福建省基樁高應變講義2010年

福建省基樁高應變檢測人員

上崗考核培訓福建省建筑科學研究院梁曦.基樁動測技術(shù)的發(fā)展.樁基動測技術(shù)的歷史可追朔到百年以前，利用能量守恒原理和牛頓撞擊定理來計算樁的承載力，稱之為動力打樁公式。近代樁的動測技術(shù)是以應力波理論為基礎發(fā)展起來的，樁可視為土中的彈性桿件，打樁過程是彈性應力波傳播的過程。美國G.G.Goble等人在1967年發(fā)表了“關于樁承載力的動測研究”一文，1975年發(fā)表了“根據(jù)動測確定樁的承載力”研究報告。1972年湖南大學周光龍等人開始研究樁的動測技術(shù)，這是我國最早的開始用動力理論進行樁基的檢測1986年福建省建筑科學研究院從美國引進首臺GC型PDA打樁分析儀，1988年后，中國建筑科學研究院開始針對引進的美國PDA打樁分析儀進行開發(fā)，編制了樁的特征線波動分析程序FEIPWAPC，取得了較好效果。1989年我國由國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心組織編制了“高應變動力試樁法暫行規(guī)定”，1997年我國《基樁高應變動力檢測規(guī)程》（JGJ106-97）頒布實施，直至2003年改版為《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ106-2003）。

樁的承載力有豎向承載力，水平承載力及抗拔承載力等多個指標，通常人們最關注豎向承載力。豎向承載力取決于巖土對樁的支承阻力及樁身結(jié)構(gòu)，前者是主要的，樁身結(jié)構(gòu)則應該提供足夠的強度，剛度和穩(wěn)定性來保證荷載傳遞的任務。樁的破壞形態(tài)通?？煞秩N類型：樁身破壞，樁周土體的剪切破壞和樁土體系沉降超標。高應變法只能判定巖土體對樁的支承阻力，其判定的承載力是在樁身強度滿足樁身結(jié)構(gòu)承載力的前提下，其難于預示樁身結(jié)構(gòu)破壞的可能性。規(guī)范（JGJ106-2003）中高應變法的

檢測目的判定單樁豎向抗壓承載力是否滿足設計要求；檢測樁身缺陷及其位置，判定樁身完整性類別；分析樁側(cè)和樁端土阻力此外，作為試打樁和打樁監(jiān)控。監(jiān)測預制樁打入時的樁身應力和錘擊能量傳遞比，為沉樁工藝參數(shù)及樁長選擇提供依據(jù)。

規(guī)范（JGJ106-2003）中高應變法的

適用范圍對第3.3.5條規(guī)定條件外的預制樁和滿足高應變法適用檢測范圍的灌注樁，可采用高應變法進行單樁豎向抗壓承載力驗收檢測，抽檢數(shù)量不宜少于總樁數(shù)的5%，且不得少于5根。當有本地區(qū)相近條件的對比驗證資料時，高應變法也可作為第3.3.5條規(guī)定條件下單樁豎向抗壓承載力驗收檢測的補充。試打樁和打樁監(jiān)控不宜采用：大直徑擴底樁和Q-s曲線具有緩變型特征的大直徑灌注樁。廣義的高應變法包括：打樁公式法（能量公式法），錘擊貫入法，波動方程法和靜動法等等目前高應變法這個名稱已被專用于以波動技術(shù)為特征的一種高應變測試方法。依據(jù)高應變分析計算方法的原則不同而分為兩類方法：1.在若干近似假定下獲得波動方程閉合解，再通過實測曲線計算其結(jié)果。2.利用實測曲線的數(shù)字化序列，借助計算機技術(shù)來搜求其數(shù)值解，從中獲得樁土性狀參數(shù)再間接推算其結(jié)果。高應變法的特點在承載力的檢測方法上，高應變法屬于半直接法，它不同于靜載試驗，是通過現(xiàn)場原型試驗直接獲得檢測結(jié)果。它是在現(xiàn)場原型實驗基礎上，基于一些理論假設和工程實踐經(jīng)驗并加以綜合分析才能獲得檢測結(jié)果。與靜載法相比，其優(yōu)缺點大體總結(jié)如下：優(yōu)點：1.高效節(jié)能（省時省錢）2.能獲得有關樁身完整性的情況。3.能獲得樁周摩阻的分布情況。4.試打樁和打樁監(jiān)控屬于它特有的功能，它能監(jiān)測錘擊樁打入時的拉壓應力，錘擊能量的傳遞，樁身完整性的變化，為沉樁工藝參數(shù)和樁長選擇提供依據(jù)，這就是靜載試驗無法做到的。缺點：1.動態(tài)數(shù)據(jù)的采集精度相對較低，甚至可能因操控不當或準備不周發(fā)生數(shù)據(jù)采集失敗的現(xiàn)象。2.在動載和靜載作用下，樁土體系的性狀表現(xiàn)不同，目前動力分析的數(shù)學模型還比較粗略。能量公式(打樁公式)能量=承載力*貫入度承載力=能量/貫入度能量公式的問題剛性體模型不準確忽略了墊層和砧塊土模型不合理結(jié)果有很大的不確定性,由于相關性差結(jié)果非常不可靠一維波動理論打樁機產(chǎn)生向下傳遞的應力波并輸入到樁中樁中的應力可用一維波動理論加以描述土阻力產(chǎn)生應力波反射可通過在樁頂實測的力和速度計算和描述應力波試驗前混凝土樁樁頭處理

