高應變波形擬合法在某工程應用分析與探討

劉士偉，劉春亮

（青島市建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司 山東青島266012）

關建詞：高應變；波形擬合法；樁側(cè)土彈性變形值；樁端土彈性變形值

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的日益發(fā)展，樁基礎在建設工程中的應用越來越廣泛。樁基礎工程屬于隱蔽工程，樁基礎的設計、施工、檢測等方面都比上部結(jié)構(gòu)更為復雜，一旦出現(xiàn)問題不容易處理。因此，工程樁的質(zhì)量檢測成為建設工程質(zhì)量控制的一個關鍵環(huán)節(jié)。工程樁的質(zhì)量檢測包含承載力和完整性2個方面的內(nèi)容。其中，如何準確地確定樁的承載力，充分發(fā)揮樁基礎的技術(shù)經(jīng)濟效益，具有重要意義［1，2］。

與靜載荷試驗相比較，高應變法現(xiàn)場測試方便快捷，檢測效率高；檢測范圍受場地、設備條件限制小，從而更加隨機抽取檢測對象，易于樁基質(zhì)量控制；檢測成本及費用相對低廉，更加經(jīng)濟。鑒于高應變法的以上優(yōu)點和其物理意義較明確，檢測準確度相對較高的特點，在工程界已被廣泛認可并大量使用。實測波形擬合法是在1974年由高波爾的研究小組以CASE法實測波形曲線為邊界條件，采用史密斯樁土力學模型和數(shù)值計算方法的一維波動方程的反演分析法，并推出了名為“Capwap”的計算程序，它采用的樁土模型更加接近實際樁土模型。

1988年中國建筑科學研究院針對美國PDA 打樁分析儀研發(fā)編制了分析程序FEIPWAPC，于1992年又研發(fā)出了FEI 系列打樁分析儀，基本與PDA 兼容，取得了較好的效果。1992年武漢巖海公司研發(fā)推出了RS 樁基動測儀系列，又于1996年推出CCWAPC 波動擬合方程分析軟件，在工程實踐中取得了良好的效果。目前，動測法仍是以一維波動理論為基礎，理論體系較為完備。高應變法歷經(jīng)幾十年的發(fā)展與實踐，在儀器和分析軟件的功能和細節(jié)得到不斷完善和補充，并為大量的工程實踐所認可。本文對高應變法測試承載力原理、測試方法進行深入研究，并結(jié)合工程實例，對目前高應變存在的一些問題及影響高應變法測試結(jié)果準確度的一些關鍵參數(shù)，及現(xiàn)場測試技術(shù)關鍵環(huán)節(jié)進行深入探討，以期提高高應變法測試承載力的準確度，使其成為預應力管樁承載力檢測的有效方法之一［3-7］。

1 高應變波形擬合法原理

1.1 基本原理［8-10］

實測波形擬合法是利用“Capwap”計算程序，輸入力或速度（任選其一）的時程曲線作為邊界條件，賦予樁-土模型及參數(shù)的一組初值，然后通過計算，得到樁頂剩余的一個變量（如力F）的時程曲線。將得到的結(jié)果（計算力曲線）與實測力曲線進行比較，繼續(xù)調(diào)整樁-土模型參數(shù)，再重復上述過程進行運算，直至計算變量（力）與測試信號（力）一致性良好。此時，可以認為計算結(jié)果中樁-土模型參數(shù)就是接近工程樁實際情況的模型參數(shù)，然后根據(jù)模型參數(shù)計算樁的承載力，模擬靜載試驗的荷載-位移曲線。這種擬合分析全面地利用實測曲線，降低了人為經(jīng)驗對測試結(jié)果的影響，其結(jié)果的客觀性和準確性比Case 法大大提高。

1.2 對樁側(cè)土的加荷最大彈性形變Qskn、樁端土的加荷彈性變形極限Qtoe的討論

實測曲線擬合法通過實測曲線作為條件輸入和程序計算，得到符合錘擊下樁土系統(tǒng)響應樁-土參數(shù)。然而，由于這種方法得到的樁土參數(shù)并不是唯一的，各參數(shù)的取值必須在符合實際工程意義的范圍內(nèi)。但是，實測曲線擬合法中有關參數(shù)的取值是否合理我們無法驗證其正確性，況且這些參數(shù)的取值直接影響著計算結(jié)果的正確與否，從而也關系到高應變動測技術(shù)的應用前景。

