动力测桩技术及运用.doc

地基处理与基础工程课程论文动力试桩技术及其应用工程硕士2007 王峰1 引言 目前通过检验桩的承载力进行桩基质量检测的方法有两种，即传统的静力载荷试验法（以下简称静载法）和近年来逐步发展起未的动测法。其中动测法又包括高应变动力试桩法和低应变动力试桩法。静载法测试结果客观、真实、准确，但是周期长、成本高。低应变法目前主要用于检测桩的完整性，在国内对该方法能否测定承载力还存在分歧，故其主要用于检测桩的完整性。桩的动力检测作为一种新技术，快速、简便，测试费用相对静载法偏低，在全国各地的桩基检测中得到广泛的应用。2桩基高应变检测技术2.1 高应变试验方法高应变动力试桩利用几十KN或者百余KN，甚至几百KN的重锤敲击桩顶，使桩顶产生的动位移接近常规静力压桩试验时的沉降量。以使让桩周土的极限阻力充分发挥。通过波动方程求解，直接计算与桩运动相关的土的静、动阻力及桩的缺陷程度，从而对桩的极限承载力和桩身结构完整性进行定量评价。 (1)试桩桩数选定：高应变试桩桩数一般为工程总桩数的5，并不少于5根。(2)试桩时间确定：动力试桩给出的承载力只代表试桩时候的承载力。桩在设置过程中不可避免地使桩周土扰动，导致部分或大部分丧失土强度。困此，充分的休止时间是必须的。一般砂性土中的桩休止时间短，粘土中的桩休止时间长。(3)桩头处理：测试前应将顶部浮浆凿掉，用标号较高的混凝土加固桩头，桩顶加配23层钢筋网片井加密箍筋，对于小直径的灌注桩，最好在一倍桩径范围内用3 mm5 mm的钢板围裹，务使顶面平整。 (4)锤垫选择：锤击脉冲的宽度与锤垫的厚薄、软厚程度、锤头的硬度以及锤重等因素有关。锤垫越软越厚锤越重，脉仲宽度越大。在工程中可采用木垫、纸垫、草垫以及工业毛毡等锤垫。只要选择合适，不仅可适当拓宽锤击脉仲宽度，还可起到保护桩头的作用。(5)桩锤选择：在不过分增添锤击设备吊装运输麻烦的前提下，一般应选择较重的锤，这主要是为了使锤击时桩土之间产生塑性位移，土阻力能得到充分发挥。过去试桩时常选锤重为桩重的10，其实多数情况下锤重明显偏小（软土中的细长摩擦桩例外），而且轻锤高落容易造成较高幅度的窄脉冲，不论从锤击应力还是传递给桩的有效能量两方面都是不利的。 (6)锤击信号测量：在距桩顶1.52倍桩径以下的桩侧表面对称安装应变传感器和加速度传感器各2支，以便减少锤击应力集中、消除锤击偏心。应变测量对锤击偏心、安装处混凝土质量和平整度很敏感，往往由于安装不良而导致测试失败。加速度传感器的低频特性也应引起足够重视。(7)落距对中：落锤如果不对中而过分的偏心，使锤击一开始就出现拉伸波，使行波变得十分混乱和复杂，导致误差较大。锤击偏心对信号的影响较大，严重的偏心会使桩身一侧受拉，由于混凝土的抗拉强度较低，受拉后产生裂缝和塑性变形，使力传感器受损，特别是灌注桩，使桩头开裂。力信号对偏心敏感，偏心会使应变包含塑性变形分量，力信号中也就包含虚假成分。 所以，第一锤应用较低的落距先试打一下，检查F1和F2比值（F1、F2为对称安装传感器量测值），如有偏心，则重新调节导向架或改变锤垫厚度比，直到两道力基本一致为止。(8)打桩监控：在预制桩打入过程中连续测量，要求仪器具备实时处理能力，这样才能区分地质分层，观察打桩应力，桩锤效率和桩身缺陷的变化。