上海高应变检测

桩基施工手册第9篇第6章高应变检测PAGEPAGE1579第6章高应变检测 高应变检测是当今国内外广泛使用的一种快速测桩技术，世界上许多国家和地区都已将此项技术列入有关规范或规程。我国目前的《建筑基桩检测技术规范》、交通部《港口工程桩基动测规范》以及上海市、广东、深圳、天津等许多地方规范、规程中均对桩的高应变检测技术作了规定,并将检测人员和单位的资质列入专项管理范围。6.1高应变检测功能高应变检测是通过用重锤(或爆炸)冲击桩顶，使桩与土之间产生足够的相对位移，充分发挥桩周土阻力。同时通过安装在桩顶附近的应变和加速度传感器实测桩顶力和速度(位移)响应，进一步分析计算后可以得到桩、锤、土的许多有价值的数据。高应变具有以下主要功能：1、从实测波形分析中可以得到桩身结构完整性资料，判断桩身质量性质、类别和确定缺损位置；2、在应力波理论分析的基础上，可以得到桩的竖向抗压承载力(指地基土对桩的垂直支承力，下同)和土对桩的分层摩阻力，当桩顶冲击力足够大时，可以得出单桩竖向极限承载力；3、通过对打入桩(混凝土预制桩、钢桩)打桩过程监测，可得到桩打入时土阻力、桩身锤击压(拉)应力、传到桩身的有效锤击能量，进而可以分析打桩锤的效率，为合理选择沉桩设备、确定桩型和选择桩端持力层提供依据。我国目前的高应变法主要指波动方程法。欧美上世纪80年代末在波动方程的基础上又开发出了一种被称为“动静法”(STATNAMIC)或“准静载试桩法”,该方法是在被试验的桩顶堆载相当于预估单桩最大承载力的5%~10%的荷载物，然后引爆置于桩顶和堆载物之间的爆炸装置，同时检测桩顶力和位移随时间变化曲线，进而推算出桩顶的力——位移曲线。6.2检测仪器和设备6.2.1在二十世纪八十年代初甘肃省建筑科学研究所与上海铁道学院合作研制成功我国第一台打桩分析仪，接着交通部第三航务工程局科研所研制了SDF-1型打桩分析仪。自上世纪八十年代后期我国的高应变检测技术进入了快速发展期。到目前为止，无论是仪器的数量、品种和检测技术人员均可称世界第一。目前我国桩基工程中应用较多的高应变检测仪有武汉岩海公司生产的RS系列基桩动测仪，中国建筑科学研究院地基所的FEI桩基动测仪，美国PDI公司的PDA型和PAK型打桩分析仪，中科院武汉岩土所的RSM基桩动测仪以及荷兰建筑材料和结构研究所的TNO基桩诊断系统等。上述仪器各有特点，但是其基本原理和主要功能大致相同，仪器的主要技术指标能达到我国现行行业标准《基桩动测仪》（JG/T3055）中有关规定，且具有一定的信号存储、处理和分析功能，可以满足工程检测的需要。6.传感器的优劣是高应变检测中的重要一环，应慎重选择。目前采用的传感器大多为环式应变传感器和压电晶体式(或压阻式)加速度传感器。环式应变传感器主要用于量测桩身因锤击产生的应变量，直接关系到检测结果的精度，若安装不当或保管不善，易发生扭曲变形，使实测的应变信号失真。压电晶体加速度传感器的稳定性相对应变计要好一些，但需注意其灵敏度的变化，并要选择与被测桩型相匹配的传感器，如钢桩一般宜选用30000m/s2～50000m/s2量程范围，混凝土桩宜选用10000m/s2～20000m/s2范围。传感器量程太小容易损坏，量程过大又会影响测试的精度。6.2.3冲击锤选择是否合理直接影响到测试结果。目前采用冲击试验的锤大致有两种：一是借用打桩工程中柴油锤(或液压锤、蒸汽锤)，另一种是检测专用的自落锤。前面一种锤有良好的导向装置和良好的垫层，锤击时不易产生大偏心，测出的波形较好。