談基樁高應變動力檢測存在的問題及誤差來源

李健全　盧文浩　司睿鵬

(浙江大合檢測有限公司，浙江 杭州　311100)

0　引言

樁基工程是地下高度隱蔽性工程，樁基檢測是樁基工程質量檢查與驗收中的一個關鍵部分。其中單樁極限承載力的檢驗檢測，又是樁基檢測中的主要問題之一。高應變動力檢測法是一種用重錘自由下落錘擊樁頂，同時在樁兩側對稱安裝力和加速度傳感器，量測力和樁、土系統響應信號，從而計算單樁承載力的方法。該方法目前得到廣泛應用。本文結合理論研究，對高應變法檢測過程中存在的問題和誤差來源進行了初步研究，以求其在樁基檢測中發揮更大的作用。

1　高應變動力檢測基本原理

1.1　Case法的基本假定

1)樁身是等阻抗的(Z=ρAc)，Z沿樁身不變，對預制樁、預應力管樁和鋼樁在無樁身缺陷情況下是符合的，因而實測信號除土阻力和樁底反射信號外，無阻抗變化的反射波。

2)動阻力集中在樁底，忽略樁側的動阻力。

3)忽略應力波在傳播過程的能量損耗。即應力波在傳播過程無波形畸變和幅值變化。

1.2　Case法的數學模型

1)樁體假定為均勻連續一維桿，并且樁身參數(ρ，E)在測試時間不變化，稱為時不變。

2)樁周土模型(見圖1)。

a.樁的承載力為土對樁的支承載力，樁承載力達極限值時，認為是樁土界面受剪破壞。

b.實測總阻力為靜阻力和動阻力之和。

R=Rs+RD

(1)

其中,Rs為靜阻力，取決于土的位移，隨著位移線性增加，直到土的最大彈性位移(Quake值)后，Rs不隨變形增加而增加；RD為動阻力，簡化為與樁運動速度V成線性關系的粘滯阻尼模型。

RD=JcZV

(2)

其中，V為樁身運動速度；Z為樁身阻抗；Jc為Case阻尼系數。

1.3　Case法的單樁承載力

由式(1)所示，動測總阻力是靜阻力和動阻力之和，但人們關心的是和靜荷載試樁相對應的靜阻力Rs，要想辦法從總阻力分離出靜阻力。

Goble教授研制的PDA打樁分析儀，從實測力波形和速度波形實現了這種分離。

Rs=R-Jc(2Ft1-R)

(3)

R=1/2[F(t1)+F(t2)+ZV(t1)-ZV(t2)]

(4)

Rs=1/2(1-Jc)[F(t1)+ZV(t1)]+1/2(1+Jc)[F(t2)-ZV(t2)]

(5)

其中，t1，F(t1),V(t1)分別為速度第一峰的時刻、錘擊力和質點運動速度；t2,F(t2),V(t2)分別為樁底反射時刻、錘擊力和質點運動速度。

2　高應變動力檢測中存在的問題

根據多年的檢測經驗，高應變動力檢測法在實際應用過程中仍存在不少問題和局限性，現就以下幾個方面進行研究：

1)錘的問題。錘重和落高是試驗成敗的關鍵之一。錘重和落高的選擇要使樁貫入度不小于2.5 mm，且不大于10 mm。如果貫入度過小，土的強度不能充分發揮，貫入度太大，則不滿足波動理論。落高是影響力峰值和樁頂速度的重要因素。落高過小，能量不足，落高過大，則容易使力峰值過大，擊碎樁頂，加大高應變動力檢測的誤差。根據經驗，對于一般長度的樁，錘重應在要求檢測的承載力的1%～5%之間，落高不超過2.5 m。

2)樁身不符合Case法的基本假定。

Case法的基本假定：

a.樁為一維彈性桿件，樁身材料不變，截面相等；

b.應力波在樁身傳遞過程中無能量耗散；

c.假定錘擊時的動土阻力集中在樁尖，且與樁尖的運動速度成正比：

當樁身存在缺陷時，樁身阻抗有突變，上下行波每次經過缺陷位置處都要產生反射和透射，而Case法并未有這些情況，因此樁身缺陷越嚴重，Case法計算誤差也就越大，原則上不適合使用Case法。

3)阻尼系數Jc值,目前都是人為假設,無法用試驗方法取得,也無法檢驗參數的正確性,只能憑經驗估計；

4)樁側摩阻力較大的樁，如果忽略樁側土阻尼，使結果誤差較大；

5)當摩擦樁的樁長較長時，如果忽略樁身上部土單元在2L/C時刻之前的卸載影響，得到的承載力結果會偏低。

3　Case法的誤差來源

Case法的誤差來源主要包括以下幾個方面：

1)鋼筋混凝土灌注樁是非均質的彈塑性材料，與樁為一維彈性桿的假定相悖。

2)實際試驗過程中，動阻力和樁端運動速度為非線性相關，與假定c.的內容相悖。

3)當樁身質量較差時，應力波在傳播過程中衰減和變形嚴重，與假定b.的內容相悖。

4)Case法計算過程中參數取值帶有很大經驗性，因而高應變動力檢測法的結果存在誤差。

5)錘擊設備誤差。

高應變動力檢測過程中，為了使樁土間產生一定的相對位移，需要利用重錘擊樁頂，產生合適的能量。如果錘擊設備的重量和落高選擇不當，會使高應變動力檢測的結果存在較大誤差，甚至使結果無效。

6)樁身條件的誤差。

Case法的假定是以樁身完好為前提，但是實際過程中，例如樁頭混凝土被重錘擊碎、傳感器安裝點混凝土質量不好、樁身存在缺陷等都會影響數據的準確性。

混凝土是一種非均質的彈塑性材料，樁身波速的取值不僅與其用料、齡期等自身因素有關，還與沖擊水平、樁周土性質、樁長等有關，波速的誤差直接影響承載力的計算。

7)工程中的嵌巖樁、大直徑端承樁等，其靜載Q—S曲線都是緩變形的，承載力確定只能根據樁的沉降量，而高應變法根本無法使端阻力充分發揮所能達到的位移，因此高應變法的承載力總是偏低的。

4　結語

基樁高應變動力檢測技術是一門實踐性強、涉及面廣的綜合學科。高應變動力檢測技術的誤差問題一直倍受人們的關注，在現有條件下盡可能地根據相應問題加以解決，減少誤差，有助于進一步提高高應變動力檢測結果的準確性。本文對高應變動力檢測技術存在的問題及誤差來源進行了總結分析，為下一步如何提高高應變動力檢測技術的準確性和適用性的研究，提供了方向和基礎。

參考文獻:

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