基樁動荷載試驗介紹

1、基樁動荷載試驗介紹樁的動力測試技術已有100多年的歷史。最早的動測方法是在能量守恒原理的基礎上， 利用牛頓碰撞定律，根據(jù)打樁時測得的貫入度來推算樁的極限承載力。相應的計算公式也就 稱為動力打樁公式(簡稱打樁公式)。打樁公式有很多種，一度成為除靜荷載試驗以外唯一 能用來推斷樁承載力的現(xiàn)場試驗方法。雖然打樁公式都存在著這樣或那樣的問題，難以準確 判斷樁的承載力，但至今國外的不少單位和技術人員還在應用，并且已有不少改進。近代的動測技術是以應力波理論為基礎的。早在20世紀30年代，應力波理論就被用以 分析打樁過程，1931年伊薩克斯(D. V. Isaacs)首先指出，樁頂受到樁錘沖擊后，沖擊能 量是

2、以波動形式傳至樁底的，因此可用一維波動方程來描述。但當時的解答過于復雜，只能 用于極簡單的邊界條件，因而實用價值不大。1938年?？怂?E. N. Fox)在作了許多簡化 假定后，對打樁過程進行了粗略的分析，得出了能用于實際打樁分析的波動方程解答。1950年史密斯(E. A. Smith)對錘-樁-土體系提出了用一系列質塊、彈簧和阻尼器組成 的離散化計算模型，并用差分方程和電子計算機進行計算，求得了較為精確的數(shù)值解。1960 年他發(fā)表了 “打樁分析的波動方程法”這一著名論文，對打樁過程中樁的貫入性狀進行了分 析，并討論了樁錘、錘墊、樁帽、樁墊以及樁和土的模擬問題，在文中定義了離散化模型涉 及的

3、全部參數(shù)，并從各種不同的應用波動方程的打樁實例中，提供了這些參數(shù)的建議值，從 而使波動方程分析方法開始進入實用階段。在此后的十多年里，國外許多學者如福爾漢德(P. W. Fore hand)和里斯(J. L. Reese)、薩蒙(Samon)、毛斯萊(E. T. Mosley)、愛德華茲 (Edwards)、勞沃雷(L. L. Lowery)、柯伊爾(H. M. Coyle)、波勒斯(J. E. Bowles)、 達維松(M. T. Davisson)、勞契(F. Rausche)以及高勃爾(G. G. Goble)等在計算機程序 編制、參數(shù)確定、可靠性研究以及波動方程法的實際應用等方面進行了

4、大量的工作。此外， 瑞典的費休(H. C. Fisher)從50年代起就研究行波理論的圖解法。上述學者的研究工作對 發(fā)展波動方程的應用技術作出了重要貢獻。由于計算機程序是應用波動方程方法的關鍵，所 以，在這方面的發(fā)展尤為迅速，僅在美國就有十余種程序得到廣泛采用，各種程序均有其特 點和適用條件。例如：TEI是德克薩斯運輸研究所編制的能考慮樁身接頭和松動等困素的程 序；OCEAN WAVE程序和TIDY WAVE程序與TTI程序基本相同，但前者包括了新型液 壓錘的模擬，后者則以樁頂?shù)膶崪y力作為輸入，可減少因樁錘等模擬不當而引起的誤差； WEAP程序是凱斯西部后備大學編制的適用于柴油樁錘的程序；DU

5、KFOR程序是杜克大學 編制的可以考慮打樁時殘余應力的程序；SWEAP程序則是WEAP程序和DUKFOR程序的 結合；PSI程序能作考慮殘余應力的多錘分析，對難打的樁的特性作出較好的描述，還能按 土的非線性變形特性進行模擬軸向荷載試驗的計算；CAPWAP程序是一個反分析程序，它 根據(jù)樁頂處實測的力和加速度數(shù)據(jù)計算樁的承載力和阻力分布，可隨時根據(jù)計算結果與實測 值的對比情況，調整輸入?yún)?shù)和阻力分布，重新計算，直至吻合為止。此外，荷蘭富國國際 工程地質顧問公司編制的WAVEQ、SRD程序以及荷蘭HBM液壓錘公司等也都有自己的波 動方程計算程序。波動方程應用于動測技術的另一類方法是將樁作為連續(xù)的彈性

6、桿，在對邊界條件作適當 處理或簡化后，設法直接對偏微分方程積分求解。丹麥工業(yè)大學的漢森教授(B. Hasen)等 發(fā)表了這方面的研究結果。荷蘭建筑材料與建筑結構研究所(TNO)的柯頓(V. Koten)也 在簡化的假定條件下，利用線性代換和階躍函數(shù)，得出了無限長樁在錘擊作用下考慮樁側阻 力對應力波的衰減作用的閉合解。70年代初，他們研制成TNO樁檢測系統(tǒng)，用于檢驗樁的 完整性和樁身質量。后來，通過在砂土中的靜、動試驗對比，證明可以用動測方法確定靜載 下樁的承載力，于是又研制了相應的分析方法和計算程序（TNOWAVE程序）。此外，CASE 法也是屬于這一類的方法，它是由高勃爾等人在1964年開始