常遇到的问题是桩打入土中间隙一段时间后，原施工用的锤击力偏小，不易使桩达到高应变检测所需的贯入度，得不出桩的极限承载力，解决办法是增大落锤高度或锤重。高应变检测中使用较多的是自落锤，其中有整体铸造的，有铸成2～4块组装起来的，也有用钢板分片串装组成的。前两种锤只要锤底平整、形状对称、有一定的重量和高宽比，一般能得出较理想的波形。用钢板分片串装的锤，在多次使用后钢板易变形，串装后钢板之间有一定缝隙，锤击时易造成“连击”，严重影响波形质量。检测桩承载力时，自由落锤的重量宜取预估单桩极限承载力的1.5%以上，且落锤高度不宜低于1.2m，也不宜高于2.5m。若落锤高度过大，会使桩身出现较大的拉应力，容易使混凝土桩产生环向裂缝甚至断裂。对于桩长超过40m或直径较大的灌注桩，锤重宜大于预估单桩极限承载力的1.5%。6.3检测6.测试前应首先进行现场调查，包括测试场地的条件、成桩(或沉桩)后的间隙时间、安全问题及桩顶是否需要加固等等。对混凝土预制桩和钢桩，一般不进行加固，若桩顶破损严重，则需修复或加固。混凝土灌注桩一般应进行桩顶加固：凿除顶部原有强度较低的混凝土，将桩接长至试验所需高度，接长部分的混凝土强度应高于原桩身混凝土强度1～2级；为防止锤击时桩顶出现纵向裂缝，宜在加固段四周设置钢套箍或顶部设置2～3层钢筋网片。有条件时也可用环养砂浆加固桩顶。桩顶接长部分的形状和面积应与原桩身相同，这样可以避免界面反射波的干扰。应详细了解桩型尺寸、桩长和有关地质资料，以便选择合适的冲击设备。6.传感器安装是高应变动测工作中很重要的一环，它直接影响到测试的精度甚至关系到测试的成败。按目前的常规方法，高应变检测锤击时桩顶附近同一截面处的锤击力和质点运动速度，锤击力是由桩身实测应变换算得出的，质点运动速度是通过实测加速度积分得出(目前在中国和美国也有通过实测锤体加速度转换成桩顶冲击力，但必须使用整体铸造的且具有一定高径比的铁锤，才能视锤为一刚体)。为减少偏心锤击对实测数据的影响，传感器应成对且对称于桩轴线安装，通常是每根桩安装应变传感器和加速度传感器各二只。四只传感器的中心应处在与桩轴线垂直的同一个平面上，且与桩顶相距不小于两倍桩径，对钢桩该距离还应大些。传感器一般应安装在桩身，传感器不能安装在桩身截面突变处的附近，尤其要注意那些外表看不出的空心混凝土方桩，检测前应准确弄清桩截面变化部位。对桩顶加固段四周设有钢套箍的灌注桩，试验前应在钢套上开孔，使传感器直接安装在混凝土桩身。采用膨胀螺栓固定传感器时，螺母顶端应低于桩身表面，使传感器紧贴桩身。安装完毕的传感器纵轴线应与桩身纵轴线平行，且应变传感器安装后不得扭曲变形。6.正式试验前应仔细检查仪器并正确设定有关参数：――新购置的传感器可按厂家提供的标定参数设定，使用后重新标定过的传感器应按最近一次的标定值；――仪器的采样时间间隔可按实际桩长推算后设定，但必须满足曲线拟合所需的最小时间长度和力曲线回零的条件，如桩长在50m以内时，采样时间段可设定在100ms，对桩长大于50m的桩采样时间段宜设定为200ms。信号采样点数不宜少于1024点；――桩身截面尺寸应采用传感器安装截面的实测值，桩长为传感器至桩端的距离。――检测前预设的桩身弹性模量可采用经验值，但计算分析时应采用由公式计算出的动弹性模量(式中c为高应变实测的桩身波速，为桩材密度)。锤击时应使锤的纵轴线与桩的纵轴线处在同一直线上，锤与桩顶之间应设置合适的垫层。