基于高应变法的基桩检测技术

高应变法适用于检测单桩竖向抗压极限承载力,通过采用实测曲线拟合法分析得到桩侧土阻力的分布和桩端土阻力,用于检测桩身结构完整性,判定桩身缺陷的位置和缺陷程度;也用于监测混凝土预制桩和钢桩沉桩过程中桩身应力和锤击能量传递比,为选择沉桩工艺参数和确定桩长提供依据。

1)基本原理

高应变法以现代波动理论为基础,导出了一套简洁的分析计算公式,借助于现代的振动测量和信号处理技术,在锤击桩的过程中检测桩头的受力和运动响应信息,借助计算机分析技术,较全面地考虑桩和土及其相互作用的各种因素,通过复杂的运算,获得桩的承载力。

高应变法检测桩身结构完整性时,由于其激振能量大,因而可以检测出桩的深部是否存在缺陷,以及同一根桩存在两个以上的明显缺陷,但因为高应变锤击波形从起始到峰值的上升时间一般都在2 ms 以上,所以其对传感器安装以下较浅部位的缺陷难以判断。 利用高应变法检测单桩竖向抗压极限承载力时,全部采用实测曲线拟合法。

2)试验仪器

高应变法检测仪器设备主要包括激振设备、信号采集及分析仪、传感器和贯入度测量仪,以及其他辅助设备,如冲击钻、膨胀螺栓、铟瓦尺、起重设备、运输重锤的车辆等。

①激振设备:主要包括激振锤,一般采用由铸铁或铸钢整体制作的自由落锤,也可采用柴油锤、液压锤,严禁使用由钢板制成的分片组装锤。 锤体应材质均匀、形状对称、锤底平整,高径(宽)比不得小于1,宜采用稳固的导向装置。 进行单桩竖向抗压极限承载力检测时,为防止桩头被打坏或桩身出现过大拉应力,同时也为了确保安全,一般控制重锤落距。 因此,必须保证激振锤的重量不得小于预估单桩极限承载力的1.2%,灌注桩的桩径大于800 mm 或桩长大于35 m 时宜适当增加锤重。

②信号采集器和传感器:应具有连续采集、快速自动存储、显示实测力与速度信号和处理分析信号的功能。

信号采集器的采样频率应大于10 kHz,信号采样点数不应少于1 024 点;采样长度应满足计算、分析要求,记录、处理和数据显示装置,应有能力对应变、加速度和时间进行内部标定。

加速度传感器的安装应满足谐振频率的要求,且加速度在0 ~10 000 m/s2 和频率在1 ~7.5 kHz 内呈线性。 被检桩为钢桩时,宜采用加速度在50 000 m/s2 范围内呈线性的加速度计。

③贯入度测量仪:一般采用精密水准仪等光学仪器。

3)检测步骤

(1)桩头的处理

①桩顶面应平整,桩露出地面的高度应满足锤击装置和传感器安装的要求,锤重心应与桩顶对中。

②对不能承受锤击的桩头应进行加固处理。 检测时桩顶应设置垫层,垫层宜采用厚度为10 ~30 mm 的木板、纤维板、石棉板,板的厚度应相同、材质应均匀,也可均匀铺设黄沙。

(2)传感器的安装

为监视和减少可能出现的偏心锤击的影响,检测时应安装应变传感器和加速度传感器各两只。 传感器的安装应符合下列规定:

①传感器与桩顶的距离不宜小于2 倍桩径或桩边长;对于大直径桩,传感器与桩顶距离可适当减小,但不得小于1 倍桩径或桩边长;严禁采用1 只加速度传感器或1 只应变传感器进行检测。 传感器安装位置示意图如图13.7 所示。

②传感器安装面应平整、无明显缺损或截面突变,且所在截面的材质和尺寸应与被检桩相同。

③加速度传感器和应变传感器的中心应位于同一水平截面内,同侧两种传感器间的水平距离不宜大于100 mm;固定传感器的螺栓孔应与桩轴线垂直,安装好的传感器应紧贴桩身,且传感器的中心轴应与桩的中心轴平行。

④安装应变传感器时,应对初始应变进行监测,其值不得超过规定的限值。

(3)现场检测参数设定

高应变法检测通过在桩顶采集力和速度信号,通过计算得到桩的承载力。 实际上,传感器直接测到的其安装面上的应变和加速度信号,还要根据其他参数设定值计算后才能得到力和速度信号,因此桩的参数必须按测点处桩的性状设定。

现场检测时桩头测点处的桩截面面积、桩身波速、桩材质密度和弹性模量应按测点处桩的实际情况确定。

测点下桩长和截面积的设定值应符合下列规定:

a.测点下桩长应取传感器安装点至桩底的距离;

图13.7　传感器安装

b.对于预制桩,可采用建设或施工单位提供的实际桩长和桩截面积作为设定值;

c.对于混凝土灌注桩,测点下桩长和截面积设定值宜按建设或施工单位提供的施工记录确定。

桩身波速可结合本地经验或按同场地同类型已检桩的平均波速初步设定。

桩身质量密度设定应按表13.29 所示。

表13.29　桩身材料质量密度

桩材弹性模量设定值应按下式计算:

式中　E——桩材弹性模量,kPa;

v——桩身内应力波传播速度,m/s;

ρ——桩材质量密度,kg/m3。

(4)测试技术要求

检测前,应认真检查确认整个测试系统处于正常状态,并逐一核对各类参数设定值,直到确认无误时,方可开始检测。

采用自由落锤为锤击设备时,宜重锤低击,最大锤击落距不宜大于2.5 m。 用于检测单桩竖向抗压极限承载力时,应实测每次锤击下桩的有效贯入度,单击贯入度宜控制在2 ~6 mm,且锤击次数宜为2 ~3 击。

