浅谈高应变动测法在基桩检测中的应用
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摘 要：本文结合桩基工程检测实践，简要介绍了高应变动力测试技术的原理与方法以及影响桩基测试结果的因素，通过具体的检测工作，对高应变检测技术在工程上的应用进行分析探讨，可供同类工程技术人员参考。
关键词:基桩；高应变检测
1前言
近年来，随着我国高层建筑数量的增多，各种类型混凝土灌注桩的大量应用，出现了许多新的质量问题。桩基是隐蔽工程，支撑着地面上的构筑物，它是建筑物的基础，其质量优劣直接影响到这些建筑物的安全。在桩基础的施工过程中，桩基检测是一个不可缺少的环节。高应变动测法是用一种高能量的动态冲击荷载代替静态维持荷载，使桩周土的阻力充分发挥，通过波动方程求解单桩极限承载力的方法。该方法用时短、费用低、效率很高，有其无可比拟的优点，在世界范围内得到了广泛的应用。文中笔者结合桩基工程检测实践，对高应变检测技术在工程上的应用进行分析探讨。
2高应变检测原理及方法
高应变动力法测试技术于20世纪80年代随美国PDI( PileDynamics，Inc.) 公司的PDA(Pile Driv-ing Analyzer)仪器引入我国，90年代初国内类似的仪器和计算软件也相继面世。近几年随着国内高层建筑数量的增多，该技术得到了广泛的应用和发展。它是通过在桩顶量测被激发的阻力产生的应力波和速度波来确定承载力的。目前工程界应用最广泛的高应变动力试桩法主要有以下几种：
2.1 波动方程法
波动方程法即史密斯于1960年所提出的方法，在“打桩分析的波动方程法”这一著名的论文中，他对锤――桩――土体系提出了用一系列质量块、弹簧和阻尼器组成的离散化计算模型，以锤心初速度作为边界条件，然后利用差分程序编程计算，求出了精确的数值解。
由于波动方程法便于计算机编程处理，因此现有的基桩高应变动测技术基本上都是采用该方法为基础。
2.2Case 法
Case法是一种简化分析方法，通过列一些假设条件获得一维波动方程的一个封闭接，建立了土阻力和桩顶波之间的一个简单关系，进而求得基桩极限承载力与桩顶所测得的压力和质点速度值的关系。
2.3波形拟合法
虽然Case法具有简单易用的特点，但也具有一定的理论缺陷。波形拟合采用数值试算的方法，有效地克服了Case 法的缺陷。其基本思路是：在锤击过程中，可以得到两组实测曲线，即力和速度随时间变化曲线。利用其中一组曲线并对桩身阻抗、土阻力及其他所有桩土作出假定来推求另一组曲线值，利用推求值与另一组实测曲线值对比。若不满足则调整假设值继续试算，直到计算值与实测值相符合，此时的桩土参数即为实际的桩土参数值。该方法充分利用了动测过程中所测得的实测值，辅以计算机试算能够有效地确定基桩承载力。
3高应变检测法中的影响因素分析
3.1原始资料的掌握程度
能否达到或超过桩基设计承载力是检测的最终目的，详细掌握原始工程地质条件则是检测成功的重要保证。高应变动力试桩的分析过程是一种判断的过程，可靠的原始资料是技术人员进行思考和判断的重要依据。地质勘察报告中土层静力触探曲线描述的贯入阻力分布、砂土的密实度、黏性土的稠度、土层埋深以及其他一些性质指标是作为计算土参数选取的重要依据。分析过程中需要不断地拿原始资料同实测分析结果相互验证，从而准确地确定各个参数的取值。
3.2锤击能量的影响
高应变动力检测所测桩的承载力实际上是实测结果中计算求得的试验当时实际激发的土阻力。锤击能量的选择实际上就是选择合适的锤重和落距，使土阻力能充分激发出来。如果锤击能量低，则桩周土的阻力不能完全被激发出来，导致结果偏低；如果锤击能量过高，则导致桩身位移过大，易造成薄弱截面的破损。因此，锤击能量的选择是影响桩基检测精度的一个重要因素。在高应变动测过程中，应遵守重锤低击的原则。理想的冲击力应是能够充分发挥出土的阻力，并且冲击力持续时间应尽可能长。锤重增加可以延长冲击力的作用时间，这对提高高应变动力试桩的准确性有益；而落距增大后，冲击力的持续时间将不变，因此，盲目地提高重锤的落距，在桩中引起拉应力，容易使桩顶的打击力发生偏心，致使桩顶局部锤击应力过大而可能使桩头打坏。