在检测桩的极限承载力时，同一根桩不宜过多锤击，只要桩周土阻力能充分发挥(即每击贯入度控制在2～6mm左右)，反复多次锤击会引起桩侧土阻力(特别是桩身上段)降低，一般做法是第一锤时落锤高度较低，根据第一锤测出的波形情况，再决定下一锤的落高，这对自由落锤容易做得到，而柴油锤难以控制。每一锤击贯入度应采用精密水准仪等精密仪器测定，并使贯入度与高应变记录的波形一一对应。实测贯入度是判别曲线拟合质量的主要依据之一。不宜用加速度二次积分结果去替代实测贯入度，因为一方面高应变波形采集时间较短，在桩顶回弹停止前就已停止采样；另一方面是二次积分后会带来很大的误差。检测过程中应及时对采集的波形进行监视和记录，发现波形有异常时应立即停止锤击检查，待查出原因并改正后再继续试验。6.4基桩承载力分析6.高应变实测波形的优劣直接影响到承载力计算结果，为此首先要对实测波形进行筛选。好的波形应符合以下一些条件：1、四个通道测试数据齐全，无高频振荡信号，且桩身两侧的力信号幅值相差不大；2、力和速度时程曲线最终应回零；3、力时程曲线(F－t曲线)与速度V和阻抗Z乘积曲线(V*Z－t曲线)在第一峰值前的起始段应重合，第一峰值出现在同一时刻且幅值相差不大。由于侧摩阻力作用，第一峰值后从土阻力作用时开始至2L/C时段内两条曲线逐渐分离，且F－t曲线在上，V*Z－t曲线在下，曲线形状特征与桩周土的性状相对应。4、波形特征应与桩、土实际情况相符，如预制混凝土桩的接桩部位、泥面部位、大直径管桩的管内泥芯部位及桩侧土层有突变的部位等均会引起波形的变化；5、有较明显桩端反射波，当检测桩极限承载力时，单锤贯入度宜在2～6mm范围，贯入度过小表明桩周土阻力未能得到充分发挥，而贯入度过大又与实际计算模型不符。好的波形如图6-1所示。图6-1桩身平均波速对计算结果影响甚大，波速的大小直接影响到计算的力与速度值。桩身平均波速可按下列方法确定：1、当有明显的桩端反射波时，可采用下行波起升沿的起点到上行波下降沿的起点之间的时间差和已知桩长确定。设桩长为L，桩顶到传感器的距离为L0，时间差为t，则桩的平均波速为：(6-1)当然也可以根据速度波起升沿的起点到桩端反射波起升沿的起点的时间差或者速度波的第一峰值到桩端反射波峰值之间的时间差确定。2、若桩底反射波不明显时，可采用同一工程中相同条件下(即成桩工艺、桩长、桩身材质相同)桩的实测波速代替，但不能用低应变检测得出的波速去代替。6.4.2CASE法是美国Goble等人在二十世纪六十年代开发的一种快速估算桩承载力、测定锤与打桩系统性能、打桩应力及桩身完整性的一种分析方法，该法建立在牛顿第二定律的基础上的一维波动方程。所谓一维波动方程，是指一自由支承的等截面杆件，在杆的一端受撞击后，杆内产生的弹性波的传递。该方程为(6-2)式中：为杆件某点位移，x为空间坐标，t是时间，代表杆内弹性波波速，E为杆件弹性模量，ρ是杆的质量密度。在公式(6-2)推导的基础上，得到等截面桩打桩时的总土阻力计算公式：(6-3)式中：RT为总土阻力，F为桩顶锤击力，V为桩顶锤击时的质点运动速度，t1是速度第一峰值对应的时刻，Z为桩身截面阻抗，且，其中A是桩身截面积，E是桩材弹性模量，L为测点以下桩长，C为应力波在桩内的传播速度。打桩时的总土阻力又可分为两个部分：(6-4)式中Rs代表总的静土阻力，即单桩竖向承载力；Rd代表动土阻力(速度产生的阻力分量)。CASE法又假定动的阻力集中在桩尖，且与桩尖处的运动速度Vb成正比例，即(6-5)在上述公式推导的基础上得到：＋(6-6)Jc称为CASE阻尼系数，实质上是一个与土的颗粒大小等因素有关的经验修正系数。一般地讲，土颗粒越大，Jc值越小。