高应变动力测试在桥梁桩基检测中的应用

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摘要：介绍了高应变动力测试技术的原理及方法，总结了现场波形采集和检测数据分析中值得注意的问题，并结合工程实践对其应用做了介绍。

关键词：高应变动力测试，CASE法，实测曲线拟合法，完整性，单桩承载力。

中图分类号：U445 文献标识码：A

一、前言

近年来，随着我国交通基础建设投资的不断加大，各种大型桥梁结构物的修建也日益增多，桩基础的应用越来越普及，由于桩的施工有高度的隐蔽性，而影响桩基工程的因素又多，如岩土工程条件、桩土的相互作用、施工技术水平等等，所以桩的施工质量具有很多的不确定性因素。为此，加强施工后的质量检测，提高基桩质量检测工作的质量和检测评定结果的可靠性，对确保整个桩基工程的质量与安全有重要意义。在《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202-2002）中，对桩的质量检验标准分为主控项目和一般项目，桩的承载力和桩身完整性均列为主控项目。

高应变动力测试以其技术相对先进、操作较为简便，近年来在桥梁基桩质量检测中得到了广泛的推广和应用。本文结合基桩高应变检测实践，介绍现场测试中必须注意的一些问题和高应变测试技术的应用。

二、原理及方法

2.1原理

高应变动测法检验基桩质量，包括对单桩承载力和桩身完整性的检测。它是用重锤冲击桩顶，使桩—土产生足够的相对位移，以充分激发桩周土阻力和桩端支承力，通过安装在桩顶以下桩身两侧的力和加速度传感器接收桩的应力波信号，应用应力波理论分析处理力和速度时程曲线，从而判定桩的承载力和评价桩身质量完整性。

2.2 方法

自19世纪人们开始采用打桩公式计算桩基承载力以来，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）Smith波动方程法，设桩为一维弹性桩，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）波动方程半经验解析解法，也称CASE法，根据应力波理论，可同时分析桩身完整性和桩土承载力。

（5）波动方程拟合法，即CAPWAP法，是目前广泛应用的一种较合理的方法。

（6）静动法，其意义在于延长冲击力作用时间（～100ms），使之更接近静载试验状态。

目前，在工程界应用最广泛的高应变分析方法是波动方程半经验解析解法(CASE法)和实测曲线拟合法(CAPWAP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，利用对称安装于桩顶两侧的加速度计和应变计记录冲击波作用下的加速度与应变，并通过长线电缆传输给桩基动测仪，然后采用不同的软件求得相应承载力和基桩质量完整性指数。

三、检测数据分析

3.1 信号的选取

对以检测承载力为目的的试桩，从一阵锤击信号中选取分析用信号时，宜取锤击能量较大的击次。

正确测试时，高质量的实测信号一般具有如下特征：

１、两组力和速度时程曲线基本一致；

2、F曲线和ZV曲线在第一峰起始阶段呈比例关系，并在峰值处重合，（桩身浅部存在缺陷或浅部土层阻力较大时除外）；

3、F曲线和ZV曲线最终归零，即曲线对时间轴收敛；

4、波形无明显高频干扰，且不紊乱；

5、最大动位移一般约23mm，单击贯入度宜2～6mm。

锤击后出现下列情况之一的，其信号不得作为承载力分析计算依据：

1、力的时程曲线最终未归零；

2、严重偏心锤击，两侧力信号幅值相差超过1倍；

3、触变效应的影响，预制桩在多次锤击下承载力下降；

4、四通道测试数据不全。

3.2 实测曲线拟合法

实测曲线拟合法目前被认为是确定单桩承载力最准确的方法。具体做法是：根据桩基和工程地质特性，输入“桩—土”模型及其参数，以实测速度信号作为边界条件输入，利用特征线法求解波动方程，反算桩顶的力；如果计算的力曲线与实测的力波形（以及锤击数）不符合，则继续调整“桩—土”模型及参数，再进行拟合计算，直至计算的力曲线与实测的力曲线的吻合程度不能进一步改善为止。波动方程拟合法最终给出单桩的预估极限承载力、桩身剖面、模拟的荷载—沉降曲线及土阻力沿桩身的分布图。

采用实测曲线拟合法判定桩承载力，应符合下列规定：

1、所采用的力学模型应明确合理，桩和土的力学模型应能分别反映桩和土的实际力学性状，模型参数的取值范围应能限定。

2、拟合分析选用的参数应在岩土工程的合理范围内。

3、曲线拟合时间段长度在t1+2L/c时刻后延续时间不应小于20ms；对于柴油锤打桩信号，在t1+2L/c时刻后延续时间不应小于30ms。

4、各单元所选用的土的最大弹性位移值不应超过相应桩单元的最大计算位移值。

5、拟合完成时，土阻力响应区段的计算曲线与实测曲线应吻合，其他区段的曲线应基本吻合。

6、贯入度的计算值应与实测值接近。

3.3 CASE法判定单桩承载力

CASE法是一套以行波理论为基础的桩动力测量和分析方法，这个方法从行波理论出发，导出了一套简洁的分析计算公式并改善了相应的测量仪器，使之能在试验现场立即得到关于桩的承载力、桩身完整性、桩身应力和锤击能量传递等分析结果。

CASE法基本假设：

1、实测总阻力由静阻力Rs和动阻力Rd阻力，RT=Rs+Rd；

2、动阻力集中在桩底，无侧阻力，且动阻力只与桩底质点运动速度成正比；

3、忽略应力，波在传播过程中的能量损耗，包括桩身内阻尼损耗和向桩周土的热逸散。

CASE法判定的单桩极限承载力可按下式计算：

CASE法一般是选取F～ZV实测曲线中速度峰值所对应的时刻为t1时刻。

式中：RC：单桩竖向极限承载力,（kN）；

JC—CASE阻尼系数；

t1—速度峰值对应的时刻,（ms）；

Z—桩身截面力学阻抗,（kN﹒s/m）；

L—测点以下桩长,（m）。

桩身完整性判定可采用以下方法进行：

1、采用实测曲线拟合法判定时，拟合所选用的桩土参数应符合本规范规定；根据桩的成桩工艺，拟合时可采用桩身阻抗拟合或桩身裂隙（包括混凝土预制桩的接桩缝隙）拟合。

2、对于等截面桩，可按表1并结合经验判定；桩身完整性系数β和桩身缺陷位置β应分别按下列公式计算：

式中：β—桩身完整性系数；

四、工程实例

4.1 工程概况

芜湖某跨河公路桥，试验场地土层覆盖层主要为第四系冲洪积层，属全新统芜湖组，主要成分淤泥质粉质粘土，粉质粘土及粉细砂，其下为第四系上更新统砾卵石层。

4.2 测试结果及分析

5根桥梁桩基高应变动力测试结果见表2，测试时检测了每一锤击力作用下桩的贯入度，单击贯入度都大于2.5mm，表明桩周土产生了塑性变形，桩周土阻力得到了充分的发挥。

根据高应变动力测试，5根桩的单桩竖向极限承载力实测结果均满足设计荷载的要求。

表2桩基高应变动力检测结果一览表

五、结束语

高应变测试是一项复杂的现场试验验技术，根据现场实测数据可以得到丰富的信息，并及时准确地发现问题，保证桩身完整性；通过对实测数据进行CASE法和CAPWAP波形拟合法计算推算出单桩极限承载力。然而高应变动力测试还存在一些经验问题，比如不同桩型不同工程地质条件下的地基土时间效应系数等问题，还需作大量的静力试验和现场试验。这就要求高应变动力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。

参考文献：1、陈凡 徐天平《基桩质量检测技术》

2、刘金砺《桩基检测技术》

3、《建筑基桩检测技术规范》JGJ 106-2003