福建省基桩高应变法讲义

福建省基桩高应变法讲义第1页/共59页.基桩动测技术的发展.桩基动测技术的历史可追朔到百年以前，利用能量守恒原理和牛顿撞击定理来计算桩的承载力，称之为动力打桩公式。近代桩的动测技术是以应力波理论为基础发展起来的，桩可视为土中的弹性杆件，打桩过程是弹性应力波传播的过程。美国G.G.Goble等人在1967年发表了“关于桩承载力的动测研究”一文，1975年发表了“根据动测确定桩的承载力”研究报告。1972年湖南大学周光龙等人开始研究桩的动测技术，这是我国最早的开始用动力理论进行桩基的检测1986年福建省建筑科学研究院从美国引进首台GC型PDA打桩分析仪，1988年后，中国建筑科学研究院开始针对引进的美国PDA打桩分析仪进行开发，编制了桩的特征线波动分析程序FEIPWAPC，取得了较好效果。1989年我国由国家建筑工程质量监督检验测试中心组织编制了“高应变动力试桩法暂行规定”，1997年我国《基桩高应变动力检测规程》（JGJ106-97）颁布实施，直至2003年改版为《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2003），2014年10月1日修订后的《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-20014）开始实施

。第2页/共59页桩的承载力有竖向承载力，水平承载力及抗拔承载力等多个指标，通常人们最关注竖向承载力。竖向承载力取决于岩土对桩的支承阻力及桩身结构，前者是主要的，桩身结构则应该提供足够的强度，刚度和稳定性来保证荷载传递的任务。桩的破坏形态通常可分三种类型：桩身破坏，桩周土体的剪切破坏和桩土体系沉降超标。第3页/共59页高应变法

High–straindynamictest

用重锤冲击桩顶，实测桩顶附近或桩顶部的速度和力时程曲线，通过波动理论分析，对单桩竖向抗压承载力和桩身完整性进行判定的检测方法。高应变法只能判定岩土体对桩的支承阻力，其判定的承载力是在桩身强度满足桩身结构承载力的前提下，其难于预示桩身结构破坏的可能性。第4页/共59页规范（JGJ106-2014）中高应变法的

检测目的判定单桩竖向抗压承载力是否满足设计要求；检测桩身缺陷及其位置，判定桩身完整性类别；分析桩侧和桩端土阻力作为试打桩和打桩监控。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。

第5页/共59页规范（JGJ106-2014）中高应变法的

适用范围对第3.3.4条规定条件外的预制桩和满足高应变法适用范围的灌注桩，可采用高应变法进行单桩竖向抗压承载力验收检测，抽检数量不宜少于总桩数的5%，且不得少于5根。当有本地区相近条件的对比验证资料时，高应变法也可作为第3.3.4条规定条件下单桩竖向抗压承载力验收检测的补充。试打桩和打桩监控不宜采用：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。第6页/共59页广义的高应变法包括：打桩公式法（能量公式法），锤击贯入法，波动方程法和静动法等等目前高应变法这个名称已被专用于以波动技术为特征的一种高应变测试方法。依据高应变分析计算方法的原则不同而分为两类方法：1.在若干近似假定下获得波动方程闭合解，再通过实测曲线计算其结果。2.利用实测曲线的数字化序列，借助计算机技术来搜求其数值解，从中获得桩土性状参数再间接推算其结果。第7页/共59页高应变法的特点在承载力的检测方法上，高应变法属于半直接法，它不同于静载试验，是通过现场原型试验直接获得检测结果。它是在现场原型实验基础上，基于一些理论假设和工程实践经验并加以综合分析才能获得检测结果。与静载法相比，其优缺点大体总结如下：优点：1.高效节能（省时省钱）2.能获得有关桩身完整性的情况。3.能获得桩周摩阻的分布情况。4.试打桩和打桩监控属于它特有的功能，它能监测锤击桩打入时的拉压应力，锤击能量的传递，桩身完整性的变化，为沉桩工艺参数和桩长选择提供依据，这就是静载试验无法做到的。缺点：1.动态数据的采集精度相对较低，甚至可能因操控不当或准备不周发生数据采集失败的现象。2.在动载和静载作用下，桩土体系的性状表现不同，目前动力分析的数学模型还比较粗略。第8页/共59页第9页/共59页能量公式(打桩公式)能量=承载力*贯入度承载力=能量/贯入度第10页/共59页能量公式的问题刚性体模型不准确忽略了垫层和砧块土模型不合理结果有很大的不确定性,由于相关性差结果非常不可靠第11页/共59页一维波动理论打桩机产生向下传递的应力波并输入到桩中桩中的应力可用一维波动理论加以描述土阻力和桩身缺陷产生应力波反射可通过在桩顶实测的力和速度计算和描述应力波第12页/共59页第13页/共59页试验前混凝土桩桩头处理

