 单桩极限承载力 Qu 1000kN 沉渣厚 有 11 家用波形 拟合法分析承载力 Qumax 2150kN Qumin 1150kN 误差 20 仅一家 图 10 8 b 截面 0 3 0 3m 预制桩 桩长 11 3m 静载荷试桩Qu 1650kN 有 30 家用 波形拟合法分析承载力 误差 20 有 8 家 a b 图 10 8 灌注桩和预制桩实测波形 例 例 9 人工挖孔灌注桩 桩径人工挖孔灌注桩 桩径 0 8m 桩长 桩长 6 0m 桩端持力层为粉质粘土 桩端持力层为粉质粘土 图 10 9 a 为高应变实测波形 b 单桩静载荷试验Q s 曲线 曲线为陡降型 单桩极 限承载力Qu 1500kN 高应变试桩用 60kN 锤 落距 1 8m 实测波形速度反射峰宽于初始峰宽度 根据弹性 理论两者应相近 该波形按正常程序拟合 承载力很低 当桩端附加不合理的附加质量后 拟合结果和静载结果相近 该桩个别单位拟合结果高出静载结果 3 倍 a 高应变法实测波形 Q 100 kN b 静载荷试桩Q s 曲线 例 例 10 钻孔灌注桩 桩径钻孔灌注桩 桩径 0 8m 桩长 桩长 16m 桩端持力层为全风化基岩 桩端持力层为全风化基岩 图 10 10 a 用锤重 60kN 的高应变实测波形 b 单桩静载荷试验Q s 曲线 最大加载 为设计荷载 2 倍 Qmax 1950kN 相应沉降 s 11 5 波形拟合法承载力仅 950kN 和静载结果误差 51 所以对桩底速度反射波宽度大 并反射强烈的桩 采用常规的土模型 拟合结果差异大 图 10 10 实测波形和Q s 曲线 a 高应变实测波形 b 静载和动载模拟Q s 曲线比较 例例 1111 钻孔钻孔灌灌注桩 桩径注桩 桩径 0 8m0 8m 桩长 桩长 21 8m21 8m 土层分布 粉质粘土 粉土 粘土 细砂 土层分布 粉质粘土 粉土 粘土 细砂 桩端持力层粉质粘土 桩端持力层粉质粘土 图图 1010 11 a 11 a 用锤重用锤重 4242 kN 高应变法实测波形 高应变法实测波形 b b 拟合波形 拟合波形 c c 静载荷曲线和高应变法计算的曲线静载荷曲线和高应变法计算的曲线 静载试验Qmax 3600kN 相应沉降 s 11 4m Q s曲线呈陡降型 单桩极限承载力 Qu 3400kN 相应沉降 6 8mm 由实测波形判断 该桩为摩擦端承桩 波形正常 波形拟合结果和静载结果比较 误 差很小 例 例 1212 人工挖孔灌注桩 桩径 人工挖孔灌注桩 桩径 1 6m 1 6m 含护壁含护壁 桩长 桩长 18 8m18 8m 土层分布 淤泥质粉沙砂 土层分布 淤泥质粉沙砂 粉细砂 粉质粘土粉细砂 粉质粘土 软塑 硬塑软塑 硬塑 桩端持力层为强风化泥岩 桩端持力层为强风化泥岩 图 10 12 a 高应变实测波形 b 静荷载Q s曲线 Qmax 12000kN s 87mm 曲线为缓变 形 按照s 40mm 所对应的荷载为单桩极限承载力 Qu 10000kN 设计要求Qu 13500kN 不满 足设计要求 高应变法动力试桩 锤重 80kN 按照锤重 1 预估极限承载力要求 锤重应为 100kN 140kN 锤重偏小 产生的桩顶动位移仅为 5 2mm 波形拟合法得到的承载力底于静荷载试 桩很多 从波形定性分析 承载力信息很少 同时桩底反射强烈并且峰宽 图 10 12 实测波形和静载Q s曲线 a 高应变实测波形 b 静载Q s曲线 例 例 1313 0 5m0 5m 0 5m0 5m 预制桩 桩长预制桩 桩长 3737m m 3 3 节桩 土层为淤泥和淤泥质粘土 桩端持力节桩 土层为淤泥和淤泥质粘土 桩端持力 层为残积土 层为残积土 图 10 13 a 高应变法初打实测波形 接头处较明显反射 b 休止 3 天后复打实测波 