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1、高应变动力试桩的试验与分析方法,高应变动力试桩的试验与分析方法,1概述,2高应变动力试桩原理,3高应变动力试桩现场检测技术,4测试数据的分析与判定,5工程实例,6对高应变动力试桩现状的几点意见,1概述,11发展历史,1) 起源于动力打桩公式（打入式预制桩、钢桩）,桩锤为刚体、牛顿刚体碰撞理论、能量和动量守恒定理,测试桩的贯入度、回弹量、锤的落高、回跳高度,结合与锤或土有关的经验系数，预测或评价单桩承载力,2) 实际桩为弹性体，当锤击力脉冲较小，桩长较长时，桩身中将有纵向振动波传播,1960年，Smith的桩锤-桩-土系统的集中质量法差分求解波动方程,受测试技术和计算技术发展水平限制，应力波理论
2、在桩基工程中的实际应用比应力波理论的出现晚一个世纪,上一世纪80年代，基于波动方程（连续模型）的高应变法（瑞典、美国），PDA方法,12 试验与分析方法,测试锤击过程中桩头附近（边界）的速度信号（先测加速度，再通过积分获得）和力信号（实际测试应变，再换算为力）,进一步换算为上行波、和下行力波,再进一步分析获得桩土参数，得到桩的承载力和完整性评价,13 主要功能,1)试打桩和打桩监控（静载试验不具备此功能）,2)检测基桩的竖向抗压承载力和桩身完整性,当初，主要用于打入式预制桩、钢桩,引入我国后推广到灌注桩（钻孔灌注桩和沉管灌注桩），分析精度较低,监测预制桩打入时的桩身应力和锤击能量传递比，为沉桩
3、工艺参数及桩长选择提供依据,14 主要优缺点,主要优点是快速提供单桩承载力（与静载试验相比）,检测面较宽（与静载试验相比）,主要缺点是准确度较低（与静载试验相比）,对分析人员要求较高（与静载试验相比）,CASE法具有很强的实时测量分析功能,15 适用范围,（1）高应变法动力试桩只能作为检验性试桩（校核单桩承载力是否满足设计要求），不能作为设计性试桩（为设计提供单桩承载力依据）,（2）用于灌注桩时，应具有现场实测和本地相近条件 下的可靠对比验证资料。,（3）大直径扩底桩和Qs曲线具有缓变型特征的大直径灌注桩不宜采用。,2高应变动力试桩原理,桩的粘弹性模型 桩土体系弹塑性模型,21 一维波动方程及
4、其解答,22 应力波的反射和透射,23 基于一维波动理论的桩-土相互作用的数值解模型,24 CASE法计算桩承载力,25 桩身完整性分析,26 打桩拉应力测量,27 实测曲线拟合法判定单桩承载力,21 一维波动方程及其解答,211杆的纵向波动方程,两边对x微分得,单元动平衡方程,定义,可得,212行波法解波动方程,行波法通解,Wd和Wu为任意函数,Wd下行波，沿x轴独立正向传播,Wu上行波，沿x轴独立负向传播,作变换,分别求Wd对x和t的偏导数,符号u、v、a以向下为正，桩身轴力F、应力、应变以受压为正,可得关系式,由式,可得,称为波阻抗,同样可得,由关系式,可得,22 应力波的反射和透射,应
5、力从波阻抗 Z1的介质入射至波阻抗 Z2的介质,界面上将产生反射波和透射波,用脚标 I、R和T 分别代表入射、反射和透射,界面处的力波和速度波分解为入射、反射和透射三种波,阻抗界面图,反射系数,透射系数,记完整性系数,则有,讨论：,1）透射波总是与入射波同号,2）=1 反射系数,，透射系数,应力波不受任何阻碍地沿杆正向传播,3）1 波从小阻抗介质传入大阻抗介质,反射系数,反射力波与入射力波同号,反射速度波与入射速度波异号,相当于刚性固端反射，此时有,力幅度增加一倍，速度为零,透射力波的幅度大于入射力波,阻抗界面图,4）1 波从大阻抗介质传入小阻抗介质,反射系数,反射力波与入射力波异号,反射速度
