灌注樁高應(yīng)變二種測(cè)力方法的差異性研究

鄭文貞

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司）

0 引言

近年來，隨著設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化以及施工工藝的長足進(jìn)步，高層建筑物的基礎(chǔ)中使用了越來越多的大直徑、高承載力的混凝土灌注樁，樁的施工質(zhì)量好壞直接關(guān)系著建筑物的整體質(zhì)量，因此，準(zhǔn)確的檢測(cè)大直徑灌注樁的豎向抗壓承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求變得尤為重要。

目前，國內(nèi)主要的基樁檢測(cè)規(guī)范允許用靜載和高應(yīng)變法檢測(cè)樁的豎向抗壓承載力，就高應(yīng)變法而言，在預(yù)應(yīng)力管樁中的應(yīng)用已經(jīng)很成熟，但在混凝土灌注樁尤其在大直徑、高承載力的樁型中應(yīng)用相對(duì)較少。高應(yīng)變法的信號(hào)采集包括力信號(hào)和加速度信號(hào)的采集，廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T15-60－2019《建筑地基基礎(chǔ)檢測(cè)規(guī)范》對(duì)力信號(hào)的采集給出了兩種方式：在樁頂附近安裝應(yīng)變傳感器或者在重錘上安裝加速度傳感器，后文分別稱為應(yīng)變測(cè)力和錘上測(cè)力。目前大多數(shù)檢測(cè)機(jī)構(gòu)傾向于采用應(yīng)變測(cè)力，然而，實(shí)際情況是，對(duì)于大直徑、高承載力的混凝土灌注樁，受混凝土的不均勻性、非線性以及測(cè)試環(huán)境等因素影響，在高錘擊力的作用下，易造成樁頂兩側(cè)混凝土變形不協(xié)調(diào)和塑性變形過大，此時(shí)采用應(yīng)變測(cè)力易出現(xiàn)兩側(cè)力信號(hào)峰值差距大、力曲線與速度曲線峰值比例失調(diào)、力信號(hào)失真等問題。因此，在大直徑混凝土灌注樁中采用應(yīng)變測(cè)力往往難采集到高質(zhì)量的信號(hào)，影響測(cè)試結(jié)果。

為降低上述影響，應(yīng)變測(cè)力測(cè)試前需預(yù)制混凝土樁帽作為替打，樁帽混凝土標(biāo)號(hào)一般高出樁身混凝土標(biāo)號(hào)兩個(gè)等級(jí)，若選用大噸位重錘，則需進(jìn)一步提高樁帽混凝土標(biāo)號(hào)，根據(jù)樁的設(shè)計(jì)承載力以及滿足“重錘低擊”的原則，大多數(shù)灌注樁檢測(cè)選用的錘重在100kN 至300kN的范圍內(nèi)，對(duì)于樁徑小、樁長短的灌注樁，尚能與樁阻抗匹配，充分激發(fā)樁土相對(duì)位移，但是對(duì)于樁徑大、樁長長的樁型，該錘重下提供的沖擊能量往往不足，為此，高應(yīng)變重錘的設(shè)計(jì)質(zhì)量越來越大，據(jù)悉，目前國內(nèi)用于檢測(cè)灌注樁承載力的高應(yīng)變重錘已達(dá)600kN，可想而知，其產(chǎn)生的高錘擊力將會(huì)放大上述影響，增加采集高質(zhì)量信號(hào)的難度。如圖1，在高錘擊力作用下，應(yīng)變傳感器測(cè)得的力信號(hào)失真。

圖1 高錘擊力下力信號(hào)失真

考慮到應(yīng)變測(cè)力的上述局限性，有檢測(cè)機(jī)構(gòu)已用錘上測(cè)力采集力信號(hào)，關(guān)于錘上測(cè)力的有效性和準(zhǔn)確性已有不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，如：陳久照等[1]采用數(shù)值模擬方法分析了錘上測(cè)力的合理性、可行性和優(yōu)越性,明確了該方法與應(yīng)變測(cè)力產(chǎn)生差異的情形、原因以及對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響程度。郭寶園[2]從理論上分析了錘上測(cè)力方法的準(zhǔn)確性，并結(jié)合實(shí)際工程證明了采用錘上測(cè)力對(duì)大直徑灌注樁進(jìn)行高應(yīng)變?cè)囼?yàn)是可靠的。鄭建民等[3]通過比較應(yīng)變測(cè)力和錘上測(cè)力，證實(shí)了錘上測(cè)力的優(yōu)越性，并通過動(dòng)靜對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了錘上測(cè)力的準(zhǔn)確性。