凝土樁應先鑿掉樁頂部的破碎層和軟弱混凝土。樁頭頂面應平整，樁頭中軸線與樁身上部的中軸線應重合。樁頭主筋應全部直通至樁頂混凝土保護層之下，各主筋應在同一高度上。距樁頂1倍樁徑范圍內(nèi)，宜用厚度為3～5mm的鋼板圍裹或距樁頂1.5倍樁徑范圍內(nèi)設置箍筋，間距不宜大于100mm。樁頂應設置鋼筋網(wǎng)片2～3層，間距60～100mm。樁頭混凝土強度等級宜比樁身混凝土提高1～2級，且不得低于C30。高應變法檢測的樁頭測點處截面積應與原樁身截面積相同。樁身材料彈性模量應按下式計算：E=

ρ.c2

E——樁身材料彈性模量（kPa）；c——樁身應力波傳播速度（m/s）；ρ——樁身材料質(zhì)量密度（t/m3）。

樁身波速的確定可根據(jù)下行波波形起升沿的起點到上行波下降沿的起點之間的時差與已知樁長值確定（如下圖）；樁底反射信號不明顯時，可根據(jù)樁長、混凝土波速的合理取值范圍以及鄰近樁的樁身波速值綜合確定。

平均波速的確定用靜載法進一步驗證（“減負”）樁身存在缺陷，無法判定樁的豎向承載力。樁身缺陷對水平承載力有影響。單擊貫入度大，樁底同向反射強烈且反射峰較寬，側(cè)阻力波﹑端阻力波反射弱，即波形表現(xiàn)出豎向承載性狀明顯與勘察報告中的地質(zhì)條件不符合。嵌巖樁樁底同向反射強烈，且在時間2L/c后無明顯端阻力反射；也可采用鉆芯法核驗。有關公式和原理F=Zv在下行波中F=-Zv在上行波中樁阻抗Z=EA/c=Ac=Mc/LE-彈性模量A-橫截面積波速c2=E/-質(zhì)量密度M-樁的質(zhì)量L-樁的長度下行波WD=?（F+ZV）上行波WU=?（F-ZV）樁側(cè)x處有土阻力R存在，則將從t=x/c時刻開始激發(fā)一個阻力，產(chǎn)生2個大小各為R/2的阻力波，上行為壓縮波，下行為拉伸波，其影響于t=2x/c時刻反射到樁頂，使得力曲線上升R/2，速度曲線(乘以阻抗后)下降R/2?？傋枇?靜阻力+動阻力

R靜=R-R動，Rt=Rs+Rd總阻力

Rt=?(Ft1+Zvt1+Ft2-Zvt2)=WDt1+WUt2Ft1和vt1為時刻t1樁頂實測的力和速度Ft2和vt2為時刻2樁頂實測的力和速度時刻2為時刻1后2L/c:t2=t1+2L/cWD和WU分別為下行波和上行波凱司法承載力計算公式基于的幾個假定1樁身阻抗基本恒定。2動阻力只與樁底質(zhì)點運動速度成正比，即全部動阻力集中于樁端。3土阻力在時刻t2＝t1+2L/c已充分發(fā)揮。4忽略應力波傳播過程的能量損耗。顯然，它較適用于摩擦型的中、小直徑預制樁和截面較均勻的灌注樁。阻尼系數(shù)為了從總阻力中計算靜阻力,需引入一個粘滯阻尼系數(shù)JvRd=JvVtoe(Vtoe為樁端運動速度)凱司法中的Case阻尼系數(shù)Jc是無量綱的:Jc=JvZRd=JcZVtoeSmith阻尼系數(shù)，是認為動阻力伴隨靜阻力出現(xiàn)。公式：Rd=Js.Js.V（這通常用于波動方程法）凱司法的靜阻力計算公式基于Rs=Rt-Rd和Vtoe=(WDt1-WUt2)/Z=[(Ft1+ZVt1)-(Ft2-ZVt2)]/2Z常規(guī)公式：Rs=(1-Jc)[Ft1+ZVt1]/2+(1+Jc)[Ft2-ZVt2]/2其他形式：Rs=Rt-Jc(Ft1+ZVt1-Rt)對于土阻力滯后于t1+2L/c時刻明顯發(fā)揮宜采用以下RMX方法進行提高修正：