在眾多的樁土參數(shù)中，樁側(cè)彈限和樁端彈限這對參數(shù)是波形擬合法中的2個重要參數(shù)，它們表征在錘擊狀態(tài)下土阻力的發(fā)揮狀態(tài)，當彈限值取小值時，程序計算中會判定土阻力未被充分激發(fā)，當彈限值取大值時，程序計算會得到土阻力變大的結(jié)果。在擬合過程中，如果樁側(cè)彈限和樁端彈限取值較低時，相應的樁側(cè)阻力和端阻力也只能取較低的值，擬合效果才能達到良好效果，反之，如果樁側(cè)彈限和樁端彈限取值較高時，相應的樁側(cè)阻力和端阻力也只能取較高的值，擬合效果才能達到良好效果。這是樁土參數(shù)的兩種解，需要判定哪一種解是真正的解，即哪組參數(shù)才是真實表征樁土系統(tǒng)，利用真實的那組參數(shù)得到的單樁承載力準確性更高。兩組樁土參數(shù)的特點：往往是取值較低的組合中，彈限值在數(shù)值上滿足土層彈限在實際物理意義上的數(shù)值范圍，可與之對應的側(cè)阻力和端阻力取值卻遠低于勘察報告提供的數(shù)值，而取值較高的組合中，彈限值在數(shù)值上不符合土層的真正彈限值，可與之對應的側(cè)阻和端阻和勘察報告提供的數(shù)值接近。在取舍計算結(jié)果時，筆者一般選用第二種的計算結(jié)果，動靜對比也是第二種情況的計算結(jié)果接近靜載荷的實驗結(jié)果。

一般認為，彈性極限取值2.54 mm，但是實際工作經(jīng)驗認為是不合適的，它的取值應該根據(jù)樁型，施工工藝，地質(zhì)條件綜合確定，其取值范圍應為1.3～7.7 mm，而樁底彈性極限取值范圍更大，可以高達10 mm，特別是大直徑樁被充分激發(fā)的情況下，利用取高值樁土參數(shù)組合擬合計算的結(jié)果才接近其真實的承載力值。這也和大直徑樁在單樁豎向靜載荷試驗是樁端沉降很大時極限承載力才能發(fā)揮相吻合?？紤]實測曲線擬合法中各參數(shù)取值范圍時，使各參數(shù)的取值范圍在正常的地質(zhì)參數(shù)取值范圍內(nèi)是必要的，但是同時也要滿足程序計算需要，以使得計算結(jié)果的準確、可靠。

2 工程實例

2.1 工程概況

擬建場區(qū)位于青島市某地。擬建建筑物包括16 幢17～33 層高層住宅樓，場區(qū)除A3、A4 號樓外，其他樓座均帶1～2 層層高為3.6～3.9 m的地下室或地下車庫。

各巖土層分布特征及其物理力學性質(zhì)按標準層層序分述如下：

第①層：雜填土，回填黏性土和建筑垃圾有大量碎磚塊和碎石，工程性狀不穩(wěn)定。

第②層：粉質(zhì)黏土，該層廣泛分布于場區(qū)，局部粉細砂含量較多。

第③層：細砂～中砂，地基承載力特征值fak=250 kPa，變形模量E0=15 MPa。

第④層：粉質(zhì)黏土，揭露層厚0.70～2.70 m。地基承載力特征值fak=200 kPa。壓縮系數(shù)α1-2＝0.268 MPa-1，壓縮模量Es1-2=6.63 MPa。黏聚力標準值CK=26.0 kPa，內(nèi)摩擦角標準值φK=15.0°。

第⑤層：泥巖全風化帶，黃褐～紅褐色，泥質(zhì)土體狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。該帶為極破碎的極軟巖。

第⑥層：泥巖強風化帶，紅褐色，泥質(zhì)散體狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。該帶為極破碎的極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級V 級。

2.2 檢測結(jié)果及分析

2.2.1 靜載荷試驗結(jié)果

本工程樁基礎采用預應力管樁，樁徑φ500，樁長10.0 m。設計單樁豎向承載力特征值1 800 kN。在預應力管樁打樁前，對樁位進行了引孔深度為3 m 引孔處理。本工程共進行了靜載荷試驗6 根，檢測結(jié)果匯總結(jié)果如表1 所示。典型測試曲線如圖1 所示。

