高应变动力试桩 对摩擦型桩检测的研究分析 薛 浩，徐 磊，徐士方，侯修胜 （滨州市建设工程质量检测站，山东滨州２５６６１３） 【摘要】高应变动力试桩是检测基桩承载力是否能够满足设计要求的重要手段，并在基桩检测领域得到广泛应用。但在使 用曲线拟合法计算承载力时，由于影响分析结果的因素很多，比如信号曲线的判断；岩土阻力的分布ｉ检测人员的相关经验等，造 成检测结果准确度下降。根据高应变检测试验相关经验，通过基桩动测仪进行分析，研究总结出摩擦型桩在各个土层状态下的曲 线特征，进行类比分析，以及在曲线拟合时，相关参数确定的定性定量方法。 【关键词】高应变动力试桩；持力层；土阻力；曲线拟合法 【中图分类号】ＴＵ５５６ 【文献标志码】Ａ 【文章编号】１６７１－３７０２（２０１４）０７－－００６２－－０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｓｔｒａｉｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｎ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｐｉｌｅｓ ＸＵＥ Ｈａｏ，ＸＵ Ｌｅｉ，ＸＵ Ｓｈ ，ＨＯＵ Ｘｉｕｓｈｅｎｇ （Ｂｉｎｚｈｏｕ ｃｉｔｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｑｕａｌｉｔｙ ｔｅｓｔ ｓｔａｔｉｏｎ．ｂｉｎｚｈｏｕ ２５６６１３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈ ｓｔｒａｉｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｎ ｐｉｌｅ ｉｓ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅａｎ ｏｆ ｔｅｓｔｉｎｇ ｐｉｌｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ Ｗｈｅｔｈｅｒ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｒ ｎｏｔ．Ｔｈｉｓ ｔｅｓｔ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｉｌｅ ｔｅｓｔｉｎｇ．Ｗｈｅｎ ｃｕｒｖｅ ｆｉｔｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍａｎｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｊｕｄｇｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｃｕｒｖｅ，ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｔｅｓｔｉｎｇ ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ ｒｅｌａｔｅｄ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｎｇ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｂｙ ｒｅａｄｉｎｇ ｂｏｏｋｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｔｒａｉｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｓｔｓ，Ｉ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｔｙｐｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｐｉｌｅ ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｏｉｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ａｎａｌｏｇｙ ａｎａｌｙｓｉｓ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅ ｆｉｔｔｉｎｇ， ｒｉｇｈｔ ａｎｄ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｌａｔｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ＰＤＳ—ＰＳ Ｄｉｌｅ ｄｉａｇｎｏｓｉＳ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｄｅ ｂｙ ＷｕＨａｎ Ｙａｎｔｕ ｘｉｎｇ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．．Ｌｔｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈ ｓｔｒａｉｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｓｔｉｎｇ Ｏｎ ｐｉｌｅ；Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｔｒａｔｕｍ￣ｓｏｉｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｃｕｒｖｅ ｆｉｔｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ０引 言 高应变动力测桩法是从１９６０年ｓｍｉｔｈ提出的“打桩 分析的波动方程法”理论发展而来，并在２０世纪８０年代 较高的理论水平和丰富的实践经验，才能得出与实际 情况相符合的结论，但现在检测人员在分析时机械地 调整参数，并影响检测结果，无法得出正确的检测结 论，作者通过对摩擦型桩高应变曲线分析，在分析的基 以波动方程为基础的高应变动力试桩法进入快速发展 期，在国外得到广泛应用。我国高应变动力测桩检测的 理论研究与实践始于２０世纪７０代，并在２０世纪９０年代 中期进入相对成熟期，为此１９９７年国家发布了基桩高应 变动力检测规程（ＪＧＪ１０６－－９７），各个地方也相继制定 础上，定性定量地确定有关参数，使检测结果更加符 合实际情况。 １摩擦型桩的定义和分类 桩所承受的荷载主要为上部结构传来的竖向荷 载。按桩的承载性状可分为：摩擦型桩和端承型桩。摩 擦型桩指的是桩顶荷载全部或主要由桩侧阻力承担。根 相关地方标准。但高应变动力测桩要求检测人员具有 作者简介：薛浩，男，助理工程师，研究方向为地基基础检测。 ６２ 第７期 薛浩等：高应变动力试桩对摩擦型桩检测的研究分析 据侧摩阻力分担外荷载的比例，又可以分为全部由侧摩 重合，说明在重锤作用下产生的应力波向下传播时，没 阻力承担的纯摩擦型桩和部９ｒｈ桩侧摩阻力承担，部分 由端阻力承担的端承型摩擦型桩Ⅲ。 有发生阻抗变化，则该桩（桩身大部分）没有受到桩周 土的侧摩阻力的影响，而随着两者曲线逐步分离且分 离越来越大，说明应力波在向下传播时，出现阻抗变 ２高应变动力测桩 高应变法检测是用重锤在桩顶给一个竖向冲击荷 化，即接近桩底的部分受到强烈的侧摩阻力，当应力波 到达桩底时，即时间为１０ ｍｓ时，Ｆｍ（ｔ）曲线出现较大 的正向反射，对应的ｚｘ Ｖｍ（ｔ）曲线出现较大的反向反 载，在桩两侧距桩顶一定距离对称安装力和加速度传感 器，量测力和桩一土系统响应信号，从而计算分析桩身 射，说明桩底和持力层之间接触良好，并且持力层强度 结构完整性和单桩承载力。高应变动力测桩在原理上简 化成了一维线性波动理论，具体反映到实际的曲线上可 以归纳为：在 （ｔ）一ｚ×Ｖｍ（ｔ）图中，凡是下行波都将 使两条曲线同向平移，且原有距离保持不变，凡是上行 波都将使两条前反向平移，互相靠拢或互相分离；如果 只有下行波作用，Ｆｍ（ｆ）曲线和ｚ×Ｖｍ（ｔ）曲线将永远 保持重合； （ｔ）曲线和ＺＸＶｍ（ｔ）曲线的相对移动直 接反应了上行波的作用。 ３摩擦型桩的高应变动力测桩的曲线分析 ３．１端承型摩擦桩高应变曲线分析 图１中，实线曲线Ｆ埘（ｔ）为Ｆ（力，单位为ｋＮ）随时 间 的响应曲线，虚线曲线ＺＸ （ｔ）为ＶＸＺ（速度与应 力波阻抗的乘积，单位为ｋＮ）随时间Ｔ的响应曲线， ２Ｌ／Ｃ为应力波从桩头传到桩底在反射回桩头所需的时 间，时间为ｍｓ。由图１可以看出，Ｆ和Ｖ曲线同时起跳， 同时到达最高峰，并且在此后部分时间区段内２条曲线 ＿０ ．、 。 ． ２ ． ３０Ｉ ０ ． ： 图１ 端承型摩擦桩（接触良好且持力层强度高）高应变曲线 ． 。 －Ｉ Ｉ Ｉ １ ０ １０＼，、 ２仃 ３Ｏ ４０ １ｔｌ２端承型摩擦桩（有间隙且持力层强度高）高应变曲线 较高。 由图２中可知：当 （ｔ）曲线，ｕｚｘ （ｔ）曲线都到 达最高峰后，不断有土阻力产生的反射上行波被传感器 接收到从而导致 （，）曲线，ｕｚｘＶｍ（，）曲线不断分离， 说明桩周土的侧摩阻力逐渐发挥作用，在分离这个过 程中没有出现速度曲线和力曲线有陡然靠拢的趋势， 说明桩身没有出现裂隙，缩径等不良的桩身缺陷，桩 体结构基本完整，完整性系数 １，当应力波到达桩 底时，由于桩身和桩端持力层之间存在间隙而导致； 从图ｌ中可以看出 （ｔ）曲线下降，而ＺＸＶｍ（ｔ）曲线上 升，这种情况在开口桩比较常见（１：Ｌ￣ｎ预应力管桩在 压至桩底标高时，会出现挤土效应，使桩四周的土体 结构受到扰动，引起桩身上浮），之后应力波继续沿持 力层向下传播，持力层中土阻力先慢慢变大最后达到 最大，然后随着冲击脉冲进入持力层以下地层土阻力 减小，固在曲线上反映出ＺＸＶｍ（ｔ）曲线相对下降， （ｔ）曲线相对上升。 ３．２纯摩擦桩高应变曲线分析 由图３￣－－Ｊ－知： （ｔ）曲线，ｕｚｘ （ｒ）曲线同时起 跳，同Ｉ］１￣ｌ，Ｊ达最高峰，土的侧摩阻力发挥，２条曲线逐渐 分离，并在冲击脉冲到达桩底时 （ｔ）曲线出现反向反 射，对应的ＺＸ （ｔ）曲线有较大的正向反射，显示在桩 底有明显的拉应力作用，而在此后并没有出现力曲线上 升而速度曲线下降，这说明该颗桩持力层强度较低。主 要靠桩的侧摩阻力来承担荷载。 ２ｚ／ｃ） ．… ｏ ｍｓ 图３纯摩擦桩高应变曲线 ．６３． 工程质量 第３２卷 总结以上３种情况：这三者的差别主要反映在桩端 受力的情况上，在冲击脉 中到达桩底时刻后是否会出现 （ｔ）、Ｚ× （ｔ）曲线的相位变化和振幅变化，如两者 的相位、振幅变化越大，则说明桩端持力层强度大，即 端承摩擦桩，反之，说明桩端持力层强度较小，即越接 近典型的纯摩擦桩。 ４高应变数据处理与分析 ４．１ ＣＡＳＥ法 ＣＡＳＥ法的桩的基本模型是一维等阻抗弹性杆件 （桩身某一截面上的各个质点的受力状态和运动状态 都是相同的），桩侧土的静阻力模型为理想的刚塑性模 型，忽略了桩侧土的动阻力，桩端土的静阻力模型为理 想刚性模型，动阻力模型采用线性黏滞阻尼模型，故在 分析前ＣＡＳＥ法对桩土模型做了很多假设条件，此外， 在阻尼系数 值的确定上，美国ＰＤＡ欧美大地公司曾经 给出相关参考数值范围，但结合某一地区的实际情况仍 要通过大量的静动对比试验确定适合该地区的持力层 情况的 值。而且ＣＡＳＥ法得出的基桩承载力与实际的 静载试验有３０％一５０％的误差，故标准要求在高应变动 力试桩分析时，所测桩中选其中３０％做曲线拟合进行分 析，从而减少误差【２］。 ４．２曲线拟合法 ＣＡＳＥ法提供了计算桩身承载力计算方法，但 ＣＡＳＥ法在应用时有很多，其计算公式在均匀杆件 的假设条件下导出，简单的计算公式可能产生较大的误 差，当遇到一些稍微复杂的情况时，ＣＡＳＥ法就不得不 放弃其全套理论的演绎而转向静动对比经验解决办 法［３１。曲线拟合法是通过波动问题数值计算，反演确 定桩和土的力学模型及其参数的分析方法，分析是以 高应变动力试桩实测的力或速度数据作为输入边界条 件，按照一定的力学模型，假设一组桩、土参数，通过 数值方法解波动方程，拟合计算出桩顶速度和力，然后 比较计算曲线和实测曲线是否吻合，以确定所选的参 数是否合理，如果不吻合，需调整参数进行拟合计算， 一直到计算曲线与实测曲线满足一定的拟合质量系数 为止。此时可以得出一组拟合出来的桩的静态承载 力、桩侧和桩端的阻力大小和分布以及模拟静载试验 的Ｑ 曲线等。 ．６４． ４．２．１桩一土的力学模型 曲线拟合法将桩身划分成一定数量的单元，桩单元 长度一般为Ｉ ｍ，桩单元划分原则是要让行波通过每一 单元的时间相等，其中桩侧土和桩端土的静力模型如图 ４所示。 （ａ） （ｂ） 图４桩侧土和桩端土静力模型 在图中，Ｒ （桩在某深处土的极限静阻力，单位 ｋＮ）， （某深度土层的位移，单位ｍｍ）曲线拟合法将 土简化成为理想的弹塑性模型，起初在高应变动力试桩 时，在重锤的 中击下，桩产生向下位移（加载过程），进 而引起桩周土首先发生弹性变形，在这个过程中，土的 应力和应变变化服从胡克定律即应力应变两者成线性 变化，通常来说，弹性形变越大，则说明桩周土的强度 越高，压缩性越低，反之亦然。