基于應力波的樁身內力計算方法研究

洪光森，馬克剛，張明瑞

（1.中國能源建設集團資產管理中心，北京 100022；2.中國能源建設集團安徽省電力設計有限公司，安徽 合肥 230601）

基于應力波的樁身內力計算方法研究

洪光森1，馬克剛2，張明瑞2

（1.中國能源建設集團資產管理中心，北京 100022；2.中國能源建設集團安徽省電力設計有限公司，安徽 合肥 230601）

針對大型試樁工程中樁身內力測試存在的問題，為了提高樁身內力測試參數的可靠性和準確性，基于應力波理論，利用聲波透射法測試成果進行樁身材料彈性模量修正，有效提高樁身內力測試的精度，優化樁基設計參數，降低樁基工程造價，并提高了樁基工程的安全性。

應力波；聲波透射法；彈性模量；樁身內力測試。

1　概述

大型試樁工程中樁身內力測試是用來獲取樁側各土層的側摩阻力和樁端阻力的重要手段，其方法是在樁身預埋傳感器，在進行靜載試驗時進行應變或應力量測，進而計算樁身各斷面軸力，最終推導出樁身摩阻力和樁端阻力。目前多采用弦式鋼筋計進行樁身應力量測。由于混凝土的非線性，需在樁頂設置一個測量斷面作為標定斷面，進行樁身材料彈性模量的標定。

然而灌注樁的樁身混凝土彈性模量受各種因素影響存在不確定性，加之樁身截面的不均勻性和傳感器件埋設等問題，進行內力計算時存在較大的系統誤差和人為誤差，主要表現在：

（1）計算時假設樁身材料均勻，測點斷面與標定斷面樁身材料一致，采用相同的彈性模量；

（2）同一斷面測點應變存在不一致性，難以判別取舍有效測點。

由于混凝土的彈性模量與其超聲波波速之間具有較好的相關性，針對以上問題，提出利用聲波透射法測試成果和樁身沉降觀測資料解決以上問題，方法如下：

基于應力波理論，利用聲波測試成果進行樁身材料彈性模量修正，解決樁身不均勻性問題，該方法在電力工程的試樁項目中進行了應用，取得了較好的效果。

2　樁身內力計算方法

2.1一般原理

采用鋼筋計的樁身內力計算是基于混凝土與鋼筋籠同步變形，通過量測鋼筋的應變得到混凝土的應變，進而得到樁身斷面處的軸力，計算出各斷面間土層的側摩阻力和樁端阻力，具體計算過程如下：

（1）根據樁頂標定斷面處應變變化，建立樁身應變ε0～樁身等效彈性模量E0關系（或者樁身應變ε0～樁身軸力F0）關系，當樁身測點斷面與標定斷面存在變化時，按鋼筋彈性模量不變，進一步計算建立樁身混凝土應變ε0～樁身混凝土彈性模量Ec0關系。

（2）整理各斷面應變數據，計算斷面應變平均值，根據標定斷面計算成果，計算該斷面處樁身軸力，計算方法如下：

式中：Qi為樁身第i斷面處軸力（kN）；εi為第i斷面處應變平均值；Ai為第i斷面處樁身截面面積（m2）；Ei為第i斷面處樁身材料彈性模量（kPa），根據標定斷面處回歸關系ε～E計算。

如樁身斷面與標定斷面一致時，上述公式往往簡化為根據樁身應變ε0～樁身軸力F0關系直接計算Qi。

（3）利用各斷面樁身軸力計算各段土體側摩阻力和樁端阻力。

由于混凝土自身的非線性和樁身不同地段混凝土密實度的差異，混凝土彈性模量Ec非常值，而隨ε增加而有變小的趨勢。

上述樁身內力計算時基于測量斷面與標定斷面處樁身材料一致的前提，而實際混凝土灌注樁樁身均勻性存在一定變化，計算時應對于樁身混凝土的彈性模量進行修正。

2.2基于應力波的彈性模量修正方法

根據一維應力波理論，樁身混凝土的彈性模量可根據以下公式計算：

式中：ρ為混凝土密度，C為混凝土波速。

聲波透射法檢測采用超聲脈沖發射源向砼內發射高頻彈性脈沖波，并用高精度接收系統記錄該脈沖波在砼內傳播過程中表現的波動情況，由于同為縱波，脈沖波波速可視為與一維應力波波速一致。因此根據聲波測試成果，利用各斷面實測波速（鋼筋計長度范圍內的平均值）與標定斷面處實測波速進行對比，利用上述公式進行修正，即采用ECi=KiEC0，Ki=（Ci/C0）2。

3　工程應用

將上述方法用于某電廠主廠房區域綜合試樁工程中，以A1樁內力測試為例，修正前后樁身軸力成果如圖1所示，修正前后各土層極限側摩阻力試驗值對比見表1。

表1　A1樁修正前后各土層極限側摩阻力試驗值

根據表1可知，修正前④層可塑粉質粘土、⑤3層硬塑含礫卵石粉質粘土、⑥2中風化泥質砂巖試驗值均為異常值，而修正后各土層的側摩阻力試驗值均在規范的建議取值范圍內。因此，通過彈性模量修正，可以有效地提高樁身內力測試成果的可靠性和準確性，從而有利于樁基的優化設計。

4　結論

（1）采用基于應力波的樁身內力測試計算方法可以有效修正由于彈性模量變化造成的樁身內力測試誤差，提高樁身內力測試成果的可靠性和準確性。

圖1　A1樁修正前后樁身軸力圖

（2）簡單比值修正方法往往與反算成果存在一定差異，個別斷面差異很大，這與混凝土的非線性有關，建議后期根據更多的室內試驗建立彈性模量與聲速的二次回歸關系。

（3）鋼筋計為非連續測量應變，如采用滑動測微計進行連續測量，可以通過標定斷面與加固樁頭之間應變與波速關系，直接建立彈性模量修正公式，在以后工程中建議嘗試采用。

［1］郝恩海，劉杰，等.混凝土超聲聲波與強度和彈性模量的關系研究［J］.天津大學學報，2002，3（35）.

［2］董清華.混凝土超聲波、聲波檢測的某些進展，混凝土［J］.2005，（11）.

［3］楊龍才，周順華，高強.基于單樁軸力實測的樁身壓縮變形計算與分析［J］.工程勘察，2004，4（1）.

［4］羅騏先.樁基工程檢測手冊（第二版）［M］.北京：人民交通出版社，2004.

Calculation Method of Pile Body Internal Force Based on Stress Wave

HONG Guang-sen，MA Ke-gang，ZHANG Ming-rui
（1.China Energy Engineering Group Assets Administration Center， Beijing 100022， China；2.China Energy Engineering Group Anhui Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Hefei230601， China）

For large engineering pile body internal force of piles testing problems， in order to insure the accuracy and the reliability of the pile test parameters， by using stress wave theory， the use of sound wave transmission method test results for pile body material elastic modulus， improve the precision of the pile body internal force test and optimize the pile foundation design parameters， reduce the engineering cost； Will be a number of testing method and unified application without increasing resource input， accord with environmental protection principle to improve the reliability of pile foundation design parameters， guarantee the safety of the pile foundation engineering.

stress wave；acoustic transmission method；elastic modulus；conductivity；pile internal force measuring.

TU473

B

1671-9913（2016）04-0053-03

2016-03-01

洪光森（1982- ），男，工程師，碩士，從事巖土及地質工程研究，