基桩高应变检测

高应变桩基承载力检测2014年10月27日一、高应变法测试概述高应变法：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。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β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。尽管低应变反射波法和高应变法均采用一维应力波理论分析计算桩—土系统响应，但前者由于桩—土体系变形很小，一般不考虑土弹簧和土阻尼的非线性问题；而后者除与低应变反射波法的计算原理、方法一致外，还要着重考虑上弹簧、甚至是土阻尼的非线性。因此，利用波动理论计算桩土互作用的土阻力问题显得很重要。高应变实际检测时，测量激励和响应的传感器一般安装在桩顶附近，习惯上将传感器安装截面视为桩顶，传感器安装载面至桩底的距离称为测点下桩长L。对于等截面均匀桩，桩顶实测到的力和速度包含了桩侧和桩端土阻力的影响。下面来分析一下深度x处的上阻力R2在冲击过程中对桩顶的力和速度的影响。下行入射波通过x界面时，将在界面处分别产生幅值各为Rx／2的向上反射压力波和向下传播的拉力波．见图1。即t＝x／c时刻Rx被激发，Rx／2的压力波影响于2x／c时刻反射回桩顶，它将使桩顶力曲线上升Rx／2，同时使速度曲线下降Rx／2Z。如果将速度曲线以力的单位归一化，即将速度乘以阻抗Z与力曲线同时显示，这样Rx对桩顶力和速度曲线的影响将使两曲线的差值增加为：由于x是完全任意的，可以得出如下结论：在桩顶力和速度时程曲线的2x/c(x＜L)时刻，力曲线与速度曲线之间的差值代表了应力波从桩顶下行至x深度的过程中所受到的所有土阻力之和，即：上行为R/2的压力波，经2L/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。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。打桩土阻力的大小显然与桩的竖向承载力高低有关，桩承载力愈高、打桩土阻力愈强。尽管土阻力是直接测量的，但土阻力中所包含的静阻力的具体量值是未知的。因此，通过实测力与实测速度曲线之差反映的土阻力大小只是桩的竖向承载力高低的定性表达。二、高应变法检测一般规定该方法适用于检测基桩的竖向抗压承载力和桩身完整性；监测预制桩打入时的桩身应力和锤击能量传递比，为沉桩工艺参数及桩长选择提供依据。对于大直径扩底桩和Q-s曲线具有缓变型特征的大直径灌注桩，不宜采用该方法进行竖向抗压承载力检测。三、仪器设备检测仪器一般通用的基桩动测仪可以胜任。JGJ106-2014对锤击设备提出了要求：9.2.2条:锤击设备可采用柴油锤、液压锤、蒸汽锤等具有导向装置的打桩机械，但不得采用导杆式柴油锤、振动锤。9.2.3条：高应变检测专用锤击设备应具有稳定的导向装置，重锤应形状对称，高径（宽）比不得小于1。9.2.5条：采用高应变法进行承载力检测时，锤的重量与单桩竖向抗压承载力特征值的比值不得小于0.02.四、现场检测技术JGJ106-2014对检测前的准备工作应符合下列规定：9.3.1条1、对于不满足本规范表3.2.5规定的休止时间的预制桩，应根据本地区的经验，合理安排复打时间，确定承载力的时间效应。2、桩顶面应平整，桩顶高度应满足锤击装置的要求，桩锤重心应与桩顶对中，锤击装置架立应垂直。3、对不能承受锤击的桩头应做加固处理，混凝土桩的桩头处理按本规范附录B执行。4、传感器的安装应符合本规范附录F的规定。5、桩头顶部应设置桩垫，桩垫可采用10～30mm厚的木板或胶合板等材料。