形 波形拟合法 初打承载力Qu 500kN 休止 3 天后承载力Qu 2500kN 28 天后静载荷实验 Qu 4500kN 规范规定 承载力检测休止时间 砂土 7 天 粉土 10 天 非饱和粘土 15 天 饱和粘 土 25 天 泥浆护壁灌注桩适当延长休止时间 a 初打 b 3d 后复打 图 10 13 高应变法初 复打波形比较 例 例 1414 0 5m0 5m 0 5m0 5m 预制桩 桩预制桩 桩长长 40m40m 和和 49m49m 土层为淤泥质粘土 桩端持力层为强风化 土层为淤泥质粘土 桩端持力层为强风化 岩 岩 图 10 14 a 桩长 49m 初打实测波形 从波形定性判断无承载力 b 桩长 40m 初 打实测波形 从波形定性判断有一定承载力 c 桩长 40m 休止 4 天后复打实测波形 测 阻和端阻都较大 波形拟合法分析 Qu 5200kN a L 49m 初打 b L 40m 初打 c L 40m 休止 4 天初打 图 10 14 高应变初 复打实测波形比较 例 例 1515 泥浆护壁钻孔灌注桩 桩径 泥浆护壁钻孔灌注桩 桩径 0 5m0 5m 桩长 桩长 13 5m13 5m 图 10 15 为高应变法实测波形 从力波形看出 信号不回零 始终处于压应力 原因可 能是测点处混凝土质量差 混凝土产生塑性变形 变形不能全部恢复所致 注意 1 测点处混凝土质量欠佳 测的应力偏大 换算的F c 2 A 偏大 会高估承 载力 2 测点距桩顶为 1 5D 2 0D D 为桩径 根据弹性力学圣维南原理 如果物体的一 小部分边界上的面力变换为静力学上的等效面力 那么近处的应力分布将有显著的改变 但远处的影响可以不计 则点离锤击点有一定距离 可避免桩顶复杂的应力状态 锤的接 触条件对桩身应力分布影响可忽略不计 图 10 15 高应变实测波形力信号 不回零 例 例 1616 高应变法传感器安装不当 桩头裂缝实测波形 高应变法传感器安装不当 桩头裂缝实测波形 图 10 16 a 力传感器未上紧 产生频率和传感器自振频率相当的振荡频率波形 f 1000HZ b 桩头裂缝实测波形 a 力传感器未上紧 b 桩头开裂 图 10 16 力传感器未上紧和桩头开裂波形 例 例 1717 高应变法锤击偏心和膨胀螺栓质量差的实测波形 高应变法锤击偏心和膨胀螺栓质量差的实测波形 图 10 17 a 锤击偏心实测波形 如用强夯锤作为锤击设备 b 膨胀螺栓质量差 套管和栓体间隙过大 使得力传感器受拉 力信号不回零 a 锤击偏心实测波形 b 力信号不回零 图 10 17 锤击偏心和膨胀螺栓质量差实测波形 例 例 1818 短桩的实测波形 短桩的实测波形 图 10 18 为桩长 5 5m 桩径 0 8m 的灌注桩高应变实测波形 由于桩短信号的峰值 和桩底反射回来的反射波叠加 难于找到反射时刻 无法确定波速 只能用低应变法实测 波速 图 10 18 主峰与反射峰重叠 例 例 1919 0 35m0 35m 0 35m0 35m 预制桩 桩长预制桩 桩长 10m10m 持力层为中砂 图 持力层为中砂 图 1010 19 a b 19 a b 为同一为同一跟桩 跟桩 相同锤重 相同落高得到的不完全一样的波形 也就是高应变法实测波形重复性不如低应相同锤重 相同落高得到的不完全一样的波形 也就是高应变法实测波形重复性不如低应 变法信号重复性好 变法信号重复性好 原因 1 高应变法锤击能量大 桩受锤击后 桩侧桩端土受扰动 2 桩受锤击产生残余应力 3 桩端土被压密 4 桩身有可能产生微裂缝 a 第 1 锤波形 b 第 2 锤波形 图 10 19 高应变不同锤序波形比较 例 例 2020 导杆式柴油锤作为 导杆式柴油锤作为锤击设备实测波形设备实测波形 图 10 20 a 