然后土进入塑性变形状 态，这时，应力不再随着应变的增加而增加。而是处于 平稳状态，桩顶受到锤击后，桩身除了向下运动还会产 生回弹（卸载过程），回弹过程只是土体区部恢复，这与 土的卸载弹限有关，通常静载试验中用回弹率可以定性 地表达出土的卸载弹限大小。 ４．２．２土参数的设置 在进行土参数设置时，要根据相关技术人员的实际 工作经验、勘察报告提供的相关数据和实际测得的动测 曲线综合判断怎样设置参数。下面通过一个实例来说明 怎样设置土参数： 图５为山东某工地１５６号桩的高应变动力试桩实测 曲线，该桩为桩径３００ ｍｍ，桩长１２ｍ的预制方桩，通过 压桩机对预制桩施加静压力，把桩压入土中。高应变传 一 ． ．．．ＬｘＶｍｔｔ ） ，…．…一～１ 一 ’。’ｏ ２０ ３ｏ ４０ ｍ８ 图５山东某工地１５６号桩高应变实测曲线图 第７期 薛浩等：高应变动力试桩对摩擦型桩检测的研究分析 ｏ 八 一 ５ ／ 一 ｌ５ ２０ ２５ ３ ０八…一… ‘５ ５ ｒ０ ２５ ３０ ３５ ４ｏ Ｃｏ） （ａ） 八…一… ０ Ｉ … ） ５ 。Ｉ １５ 厂 ２０ Ｉ ２５ Ｉ ３０ Ｉ ３５ １ ４０ ０ 八 、 ．， 。 １ ５ ，，．Ｊ厂０一 ‘ｌ５ （ｄ） 。２ｏ ’２５ Ｔ／ｍｔ （ｃ） 图６ １５６号桩曲线拟合法多次拟合结果 图６（ａ）拟合参数Ｑ：５～ｌＯｍｍ ｑ：０．１２￣Ｏ．１５ ：１０．３ ：０．４６ Ｒｕ＝５０１ ｋＮ；图６（ｂ）拟合参数Ｑ：１０－１５ ｍｌｎ，ｇ：０．１２～Ｏ．１５ ：１０．３ ： ０．４６ Ｒｕ＝５４７ ｋＮ；图６（ｃ）拟合参数Ｑ：１８－２０ ｆｉｌｍ ｇ：０．０８￣０．１２ Ｍｑ：７．１ ：０．０８ Ｒ．＝５６２ ｋＮ；图６（ｄ）拟合参数：：１８￣２０ｍｍ ｑ：０．０５－０．１０ ：４．０ ：０．３１ Ｒ ＝５８９ ｋＮ。 注：Ｑ为桩端土最大弹限；ｇ为桩端土动阻尼； 为拟合质量系数；肪ｃＡｓＥ系数，兄为桩身极限承载力。 感器安装在距桩头０．６ ｍ处，采用１．２ ｔ重锤在１ ｍ左右处 自由落下。根据地质勘查报告得知，场地地层从浅入深 以此为ｌ层表土（平均厚度为０．８８ ｍ），２层粉土（平均厚度 ５结语 以上对摩擦型管桩的分类和分析解释有合理性和 １．３９ ｍ），３层粉质黏土（平均厚度ｌ＿３５ ｍ），３－１层粉土（平 均厚度０．８５ｍ），４层粉土（平均厚度１．０８ｍ），５层粉质黏 土（平均厚度３．３１ｍ），６层粉土（平均厚度０．８０ｍ），７层黏 土（平均厚度２．０４ｍ），８层粉土（平均厚度０．８８ｍ），该 指导性意义，给这种类型的桩的高应变曲线的分析和 判断提供了一个基本的依据，在实际工作中可以少走弯 路，减少误判，使解释趋于合理。 文中提出的３种类型，只是对实际情况的一种综合 与概括，实际中有很多是介于这３种类型之间的，它们并 没有明显缺陷，主要是靠技术人员对波形曲线的定性分 颗桩的设计承载力极限值为５８０ｋＮ。要设置的土参数包 括：桩底土层弹限（持力层的弹限），桩端土层动阻尼， 桩测土层弹限，桩测土层动阻尼，各个土层的桩侧极限 析来判断，所以这类桩的最终承载力计算，受到技术人 员的主观因素影响较大。这就需要从事本项工作的工程 技术人员在工作中不断总结研究，积累经验，提高自身 摩阻力上下限，桩端土端承力上下限。从曲线中可以看 出，该桩型为以摩擦为主的端承型摩擦桩而且在桩端和 持力层之间存在间隙，且持力层强度一般。在对实测曲 线进行拟合分析时，可选取较大的桩侧土层弹限值，且 下部土层的弹限值要大于上部土层的弹限值，对应的桩 侧土层动阻尼应偏小且下部土层的桩侧动阻尼小于上部 土层桩侧动阻尼，所测地区经过大量静动对比试验得 出在桩端持力层为粉土层时，该土层的ＣＡＳＥ阻尼系数 的素养，使各种不利因素的影Ⅱ向减少到最低限度。＠ 参考文献 ［１】陈凡，徐天平，陈久照，关立军．基桩质量检测技术［Ｍ】．北京：中国 建筑工业出版社，２００３． ［２ＥＰＮ建筑科学研究院．ＪＧＪ １０６－－２００３．建筑基桩检测技术规范［ｓ】． 北京：中国建筑工业出版社，２００３． （ 值）在０．３附近。根据勘察报告结论，输入各个土层 的侧摩阻力和持力层端承力，然后调试各个桩侧土的弹 限和动阻尼，使曲线充分拟合（见图６）。 ［３］刘屠梅，赵竹占，吴慧明．基桩检测技术与实例［Ｍ］．北京中国建筑 工业出版社，２００６． ．６５—