1、桩头处理（1）预制桩的处理。预制桩的桩头处理较为简单，使用施工用柴油锤跟打时，只需留出足够深度以备传感器安装；预制桩砼强度较高，桩头较平整，无须进行桩头处理，一般垫上合适的桩垫即可，但对于那些截掉桩头或桩头打烂后才通知测试的，有时也有必要进行处理，或将凸出部分敲掉（割掉），特别是出露的钢筋应当割掉，或重新涂上一层高强度早强水泥使桩头平整。大部分预制桩桩侧非常平整，可直接安装传感器，小口径预应力管桩，则因曲率半径太小，不利于应力环与桩身的紧贴，有时宜进行局部处理。（2）灌注桩的处理。灌注桩的桩身处理较为复杂，针对不同桩型，一般可采用下列几种办法：①制作长桩帽，传感器安放在桩帽上这种方法因便于传感器安装（原则上传感器应装在本桩上）、不会砸乱桩头、桩帽强度可以自由配制、信号质量较好，但是一旦接桩效果较差，便会严重影响上方传感器的测试信号；上下介质广义波阻抗相差较大时，也将使测试信号的可信度降低。②制作短桩帽，传感器在本桩上安装。这是较合理的一种处理方法，利用桩帽承受锤击时的不均匀打击力，以防止桩头的开裂。因传感器在本桩上安装，接头处并无特别的处理要求。工程桩难有安装传感器的平整面，当桩头位于地表以下时，需大量开挖以保证传感器的安装等是本方法的缺点。2、传感器的安装高应变测试的基本原理是分析土阻力和桩身缺陷对实测力波和速度波的影响，进而评价桩的承载力。测试时既要测力又要测速度，一般要求传感器线性带宽的高频截止频率至少能达到1500Hz，而低频截止频率则越低越好；由于打击力常达几百吨，对应的应力和速度也相当高，目前直接测量力和速度的传感器均难以具备如此条件，特别是力，几乎没有直接检测桩身应力的工具，因此高应变测试不得不采用间接的测量办法，通过测量桩侧的应变来推算桩身应力和力，通过测量桩侧质点加速度来积分成速度。安装面应对称地选在桩两侧相同高度处，选择安装面时，应在适合传感器安装高度的桩周围反复用地质锤敲挖，寻找较少凸出物、较少软沙浆而又平整的平面。大多数灌注桩，只有将桩头全部挖出才能寻找出合适的部位，只对称挖出两侧的作法极不合理。桩成型较差时，只能找到相对较好的侧面，对于这些侧面，必须有专人再次进行合理的人工处理。①加速度计安装。加速度计和底座系分离件时，二者间必须用扳手拧紧，有可能的话还可用胶或硅胶粘牢，如无必要一般不要折开，计线座合一的可不必考虑二者间的紧密程度。加速度计的底座应紧贴桩侧，但拧紧膨胀螺栓时不可用力过猛，以免底座破碎。加速度计安装后用手应当不能扳动，传感方向必须与桩的轴向平行。②应力环安装。应力环的安装最为讲究，一般现场测试难获成功的主要原因便是因为应力环安装效果不理想。在预制桩和桩帽上应力环较易安装，只要膨胀螺栓孔距合适，表面平整，螺栓又生根紧密，即可获得满意的安装效果；而在灌注桩本桩上安装，当强度合理、桩侧平整、螺栓间距合适、生根紧凑时尚可，否则必须进行技术处理。螺栓斜入或间距不合时，可用铁锤在其根部轻轻敲击纠正；外套出露时，亦可用改锥或凿子打击使其与螺杆贴紧，以保证应力环能够贴近桩面。所有螺栓均应紧固、不易晃动。将应力环带有四角的一面朝向桩面顺螺杆贴到桩上，反复用手上下左右移动应力环，感觉到四个支点在同一平面时（即用力按下四角，没有翻翘、亦无明显变形）按住不动，开始上垫圈和螺帽，然后用扳手将其拧紧，拧紧的过程中，一方面安装人员要密切注视应力环中间的传感环，防止其出现可见的变形（一旦变形应松开处理），另一方面最好用测桩仪监控，防止其超出仪器的自平衡调节范围。从测试角度看应力环自然是拧得越紧越好，但过紧容易造成应力环的伤害。