为导杆式柴油锤作为锤击设备的实测波形 b 为导杆式柴油锤打冷锤 的实测波形 导杆式柴油锤靠锤头下落压缩汽缸中气体对桩施加荷载 空气压缩过程缓慢 历时 较长 波形上升缓慢 速度是由加速度信号积分得到 积分误差积累 使F V信号不同步 V低于F信号 a 导杆式柴油锤锤击 b 导杆式柴油锤的 冷锤 信号 图 10 20 导杆式柴油锤的实测波形 例 例 2121 外径 外径 0 55m 0 55m 壁厚壁厚 0 1m 0 1m 闭口预应力管桩 桩长闭口预应力管桩 桩长 2323 5m5m 图 图 1010 20 a 20 a 为高应变实测为高应变实测 波形 波形 b b 为由加速为由加速度度二次积分得到的位移曲线 二次积分得到的位移曲线 该桩用柴油锤作为锤击装置 锤击过程较长 往往发生采样结束 但桩的运动尚未停 止 这时信号尾部不回零 使得位移曲线误差过大 甚至出现负值 尤其当贯入度较小时 土阻力发挥不充分时 由于加速计的零漂和无零频响应 贯入度的误差更大 贯入度出现 位移曲线 负值 这是不符合实际的 a 图 10 21 位移曲线出现负值例子 例 例 2222 0 4m0 4m 0 4m0 4m 预制桩 桩长预制桩 桩长 17 2m 17 2m 图 10 22 a 实测F V波形 b 位移曲线 柴油锤作为锤击设备 采样结束 桩运 动尚未停止 速度波形不回零 贯入度 位移曲线 出现负值 图 10 22 位移曲线出现负值例子 例例 2323 外径外径 1 22m1 22m 壁厚 壁厚 0 038m0 038m 开口钢管桩 桩长开口钢管桩 桩长 95m95m 入土深度 入土深度 44m44m 图 10 23 a 实测力和速度波形 b 位移曲线 长桩采样结束 桩身运动尚未停止 波行不回零 位移曲线出现 贯入度 负值 a b 图 10 23 长桩位移曲线出现负值例子 24 泥浆护壁钻孔灌注桩 桩径 0 8m 桩长 24m 图 10 24 a 自由落锤实测力和速度波形 b 位移曲线速度波形回零 由加速度二次积分 得到的贯入度较为真实 该桩最大动位移为 8mm 贯入度为 2 3mm a b 图图 1010 2424 灌注桩灌注桩实测波形实测波形 例例 2525 预应力混凝土方桩 截面预应力混凝土方桩 截面 0 305m0 305m 0 305m0 305m 桩长 桩长 14 6m14 6m 土层为砂土和淤泥质粉 土层为砂土和淤泥质粉 土 桩端持力层为砂土和淤泥质土 初打土 桩端持力层为砂土和淤泥质土 初打 e 5mm e 5mm 击 击 3 3 天后复打天后复打 e 2 5e 2 5mmmm 击 击 图 10 25 a 3 天后复打实测力和速度波形 b 标贯击数和波形拟合法所得侧阻力分 布 c 静荷载试桩和波形拟合的曲线 单桩极限承载力判定采用美国 Davisson 方法 静载荷试桩Qu 1810kN 波形拟合法 Qu 1875kN 误差为 3 6 该桩承载力以侧阻力为主 图 10 25 预应力方桩静载和动测结果 例例 2626 单桩极限承载力单桩极限承载力 DavissonDavisson 判定判定方法方法 由Q s曲线的前段划一弹性压缩刚度线 K AE L 切线 E LE L F A LAE L AE L L K L 式中 E 桩体材料弹性模量 L 桩长 A 桩截面积 F 桩内力 K 桩弹性压缩刚度 S 0 15 D 120 英寸 D 为桩径 或桩边宽 b 过 O 点划切线平行线 以 S 为距离划 一条和压缩刚度平行的直线 相交于Q s曲线的点所对应的荷载为单桩极限承载力 例 方桩 b 305m 12 英寸 S 0 15 D 120 0 25英寸 6 35mm 则 例25 单桩极限承载力为399千磅 1870kN 图 10 26 单桩极限承载力 Divisson 判定方法 例