7、研究的，在幾千根樁上進行了 試驗，并研制了相應的打樁分析儀。瑞典生產的PID打樁分析儀也是以CASE法為原理制 成的。近年來，以應力波理論為基礎的樁的動測技術在美國和歐洲又有新的發(fā)展。在預估承載 力方面，已經開始廣泛地應用于就地灌注樁的承載力測試，對如何充分發(fā)揮土的阻力又不致 使樁頂或樁身引起破壞的問題，研究出一些措施。在計算程序上，出現(xiàn)了采用連續(xù)模型及特 征線法的CAPWAPC程序。法國的高寧（Gonin）等則認為錘擊力波通過樁身時所動員的樁 側阻力與靜載下發(fā)揮的樁側阻力毫無關系，因此常用的錘擊方法存在著嚴重缺點，他們提出 了一種嶄新的動測承載力的方法，并研制了新的動測設備，使錘擊力的作用時

8、間延長，更接 近于靜載曲線。對端承樁和特殊土質條件下樁的承載力問題也有不少研究和應用波動方程法 的實例分析。在樁身質量檢驗方面，隨著電子量測儀器的改進而發(fā)展起來的低應變動測法已 被證明是經濟有效的方法，在荷蘭、奧地利、西德以及美國一些地區(qū)目前已廣泛采用。如荷 蘭又改進了原來的測試系統(tǒng)，推出TNO攜帶式FPDS-2型基礎樁診斷系統(tǒng)。在樁土系統(tǒng)的 動靜性狀方面，通過對比試驗進一步研究和改進動測技術的可靠性，如為使實測應力波與計 算波形更為吻合，進行室內模型樁試驗以改進樁側阻力的計算模型。在錘擊和現(xiàn)場量測設備 方面，也有很多改進，例如創(chuàng)造了碟簧式樁錘和預應力碟簧式樁帽等，其作用都是使錘擊應 力峰值減

9、小而使應力波的持續(xù)時間增長，從而使錘和樁不易損壞而提高打樁時的貫入效率。 另外對樁頂力和加速度的量測方法和所用的傳感器等也進行了研究和改進。目前在國外應用最廣泛的樁的動測儀器有下列幾種：PID打樁分析儀PID打樁分析儀是由瑞典烏潑薩拉大學等根據(jù)CASE法原理研制成功，并由瑞典打樁技 術發(fā)展公司生產的。其主要功能除可用來檢驗樁的完整性和預估承載力外，還可測定打樁時 樁身的錘擊應力。TNO基礎樁診斷系統(tǒng)由荷蘭建筑材料與建筑結構研究所研制成的這一檢測儀器是一種聲波式的測試儀。該儀 器體積小，重量輕，適宜于現(xiàn)場試驗。TNO診斷系統(tǒng)最初僅用于檢驗樁的完整性，后來又 研制了動荷載試驗和打樁分析的方法及計算

10、程序，可用來預估樁的側阻力、端阻力和樁的荷 載-沉降特性以及監(jiān)測打樁過程中樁和樁錘的性能，并可根據(jù)土的性質、錘的參數(shù)和樁的尺 寸，對打樁效率和可行性作出判斷。PDA打樁分析儀PDA打樁分析儀是由美國樁動力公司（PDI公司）在高勃爾教授主持下生產的。可用 來檢驗樁的完整性并利用CAPWAPC程序預估樁的承載力。該儀器是現(xiàn)今世界上公認的最 能代表高應變測樁技術水平的主流儀器。同時，PDI公司還研制生產了專用于低應變測試的 PIT分析儀，在動測界具有很強的影響力。PDR打樁記錄儀PDR打樁記錄儀是由荷蘭富國國際工程地質公司生產的?？梢员O(jiān)測打樁過程并同時顯 示出打樁時樁的承載力。上述動測儀器及相應測試

11、技術在國外已得到廣泛的應用，一些儀器例如PID、PIT、TNO 和PDA等在國內也有不少單位使用。1985年在第十一屆國際土力學及基礎工程會議上，福 契（J. A. Focht）所作的關于“樁和其他深基礎”的總報告中，公布了向世界各地詢問有關 確定單樁垂直承載力的方法的調查結果，在被詢問的專家中，有30%的人回答在粘性土中 可用動測法（波動方程法），其中美國和加拿大則有50%的人認為可用動測法。不少國家 已將樁的動測法列入地基基礎設計與施工規(guī)范，國際土力學和基礎工程學會在1983年就將 CASE法和CAPWAP法作為學會建議的方法列入學會野外及室內試驗委員會編制的規(guī)范， 加拿大基礎工程學會規(guī)范