3.3传感器安装的影响
高应变动力检测是通过在桩顶附近采集得到的桩身力信号和运动速度信号，计算得出桩周土对桩产生的阻力，实际检测中传感器直接获得的是其安装截面的应变和加速度，要获得力信号和速度信号还要人为地输入一些计算参数，如弹性波速、弹性模量和传感器安装截面积等。这些数据越接近传感器安装截面的实际情况，力和速度信号的定量精度就越高。
3.4 桩土时间效应的影响
高应变动力检测不能只考虑到桩身强度，还应充分注意到桩土的时间效应对检测结果有很大影响。成桩后，岩土对桩的阻力是随时间的延长而不断发生变化的，一般情况下，岩土阻力随歇后时间的延长而增大，其原因是受成桩过程中土体强度的恢复、孔隙水消散和桩土界面上的一系列物理化学过程的影响。除了设计、施工的因素外，某些特殊的桩端持力层由于施工的扰动或地下水的浸入等其他因素也会使强度下降。因此，桩的时间效应问题是影响高应变动测结果又一不可忽视的因素。
4提高检测精度的主要措施
1).充分了解掌握工程地质条件和桩基的设计、施工情况，合理地选取计算模型；
2).合理选择锤击能量，锤的重量必须大于预估单桩极限承载力的1 %，要遵守重锤低击的原则，在贯入度合适的情况下，尽可能地选择较重的落锤；
3).传感器应分别对称安装在桩顶下的桩侧表面，且距离桩顶不小于2倍桩径，如条件允许，应尽量往下安装；
4).考虑桩土的时间效应，在土强度充分恢复后，合理选择检测时间；
5).加强培训，提高检测技术人员的素质，积累丰富的实践经验。
5高应变动力法工程检测实例
5.1实例一
江门市某工厂厂址周围公路环绕，交通便利。地形平坦开阔，总趋势南高北低，大致向北稍有倾斜。厂区地基土层由第四系全新统(Q3) 和晚更新统(Q4)松散沉积物组成为洪积相沉积，岩相在垂直、水平方向上有较大变化，常以交互层和过渡相、透镜体形式出现。地层主要由黏性土局部夹砂组成，岩性相对较弱，不能用作主体建筑物天然地基，需要采用桩基等方法予以处理。
5.1.1测试结果及分析
6根工程桩高应变动力测试结果见表1，6根工程桩高应变检测时，检测了每一锤击力作用下桩的贯入度，单击贯入度都大于2.5 mm，表明桩周土产生塑性变形，桩周土阻力得到了充分的发挥。
表1 桩基高应变动力测试结果
根据高应变动力测试，6根工程桩单桩垂直极限承载力实测结果是:A82号桩为536 kN，A78号桩为626 kN，A79号桩为593 kN，A171号桩为619 kN，A175号桩为527 kN，A177号桩为622 kN，6根工程桩的单桩垂直极限承载力均满足设计荷载220 kN的要求。
5.2实例二
本站使用高应变和静载相结合的方法对江门市某工地的全盘桩基进行检测。在高应变检测其中一座建筑物的8#桩时出现了数据异常，用波形拟合法进行数据拟合，拟合结果图形见图1。
图1拟合结果图
经过拟合分析，得出8#桩的极限承载力为2 338 kN。然后再对该8#桩进行静载荷实验，通过Q－S曲线图可近似确定在沉降值为4cm 时对应的力值约为2 250 kN，最终极限承载力取值为2 160 kN。两种检测方法得出结果十分接近，因此证明了高应变检测方法具有相当的可信度和准确性。
6结束语
高应变检测技术已广泛应用于基桩承载力检测中，从总体上讲高应变动力试桩法是一种有效的试桩方法，具有很大的推广价值。无论CASE 法还是波形拟合法都是一种半经验性的试桩方法，所以高应变动力试桩法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，对于提高分析结果的精度有着极为重要的意义，应该准确提供和掌握。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，并使各种不利因素的影响减小到最小。
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