本文以錘上測(cè)力為參照對(duì)象，結(jié)合已有的相關(guān)研究成果，分析造成應(yīng)變測(cè)力在大直徑灌注樁中應(yīng)用局限性的根本原因，并通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)分析結(jié)果，所得結(jié)論以指導(dǎo)灌注樁高應(yīng)變法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，進(jìn)一步提升高應(yīng)變法在大直徑灌注樁中的應(yīng)用。

1 兩種測(cè)力方法的基本原理

1.1 錘上測(cè)力

廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T15-60－2019《建筑地基基礎(chǔ)檢測(cè)規(guī)范》規(guī)定在自由落錘錘體0.5Hr 處（Hr 為錘體高度）對(duì)稱安裝加速度傳感器直接測(cè)量錘擊力，測(cè)量基本原理為當(dāng)重錘對(duì)樁頂施加豎向沖擊荷載時(shí)，樁頂受到的作用力與重錘底面受到的反作用力大小相等、方向相反，故可認(rèn)為樁頂附近傳感器安裝位置受到重錘的錘擊力與重錘受到樁頂施加的反作用力相等，由此可計(jì)算出重錘對(duì)樁頂施加的錘擊力［4］。

式中：F 為錘擊力，m 為錘體質(zhì)量，a 為實(shí)測(cè)加速度值。

1.2 應(yīng)變測(cè)力

規(guī)范規(guī)定傳感器宜分別對(duì)稱安裝在距樁頂不小于2d 的樁側(cè)表面處（d 為試樁的直徑或邊寬），大直徑灌注樁傳感器安裝位置與樁頂之間的距離可適當(dāng)減小，但不得小于1d，錘擊力計(jì)算公式如下：

式中：F 為錘擊力，A 為測(cè)點(diǎn)處樁截面積，E 為樁材料彈性模量，ρ 為樁材料密度，c 為樁身波速，ε 為實(shí)測(cè)應(yīng)變值。

由公式（2）、（3）可知，樁身波速c 和實(shí)測(cè)應(yīng)變值ε直接影響錘擊力計(jì)算值。

2 應(yīng)變測(cè)力局限性分析

2.1彈性體假定對(duì)波速c 的影響

在樁中分析波的傳播規(guī)律時(shí)，前提假設(shè)介質(zhì)為彈性的，上述波速c 為彈性波波速，但是，混凝土畢竟不是理想彈性體，對(duì)于聲波透射法和低應(yīng)變法來說，由于應(yīng)變量級(jí)較小，混凝土的變形在彈性范圍內(nèi)，尚可認(rèn)為混凝土為彈性材料，然而對(duì)于高應(yīng)變法來說，其產(chǎn)生的應(yīng)變量級(jí)較低應(yīng)變法或是聲波透射法要高得多，尤其當(dāng)重錘提供的錘擊力較大時(shí)，此時(shí)混凝土的塑性特性就不得不考慮。當(dāng)混凝土表現(xiàn)出彈塑性時(shí)，樁中產(chǎn)生的應(yīng)力波并不是我們假定的彈性應(yīng)力波而是彈塑性應(yīng)力波，此時(shí)，波速實(shí)則為彈塑性波波速c′，其傳播規(guī)律和特性大致為：混凝土變形初期，彈性波以一定的波速傳播，隨著混凝土變形增大出現(xiàn)塑性變形，塑性波也開始在樁中傳播，塑性波的傳播速度小于彈性波的傳播速度，且塑性波波速隨著應(yīng)力的增大而減小。換句話說，混凝土表現(xiàn)出塑性變形越大，樁身波速則越低，從高應(yīng)變法波速低于低應(yīng)變法波速也證實(shí)了這點(diǎn)。因此，根據(jù)公式（3）計(jì)算得到的彈性模量較實(shí)際值要小，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算得到的錘擊力值較實(shí)際值低?？偨Y(jié)來說，在不考慮其他因素影響下，隨著錘擊能量增加，應(yīng)變測(cè)力測(cè)得的錘擊力值將越來越小于實(shí)際值。

