高应变试桩.doc

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、底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Qs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ASmith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GGGoblt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SDF1 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（D494589），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（AS21591978）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（DS4151965）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abab其应变为= ，u为沿z方向位移，ab截面受力，E，F（M-1）AAEAE ，ab截面受力，F（M）=AE（ ）AE （ ）dz 式中：A杆截面；E杆材料弹性模量；单元abab受力为： 单元abab力的平衡，Fma，mW/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(zct)g(zct) (6-2)波f(zct)以波速c沿x轴正向传播，g（zct）以波速c沿x轴负向传播，如图(6-2)：图6-26.3应力波沿细长杆的传播设波f(zct)为下行波（入射波）WdWd f(zct)f（） zctWd分别对x和t取偏导数, ， ， ，Ec2. ， 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=FdFu=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F0，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。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(zc0t) 桩顶（z=0）处 （0,t）=f(cot)= (F0/A)sin(t/ )= (F0/A)sin(/c0)(cot) （z,t）=(F0/A)sin(/c0)(zcot) 在t=时，即锤击过程结束的瞬时， （z,t）=(F0/A)sin（z/c01) (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=Fc/EAF=EAV/C， EA/c=Z ，F=ZV (6-6)式中 AE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ZV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)=1/2F(t)V(t) Z （6-13）上行波 Wd(t)=1/2F(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： VuVd=0 （6-17）式（6-15）和（6-16）代入（6-17）得： （WuWd）/ Z=0 （6-18）由截面力的平衡条件： R= WuWd （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，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=(Z1Z2)/ (Z1Z2) 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。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。压力波到达测点，对波形影响，使力增大，速度值减小，即力波形上移，而速度波形下移。【例】 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t1和t2时刻的上、下行波？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=ZV ，Z=F/V=8000/4=2000(kNs/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=（Ft1Vt1 Z） /2 =（800020004）/2=8000（kN） 上行波 W u t1=（Ft1Vt1 Z） /2 =（800020004）/2=0（kN）t2时刻，下行波：Wd t2=（Ft2Vt2 Z） /2 =35002000（0.7）/2=1050（kN） 上行波 W u t2=（Ft2Vt2 Z） /2 =35002000（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1030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D800,对称安装在2D处的桩侧表面；D800,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50200s；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=c2 (7-2) F=A=c2A (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（ZAc），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。RRs+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JcCase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=RJc(2Ft1R) (8-1)R=1/2F(t1)F(t2)ZV(t1)ZV(t2) (8-2)Rs=1/2(1Jc)F(t1)ZV(t1)1/2(1Jc)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】某预制方桩，截面0.30.3m，桩长12m，持力层为粉土，用筒式柴油锤复打进行高应变法动力试桩，实测如图8-1：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0.3RS=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 kN9. 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：EAc；土：RS(Ru) Qk(Sq) JcJct），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Qs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1】直径0.55 m，桩长21m预应力管桩，桩端持力层硬塑坚硬粘土，筒式柴油锤施打，图10-1为波形拟合法结果，（a）实测F、V波形； （b）拟合力波形； （c）拟合速度波形；（d）上、下行波；（e）计算速度波形； （f）计算位移波形；（g）计算Qs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2】由实测的F、V波形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3】由实测波形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4】初打和复打实测波形比较（图10-4）。0.50.5m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。0.50.5m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，Qu4500kN。图10-4 初打与复打对比波形【例5】由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6】由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7】摩擦桩实测波形和静载承载力（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Qs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Qs曲线（a）高应变实测波形； （b）静载Qs曲线【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0.30.3m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9】人工挖孔灌注桩，桩径0.8m，桩长6.0m，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Qs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Q100(kN) （b）静载荷试桩Qs曲线【例10】钻孔灌注桩，桩径0.8m，桩长16m，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Qs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Qs曲线（a）高应变实测波形； （b）静载和动载模拟Qs曲线比较【例11】钻孔灌注桩，桩径0.8m，桩长21.8m，土层分布：粉质粘土粉土粘土细砂桩端持力层粉质粘土。图10-11(a)用锤重42 kN高应变法实测波形；(b)拟合波形；(c)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，Qs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12】人工挖孔灌注桩。桩径1.6m(含护壁)，桩长18.8m，土层分布：淤泥质粉沙砂粉细砂粉质粘土(软塑硬塑)，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Qs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100kN140kN，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Qs曲线(a)高应变实测波形；(b)静载Qs曲线【例13】0.5m0.5m预制桩，桩长37m（3节桩，）土层为淤泥和淤泥质粘土，桩端持力层为残积土。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14】0.5m0.5m预制桩，桩长40m和49m。土层为淤泥质粘土，桩端持力层为强风化岩。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15】泥浆护壁钻孔灌注桩，桩径0.5m，桩长13.5m。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=c2A偏大，会高估承载力。(2)测点距桩顶为1.5D2.0D(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16】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，f1000HZ.(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17】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18】短桩的实测波形图10-18为桩长