Jc值可以通过下列二种途径确定：1、对同一根桩或同一工程中边界条件相同(指桩型尺寸、土质完全相同)的桩进行动静对比试验，用静载试验得出的单桩极限承载力代入式(6-6)中的Rs,由动测得出F(t)、V(t)和c值后，可直接求出Jc值；2、当不具备上述动静对比试验条件时，也可通过同一工程中相同边界条件下桩的实测曲线拟合，得出一批桩的Jc平均值。公式(6-6)适用于在时刻桩侧和桩端土阻力已得到充分发挥的桩。若在时刻后仍有土阻力发挥，则宜采用最大阻力法，即固定2L/C，适当延时t1，求出Rc的最大值；若实测速度曲线在2L/C前已出现负值，即通常讲的卸载回弹现象，则应考虑进行补偿。CASE法在推导过程中作了如下几点假定：1、桩身阻抗恒定，即桩身截面不变，材料均匀且无明显缺陷；2、假定打桩时动阻力集中在桩尖；3、应力波在传播工程中无能量耗散和信号畸变。根据上述假定，CASE法适用于中小型混凝土预制桩和钢桩的承载力确定，且应有一定的地区经验，对钻孔灌注桩和超长预制桩误差较大。在当前曲线拟合法普及的情况下，最好还是通过实测曲线拟合确定单桩承载力。6.4.3实测曲线拟合法就是利用实测的桩顶力(或速度、上行波)曲线作为边界条件，对各种桩单元和土的力学模型进行假定，再通过波动方程计算分析，反演出桩顶的速度(或力、下行波)曲线，并将计算曲线与原实测曲线比较，如果不吻合，则调整参数或修正模型，这样反复调整比较，直至最终的计算曲线与实测曲线吻合，同时计算得出的贯入度也接近实测贯入度，并由此得出一组符合实际的参数值，这些值包括桩的静土阻力(承载力)、桩周土阻力分布、土阻尼系数以及土的最大弹性变形值等。图6-2为实测曲线和相应拟合曲线。图6-2目前使用的实测曲线拟合法软件基本都是采用一维连续杆模型和特征线算法。桩被划分成若干个单元；不同截面单元长度可以不等，但应力波通过各单元的时间必须相等；假定土阻力作用于各单元的底部，波在单元内不发生畸变。土的计算模型基本上建立在Smith土模型基础上，如保留最大静土阻力、最大弹性变形和阻尼系数。随着研究的深入和经验的积累，各拟合程序的编制者又都在上述基础上作了不同的改进，使得计算模型更接近于土的实际性状。实测曲线拟合时应注意以下几点：1、当实测的力和速度曲线第一峰值比例失调时，不得强行调整，以免造成错误结果；2、拟合时采用的桩－土力学模型应能反应桩－土实际情况，且土参数的选用必须在合理范围之内，当桩侧土层较复杂时，应按不同土层分别输入对应的土参数，如土阻尼系数，土的最大弹性变形值等；3、各单元选用的土的最大弹性变形Q值不得大于相应桩单元的最大计算位移值，否则会导致土阻力未充分发挥的承载力外推。一般情况下，桩端土的最大弹性变形值要大于桩侧；同一土层中桩端直径大的Q值也大；4、自动拟合方法只能作为一种辅助手段，在自动拟合后一定要进行人工干预，使输入参数和输出的结果基本符合实际情况；5、曲线拟合时间段长度必须满足能包含整个土阻力影响区段，拟合长度内的计算曲线应与实测对应曲线基本一致；6、拟合得到的贯入度必须与实测对应贯入度接近。上述1～4条是曲线拟合技术人员必须遵循的原则，5～6条是检查拟合结果是否达到要求的最基本条件。为方便曲线拟合，下面介绍几个主要参数对拟合曲线的影响(仅指力波)：1、将某桩单元处的土阻力增加(或减少)，会使力的拟合曲线从该单元往后抬高(或降低)，反之亦然。如图6-3从6单元起力拟合曲线过高，只要分别将6、7单元土阻力适当下降，使其与实测曲线重合，则7单元后面的平行曲线会自动重合。又如图6-4，要先分别增加4、5、6单元土阻力，之后再适当降低7及以后各单元土阻力，直到两曲线吻合。