6、波与入射速度波同号,透射力波的幅度小于入射力波,相当于自由端反射，此时有,力幅度为零，速度为增加一倍,阻抗界面图,24 CASE法计算桩承载力,采用凯司法判定桩承载力，应符合下列规定：,1 只限于中、小直径桩。,2 桩身材质、截面应基本均匀。,3 阻尼系数宜根据同条件下静载试验结果校核，或应在己取得相近条件下可靠对比资料后，采用实测曲线拟合法确定Jc值，拟合计算的桩数不应少于检测总桩数的30%，且不应少于3根。,4 在同一场地、地质条件相近和桩型及其截面积相同情况下，Jc值的极差不宜大于平均值的30%。,建筑基桩检测技术规范（JGJ 1062003）,Case法的基本假定,1 桩身阻抗基本恒定
7、。,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,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。,唯一未知数阻尼系数Jc定义为仅与桩端土性有关，一般遵循随上中细粒含量增加阻尼系数增大的规律。,1) 阻力波,阻力波示意图,t=x/c时刻, 深度x处的土阻力Rx被激发,Rx/2的压力波影响于2x/c时刻反射回桩顶，它将使桩顶力曲线上升Rx/2,同时使速度曲线下降Rx/(2Z),两曲线的差值增加为,结论：,时程曲线的2x/c时刻，力曲线与速度曲线之间的差值代表了应力波从桩顶下行至x深度的过程中所受到的所有土阻力之和(包括动阻力
8、),2）打桩总阻力估算公式（包括动阻力）,记初始速度曲线第一峰的时刻为t1,Case法的原理,3）凯司承载力计算方法,考虑静阻力发挥程度的影响,去除土阻尼的影响,正确选择t1时刻，使RT中所包含的静阻力充分发挥,最大阻力修正法（RSM法）,对于桩先于2Lc回弹，造成桩中上部土阻力Rx卸载，需做出修正,卸载修正法,阻力波示意图,4) 试验中，桩周土应出现塑性变形，即桩出现永久贯入度，使土极限阻力充分发挥；否则不能得到桩的极限承载力。,5) 应有一个休止时间使土体强度恢复，通过复打确定桩的承载力。,25 桩身完整性分析,实测信号中于2Lc之前看到上行的拉力波，一定是由桩身阻抗的减小所引起,定义桩身
9、完整性系数,可得,上式对等截面桩桩顶下的第一个缺陷程度计算才严格成立,完整性分析示意图,桩身完整性分类表,对于预制桩的接头裂缝或桩身水平裂缝的宽度可采用下式估算,26 打桩拉应力测量,打桩拉应力示意图,打桩引起的桩身破坏形式：,锤击压应力过大、锤击偏心造成桩头破坏,桩端碰到基岩、密实卵砾石层，桩端反射压力与下行的压力波在桩端附近叠加，锤击压应力过大造成桩身下部破坏,拉应力引起的桩身破坏,混凝土的抗拉强度一般在其抗压强度的110以下，不容忽视,锤击时的桩顶压力波在t1+2Lc时到达桩底并反射，假如桩侧、桩端土阻力很小（符合打桩实际情况）则反射波是拉力波，其值等于,并于2Lc返回桩顶,打桩拉应力分
10、析：,反射的拉力波在上行途中与渐弱的下行压力波尾部叠加，就会在桩身某一部位出现净的拉应力,搜寻桩身最大拉应力的表达式,打桩拉应力示意图,拉应力引起的桩身破坏一般先在桩身产生细微的水平环状裂缝,反复锤击时，在裂缝边缘的最小曲率半径处，应力集中现象最显著，在此应力集中处先产生局部抗压破坏，最后导致桩身断裂,有些被打断的桩，表面上看是抗压破坏,为证实桩是否是因拉应力引起的破坏，可观察断裂处附近是否还存在其他水平裂缝,打桩拉应力示意图,27 实测曲线拟合法判定单桩承载力,实测曲线拟合法是通过波动方程数值计算，反演确定桩和土的力学模型及其参数值,其过程为：,假定各桩单元的桩和土力学模型及其模型参数,利用
11、实测的速度(或力、上行波、下行波)曲线作为输入边界条件,数值求解波动方程，反算桩顶的力(或速度、下行波、上行波)曲线,若计算的曲线与实测曲线不吻合，说明假设的模型或其参数不合理，调整模型及参数再行计算,直至计算曲线与实测曲线(以及贯入度的计算值与实测值)的吻合程度良好且不易进一步改善为止,3高应变动力试桩现场检测技术,31 高应变法仪器设备,32 休止时间,33 检测前的现场准备工作,34 测试参数设定,35 检查和确认仪器、设备的工作状态,36 重锤低击,37 检查采集数据质量,38 关于贯入度的合适范围,31 高应变法仪器设备,311 高应变锤击设备,建筑基桩检测技术规范（JGJ 1062