2.2 高应变确定承载力的方法（1）CASE法：假设桩为等截面桩，土阻力模型为刚一塑性，可能据行波理论推导出CASE法计算打桩总阻力RT的公式 (1) 然后假设与土阻尼相关的动阻力只集中在桩尖，则由（1）式即可推出静力RS的简化计算公式 (2)式（1）和（2）中，F和V代表实测的力与速度，Z为桩的平均阻抗，L为桩长，C为波速，JC为桩尖阻尼系数。t一般取在速度时程曲线第一峰处，ZLC表示应力波在整个桩身传播往返一次所需的时间。因为RS与位移无关，所以，贯入度是土的静阻力能否充分发挥的判别依据。通常，贯入度大于Zmm即可认为R：计算值代表桩的极限承载力。显然，（2）式的计算精度与J,取值有关，它很强地依赖于地质条件与地区性经验的结合和人的判断能力。因此，为了消除由于操作者主观判断带来的任意性，有条件时应通过静动对比试验对特定地区的特定土质条件以及特定的施工工艺和桩型进行J。校核；或者采用CAPWAP波形拟合法进行承载力计算。 (2)CAPWAP法：这是一种精确的波动方程数值解法。具体做法是：将桩分为若干单元，假定每个单元的桩土模型及其参数，以实测的速度作为桩顶边界条件输入，求解波动方程后反算出桩顶的力曲线并与实测的桩顶力曲线比较（同时校核实测与计算的贯入度），如果不符，调整桩土模型及其参数再行计算，直至达到较好的拟合曲线效果。可见这种算法是以实测值作为客观标准来反演桩土参数。经过多次拟合，最终得到桩身剖面形状、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折模拟出的静荷载一沉降曲线。此外，由于求解是对整个波动过程进行的，因而还能给出桩身任一深度处的动力学和运动学参量随时间的变化。应该注意到：参数选取是否合理与分折人员素质与经验的丰富程度有很大关系，所得拟合效果因人而异。因此，尽管拟合法的标准唯一，但实际上解并非唯一，只可能将不同的解控制在一定的变异范围内。2.3 高应变法现存的一些问题 (1)预示承载力的精度：目前高应变法确定极限承载力的误差范围在20%左右，对此误差范围的估计是建立在动静试验对比基础上的。事实上，端承型桩静荷载试桩给出的极限承载力大约有10的误差，所以，对高应变法预示承载力的精度要求过高是不现实的。 (2)测试误差：灌注桩测试时，由于传感器安装处混凝土不均匀或非线性，传感器安装不良，锤击偏心使混凝土产生过大的塑性变形甚至开裂，会极严重地影响信号质量。(3)从CASE法本身的理论推导过程不难看出，它的理论假设条件比较苛刻。首先，假设桩身等阻抗，这对钢桩、预制桩和预应力管桩在桩身无缺陷的倩况下基本适用，而对灌注桩是难以达到。其次，假设动阻力完全集中于桩尖，而实际情况是随着桩的相对位移，桩侧必然产生动阻力，只是相对较小而己；再次，假设静阻力模型为刚塑性体，即桩一旦被打动，则静阻力马上达到极限值，这也与实际不符。所以，CASE法测桩，必须在桩被打动的前提下充分发挥土的全部静阻力，并从波形上正确判断桩尖的反射位置，选用恰当的阻尼系数Jc值，才可比较准确地确定单桩极限承载力。而Jc值的选取，不但与桩尖土的类别有关，而且与桩的阻抗有关。在波形拟合法的理论推导和CASE法一样，也是在材质均匀、强度较高、侧面光滑的钢管桩、预制桩等基础上建立起来的。而且在波形拟合法中，桩侧静阻力靠桩与桩侧土之间的剪切变形传递，桩侧土假设不随桩一起运动；而桩端与岩土介质相互作用则与刺入破坏模式相近，嵌岩桩、大直径桩和扩底桩，将出现不符的情况。