2.2 實(shí)測(cè)應(yīng)變值的影響

實(shí)測(cè)應(yīng)變值容易受到偏心荷載、樁徑及傳感器的安裝環(huán)境、混凝土的特性和質(zhì)量等因素的影響。

⑴偏心荷載影響：重錘產(chǎn)生的沖擊荷載可視為平面波，應(yīng)變傳感器測(cè)量的是間距約76mm 的兩質(zhì)點(diǎn)間的相對(duì)變形來反映力的大小，再通過平均兩個(gè)測(cè)量力值得到樁身受力[2]。在偏心荷載作用下，應(yīng)力波傳至樁兩側(cè)應(yīng)變傳感器安裝處兩質(zhì)點(diǎn)的時(shí)間差異造成兩側(cè)彈性變形不同，計(jì)算得到的應(yīng)力時(shí)程曲線一致性差，雖然取平均值能降低偶然誤差，但因測(cè)試數(shù)據(jù)少，仍無法較好的控制的誤差，尤其在兩個(gè)測(cè)試值相差較大時(shí)，如：當(dāng)兩側(cè)力信號(hào)峰值相差一倍以上，任一個(gè)力信號(hào)與平均值之差的絕對(duì)值超過了平均值的33%。因此，規(guī)范中明確規(guī)定這種信號(hào)不能用于計(jì)算分析。然而，在實(shí)際工程中，不同程度的偏心情況經(jīng)常發(fā)生，如圖2。

圖2 偏心荷載作用下實(shí)測(cè)力信號(hào)

⑵樁徑及傳感器安裝影響：基于圣維南原理，廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T15-60－2019《建筑地基基礎(chǔ)檢測(cè)規(guī)范》規(guī)定傳感器安裝位置宜距離樁頂不小于2d（d 為試樁的直徑或邊寬）以減小偏心荷載帶來的影響，然而，在實(shí)際工程中，受現(xiàn)場(chǎng)條件、沖擊設(shè)備及試驗(yàn)安全的限制，大多數(shù)大直徑灌注樁測(cè)試中只能勉強(qiáng)滿足距離1d 的要求，并且樁徑越大樁頂?shù)娜S效應(yīng)越明顯，偏心荷載的影響越嚴(yán)重，實(shí)測(cè)信號(hào)效果越差，試驗(yàn)證明，當(dāng)樁徑較大或應(yīng)變傳感器安裝位置距樁頂距離較小時(shí)，實(shí)測(cè)力信號(hào)可能會(huì)出現(xiàn)拉力，在測(cè)試中這種信號(hào)無效[2]。

⑶混凝土不均勻性和非線性的影響：不均勻性的影響表現(xiàn)在容易造成力信號(hào)失真，非線性的影響則表現(xiàn)為：隨著應(yīng)變?cè)龃蟪霈F(xiàn)塑性變形，使得實(shí)測(cè)應(yīng)變值偏大且力信號(hào)曲線尾部不歸零。