適當將t1延時，確定Rc的最大值。對于土阻力先于t1+2L/c時刻發(fā)揮并造成樁中上部強烈反彈這兩種情況,宜采用卸載補償法修正：考慮卸載回彈部分土阻力對Rc值進行修正。Case阻尼系數(shù)的取值00.20.40.60.81.0砂礫0.30.4砂0.40.5粘土0.70.9粉土0.50.7土的粒徑減小阻尼系數(shù)增加RMX法和RSU法的適用范圍最大阻力法（RMX）適用于阻力發(fā)揮滯后的飽和粘性土和砂土中的排土樁，具有土塞作用的非排土樁和端承樁，在曲線上表現(xiàn)為有較大的彈性位移；卸載法（RSU）適用于對于大側(cè)阻和難貫入的長樁，在曲線上表現(xiàn)為速度曲線過快地歸零并變負，即對應于樁頭明顯出現(xiàn)反彈的情況。凱司法的樁身完整性功能

β法其實等同于低應變反射波法的原理。β──樁身完整性系數(shù)β為上下兩截面阻抗比的倒數(shù)β=Z2/Z1=2A2c2/1A1c1F1↑=(Z2-Z1/Z2+Z1)F1↓（反射波）F2↓=(2Z2/Z2+Z1)F1↓（透射波）規(guī)范中β值對應的樁身完整性類別只可作為參考，樁身完整性判定宜按工程地質(zhì)條件和施工工藝，結(jié)合實測曲線擬合法或其他檢測方法綜合進行。試打樁和打樁監(jiān)控主要包含拉壓應力和樁錘系統(tǒng)性能的監(jiān)測拉壓應力的監(jiān)測：1.樁身錘擊拉應力宜在預計樁端進入軟土層或樁端穿過硬土層進入軟夾層時測試。2.樁身錘擊壓應力宜在樁端進入硬土層或樁周土阻力較大時測試。一般情況下，可認為樁身的最大壓應力就等于傳感器所直接測到的最大壓力值除以樁身截面積。最大值的作用范圍在樁頂附近。但當樁尖是牢固地支承于堅固巖石上時，最大壓應力值作用位置在樁尖。（JGJ94-2008）規(guī)定：最大錘擊壓應力和拉應力分別不應超過混凝土軸心抗壓和抗拉強度設計值。錘擊壓應力的計算示意（如右圖）。當樁尖持力于較軟弱的土層時，壓力波的峰值在樁尖產(chǎn)生幅值為ф/2的拉力回波的峰值。拉力回波的波峰在向上傳播的過程中，將與峰值以后后繼的下行壓縮波相疊加。在圖上畫一縱坐標為ф/2的直線，代表拉力波峰值，則圖中下行波形曲線在ф/2直線以下部分就會產(chǎn)生拉力，由此可以得到拉應力包絡線。通常拉應力最大位置在距樁尖0.5-0.7L的位置。

樁錘系統(tǒng)性能監(jiān)測打樁時樁錘傳遞到樁上的能量W=∫F(t)v(t)dt，其最大值就是最大傳遞能量EMX樁錘的額定能量PE=m錘.g.h樁錘最大動能KE=0.5m錘.Vmax2錘效率=KE/PE；打樁系統(tǒng)效率=EMX/KE樁錘傳遞比（以前的樁錘系統(tǒng)效率）=EMX/PE實測曲線擬合法的模型樁模型：一維均值彈性桿。土的靜阻模型:無論樁周還是樁端，多為理想彈塑性模型，如下圖。土的動阻力模型為排除動力試樁過程中土體的動力效應，實測曲線擬合法假定動阻力存在于樁端和樁周各個部位（區(qū)別于凱司法），常用兩種模型——動阻力伴隨靜阻力出現(xiàn)（Smith阻尼模型），或動阻力伴隨質(zhì)點運動出現(xiàn)（線性粘滯阻尼模型）。為考慮土體內(nèi)部的能量耗散效應和慣性效應，彌補靜力模型的不足，擬合法還引入了輻射阻尼模型和土塞模型。實際編程又定義一種阻尼選擇指標，以便根據(jù)樁尖情況采用不同動力模型。動阻力模型示意圖實測曲線擬合法樁土參數(shù)一覽表

項目符號量綱建議的最小值建議的最大值建議的初始值樁側(cè)彈限QSknCm0.025①0.25樁底彈限QToeCm0.025①0.25樁側(cè)卸載系數(shù)CSkn—0.0111樁底卸載系數(shù)Ctoe—0.0111卸載水平Unld—011樁側(cè)復載水平LSkn—-11-1樁底復載水平Ltoe—010樁側(cè)CASE阻尼JSkn—

Ns0.1樁側(cè)Smith阻尼SSkns／m0.081.5

樁底CASE阻尼JToe—

10.1樁底Smith阻尼SToes／m0.081.5

阻尼選擇OPtn—020樁身內(nèi)阻PIld—0.010.030.02樁側(cè)粘壺阻尼SKdp—0.02—0樁側(cè)土體質(zhì)量M