如嵌岩桩在嵌固段的岩体可能随桩一起运动，大直径桩特别扩底桩桩端的破坏模式与刺入模式不同。况且，目前所用的土模型无非是理想弹塑性(CAPWAPC程序）或在此基础上考虑土的加工硬化或软化(FEIPWAPC程序)，并不一定精确地表征桩土相互作用的复杂机理。由此可见，对桩身有缺陷的桩，CASE法确定单桩极限承载力不是很可靠。由此也决定CASE法主要用于钢桩、预制桩和预应力管桩的测试。(4)桩未被“打动”时的误差：此情况常出现在以端承为主的嵌岩桩和支承在密实砂层或砂卵石层的扩底桩（墩）或大直径桩。扩底桩静荷载试验得到的极限承载力所对应沉降常高达60mm,而动载试验要使桩顶产生10mm的动位移就相当不易了。不仅如此，即使是对高应变测试最理想的桩型一摩擦桩，同样会由于土阻力未充分发挥而出现土参数取值的“任意性”。另外，对于细长桩；土的卸载特性参数由于桩的提前回弹而在土阻力响应区段和加载参数发生祸合，进而对部分发挥的静阻力计算产生不利影响。 (5)计算误差：CASE法计算的基本假设之一是等截面桩，如为变截面灌注桩，则公式(2)中的阻抗Z变成了未知数；同样，在波形拟合分析时，调整参数的工作对于等截面桩时只调整土参数变成非均匀截面桩时的桩土参数共同调整，恰好拟合波形又对截面变化十分敏感。(6)人员素质问题：从事高应变动测的人员不仅需要桩基工程方面的经验，更需要波动理论、动态力学理论、计算机和土力学方面的知识。对这门多学科综合的高技术，绝不能指望在极短时间内熟练掌握，或通过“简化”以达速度之目的，尽管高应变动测技术对土建人员来说已相当繁琐，但对实际桩而言，还确有不少问题要探讨和细化，然而，由于缺乏深层次培训和对高应变概念的模糊认识，致使这种方法在有些地方被不正确的应用。2.4高应变法的适用性高应变法有它的局限性，其准确性与可靠性有待干进一步完善和发展。与静载法相比，高应变法受一定的客观条件的限制。建筑桩基技术规范和基桩高应变动力检测规程都明确地规定了高应变法的适用条件，见图1。 图1 高应变法的适用条件从图1可以看出，高应变法可在施工前做过静载荷试验且施工质量可靠的前提下作为施工验收的手段和静载荷试验的辅助手段。如果不考虑高应变法的适用范围而一味追求经济效益，那就失去了桩基检测的意义。 (3)在从事高应变动力试桩时，应该注意选择合适的锤重和落高、加固桩头，合理安排锤击顺序和实施细节，以保证取得适当的位移，井使各种不利因素减小到最小。3 桩基低应变检测技术 低应变动力试桩是采用低能量的瞬态或稳态激振，使桩在弹性范围内作低幅振动。高应变与低应变法的根本区别是前者考虑了桩周土的弹塑性响应。国际上普遍认为动力测桩的极限承载力只能用高应变方法得到，低应变法主要用于检测桩的完整性。可是在我国，对“低应变法能否测定承载力”这一问题还存在分歧，它不仅困扰着我国动测技术向高质量标准化方向发展，也加剧了动测市场的混乱程度。事实上，如果低应变法能测定承载力，我们不如只用几十kN静荷载直接而且足够精确地测定桩的静刚度，何需通过“经验系数”再把动刚度转换成静刚度呢？众所周知，仅依据静荷载试桩的Q-s曲线初斜率（静刚度）很难推测以后曲线的变化情况。所以，低应变法测定承载力只局限于研究阶段。3.1.低应变法检测桩身结构完整性 弹性应力波反射法和机械阻抗法检测桩身结构完整性，其数学物理假定比较严密，理论上是成熟的。 (1)弹性应力波反射法 当手锤敲击桩顶，由此产生的应力波沿桩身以波速C向下传播，当遇到阻抗变化界面，一部分能量将产生反射向上传播，另一部分产生透射向下传播，到达桩尖，又产生反射向上传播，所以由桩顶传感器接收到的信号是敲击所产生的自由衰减震动和反射波的迭加。 设桩身上下阻抗为Z上和Z下，由界面处的力平衡方程和速度、位移连续方程推导速度反射系数为： （5）式中 VL下行波速度；VR上行波速度。当Z上 Z下，如断桩、缩颈、离析和夹泥等桩身缺陷,VR与VL同相位； 当Z上 Z下，如扩颈，VR与VL反相位。 由响应时程曲线的反射点可以判断桩身阻抗变化位置。 (2)稳态激振和瞬态激振机械阻抗法两种方法试验装置不一样，最终结果都是得到实测的速度导纳(V/F)随频率(f )变化曲线，或加速度导纳(a/F)随频率(f )变化曲线，由轴向振动方程的分离变量解，可得到导纳图上相邻两谐振峰的频率差,f和波速C、桩长L关系式： （6） 从导纳曲线量得f值后，假定波速C可求桩长，或知桩长L可求波速C,从而判断缺陷位置。(3)低应变检测准确性的影响因素上述弹性应力波反射法及机械抗法检测桩身质量，物理概念明确，理论模型较为成熟，但检测结果的准确性往往又受到如下因素的影响：a) 不同检测单位仪器的操作区别b) 不同检测单位的判断差别 3.2.低应变法测单桩承载力存在的问题 无论是稳态激振或瞬态激振机械阻抗法，检测桩承载力时，都是根据实测的导纳曲线低频段斜率的倒数求得桩动刚度ED然后由静、动刚度对比系数专和桩顶容许沉降量sa估算单桩许承载力。 (3) (4) 从上述可见，低应变法确定单桩承载力基本上可按下述过程求得：从测试结果获得桩的动刚度；根据经验确定静、动刚度对比系数；根据给定桩顶容许沉降量确定单桩容许承载力。单桩承载力计算式(25-4)的右边三个参数中，有两个参数专l Sa并非实测所得，因此确定式左边的承载力必然带有很大的随意性。 另外，与一般天然地基和复合地基不同，传统的单桩容许承载力是由极限承载力除以安全系数所得，而不是以容许沉降量确定的。众所周知，相同的极限承载力，其容许承载力所对应的沉降量却不尽相同，也无一统计资料给出容许沉降量。对于不同桩型、不同土层情况、不同长径比(L/d)的桩9s.是不一样的。即使是同桩型同土质条件，桩端虚土或沉渣厚度的变化也会使，a不同。所以：a取值是很复杂的。一般只有凭个人和地区经验取值，这样造成的误差是很大的，例如一根挖孔桩，由稳态激振机械阻抗法测得ED = 3000kN/mm，按上式计算，设亏1.0，那么s。多取或少取lmm，该桩承载力相差就是3000kN。4 结语 (1)应用CASE法确定单桩承载力之前，必须先用低应变动测法对桩身进行完整性测试。只有当桩上体系的实际倩况基本符合CASE法的近似假设时，方可根据桩尖持力层的土性选用经验系数儿计算岩土的静阻力。否则，必须根据相同条件下的静动对比，选取反映桩土体系综合倩况的经验系数。 (2) 用低应变法测试桩基承载力所做的计算模型假设太多。与实际工程桩相比太理想化，应建立动阻力分布模型，在土力学方面有所突破 （3）无论高应变动力试桩法还是低应变动力试桩法都要求测试人员必须受过专业训练，具有较高的技术素养和丰富的试桩经验。工程现场的地质资料、桩的设计资料和工程施工的原始记录，对干提高分析结果