12、（1977年）規(guī)定，樁的承載力可用動力打樁公式、波動方程和打 樁分析儀進行預估或用靜荷載試驗確定，在荷蘭，規(guī)定所有灌注樁均須經過動力檢測，西德 在廣泛應用動測法的基礎上，專門設立委員會從1980年開始制定有關動測步驟、方法與數(shù) 據(jù)處理的建議，并于1984年正式出版樁的動測規(guī)程的第二稿。他們不僅將樁的動測技術用 來解決樁的質量檢驗以及一般樁的承載力測定，而且成功地應用在大直徑灌注樁甚至沉井和 復雜的樁柱中。我國自20世紀70年代開始研究樁的動力測試技術。1972年，湖南大學周光龍?zhí)岢隽?樁基參數(shù)動測法，對開創(chuàng)我國樁的動測方法研究起到了積極推動的作用。隨著我國樁基工程 的發(fā)展，許多部門的專家、教授

13、和工程技術人員對樁的動測技術和儀器設備進行了廣泛的研 究，使我國樁的動測技術得到蓬勃的發(fā)展。1978年，南京工學院（今東南大學）唐念慈等 人在渤海油田12號平臺的鋼管樁動力測試中與渤海石油公司設計院等單位合作編制了 BF81程序，它是我國較早使用的以錘心初速度為初始條件的波動方程應用程序。甘肅省建 筑科學研究所也于1980年編制了與CAPWAP程序相類似的以輸入實測力波為初始條件的 波動方程的計算機分析程序，它可以消除樁頂以上錘、錘墊、樁帽、樁墊等模擬參數(shù)的誤差， 并且在研究樁土體系荷載傳遞規(guī)律的基礎上，為準確確定土的動參數(shù)提供了可能性。在檢驗 樁的質量和完整性方面，我國從70年代起就開始研究

14、和應用法國首創(chuàng)的機械阻抗法。這種 方法的試驗設備比較簡便，便于在我國推廣。1978年首先由湖南大學振動研究室和四川省 成都市城市建設研究所的科技人員在西安公路研究所研制成功。1981年先后在陜西、廣西 等地的大橋工程中進行現(xiàn)場試驗，效果較好。隨后，在此基礎上成都市城建研究所等又研制 了專用的ZK-2型樁基振動檢驗儀。此外，成都市城建研究所對激振器的固定方式以及在傳 感器的選擇方面都作了較多的研究和反復比較試驗。中國科學院武漢巖土工程研究所吸取了國內外的先進技術，對樁的動測儀器和應用技術 作了進一步的研究，在大量的現(xiàn)場測試和室內試驗的基礎上，發(fā)揮該所的技術優(yōu)勢，研制了 獨具特色的測樁儀器、配套軟

15、件和測試分析技術，在國內的樁基動測界具有很強的影響力。 其所研制的RSM系列樁基動測分析儀功能強、精度高、可靠性好，能適應現(xiàn)場較差的使用 環(huán)境，是國內動測儀器的主導產品。在研究和發(fā)展我國獨特的動測方法方面，湖南大學土木系振動小組周光龍等人首先發(fā)表 了 “用動力法測定樁基各種參數(shù)的原理、方法和分析”一文，探索用簡單的錘擊或重物沖擊 方法，獲得樁-土體系的自振頻率和其它動參數(shù)，并換算成樁的承載力。動參數(shù)法在1985年 正式通過了省級技術鑒定，并在以后的推廣應用中又有新的改進。冶金部建筑研究總院著重 研究了樁側土摩阻力大小以及樁尖土性質對各階共振頻率的影響，并在此基礎上提出了新的 計算樁長的公式和判

16、斷樁體質量的方法。綜合上述成果而形成的共振法試樁技術經過大量的 工程試驗和100多個靜、動試驗對比而取得成功。該方法在1985年通過部級鑒定，并于1986 年研制成GZD-86型樁動測自動控制系統(tǒng)，經部級鑒定合格。四川建筑科學研究院與建設部 中國建筑科學研究院地基所共同研究成功的錘擊貫入法，是具有自己特色的另一種樁的動測 方法。它通過不同落高的重錘，對樁頂施加瞬時錘擊力Pd使樁產生貫入度，根據(jù)實測的Pd 和相應的累計貫入度關系曲線與同一樁的靜荷載試驗曲線之間的相似性，通過樁的靜、動對 比試驗結果的相關分析，求出樁的極限承載力。西安公路研究所和中國科學院電工研究所共 同研究成功的水電效應法是通過在樁頂上的水容器內放電，對樁施加一瞬態(tài)沖擊力來進行激 振。由于水介質不傳遞剪切波，故樁只受壓縮波的作用而產生垂直向振動。然后通過分析樁 的振動波形來判斷樁的質量。為了使該方法得以實施，研究并配置了相應的振源裝置、水聲 法接收信號的裝置以及信號的處理裝置。通過數(shù)百根樁的檢驗證明，其結果與鉆芯等方法的 對比基本上是一致的