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1、地基处理与基础工程课程论文1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
2、 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
3、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
4、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
5、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。2.22.2 高应变确定承载力的方法地基处理与基础工程课程论文2（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
6、法 计算打桩总阻力 RT 的公式(1) )/2()(21/221)(CLtVtVZCLtFtFtRT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) CLtZVCLtFJtZVtFJtRscc/2/2121)()(121)(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
7、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
8、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。2.32.3 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
9、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
10、，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，
11、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 法地基处理与基础工程课程论文3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
12、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
13、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。2.42.4 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
14、1。 图图 1 1 高应变法的适用条件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 3 桩基低应变检测技术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
15、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地基处理与基础工程课程论文4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
16、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）下上下上 ZZZZ VVRLR V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
