高應變法測PHC管樁承載力的應用研究

李 俊　鄒定南

摘 要：PHC管樁在工程中使用越來越廣泛。本文結合某地擬建風電項目工程PHC管樁試樁檢測實例，介紹了高應變法檢測原理和檢測管樁極限承載力的技術。檢測數(shù)據(jù)表明，試樁極限承載力滿足設計要求。

關鍵詞：PHC管樁;高應變;檢測

中圖分類號：TU473.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）35-0099-05

Research on the Application of High Strain Method to Measuring

the Bearing Capacity of PHC Pipe Piles

LI Jun ZOU Dingnan

（Wuxi Institute of Communications Technology，Wuxi Jiangsu 214151）

Abstract： PHC pile is more and more widely used in engineering.Combined with the PHC pile test of a wind power project， this paper introduced the principle of high strain method and the ultimate bearing capacity test technology.The test data show that the ultimate bearing capacity of the test pile meets the design requirements.

Keywords： PHC pipe pile;high strain;detection

預應力高強度混凝土管樁（Pre-stressed High-strength Concrete Pile），簡稱PHC管樁。它是專業(yè)工廠采用先張法預應力和離心成型工藝，經(jīng)過蒸壓養(yǎng)護而制成的一種樁型。在施工過程中，采用錘擊或靜壓的方法沉入地下成為樁基礎。它具有以下特點：單樁承載力高，制作工藝成熟，造價低;壓樁方便，施工速度快，節(jié)約施工周期;適用性強等。但是，PHC管樁打入地下后，樁基完好與否無法用肉眼觀察，屬于隱蔽工程。如果樁基有問題，建筑物后期處理和加固會存在很多困難，因此，在樁基施工中，樁基檢測必不可少。

目前，檢測單樁承載力的方法基本可以分為兩種類型：第一種是現(xiàn)場靜荷載，該方法耗時長、花費高、配重大，抽樣少;第二種是動力測樁試驗，該方法可以測得樁側(cè)摩阻力和樁底端阻力，而且檢測效率高、加測樁的數(shù)量多。近年來，第二種方法發(fā)展迅速。

1 高應變法檢測原理

1.1 樁的承載機理

樁基的作用是傳遞和承擔上部結構傳下來的力，樁頂受到的力主要由樁端阻力和側(cè)摩阻力來承擔。當樁頂壓力比較小時，其主要由側(cè)摩阻力支撐。隨著壓力增大，樁周土形成的止滑土楔作用逐漸下移，側(cè)摩阻力全部發(fā)揮作用。荷載繼續(xù)增加，樁端支撐力發(fā)揮作用，直至側(cè)摩阻力和樁端支撐力全部發(fā)揮作用，就得到了樁的極限承載力。如果荷載繼續(xù)增加，樁端土產(chǎn)生塑性變形，此時就是破壞性試驗。荷載-沉降（[Q-s]）曲線出現(xiàn)突降點。

1.2 高應變法檢測原理

高應變檢測是運用重錘錘擊樁頂，產(chǎn)生向下的沖擊脈沖，對樁土之間產(chǎn)生相對永久的位移，從而使端阻力和側(cè)阻力全部激發(fā)的一種動力測試方法。由此可以看出，此法應用的前提是有足夠的沖擊力使樁土產(chǎn)生位移[1]。

本文采用曲線擬合法檢測承載力。該法運用波動問題數(shù)值計算，反算樁-土力學模型及其參數(shù)。比較計算曲線和實測曲線是否吻合，以確定所選取的樁土參數(shù)是否合理。如兩曲線不吻合，則調(diào)整參數(shù)繼續(xù)進行擬合計算，直到計算曲線與實際曲線滿足一定的擬合質(zhì)量系數(shù)。最終擬合得出樁-土體系參數(shù)：樁的靜承載力、樁側(cè)和樁端阻力及分布、模擬靜載試驗的[Q-s]試驗曲線[2]。該法將樁身等價為一維線彈性桿。

1.3 工程概況

湖北省孝感市擬建一風電項目工程，該工程采用的樁型為PHC-800C-110預制管樁，樁身砼強度等級為C80，設計持力層為粉質(zhì)黏土層。根據(jù)設計，用高應變法檢測6根樁，樁長為22.6～24m。試樁位置如圖1所示。

（a） TF11機位試樁樁位布置圖

（b） TF24機位試樁樁位布置圖

圖1 試樁位置圖

該項目風電場風機擬建場地地貌較好，北部為丘陵，南部為平原，地勢低平。場地地形較平坦，高差變化不大。根據(jù)鉆探及室內(nèi)土工試驗結果，在勘探深度范圍內(nèi)，地層主要為第四系沖洪積粉土、黏土、細砂等。

在勘探深度范圍內(nèi)，場地土（巖）層自上而下分層描述如表1所示。

2 高應變法現(xiàn)場檢測

2.1 測試過程

設[Hr]為錘體高度，[D]為試樁直徑或邊寬。采用錘上測力的方法，將2支加速度傳感器對稱安裝在距樁頂≥0.4[Hr]或[D]（取兩者中的大值）的位置，將2支應變傳感器對稱安裝在距樁頂≥0.4[Hr]或[D]（取兩者中的大值）的位置，自由下落錘擊樁頂，瞬時沖擊產(chǎn)生的加速度和力信號通過放大和A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號傳給檢測主機，信號通過軟件處理（故障診斷、雙邊平均、加速度積分及計算等）后存入磁盤，同時顯示實測波形。