图6-3图6-42、将总土阻力增加，会使整个力的拟合曲线上抬。若在土阻力不变的前提下降低桩端土阻力，会使桩端附近的力曲线下降而前面部分曲线抬高。3、增大土阻尼系数可以减小力拟合曲线在2L/C附近及以后时段的振荡，但同时也会使桩端附近的拟合曲线下降。图6-5是拟合波形在2L/C附近及其后产生剧烈振荡，遇到此情况应首先用增大土阻尼去光滑曲线的方法，然后再视曲线情况作其图6-54、降低桩端最大弹性变形值会引起桩底土快速加载，从而使2L/C时刻以后的力曲线下降。图6-6力的拟合曲线在2L/C时刻后明显上抬，此时只要降低桩端土的最大弹性变形值，2L/C时刻后面的力拟合曲线会下降，但这又会引起2图6-66.5桩身质量判别用高应变法去普查工程桩的质量是不经济的，一是设备重、成本高，二是速度慢。但当低应变难以判定或对低应变判别为Ⅲ类桩的，宜用高应变进一步验证。高应变判别桩身质量有以下优点：1、高应变检测时作用在桩顶的锤击能量大，可测出长桩下部缺陷或桩身多个缺陷，并可得到桩端土密实度信息，这些是低应变法难以得到的；2、可对桩身缺损程度作定量分析；3、当低应变判断预制桩接缝处有明显反射时，可先将此类桩按低应变检测结果进行分类，再选一些有代表性的桩用高应变方法进一步判别是接头断开还是施工时缝隙偏大，以便决定是否要进行处理。高应变判别桩身质量的理论依据是桩身阻抗变化对应力波的影响，如图6-7所示。图6-7设桩身阻抗由Z1变到Z2，由平衡条件可以得出：(6-7)从上述方程中可以得到：(6-8)解方程后得到：(6-9)用缺损截面阻抗Z2与正常截面阻抗Z1的比β描述桩的完整性程度，称β为桩完整性系数：(6-10)通常只能测得桩顶附近力和速度信号，公式(6-10)经进一步推导后可得等截面桩计算β的公式：(6-11)式中tx为缺陷反射波峰值对应的时刻；为缺陷以上部位的土阻力估算值(见图6-8).图6-8桩身结构完整性程度与值的关系可参考下表：表6-1评价值桩身完整＝1.0轻微缺陷桩0.8≤＜1.0明显缺陷桩，对桩身结构承载力有影响0.6≤＜0.8桩身存在严重缺陷或断桩＜0.6采用值评价桩身完整性时，要注意以下几点：1、值是按实测曲线计算出来的，只要桩底反射前的某一时刻力波或速度波有异常，值就有变化，如混凝土预制桩接头处、混合型桩的接桩部位、钢桩的高频振荡波等均会出现值小于1.0，因此分析时要根据经验并结合实际情况综合评价。图6-9为一根50cm×50cm混凝土预制方桩，中间一接头反射，实测值0.89；图6-10为一根80m长钢管桩，由于高频信号的影响，实测值为0.87。但上述二根桩均为完整桩。2、桩侧土阻尼和桩身断裂部位夹层介质对值均有一定影响，例如完全断开桩的值一般不会等于零。图6-11为一根50cm×50cm混凝土预制方桩，因施工质量问题，打桩过程中电焊接头处完全断开，实测值为0.21，验证结果是上、下节桩已脱开10cm。3、对截面不规则的钻孔灌注桩、扩径桩，除按值判别外，还需结合施工记录、地质情况综合判别。图6-9接桩处反射图6-10钢管桩波形图6-11断桩波形试打桩和打桩监控高应变另一个重要功能可用于工程桩正式施工前的试打桩和施工过程中进行打桩监控，以使桩基础的设计和施工更加合理。6.6.1一般桩基工程是先由设计人员根据结构物要求和工程地质勘察资料确定该工程使用的桩型尺寸，施工部门再按照设计的桩型选择沉桩设备，包括锤型、垫层材料等，但这种桩型和锤型的选择往往是根据各自的经验，一旦选型不合理，将会造成施工困难、影响工期甚至影响桩的质量，为此在桩基工程正式施工前有必要进行试打桩，尤其是一些大型桩基工程以及地质条件复杂的地区。