12、003）规定：,1）锤击设备宜具有稳固的导向装置；打桩机械或类似的装置（导杆式柴油锤除外）都可作为锤击设备。,2） 高应变检测用重锤应材质均匀、形状对称、锤底平整。高径（宽）比不得小于1，并采用铸铁或铸钢制作。当采取自由落锤安装加速度传感器的方式实测锤机力时，重锤应整体铸造。且高径（宽）比应在1.01.5范围内。,3） 进行高应变 承载力检测时，锤的重量应大于预估单桩极限承载力的1.0%1.5%，混凝土桩的桩径大于600mm或桩长大于30m时取高值。,312 传感器,（1）应变式力传感器,实测应变一般在1000以内,考虑到锤击偏心、安装初变形以及钢桩测试等情况,可测最大应变范围不宜小于2500
13、3000,且相应应变适调仪应具有较大的电阻平衡范围,混凝土桩1000；钢桩：1500,有资料建议,（2）加速度计,（a）内装放大压电式加速度计,（b）电荷放大压电式加速度计,规范对加速度计的量程未做具体规定,建议根据实测经验来合理选择，宜使选择的量程大于预估最大冲击加速度值的一倍以上,如对钢桩，宜选择2000030000m/s2 量程的加速度计,混凝土桩1000g 2000g；钢桩3000g 5000g,有资料建议,313测桩仪,数据采集系统,采样时间间隔50200s,信号采样点1024点,应具有保存、显示F、V 信号、信号处理和分析的功能,数据采集装置的模转换精度不应低于10位,通道之间的相
14、位差应小于50s,由于动测仪器的使用环境恶劣，所以仪器的环境性能指标和可靠性也很重要,每一年标定一次基桩高应变动力检测规程（JGJ 106297）,314 精密水准仪,用于贯入度量测,不宜采用加速度信号二次积分所得位移作为实测贯入度,32 休止时间,受超孔隙水压力消散速率影响，砂土中桩的承载力恢复随时间增加较快且增幅较小，粘性土中则较慢或很慢且增幅很大,地质条件：较深厚的淤泥，淤泥质土以及残积土，厚薄不匀,33 检测前的现场准备工作,331 桩头加固处理,对不能承受锤击的桩头应加固处理,混凝土桩应先凿掉桩顶部的破碎层和软弱混凝土,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
15、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35mm的钢板围裹或桩距桩顶1.5倍桩径范围内设置箍筋，间距不宜大于lOOmm。桩顶应设置钢筋网片23层，间距60一lOOmm,桩头混凝土强度等级宜比桩身混凝土提高12级，且不得低于C30,一桩头测点处截面尺寸应与原桩身截面尺寸相同,332 锤击装置安装,为了减小锤击偏心和避免击碎桩头，锤击装置应垂直，锤击应平稳对中,333 传感器安装,应在距桩顶规定的距离下的合适部位对称安装传感器,宜分别对称安装在距桩顶不小于2D的桩侧表面处(D为试桩的直径或边宽),对于大直径桩(特别是大直径灌注桩) 允许传感器与桩顶之间的
16、距离适当减小，但不得小于1D,传感器不得安装在截面突变处附近,传感器安装图,传感器的中心轴应与桩中心轴保持平行,各传感器的安装面材质应均匀、密实、平整，并与桩轴线平行，否则应采用磨光机磨平,334桩垫或锤垫,对于自制自由落锤装置桩头顶部应设置桩垫，桩垫可采用 1030mm 厚的木板或胶合板等材料,34 测试参数设定,采样时间间隔宜为50200s,信号采样点数不宜少于1024点,应变式力传感器直接测到的是其安装面上的应变，并按下式换算成冲击力,测点以下桩长和截面积可采用设计文件或施工记录提供的数据作为设定值,桩身材料质量密度应按下表取值,桩身波速可结合本地经验或按同场地同类型已检桩的平均波速初步
17、设定，再根据实测信号确定的波速进行调整,初次设定或纵波波速修正后，都应按下式计算或调整桩身材料弹性模量,35 检查和确认仪器、设备的工作状态,高应变检测虽非破坏性试验，但有时也不具备重复多次的锤击条件,因此，每一锤的高应变测试信号都非常宝贵，这就要求检测人员在锤击前能检查和识别仪器的工作状态,应确认锤击设备、导向装置、包括传感器和连接电缆在内的仪器系统是否处于正常工作状态,36 重锤低击,采用自由落锤为锤击设备时，应重锤低击，最大锤击落距不宜大于2.5m,落距越高，锤击应力和偏心越大，越容易击碎桩头,力脉冲作用持续时间不仅与锤垫有关，主要与锤重有关,锤击脉冲越窄，波传播的不均匀性，。即桩身受力
