談基樁高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)存在的問題及誤差來(lái)源

李健全　盧文浩　司睿鵬

(浙江大合檢測(cè)有限公司，浙江 杭州　311100)

0　引言

樁基工程是地下高度隱蔽性工程，樁基檢測(cè)是樁基工程質(zhì)量檢查與驗(yàn)收中的一個(gè)關(guān)鍵部分。其中單樁極限承載力的檢驗(yàn)檢測(cè)，又是樁基檢測(cè)中的主要問題之一。高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)法是一種用重錘自由下落錘擊樁頂，同時(shí)在樁兩側(cè)對(duì)稱安裝力和加速度傳感器，量測(cè)力和樁、土系統(tǒng)響應(yīng)信號(hào)，從而計(jì)算單樁承載力的方法。該方法目前得到廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合理論研究，對(duì)高應(yīng)變法檢測(cè)過(guò)程中存在的問題和誤差來(lái)源進(jìn)行了初步研究，以求其在樁基檢測(cè)中發(fā)揮更大的作用。

1　高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)基本原理

1.1　Case法的基本假定

1)樁身是等阻抗的(Z=ρAc)，Z沿樁身不變，對(duì)預(yù)制樁、預(yù)應(yīng)力管樁和鋼樁在無(wú)樁身缺陷情況下是符合的，因而實(shí)測(cè)信號(hào)除土阻力和樁底反射信號(hào)外，無(wú)阻抗變化的反射波。

2)動(dòng)阻力集中在樁底，忽略樁側(cè)的動(dòng)阻力。

3)忽略應(yīng)力波在傳播過(guò)程的能量損耗。即應(yīng)力波在傳播過(guò)程無(wú)波形畸變和幅值變化。

1.2　Case法的數(shù)學(xué)模型

1)樁體假定為均勻連續(xù)一維桿，并且樁身參數(shù)(ρ，E)在測(cè)試時(shí)間不變化，稱為時(shí)不變。

2)樁周土模型(見圖1)。

a.樁的承載力為土對(duì)樁的支承載力，樁承載力達(dá)極限值時(shí)，認(rèn)為是樁土界面受剪破壞。

b.實(shí)測(cè)總阻力為靜阻力和動(dòng)阻力之和。

R=Rs+RD

(1)

其中,Rs為靜阻力，取決于土的位移，隨著位移線性增加，直到土的最大彈性位移(Quake值)后，Rs不隨變形增加而增加；RD為動(dòng)阻力，簡(jiǎn)化為與樁運(yùn)動(dòng)速度V成線性關(guān)系的粘滯阻尼模型。

RD=JcZV

(2)

其中，V為樁身運(yùn)動(dòng)速度；Z為樁身阻抗；Jc為Case阻尼系數(shù)。

1.3　Case法的單樁承載力

由式(1)所示，動(dòng)測(cè)總阻力是靜阻力和動(dòng)阻力之和，但人們關(guān)心的是和靜荷載試樁相對(duì)應(yīng)的靜阻力Rs，要想辦法從總阻力分離出靜阻力。

Goble教授研制的PDA打樁分析儀，從實(shí)測(cè)力波形和速度波形實(shí)現(xiàn)了這種分離。

Rs=R-Jc(2Ft1-R)

(3)

R=1/2[F(t1)+F(t2)+ZV(t1)-ZV(t2)]

(4)

Rs=1/2(1-Jc)[F(t1)+ZV(t1)]+1/2(1+Jc)[F(t2)-ZV(t2)]

(5)

其中，t1，F(xiàn)(t1),V(t1)分別為速度第一峰的時(shí)刻、錘擊力和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度；t2,F(t2),V(t2)分別為樁底反射時(shí)刻、錘擊力和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度。

2　高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)中存在的問題

根據(jù)多年的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在不少問題和局限性，現(xiàn)就以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

1)錘的問題。錘重和落高是試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵之一。錘重和落高的選擇要使樁貫入度不小于2.5 mm，且不大于10 mm。如果貫入度過(guò)小，土的強(qiáng)度不能充分發(fā)揮，貫入度太大，則不滿足波動(dòng)理論。落高是影響力峰值和樁頂速度的重要因素。落高過(guò)小，能量不足，落高過(guò)大，則容易使力峰值過(guò)大，擊碎樁頂，加大高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)的誤差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于一般長(zhǎng)度的樁，錘重應(yīng)在要求檢測(cè)的承載力的1%～5%之間，落高不超過(guò)2.5 m。