五、高应变法的基桩基本模型1、基本模型（1）基桩模型CASE法将桩视为一维均质（等截面尤佳）连续的弹性体，基本上不考虑桩身缺陷影响，应变与质点速度之间满足协调方程；而拟合法不要求桩身截面上下相等，基桩本构关系亦改为粘弹性体，可考虑桩身内阻对应力波的衰减影响，为进一步模拟灌注桩现场测试的真实状况，也可以引入横向惯性效应修正、桩头砼体的塑性非线性修正。此外，为考虑桩身内部的缺陷影响，拟合法引入了桩身接缝的松弛模型，对于缺陷部位，只有当质点位移大于（压）或小于（拉）一定值时才能向下传播应力波。（2）桩周土动力模型：为排除动力试桩过程中土体的动力效应，CASE法和拟合法均引入了土的动力模型。前者假定土的动阻力全部集中于桩尖，且与桩尖速度和广义波阻抗成正比；后者则假定动阻力存在于桩端和桩周各个部位，常用两种模型动阻力伴随静阻力出现，或动阻力伴随质点运动出现。为考虑土体内部的能量耗散效应和惯性效应，弥补静力模型的不足，拟合法还引入了辐射阻尼模型和土塞模型，实际编程又定义一种阻尼选择指标，以便根据桩尖情况采用不同动力模型。（3）桩周土静力模型：CASE法为了确保波动方程解耦，得到半经验解析解，不仅将桩侧速度与动阻力分离，而且将桩身位移与静阻力分离，因而假定土的静力模型为理想刚塑性体，见下图，一旦扰动发生，阻力即达到极限值，显然，这只能在桩土间超过一定变形时才适用。拟合法则在假定桩周土体内部无相对变形的前提下，于桩土间引入了理想弹塑性模型，进入塑性前，静阻力与桩土相对位移成正比，进入塑性后，静阻力值恒定不变。实际应用时，对于重复加载和卸载，以及桩尖脱离等情形也作了进一步假定，由于动静阻力与质点位移和速度相互关联，方程无法解耦，只能采用迭代运算。CASE法土的理想刚塑性静力模型六、CASE法计算公式CASE法计算桩基承载力:打桩桩总阻力估算公式：如果在整个深度L的桩段上连续作用有侧阻力以及端阻力，且土阻力是自上而下依次激发的，记初始速度曲线第一峰的时刻为t1，则在t2＝t1+2L／c时刻，桩顶实测的力和速度记录中将包含以下四种影响：(1)由土阻力产生的全部上行压缩土阻力波的总和RT／2；(2)由初始的下行压力波经桩底反射产生的上行拉力波，符号为负；(3)由土阻力产生的下行拉力波经桩底反射后以压缩波的形式上行，并与第（2）项的上行波同时到达桩顶，其大小也为RT／2；(4)全部的上行被在桩顶反射而形成的下行波Fc(t2)。凯司法将打桩总阻力RT分为静阻力Rx和动阻力Rd两个不相关项。为了从RT中将静阻力部分提取出来，凯司法采用以下四个假定：(1)桩身阻抗恒定，即除了截面不变外，桩身材质均匀是无明显缺陷。(2)只考虑桩端阻尼，忽略桩侧阻尼的影响。（3)应力波在沿桩身传播时，除土阻力影响再没有其他因素造成的能量耗散和波形畸变。(4)土阻力的本构关系隐含采用了刚—塑性模型，即土体对桩的静阻力大小与桩土之间的位移大小无关，而仅与桩土之间是否存在相对位移有关。具体地讲：桩土之间一旦产生运动(应力波一旦到达)，此时土的阻力立即达到极限静阻力Ru，且随位移增加不再改变。得到标准形式的凯司法计算桩承载力公式，较适宜于长度适中尺截面规则的中、小型桩和摩擦型桩。七、波动方程拟合法波动方程拟合法没有显式的计算公式，只能通过编程获得数值解。目前几乎所有这类拟合程序均将桩等分为1米左右的单元，并且约定：（1）单元内部无面积和阻抗变化；（2）土阻力由分布荷载等效为集中荷载；（3）单元内部的应力波衰减符合线性粘性模型；（4）应力波在单元节点处因受土阻力、桩身阻抗变化等产生反射波和透射波。波动方程拟合法分析拟合过程中，需了解桩土参数对拟合曲线的影响：（1）减小缷载水平意味着缷载后的反弹阻力或负摩阻力减小，导致计算曲线的尾部上升。（2