18、和运动的不均匀性(惯性效应)越明显，实测波形中土的动阻力影响加剧，而与位移相关的静土阻力呈明显的分段发挥态势，使承载力的测试分析误差增加,“重锤低击”是保障高应变法检测承载力准确性的基本原则,37 检查采集数据质量,检测时应及时检查采集数据的质量,有效锤击信号应根据桩顶最大动位移、贯入度以及桩身最大拉、压应力和缺陷程度及其发展情况综合确定,动位移、贯入度小可能预示着土阻力发挥不充分,检查混凝土桩锤击拉、压应力和缺陷程度大小，以决定是否进一步锤击，以免桩头或桩身受损,自由落锤锤击时，锤的落距应由低到高,桩身有明显缺陷或缺陷程度加剧，应停止检测,38 关于贯入度的合适范围,承载力检测时宜实测桩的贯
19、入度,单击贯入度宜在26mm之间,这是新编规范) 给出的建议值范围，比过去提出的2510mm有所减少,4测试数据的分析与判定,41 分析前信号选取,42 桩身平均波速确定及力信号调整,43 高应变实测力和速度信号第一峰比例失调,44 实测曲线拟合法判定单桩承载力,45 主要土参数对拟合曲线的影响,41 分析前信号选取,宜取多击信号中锤击能量较大的击次,建筑基桩检测技术规范（JGJ 1062003）强制性规定,出现下列情况之一时，不得作为承载力分析计算的依据：,1 传感器安处混凝土开裂或出现严重塑性变形使力曲线最终未归零；,2 严重锤击偏心，两侧力信号幅值相差超过1倍,3 触变效应的影响，预制桩
20、在多次锤击下承载力下降,4 四通道测试数据不全,42 桩身平均波速确定及力信号调整,可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,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,当测点处原设定波速改变时，桩身弹性模量应重新计算,桩底反射峰变宽或有水平裂缝的桩，不应根据峰与峰间的时差来确定平均波速。,桩较短且锤击力波上升缓慢时，可采用低应变法确定平均波速,上下行力波示意图,43 高应变实测力和速度信号第一峰比例失调,建筑基桩检测技术规范（JGJ 1062003）规定,高应实测的力和速度信号第一峰起始比例失调时，不得进行比例调
21、整,在多数情况下，力和速度信号第一峰应基本成比例。,以下几种情况下比例失调属于正常：,1 桩浅部阻抗变化和土阻力影响,2 采用应变式传感器测力时，测点处混凝土的非线性造成力值明显偏高,3 锤击力波上升缓慢或桩很短时，土阻力波或桩底反射波的影响,随意比例调整均是对实测信号的歪曲，并产生虚假的结果,44 实测曲线拟合法判定单桩承载力,实测曲线拟合法是通过波动方程数值计算，反演确定桩和土的力学模型及其参数值,其过程为：,假定各桩单元的桩和土力学模型及其模型参数,利用实测的速度(或力、上行波、下行波)曲线作为输入边界条件,数值求解波动方程，反算桩顶的力(或速度、下行波、上行波)曲线,若计算的曲线与实测
22、曲线不吻合，说明假设的模型或其参数不合理，调整模型及参数再行计算,直至计算曲线与实测曲线(以及贯入度的计算值与实测值)的吻合程度良好且不易进一步改善为止,实测曲线拟合实例,建筑基桩检测技术规范（JGJ 1062003）规定:,实测曲线拟合实例,1) 所采用的力学模型应明确合理，桩和土的力学模型应能分别反映桩和土的实际力学性状，模型参数的取值范围应能限定,2) 拟合分析选用的参数应在岩土工程的合理范围内,3) 曲线拟合时间段长度在t1+2L/c时刻后延续时间不应小于20ms；对于柴油锤打桩信号，在t1+2L/c时刻后延续时间不应小于30ms。,土模型,桩模型,与位移相关的总静阻力一般会不同程度地