试打桩有两个作用：一是检验设计选择的桩型是否合理，二是为施工选择合理的沉桩设备和沉桩工艺。在试打桩前应首先确定试打的位置，一般应选择在该工程有代表性的地方；如地质有软夹层、估计会出现“溜桩”的区域；有硬夹层、估计沉桩会遇到困难的区域；持力层埋深较浅、工程桩较短的位置等，按事先约定的桩型及沉桩设备进行试打桩。试打桩应进行全过程监测，内容包括贯入度、锤击数、桩身锤击压应力、桩身锤击拉应力、落锤高度、传至桩身的有效锤击能量、打桩对邻近建筑物及岸坡的影响等等。上述内容可根据不同工程情况有选择的进行测试，数据的采集可以是全过程的，也可以按桩端进入不同土层和不同深度分别采样，其中对开始锤击、桩端穿透硬层进入软弱土层以及桩端进入密实土层和持力层等几种关键工况时要重点监测并详细记录。对于同一根桩，当落锤高度和垫层材料不变时，桩身最大锤击压应力一般出现在桩端进入密实土层或岩层时，最大锤击拉应力往往出现在刚开始打桩时的软土层中或桩端穿透硬层进入软夹层的一瞬间。除了上述监测内容外，对每一根试打桩还应记录垫层材料（桩垫、锤垫）的种类、开锤前的厚度及打桩结束时的厚度和状态。根据需要也可以在同一根试打桩上采用不同落锤高度、不同桩垫进行对比试验。通过试打桩还可以了解特定桩型在不同入土深度时打桩遇到的总土阻力和静土阻力值，这时应尽量选择桩端进入硬土层及最终持力层进行测试，在桩端达设计标高前的50cm~100cm范围内要连续监测，通过现场CASE法分析，可以得出桩端进入不同深度的时总土阻力和静土阻力值。由打桩时遇到的总土阻力可以判断大致的地质情况，进而判别使用的桩锤能量是否合理。由静土阻力值可大致判别设计的桩型及桩入土深度能否满足设计承载力要求。值得注意的是打桩时测出的桩的静土阻力值与土体恢复后的单桩竖向极限承载力是两上不同的概念，一般情况下前者小于后者，在灵敏度较高的粘性土中，这种差别可达2~3倍。若要确切了解试打桩的单桩竖向极限承载力，应按照有关规范要求，在桩打入土中休止一定时间后再进行复打试验，如砂中的桩休止期一周以上，粘性土中桩的休止期为2~4周。复打试验时必须有足够的锤击能量，使桩周土阻力得到充分发挥，然后再通过曲线拟合法得出桩的静土阻力。试打桩可以得到许多有价值的资料，为设计、施工及时调整方案提供依据。打桩监控在某些情况下仅有静载试桩和施工前的试打桩资料还不够，如地质条件的差异、沉桩设备性能的改变、群桩挤土影响等，都会使工程桩的施工情况发生改变，这时就需要在工程桩施工过程中进行打桩监控。打桩监控的抽样率应根据具体工程而定，检测内容可参照试打桩。在地质条件复杂、持力层起伏很大的地区，既不能按桩端标高作为单一的停锤依据，也不能仅按贯入度作为停锤标准，而是要在桩承载力满足设计要求的前提下，结合桩的入土深度、贯入度和桩端持力层综合考虑，这在我国东南沿海的码头桩基工程中较为多见。按地质勘察资料，将一个工程的桩基划为若干区段，同一区段地质情况基本相似，在进入某区段打桩施工时，首先对若干根工程桩进行打桩监控，总结出规律性的东西，再由检测、设计、施工、监理共同定出该区段沉桩停锤控制标准，即锤击能量（在锤型不变时，按落锤高度控制）、贯入度、入土深度等综合判别。在某些地质条件复杂的工程中，打桩监控的抽样率可达工程桩总数的20%~50%，确保了每一根工程桩都能满足设计要求。对工程桩需穿透密实砂层或有软弱夹层的地区，除了施工前试打桩外，还应有选择的抽样进行工程打桩监控，掌握桩在进入