凝土桩应先凿掉桩顶部的破碎层和软弱或不密实混凝土。桩头顶面应平整，桩头中轴线与桩身上部的中轴线应重合。桩头主筋应全部直通至桩顶混凝土保护层之下，各主筋应在同一高度上。距桩顶1倍桩径范围内，宜用厚度为3～5mm的钢板围裹或距桩顶1.5倍桩径范围内设置箍筋，间距不宜大于100mm。桩顶应设置钢筋网片2～3层，间距60～100mm。桩头混凝土强度等级宜比桩身混凝土提高1～2级，且不得低于C30。高应变法检测的桩头测点处截面积应与原桩身截面积相同。桩顶应用水平尺找平。第14页/共59页第15页/共59页第16页/共59页桩身材料弹性模量应按下式计算：E=

ρ.c2

E——桩身材料弹性模量（kPa）；c——

桩身应力波传播速度（m/s）；ρ——

桩身材料质量密度（t/m3）。

第17页/共59页第18页/共59页桩身波速的确定在2003规范中，根据下行波波形起升沿的起点到上行波下降沿的起点之间的时差与已知桩长值确定（如下图）；桩底反射信号不明显时，可根据桩长、混凝土波速的合理取值范围以及邻近桩的桩身波速值综合确定。

第19页/共59页2014规范的波速确定方法：桩底反射明显时，桩身波速可根据速度波第一峰起升沿的起点到速度反射峰起升（下降）沿的起点之间的时差与已知桩长值确定第20页/共59页平均波速的确定第21页/共59页用静载法进一步验证（“减负”）桩身存在缺陷，无法判定桩的竖向承载力。桩身缺陷对水平承载力有影响。触变效应的影响，预制桩在多次锤击下承载力下降单击贯入度大，桩底同向反射强烈且反射峰较宽，侧阻力波﹑端阻力波反射弱，即波形表现出竖向承载性状明显与勘察报告中的地质条件不符合。嵌岩桩桩底同向反射强烈，且在时间2L/c后无明显端阻力反射；也可采用钻芯法核验。第22页/共59页有关公式和原理F=Zv在下行波中F=-Zv在上行波中桩阻抗

Z=EA/c=Ac=Mc/LE-弹性模量A-横截面积波速

c2=E/-质量密度M-桩的质量L-桩的长度下行波WD=½（F+ZV）上行波WU=½（F-ZV）桩侧x处有土阻力R存在，则将从t=x/c时刻开始激发一个阻力，产生2个大小各为R/2的阻力波，上行为压缩波，下行为拉伸波，其影响于t=2x/c时刻反射到桩顶，使得力曲线上升R/2，速度曲线(乘以阻抗后)下降R/2。第23页/共59页总阻力=静阻力+动阻力

R静=R-R动，Rt=Rs+Rd总阻力

Rt=½(Ft1+Zvt1+Ft2-Zvt2)=WDt1+WUt2Ft1和vt1为时刻t1桩顶实测的力和速度Ft2和vt2为时刻2桩顶实测的力和速度时刻2为

时刻1后2L/c:t2=t1+2L/cWD和WU分别为下行波和上行波第24页/共59页凯司法承载力计算公式基于的几个假定1桩身阻抗基本恒定。2动阻力只与桩底质点运动速度成正比，即全部动阻力集中于桩端。3土阻力在时刻t2＝t1+2L/c已充分发挥。4忽略应力波传播过程的能量损耗。显然，它较适用于摩擦型的中、小直径预制桩和截面较均匀的灌注桩。第25页/共59页阻尼系数为了从总阻力中计算静阻力,需引入一个粘滞阻尼系数