23、滞后于2Lc发挥,端承型桩的端阻力发挥所需位移很大时，土阻力发挥将产生严重滞后,故规定2Lc后应延时足够的时间，使曲线拟合能包含土阻力响应区段的全部土阻力信息,桩土参数建议值,5) 拟合完成时，土阻力响应区段的计算曲线与实测曲线应吻合，其他区段的曲线应基本吻合,6) 贯入度的计算值应与实测值接近,4) 各单元所选用的土的最大弹性位移值不应超过相应桩单元的最大计算位移值,为防止土阻力未充分发挥时的承载力外推，设定的sq值不应超过对应单元的最大计算位移值,土阻力响应区是指波形上呈现的静土阻力信息较为突出的时间段。所以应特别强调此区段的拟合质量,是判断拟合选用参数、特别是sq值是否合理的辅助指标,通
24、过合理的加权方式计算总的拟合质量系数，突出其影响,实测曲线拟合实例,土模型,桩模型,45 主要土参数对拟合曲线的影响,(1)静阻力的增减直接影响计算(拟合)力曲线的升降,土参数变化对拟合曲线的影响,其对计算曲线的影响将滞后出现,(2)加载最大弹性变形值sq和减小使土弹簧刚度增加，加载速度加快，即土阻力发挥超前,反之，则减弱土弹簧刚度，使土阻力发挥滞后,(3)土阻尼的增减作用与静阻力的增减作用相近,但它的作用是局部的,阻尼增大将使计算曲线趋于平缓，减少计算波形振荡,土模型,(4)卸载弹性变形值squ一般以sq值的百分比表示,squ值愈小，卸载愈快，造成回弹时段的计算力曲线下降,(5)卸载弹性限U
25、NL以RU的百分比表示,UNL愈大，计算力曲线就愈往下移,它造成的计算力曲线下降要比squ来得晚,桩端一般不能承受拉力，所以桩端的UNL值恒为零,上述主要土参数的影响都不是孤立的,比如：土阻尼的增加限制了桩的位移，从而使静阻力的发挥速率延缓,土参数变化对拟合曲线的影响,土模型,5工程实例,例1：由实测的F、V曲线定性判断桩承载力大小,根据图中波形分析如下：,例2：由实测波形判断波形异常原因,a）波形正常,b）波形异常，力传感器未上紧，波形震荡,c）波形异常，近测点混凝土塑性变形，波形不回零,d）F大于V，近测点有扩径或混凝土硬块和桩相连,e）V大于F，近测点有缩颈,f）V大于F， F同时不回零
26、，近测点有裂缝，或新接桩头和桩身没牢固连接。,例3：800mm灌注桩,桩侧土层依次为粉质黏土、粉土、粉质黏土、黏土、粉质黏土、粉土、细砂、粉质黏土,桩端为粉质黏土，桩长218m ，采用41.5kN重锤,根据波形直观判断，该桩属于摩擦型桩，土阻力前期发挥很快，没有承载力滞后2Lc发挥的现象,采用实测曲线拟合法分析承载力时，拟合波形的变化对静阻力的改变比较敏感，意味着承载力拟合的变异性较小,动载模拟的Qs曲线与静载试验十分接近,例4：初打和复打实测波形比较,1、0.5m0.5m方桩，桩长37m,土层分布：淤泥、淤泥质粉土，持力层为残积土,（a）初打实测F、V波形，定性判断承载力极低,（b）过3天复
27、打，经波形拟合法分析QS=2500kN，28天后静载试桩，QS=4500kN,2、0.5m0.5m方桩，桩长40m，土层分布同上,（c）初打实测F、V波形波形，定性判断承载力不高,（d）过4天复打，侧阻、端阻明显提高，经波形拟合法分析，QS4500kN,采用实测曲线拟合法分析承载力时，QS=1140kN,例5：张家港铜业公司二期工程,0.35m0.35m方桩，12N桩，桩长19m，桩端土为粘土，25kN重锤,打桩至检测的休止时间已足够，属于摩擦型桩,信号表明，土阻力前期发挥很快，且已充分发挥,例6：温州电厂二期工程,2#试桩，钻孔灌注桩，桩径1000mm，桩长61m,桩端土为砾石，50kN重锤,由于桩很长，尽管落锤高度达2.5m，桩的端阻力未充分发挥,采用实测曲线拟合法分析承载力时，QS5500kN,例7：人工挖孔灌注桩,桩径1000mm，扩底直径2.8m,桩长14.5m,桩端持力层为细砂，120kN重锤,静载试验 QS=8400kN ，s=12mm,采用CASE法时，QS=9500kN（JS=0.2）,采用实测曲线拟合法分析承载力时，QS=9000kN,两种阻抗材料的杆件,反射系数,透射系数,等时单元,桩身拉压裂隙模型,桩端缝隙模型,桩的特征线波动分析程序用户手册中国建科院地基所,