表1 樁基靜載荷測試結(jié)果匯總表Tab.1 Summary of Static Load Test Results of Pile Foundation

圖1 試樁靜載荷曲線Fig.1 Test Pile Static Load Curve

根據(jù)靜載荷測試結(jié)果，工程樁極限承載力為2 160～2 450 kN，低于設計極限承載力3 600 kN，無法滿足設計要求，靜載荷試驗均使樁達到極限狀態(tài)，靜載荷試驗結(jié)果真實的反映了其極限狀態(tài)下的承載力。根據(jù)測試曲線分析，在1 800 kN 之前，樁基本穩(wěn)定，之后繼續(xù)加載，穩(wěn)定時間變長，沉降加大，分析認為是在1 800 kN 時側(cè)阻力全部發(fā)揮作用后，端阻力開始承擔全部荷載，而持力層為泥巖或砂巖等軟質(zhì)巖，強度低造成端阻力較低，樁基達到極限荷載后沉降持續(xù)增大而無法穩(wěn)定。根據(jù)靜載荷結(jié)果，結(jié)合場地地質(zhì)條件以及施工方式，因為施工前的引孔，造成樁基為非擠土樁或半擠土樁，樁的側(cè)向擠壓作用明顯減弱，因而側(cè)阻力降低，樁端持力層為軟質(zhì)巖，造成端阻力也很低，因而實測承載力值不能滿足設計要求。

2.2.2 高應變檢測及結(jié)果分析

本工程現(xiàn)場共對10 根樁進行了高應變試驗。從測試曲線看：動位移較大，現(xiàn)場實測貫入度在2～4 mm之間，表明錘擊能量合適，樁已被充分打動，承載力被充分激發(fā)；所有的試樁測試曲線中F 曲線和ZV 曲線同時起跳，同時達到最高峰以后，側(cè)阻力發(fā)揮作用，促使兩條曲線逐漸分離，在沖擊脈沖達到樁底（v2=t1+2L/c）時刻，ZV 曲線有較大的正向反射，顯示此時樁底有明顯的拉應力，而后續(xù)ZV 曲線還有明顯的正向反射，這說明持力層強度低，符合持力層為軟質(zhì)巖的工程特性。對曲線進行了實測波形擬合法計算。

檢測結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。典型擬合曲線及結(jié)果如圖2 及表3 所示。

表2 高應變檢測結(jié)果Tab.2 High Strain Test Results

表3 3-1#樁CCWAPC 土參數(shù)匯總Tab.3 3-1# Summary of Soil Parameters of CCWAPC Pile

從表2 可以看出，擬合質(zhì)量數(shù)在2.37～2.92 之間，表明擬合效果良好，樁側(cè)阻力和端阻力取值在巖土層正常的取值范圍內(nèi)，主要參數(shù)符合程序規(guī)定要求，說明擬合法取得承載力值可信度較高。

⑴高應變法計算結(jié)果在2 200～2 700 kN 之間，和靜載結(jié)果接近，動靜對比效果好，高應變測試結(jié)果準確度較高。

⑵擬合結(jié)果表明樁側(cè)阻力占總承載力的75%～80%，和靜載測試分析結(jié)果一致。

⑶計算的樁側(cè)阻力一般在1 800 kN 左右，這和靜載時分析的側(cè)阻力基本比較吻合，高應變法對樁側(cè)阻力和端阻力的劃分準確度相當高。和勘察報告提供數(shù)據(jù)相比較，相對低了15%～20%，這和現(xiàn)場施工的實際情況有關，打樁前引孔，管樁擠土效應明顯降低，造成樁側(cè)阻力低于完全擠土工況下側(cè)阻力。

⑷樁側(cè)彈限和樁底彈限一般取值范圍分別為：4.5～6.5 mm 和5.5～8.5 mm，取值較大，但是樁的側(cè)、端阻力取值正常值范圍內(nèi)，擬合效果和計算承載力值均達到滿意效果。

⑸現(xiàn)場錘擊力適當，樁被充分打動的情況下，只要采集到準確反映樁土信息的測試曲線，實測波形擬合法能夠得到準確的承載力值，而且能對側(cè)阻力和端阻力詳細劃分，為樁的承載力分析提供充分的依據(jù)。

圖2 3-1#樁高應變擬合結(jié)果Fig.2 3-1# Pile High Strain Fitting Results

3 結(jié)語

波形擬合法在采集的波形能夠準確反應樁土參數(shù)的情況下，擬合參數(shù)選取正確的情況下，測試的承載力結(jié)果準確性較高，測試精度能夠滿足工程需要。工程實例表明，在樁的側(cè)、端阻力數(shù)值在正常值范圍內(nèi)取值的情況下，擬合計算時樁側(cè)彈限和樁底彈限一般取值范圍內(nèi)取大值，擬合效果和計算承載力結(jié)果準確性較高。