2.3 應(yīng)變率對(duì)混凝土動(dòng)彈性模量影響

按應(yīng)變測(cè)力公式（2）計(jì)算錘擊力大小，前提假設(shè)是混凝土滿足胡克定律，但混凝土并非理想的線彈性材料，且高應(yīng)變錘擊力的實(shí)質(zhì)是一種動(dòng)荷載，根據(jù)混凝土的動(dòng)荷載特性可知，在一定范圍內(nèi)，隨著重錘落距增加，樁頂混凝土應(yīng)變率隨之增加，混凝土的彈性模量表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)增大，不同應(yīng)變率對(duì)混凝土力學(xué)特性的影響已有很多學(xué)者做了較為全面的研究。如：Bischoff 等研究了高應(yīng)變率下混凝土的抗壓性能，試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大，但總體反應(yīng)了混凝土的增強(qiáng)效應(yīng)。雷光宇［5］等結(jié)合數(shù)值試驗(yàn)指出隨著應(yīng)變率的增大混凝土強(qiáng)度不斷變大。邢峻偉［6］等研究了C20 混凝土彈性模量與應(yīng)變速率的關(guān)系，得到了在混凝土彈性變形階段，混凝土彈性模量隨著應(yīng)變速率增加而增加。孫吉書［7］等通過試驗(yàn)得出了C50 混凝土在一定的應(yīng)變速率范圍內(nèi)，隨著的應(yīng)變速率增大，混凝土彈性模量明顯提高。

然而，按公式（3）計(jì)算混凝土彈性模量，未表達(dá)出動(dòng)態(tài)增大的特性，因此，隨著重錘落距增加，使得計(jì)算得到的錘擊力值將越來越小于實(shí)際錘擊力值。

2.4 小結(jié)

上文論述了應(yīng)變測(cè)力應(yīng)用于大直徑灌注樁時(shí)難以準(zhǔn)確的測(cè)試錘擊力，一方面受外界條件的影響，另一方面由于理論假設(shè)前提與實(shí)際情況的差異造成，由于影響因素很多，本文暫無法進(jìn)行相關(guān)性和量化分析。但是，由上文論述可知，在理想的測(cè)試效果下，隨著重錘落距增加，應(yīng)變測(cè)力測(cè)得的錘擊力值將越來越小于實(shí)際力值，進(jìn)而可能造成實(shí)測(cè)力曲線與速度曲線峰值比例失調(diào)，影響高應(yīng)變法的準(zhǔn)確性。

3 工程實(shí)例

通過抽取采集狀況良好的一些項(xiàng)目中的部分樁的高應(yīng)變實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按測(cè)試采用的不同錘重：5 噸至13噸、14 噸至19 噸、20 噸至30 噸、31 噸至60 噸進(jìn)行分類，分別記錄每根樁3 錘的錘上測(cè)力和應(yīng)變測(cè)力的測(cè)試數(shù)據(jù)，見表1，分析數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。

表1 不同錘重錘上測(cè)力和應(yīng)變測(cè)力數(shù)據(jù)

續(xù)表1

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，計(jì)算每根樁3 錘的錘上測(cè)力值與應(yīng)變測(cè)力值的差值（簡稱“差值”），并將差值沿Y 軸平移得到表2，并根據(jù)表2 數(shù)據(jù)繪制變化趨勢(shì)圖3。

表2 不同錘重錘上測(cè)力和應(yīng)變測(cè)力數(shù)據(jù)

圖3 變化趨勢(shì)圖

根據(jù)圖3 可得出以下結(jié)論：

⑴隨著重錘落距增加，差值大致表現(xiàn)出非線性增大趨勢(shì)；

⑵不同錘重對(duì)差值的影響不同，總體而言，隨著錘重增加，對(duì)差值影響增大。

4 結(jié)論

⑴混凝土材料特性導(dǎo)致應(yīng)變測(cè)力法的應(yīng)用有局限性，隨著測(cè)試錘重增加，進(jìn)一步增加了這種測(cè)試方法的不準(zhǔn)確度，使得測(cè)試值小于實(shí)際值，以致對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

⑵當(dāng)采用應(yīng)變測(cè)力法時(shí)，應(yīng)盡可能采用重錘低擊的方式以維持高能量同時(shí)減少錘擊力引起混凝土材料的塑性變形，減少應(yīng)變測(cè)力帶來的誤差。

⑶在開展大直徑灌注樁高應(yīng)變法測(cè)試時(shí)，除了應(yīng)嚴(yán)格保證測(cè)試條件外，宜選用錘上測(cè)力法以減少混凝土材料特性對(duì)測(cè)試結(jié)果帶來的影響。