2)樁身不符合Case法的基本假定。

Case法的基本假定：

a.樁為一維彈性桿件，樁身材料不變，截面相等；

b.應(yīng)力波在樁身傳遞過(guò)程中無(wú)能量耗散；

c.假定錘擊時(shí)的動(dòng)土阻力集中在樁尖，且與樁尖的運(yùn)動(dòng)速度成正比：

當(dāng)樁身存在缺陷時(shí)，樁身阻抗有突變，上下行波每次經(jīng)過(guò)缺陷位置處都要產(chǎn)生反射和透射，而Case法并未有這些情況，因此樁身缺陷越嚴(yán)重，Case法計(jì)算誤差也就越大，原則上不適合使用Case法。

3)阻尼系數(shù)Jc值,目前都是人為假設(shè),無(wú)法用試驗(yàn)方法取得,也無(wú)法檢驗(yàn)參數(shù)的正確性,只能憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)；

4)樁側(cè)摩阻力較大的樁，如果忽略樁側(cè)土阻尼，使結(jié)果誤差較大；

5)當(dāng)摩擦樁的樁長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，如果忽略樁身上部土單元在2L/C時(shí)刻之前的卸載影響，得到的承載力結(jié)果會(huì)偏低。

3　Case法的誤差來(lái)源

Case法的誤差來(lái)源主要包括以下幾個(gè)方面：

1)鋼筋混凝土灌注樁是非均質(zhì)的彈塑性材料，與樁為一維彈性桿的假定相悖。

2)實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，動(dòng)阻力和樁端運(yùn)動(dòng)速度為非線性相關(guān)，與假定c.的內(nèi)容相悖。

3)當(dāng)樁身質(zhì)量較差時(shí)，應(yīng)力波在傳播過(guò)程中衰減和變形嚴(yán)重，與假定b.的內(nèi)容相悖。

4)Case法計(jì)算過(guò)程中參數(shù)取值帶有很大經(jīng)驗(yàn)性，因而高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)法的結(jié)果存在誤差。

5)錘擊設(shè)備誤差。

高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)過(guò)程中，為了使樁土間產(chǎn)生一定的相對(duì)位移，需要利用重錘擊樁頂，產(chǎn)生合適的能量。如果錘擊設(shè)備的重量和落高選擇不當(dāng)，會(huì)使高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)的結(jié)果存在較大誤差，甚至使結(jié)果無(wú)效。

6)樁身?xiàng)l件的誤差。

Case法的假定是以樁身完好為前提，但是實(shí)際過(guò)程中，例如樁頭混凝土被重錘擊碎、傳感器安裝點(diǎn)混凝土質(zhì)量不好、樁身存在缺陷等都會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

混凝土是一種非均質(zhì)的彈塑性材料，樁身波速的取值不僅與其用料、齡期等自身因素有關(guān)，還與沖擊水平、樁周土性質(zhì)、樁長(zhǎng)等有關(guān)，波速的誤差直接影響承載力的計(jì)算。

7)工程中的嵌巖樁、大直徑端承樁等，其靜載Q—S曲線都是緩變形的，承載力確定只能根據(jù)樁的沉降量，而高應(yīng)變法根本無(wú)法使端阻力充分發(fā)揮所能達(dá)到的位移，因此高應(yīng)變法的承載力總是偏低的。

4　結(jié)語(yǔ)

基樁高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)技術(shù)是一門實(shí)踐性強(qiáng)、涉及面廣的綜合學(xué)科。高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)技術(shù)的誤差問題一直倍受人們的關(guān)注，在現(xiàn)有條件下盡可能地根據(jù)相應(yīng)問題加以解決，減少誤差，有助于進(jìn)一步提高高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文對(duì)高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)技術(shù)存在的問題及誤差來(lái)源進(jìn)行了總結(jié)分析，為下一步如何提高高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確性和適用性的研究，提供了方向和基礎(chǔ)。

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