2.2 分析方法

將存儲在計算機磁盤上的原始信號回放，利用相應軟件進行波形計算分析。

實測曲線擬合法的計算方法是從一條實測曲線（如[Vt]曲線是對加速度曲線積分而求得）出發(fā)，通過對樁身各段土阻力和其他動力參數(shù)進行設定，然后通過波動理論計算程序，應用行波理論構造迭代格式，將計算的樁頂力波[Fct]曲線同實測的力波曲線[Fmt]進行反復比較、迭代（迭代過程中可對人為假定參數(shù)進行調(diào)整），使得計算[Fct]曲線與實測[Fmt]曲線的擬合趨于完善（即擬合因子MQ達到設置的標準要求）。其計算過程可概括為“假定-計算-比較”的循環(huán)。這樣既可確定樁的阻力分布和承載力，也可模擬樁的靜載[p-s]曲線。該方法的具體分析過程如下。

表1 土（巖）層分層描述

2.2.1 波動理論。將樁抽象為一維彈性桿，重錘錘擊樁頂激發(fā)一應力波沿樁身傳播，由動量守恒原理、本構關系和變形協(xié)調(diào)方程可求得一維波動方程：

[?2u?2t-c2?2u?2x=R]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[u]為截面位移;[c]為波速;[x]、[t]為空間、時間坐標;[R]為樁周土阻力。

2.2.2 波動理論的迭代格式。具體迭代格式的構造涉及樁模型、土體阻力模型以及樁土的相互作用問題。對于樁，實測曲線擬合法采用Rausche和Goble提出的CAPWAP/C所描述的連續(xù)桿件模型，如圖2所示。

一維波動方程的波動解為：

[ux，t=fx-ct+gx+ct]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

該解由兩部分組成，分別代表兩個行波。將波動方程的解進行更進一步的推導，可得樁截面的力波曲線計算公式：

[Pc（j）=Z·Vm（j）+2Pu（i，j-1）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

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圖2 Goble提出的連續(xù)樁模型（CAPWAP/C）示意圖

樁身質(zhì)點的運動速度[Vi，j]為：

[Vi，j=Pdi，jZi+Pui，jZi+1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

樁身質(zhì)點的位移值[S（i，j）]為：

[S（i，j）=S（i，j-1）+Δt2[V（i，j-1）+V（i，j）]]? ? ? ? ?（5）

式中，[Pd]為下行波;[Pu]為上行波;[Vm]為實測速度波;[Z]為波阻抗。

2.2.3 阻力模型。該方法土阻力模型采用的是Smith法的土阻力模型。

[RS（i，j）=RU（i）q（i）[S（i，j）-DE（i，j）]]? ? ? ? ?（6）

[DE（i，j）=S（i，j）-q（i） S（i，j）-DE（i，j）>q（i）DE（i，j-1） -q（i）≤S（i，j）-DE（i，j-1）≤q（i）S（i，j+1）+q（i） -q（i）>S（i，j）-DE（i，j-1）]（7）

式中，[DE（i，j-1）]為土體單元的塑性位移。

[Rdi，j= Rsi，j ? Jsi?Vi，j]? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

式中，[Jsi]為Smith阻尼系數(shù);[Rs]為樁側(cè)單元靜摩阻力;[Rd]為樁側(cè)單元動摩阻力。

2.2.4 優(yōu)化方法和參數(shù)反映。根據(jù)上述建立的樁土模型，假定待反分析的參數(shù)[X]為某個值，代入迭代公式計算，取得計算力波[Fct]并與量測值[Fmt]比較，使二者誤差的最小參數(shù)值就是最終的反分析值。通常，將理論計算值與量測值的誤差用函數(shù)表示：

[F（x）=i=1NpileABS[Fc（j）-Fm（j）]]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

[X=Rui， Qi， Hsi， Rt， Qt， ff， Ws， Jms ]? ?（10）

式中，[Npile]為樁單元數(shù);[Rui]為樁側(cè)土最大靜阻力;[Qi]為樁側(cè)土最大彈性變形;[Hsi]為樁側(cè)土阻尼系數(shù);[Rt]為樁端最大靜阻力;[Qt]為樁端最大彈性變形;[ff]為樁端部剛?cè)嵯禂?shù)：[Ws]為附加土體質(zhì)量;[Jms]為模擬能量消耗。

這樣可確定樁的阻力分布、單樁極限承載力及模擬靜載[p-s]曲線。

3 試樁檢測曲線

工程名稱為豐華應城東崗風電場風機PHC檢測管樁試樁檢測項目，測試結果如表2所示。各個試樁的曲線圖如圖3至圖8所示。

圖3 試樁TF11-13曲線

4 檢測結果

通過現(xiàn)場測試，并經(jīng)室內(nèi)資料的綜合分析處理，測試結果如表3所示。

根據(jù)本次高應變法檢測試驗，單樁豎向抗壓極限承載力檢測值為：TF11機位檢測3根試樁，分別為6 125、5 987、6 377kN;TF24機位檢測3根試樁，分別為7 415、7 566、7 398kN。試樁單樁豎向抗壓承載力滿足設計要求。

試樁點位附近土層斷面情況如表4、表5所示。

5 結語

根據(jù)《建筑基樁檢測技術規(guī)范》（JGJ106—2014）[3]，本文用高應變檢測法對湖北省孝感市某風電項目工程的PHC基樁進行了檢測。根據(jù)設計，共檢測6根試樁。檢測結果顯示，試樁的抗壓極限承載力均滿足設計要求。

參考文獻：

[1]陶明江.波形擬合法在基樁完整檢測中的應用[D].上海：同濟大學，2000.

[2]張龍.高應變法測預應力管樁承載力的應用研究[D].石家莊：河北地質(zhì)大學，2018.

[3]住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑基樁檢測技術規(guī)范：JGJ 106—2014[S].北京：中國標準出版社，2014.