福建省基樁高應(yīng)變講義2010年

福建省基樁高應(yīng)變檢測(cè)人員

上崗考核培訓(xùn)福建省建筑科學(xué)研究院梁曦.基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)的發(fā)展.樁基動(dòng)測(cè)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(jì)算樁的承載力，稱之為動(dòng)力打樁公式。近代樁的動(dòng)測(cè)技術(shù)是以應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)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(yīng)力波傳播的過程。美國(guó)G.G.Goble等人在1967年發(fā)表了“關(guān)于樁承載力的動(dòng)測(cè)研究”一文，1975年發(fā)表了“根據(jù)動(dòng)測(cè)確定樁的承載力”研究報(bào)告。1972年湖南大學(xué)周光龍等人開始研究樁的動(dòng)測(cè)技術(shù)，這是我國(guó)最早的開始用動(dòng)力理論進(jìn)行樁基的檢測(cè)1986年福建省建筑科學(xué)研究院從美國(guó)引進(jìn)首臺(tái)GC型PDA打樁分析儀，1988年后，中國(guó)建筑科學(xué)研究院開始針對(duì)引進(jìn)的美國(guó)PDA打樁分析儀進(jìn)行開發(fā)，編制了樁的特征線波動(dòng)分析程序FEIPWAPC，取得了較好效果。1989年我國(guó)由國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心組織編制了“高應(yīng)變動(dòng)力試樁法暫行規(guī)定”，1997年我國(guó)《基樁高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)規(guī)程》（JGJ106-97）頒布實(shí)施，直至2003年改版為《建筑基樁檢測(cè)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(gè)指標(biāo)，通常人們最關(guān)注豎向承載力。豎向承載力取決于巖土對(duì)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(yīng)該提供足夠的強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性來保證荷載傳遞的任務(wù)。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(biāo)。高應(yīng)變法只能判定巖土體對(duì)樁的支承阻力，其判定的承載力是在樁身強(qiáng)度滿足樁身結(jié)構(gòu)承載力的前提下，其難于預(yù)示樁身結(jié)構(gòu)破壞的可能性。規(guī)范（JGJ106-2003）中高應(yīng)變法的

檢測(cè)目的判定單樁豎向抗壓承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求；檢測(cè)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(cè)預(yù)制樁打入時(shí)的樁身應(yīng)力和錘擊能量傳遞比，為沉樁工藝參數(shù)及樁長(zhǎng)選擇提供依據(jù)。

規(guī)范（JGJ106-2003）中高應(yīng)變法的

適用范圍對(duì)第3.3.5條規(guī)定條件外的預(yù)制樁和滿足高應(yīng)變法適用檢測(cè)范圍的灌注樁，可采用高應(yīng)變法進(jìn)行單樁豎向抗壓承載力驗(yàn)收檢測(cè)，抽檢數(shù)量不宜少于總樁數(shù)的5%，且不得少于5根。當(dāng)有本地區(qū)相近條件的對(duì)比驗(yàn)證資料時(shí)，高應(yīng)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(yàn)收檢測(cè)的補(bǔ)充。試打樁和打樁監(jiān)控不宜采用：大直徑擴(kuò)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(yīng)變法包括：打樁公式法（能量公式法），錘擊貫入法，波動(dòng)方程法和靜動(dòng)法等等目前高應(yīng)變法這個(gè)名稱已被專用于以波動(dòng)技術(shù)為特征的一種高應(yīng)變測(cè)試方法。依據(jù)高應(yīng)變分析計(jì)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(dòng)方程閉合解，再通過實(shí)測(cè)曲線計(jì)算其結(jié)果。2.利用實(shí)測(cè)曲線的數(shù)字化序列，借助計(jì)算機(jī)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(yīng)變法的特點(diǎn)在承載力的檢測(cè)方法上，高應(yīng)變法屬于半直接法，它不同于靜載試驗(yàn)，是通過現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)直接獲得檢測(cè)結(jié)果。它是在現(xiàn)場(chǎng)原型實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，基于一些理論假設(shè)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并加以綜合分析才能獲得檢測(cè)結(jié)果。與靜載法相比，其優(yōu)缺點(diǎn)大體總結(jié)如下：優(yōu)點(diǎn)：1.高效節(jié)能（省時(shí)省錢）2.能獲得有關(guān)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(cè)錘擊樁打入時(shí)的拉壓應(yīng)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(zhǎng)選擇提供依據(jù)，這就是靜載試驗(yàn)無法做到的。缺點(diǎn)：1.動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集精度相對(duì)較低，甚至可能因操控不當(dāng)或準(zhǔn)備不周發(fā)生數(shù)據(jù)采集失敗的現(xiàn)象。2.在動(dòng)載和靜載作用下，樁土體系的性狀表現(xiàn)不同，目前動(dòng)力分析的數(shù)學(xué)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(zhǔn)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(guān)性差結(jié)果非常不可靠一維波動(dòng)理論打樁機(jī)產(chǎn)生向下傳遞的應(yīng)力波并輸入到樁中樁中的應(yīng)力可用一維波動(dòng)理論加以描述土阻力產(chǎn)生應(yīng)力波反射可通過在樁頂實(shí)測(cè)的力和速度計(jì)算和描述應(yīng)力波試驗(yàn)前混凝土樁樁頭處理