JvRd=JvVtoe(Vtoe为桩端运动速度)凯司法中的Case阻尼系数Jc是无量纲的:Jc=JvZRd=JcZVtoeSmith阻尼系数，是认为动阻力伴随静阻力出现。公式：Rd=Js.Js.V（这通常用于波动方程法）第26页/共59页凯司法的静阻力计算公式基于Rs=Rt-Rd和Vtoe=(WDt1-WUt2)/Z=[(Ft1+ZVt1)-(Ft2-ZVt2)]/2Z常规公式：Rs=(1-Jc)[Ft1+ZVt1]/2+(1+Jc)[Ft2-ZVt2]/2其他形式：Rs=Rt-Jc(Ft1+ZVt1-Rt)对于土阻力滞后于t1+2L/c时刻明显发挥宜采用以下RMX方法进行提高修正：适当将t1延时，确定Rc的最大值。对于土阻力先于t1+2L/c时刻发挥并造成桩中上部强烈反弹这两种情况,宜采用卸载补偿法修正：考虑卸载回弹部分土阻力对Rc值进行修正。第27页/共59页第28页/共59页Case阻尼系数的取值00.20.40.60.81.0砂砾0.30.4砂0.40.5粘土0.70.9粉土0.50.7土的粒径减小阻尼系数增加第29页/共59页第30页/共59页第31页/共59页RMX法和RSU法的适用范围最大阻力法（RMX）适用于阻力发挥滞后的饱和粘性土和砂土中的排土桩，具有土塞作用的非排土桩和端承桩，在曲线上表现为有较大的弹性位移；卸载法（RSU）适用于土阻力先于t2时刻发挥并造成中上部反弹。一般对于大侧阻和难贯入的长桩，在曲线上表现为速度曲线过快地归零并变负，即对应于桩头明显出现反弹的情况。第32页/共59页凯司法的桩身完整性功能

β

法其实等同于低应变反射波法的原理。β──桩身完整性系数β为上下两截面阻抗比的倒数β=Z2/Z1=2A2c2/1A1c1F1↑=(Z2-Z1/Z2+Z1)F1↓（反射波）F2↓=(2Z2/Z2+Z1)F1↓（透射波）规范中β值对应的桩身完整性类别只可作为参考，桩身完整性判定宜按工程地质条件和施工工艺，结合实测曲线拟合法或其他检测方法综合进行。第33页/共59页14规范中，出现下列情况之一时，桩身完整性判定宜按工程地基条件和施工工艺，结合实测曲线拟合法或其他检测方法综合进行：1桩身有扩径；2混凝土灌注桩桩身截面渐变或多变；3力和速度曲线在峰值附近比例失调，桩身浅部有缺陷；4锤击力波上升缓慢，力与速度曲线比例失调；5本规范第9.4.12条第2款的情况：缺陷深度x以上部位的土阻力Rx出现卸载回弹。第34页/共59页试打桩和打桩监控主要包含拉压应力和桩锤系统性能的监测拉压应力的监测：1.桩身锤击拉应力宜在预计桩端进入软土层或桩端穿过硬土层进入软夹层时测试。2.桩身锤击压应力宜在桩端进入硬土层或桩周土阻力较大时测试。一般情况下，可认为桩身的最大压应力就等于传感器所直接测到的最大压力值除以桩身截面积。最大值的作用范围在桩顶附近。但当桩尖是牢固地支承于坚固岩石上时，最大压应力值作用位置在桩尖。（JGJ94-2008）规定：最大锤击压应力和拉应力分别不应超过混凝土轴心抗压和抗拉强度设计值。第35页/共59页锤击拉应力的计算示意（如右图）。当桩尖持力于较软弱的土层时，压力波的峰值在桩尖产生幅值为ф/2的拉力回波的峰值。拉力回波的波峰在向上传播的过程中，将与峰值以后后继的下行压缩波相叠加。在图上画一纵坐标为ф/2的直线，代表拉力波峰值，则图中下行波形曲线在ф/2直线以下部分就会产生拉力，由此可以得到拉应力包络线。通常拉应力最大位置在距桩尖0.5-0.7L的位置。

第36页/共59页桩锤系统性能监测打桩时桩锤传递到桩上的能量W=∫F(t)v(t)dt，其最大值就是最大传递能量EMX桩锤的额定能量PE=m锤.g.h桩锤最大动能KE=0.5m锤.Vmax2锤效率=KE/PE；打桩系统效率=EMX/KE桩锤传递比（以前的桩锤系统效率）=EMX/PE第37页/共59页实测曲线拟合法的模型桩模型：一维均值弹性杆。土的静阻模型:无论桩周还是桩端，多为理想弹塑性模型，如下图。第38页/共59页土的动阻力模型为排除动力试桩过程中土体的动力效应，实测曲线拟合法假定动阻力存在于桩端和桩周各个部位（区别于凯司法），常用两种模型——动阻力伴随静阻力出现（Smith阻尼模型），或动阻力伴随质点运动出现（线性粘滞阻尼模型）。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。第39页/共59页动阻力模型示意图第40页/共59页第41页/共59页第42页/共59页第43页/共59页第44页/共59页第45页/共59页实测曲线拟合法桩土参数一览表

项目

符号

量纲建议的最小值建议的最大值建议的初始值桩侧弹限QSknCm0.025①0.25桩底弹限QToeCm0.025①0.25桩侧卸载系数CSkn—0.0111桩底卸载系数Ctoe—0.0111卸载水平Unld—011桩侧复载水平LSkn—-11-1桩底复载水平Lto