检测桩身完整性和承载力时,应及时检查采集数据的质量、桩顶最大锤击力和动位移、贯入度以及桩身最大拉(压)应力、桩身缺陷程度及其发展情况等,并由此综合判定本次采集信号的有效性。 每根被检桩的有效信号数不应少于2 组。 如发现测试系统出现问题、力和速度信号第一峰起始比例失调、测试波形紊乱、桩身有明显缺陷或缺陷程度加剧时,应停止检测,进行检查。

4)数据处理和分析

(1)实测波形的判读

现场量测的直接结果是一条力波曲线和一条速度波曲线。 判断现场采集信号的可靠性相当重要,直接影响分析计算。 实测波形应符合下列要求:

①力曲线和速度曲线在起始阶段应重合,两者峰值一般情况下出现在同一时刻t1,且幅值基本相等;在t1 ~t1 +2L/c 时间内,力曲线和速度曲线应逐渐分离。

②力曲线和速度曲线应基本光滑、无振荡或低频噪声信号叠加,且曲线尾部应归零。(www.xing528.com)

③同一根被检桩相邻两次有效采样信号应有较好的重复性。

当锤击后出现下列情况之一的,其信号不得作为分析计算依据:

①传感器安装处混凝土开裂或出现严重塑性变形,使力曲线最终未归零。

②锤击严重偏心,两侧力信号幅值相差超过1 倍。

③触变效应的影响,桩在多次锤击下承载力下降。

④桩身有明显缺陷时。

⑤四通道测试数据不全。

分析计算前,应根据实测信号按下列方法确定桩身波速平均值:

①桩底反射信号明显时,可根据下行波波形升起沿的起点到上行波下降沿的起点之间的时差与已知桩长值确定(图13.8);

②桩底反射信号不明显时,可根据桩长、混凝土波速的合理取值范围以及邻近桩的桩身波速值综合判定。

图13.8　桩身波速的确定

F—锤击力;L—测点下桩长;c—桩身波速

(2)桩承载力判定

可采用实测曲线拟合法评判单桩竖向抗压承载力。 实测曲线拟合法的基本原理是将现场高应变法采集的力和速度时程曲线与波动方程结合起来,将桩划分为若干个单元。 假定各桩单元的计算模型和土的计算模型,具体拟合时预先假定各个单元体的计算参数,用实测速度(或力、上行波、下行波)波曲线为边界条件求解波动方程,反算桩顶力(或速度、下行波、上行波)曲线,使计算波形曲线与实测波形曲线吻合程度良好。 若二者吻合程度不满足要求,则应重新调整原假定参数,反复迭代计算,直到二者吻合程度达到要求为止,由此得出的桩的承载力和阻尼系数等才能被认为是正确的。

实测曲线拟合法是高应变法中确定单桩竖向抗压承载力最可靠的方法,但实测曲线拟合法需要在室内根据实测波形进行计算拟合,满足不了试沉桩时有时需要初步确定单桩竖向抗压承载力的要求,故在试沉桩时可采用凯斯法对单桩竖向抗压承载力进行初步计算。 采用凯斯法判定单桩极限承载力,利用式(13.18)判定单桩承载力的关键是选取合理的阻尼系数Jc。但该方法仅限于中、小直径桩,且应有较可靠的地区经验,并且桩身材质应基本均匀、截面应基本相等。

式中　Rs——凯斯法计算获得的单桩竖向抗压承载力,kN;

Jc——凯斯法阻尼系数;

Z——桩身截面力学阻抗,kN·s/m;

V——桩身实测质点运动速度,m/s;

t1——速度信号第一峰对应的时刻,s;

C——桩身波速,m/s;

F——桩身实测锤击力,kN;

L——测点以下桩长,m。

(3)桩身完整性判定

桩身缺陷位置宜用实测力波与速度波相比较或分离上、下行波的方法,也可通过实测曲线拟合法确定。

对于等截面桩,桩身完整性可按表13.30 的规定并结合经验判定;桩身完整性系数值和桩身缺陷位置x 应分别按式(13.19)、式(13.20)计算:

式中　tx——缺陷反射速度波峰值对应的时刻,ms;

ΔR ——缺陷以上部位土阻力的估计值,kN,其值等于缺陷反射起始点处的实测力与桩身截面力学阻抗乘以速度的差值;

x——传感器安装截面至缺陷处的距离,m。

表13.30　桩身完整性判定

5)报告

基桩高应变法检测报告应包括下列内容:

①委托方名称,工程名称、地点,建设、勘察、设计、监理及施工单位,设计相关要求。

②工程地质概况。

③被检桩的桩位图、桩型、混凝土强度等级、截面尺寸、桩长、桩号、桩位、桩顶高程。

④检测目的,检测依据,检测数量,成(沉)桩日期,检测日期,检测方法,检测仪器设备。

⑤被检桩的检测数据,实测与计算分析曲线和汇总结果。

⑥被检桩与对应地质柱状图的相对位置。

⑦被检桩的施工概况:对于灌注桩,应提供成桩方法、充盈系数,宜提供成孔质量检测结果;对于预制桩,应提供锤的型号或压机型号、最后10 击贯入度或最后的压桩力。

⑧计算中实际采用的桩身波速。

⑨选用的各单元桩土模型参数、土阻力沿桩身的分布图。

⑩实测贯入度。

试沉桩和沉桩监控所采用的桩锤型号、垫层类型,监测所得锤击数、桩侧阻力、桩端静阻力、锤击拉应力和压应力、桩身完整性及能量传递比随入土深度的变化。