凝土樁應(yīng)先鑿掉樁頂部的破碎層和軟弱混凝土。樁頭頂面應(yīng)平整，樁頭中軸線與樁身上部的中軸線應(yīng)重合。樁頭主筋應(yīng)全部直通至樁頂混凝土保護(hù)層之下，各主筋應(yīng)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(shè)置箍筋，間距不宜大于100mm。樁頂應(yīng)設(shè)置鋼筋網(wǎng)片2～3層，間距60～100mm。樁頭混凝土強(qiáng)度等級(jí)宜比樁身混凝土提高1～2級(jí)，且不得低于C30。高應(yīng)變法檢測(cè)的樁頭測(cè)點(diǎn)處截面積應(yīng)與原樁身截面積相同。樁身材料彈性模量應(yīng)按下式計(jì)算：E=

ρ.c2

E——樁身材料彈性模量（kPa）；c——樁身應(yīng)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(diǎn)到上行波下降沿的起點(diǎn)之間的時(shí)差與已知樁長(zhǎng)值確定（如下圖）；樁底反射信號(hào)不明顯時(shí)，可根據(jù)樁長(zhǎng)、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(jìn)一步驗(yàn)證（“減負(fù)”）樁身存在缺陷，無法判定樁的豎向承載力。樁身缺陷對(duì)水平承載力有影響。單擊貫入度大，樁底同向反射強(qiáng)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(bào)告中的地質(zhì)條件不符合。嵌巖樁樁底同向反射強(qiáng)烈，且在時(shí)間2L/c后無明顯端阻力反射；也可采用鉆芯法核驗(yàn)。有關(guān)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(zhǎng)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(shí)刻開始激發(fā)一個(gè)阻力，產(chǎn)生2個(gè)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(shí)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。總阻力=靜阻力+動(dòng)阻力

R靜=R-R動(dòng)，Rt=Rs+Rd總阻力

Rt=?(Ft1+Zvt1+Ft2-Zvt2)=WDt1+WUt2Ft1和vt1為時(shí)刻t1樁頂實(shí)測(cè)的力和速度Ft2和vt2為時(shí)刻2樁頂實(shí)測(cè)的力和速度時(shí)刻2為時(shí)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(jì)算公式基于的幾個(gè)假定1樁身阻抗基本恒定。2動(dòng)阻力只與樁底質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度成正比，即全部動(dòng)阻力集中于樁端。3土阻力在時(shí)刻t2＝t1+2L/c已充分發(fā)揮。4忽略應(yīng)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(yù)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(jì)算靜阻力,需引入一個(gè)粘滯阻尼系數(shù)JvRd=JvVtoe(Vtoe為樁端運(yùn)動(dòng)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(rèn)為動(dòng)阻力伴隨靜阻力出現(xiàn)。公式：Rd=Js.Js.V（這通常用于波動(dòng)方程法）凱司法的靜阻力計(jì)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(duì)于土阻力滯后于t1+2L/c時(shí)刻明顯發(fā)揮宜采用以下RMX方法進(jìn)行提高修正：

適當(dāng)將t1延時(shí)，確定Rc的最大值。對(duì)于土阻力先于t1+2L/c時(shí)刻發(fā)揮并造成樁中上部強(qiáng)烈反彈這兩種情況,宜采用卸載補(bǔ)償法修正：考慮卸載回彈部分土阻力對(duì)Rc值進(jìn)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(duì)于大側(cè)阻和難貫入的長(zhǎng)樁，在曲線上表現(xiàn)為速度曲線過快地歸零并變負(fù)，即對(duì)應(yīng)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(shí)等同于低應(yīng)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(duì)應(yīng)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(shí)測(cè)曲線擬合法或其他檢測(cè)方法綜合進(jìn)行。試打樁和打樁監(jiān)控主要包含拉壓應(yīng)力和樁錘系統(tǒng)性能的監(jiān)測(cè)拉壓應(yīng)力的監(jiān)測(cè)：1.樁身錘擊拉應(yīng)力宜在預(yù)計(jì)樁端進(jìn)入軟土層或樁端穿過硬土層進(jìn)入軟夾層時(shí)測(cè)試。2.樁身錘擊壓應(yīng)力宜在樁端進(jìn)入硬土層或樁周土阻力較大時(shí)測(cè)試。一般情況下，可認(rèn)為樁身的最大壓應(yīng)力就等于傳感器所直接測(cè)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(dāng)樁尖是牢固地支承于堅(jiān)固巖石上時(shí)，最大壓應(yīng)力值作用位置在樁尖。（JGJ94-2008）規(guī)定：最大錘擊壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別不應(yīng)超過混凝土軸心抗壓和抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。錘擊壓應(yīng)力的計(jì)算示意（如右圖）。當(dāng)樁尖持力于較軟弱的土層時(shí)，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(biāo)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(huì)產(chǎn)生拉力，由此可以得到拉應(yīng)力包絡(luò)線。通常拉應(yīng)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(cè)打樁時(shí)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(dòng)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(shí)測(cè)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(dòng)阻力模型為排除動(dòng)力試樁過程中土體的動(dòng)力效應(yīng)，實(shí)測(cè)曲線擬合法假定動(dòng)阻力存在于樁端和樁周各個(gè)部位（區(qū)別于凱司法），常用兩種模型——?jiǎng)幼枇Π殡S靜阻力出現(xiàn)（Smith阻尼模型），或動(dòng)阻力伴隨質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(yīng)和慣性效應(yīng)，彌補(bǔ)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(shí)際編程又定義一種阻尼選擇指標(biāo)，以便根據(jù)樁尖情況采用不同動(dòng)力模型。動(dòng)阻力模型示意圖實(shí)測(cè)曲線擬合法樁土參數(shù)一覽表

項(xiàng)目符號(hào)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(fù)載水平LSkn—-11-1樁底復(fù)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