桩基测试技术应用的探讨

许加安

1 前言

静载荷试验是采用接近于竖向抗压桩的实际工作条件的试验方法，确定单桩的极限承载力，作为设计依据或对工程桩的承载力进行抽检和评价。

动力试桩是以应力波理论为基础的动测方法，它在桩顶给桩作用一动态力，动态力可以是瞬态冲击力或稳态冲击力，桩土系统对动态力作用的反映为动力响应，用不同功能的传感器可以在桩顶上量测到不同的动力响应信号（如速度、加速度、位移信号）。通过对信号的分析，可以判断桩身结构完整性和对单桩承载力作出评价或对打桩过程进行监控。根据作用在桩顶上动荷载能量是否使桩土之间发生一定塑性位移或弹性位移，而把动力试桩分为高、低应变两种方法。

2 静载荷试验方法及问题

静载荷试验是获得桩的轴向抗压、抗拔以及横向承载力的最根本方法，其结果准确度高，但传统静载荷试验存在主要问题是对堆载法必须解决几百吨甚至上千吨的荷载堆放及运输问题，锚桩法必须设置多根锚桩及反力大梁。所以静载费用昂贵，周期长，试验数量少。且单桩承载力越高，试桩越困难。

80年代中期在美国开展并逐渐流行的自平衡法是一种较省时、省力、安全的现场载荷试验方法，试验时将载荷箱预先埋入桩底，对桩进行加载时利用桩的侧阻和桩身重量之和与端阻互为反力测出桩的侧阻力与端阻力。具有装置简单、不占用场地、不需大吨位堆料、可多根试桩同时进行的优点，试验费用省且试验后试桩灌浆后仍可作为工程桩使用。在大吨位试桩、坡场试桩、狭窄场地试桩、斜桩试桩时具有突出的优越性。但自平衡法较难模拟出传统的荷载—沉降曲线，端阻与侧阻能否同时达到极限在试桩时亦是一个问题，因此，自平衡理论仍有许多待研究之处。

3 低应变动测方法及问题

低应变动测主要包括反射波法、机械阻抗法、水电效应法和动力参数法等，其中反射波法被公认为力学概念明确、对桩身缺陷判断直观性强。试验时在桩顶用力锤或力棒施加一瞬时激励，量测桩顶响应后，分析桩身混凝土强度和缺陷位置，并定性判别缺陷性质（如扩颈、缩颈、离析、断桩等）。其作用能量小，只能使桩土产生弹性变形，一般情况下产生10-5级次的变形。

低应变反射波法解决问题的能力表现在能较好地进行桩基完整性检测，可以较准确地判别自桩顶向下第一个较严重的缺陷。但由于反射波法测试的效果与系统的软硬件精度、激振技术、传感器安装技术、测试人员的技术水平密切相关，测试时需从以下方面加以注意：

3.1 传感器安装和激振点的选择

根据波动理论计算及多个工程现场采集波形对比发现，对于大直径桩，传感器安装在距中心2/3 倍半径处，在桩中心敲击时量测波形是最理想的，同时应用尼龙头或加大锤垫厚度增大敲击力脉冲宽度，以减小高频信号影响。

对于一般直径的桩，敲击点在桩中心附近，传感器位置距桩中心（2/3～3/4）R 范围内。测试短桩或了解浅部缺陷时，宜采用小铁锤或铁锤垫橡皮，以提高激振频率和分辩率，由于浅部缺陷反射时的应力波大小受敲击点及传感器安装点的影响更大，因此宜选择多个安装面和敲击点。

3.2 激振技术的把握

反射波法检测桩身完整性时，首先应进行桩头处理，凿去浮浆层至新鲜混凝土，桩顶有积泥、积水时必须清除，保证桩顶平整，激振时注意以下几个方面：

（1）敲击力要集中、铅直，激振模式要单一。

（2）激励能量要适当，激励能量以能看到桩底反射的前提下尽量小，使桩周参加振动的土体尽量少，以减少对波形的干扰。土越好，桩越长，用大锤敲击效果更好；土越差，桩越短，用小锤敲击效果更好。

（3）敲击脉冲频带要适中，满足下式：

τ≥5D/C

式中：τ-脉冲力频率；D-桩径；C-应力波波速。

大量实测统计，脉冲力宽度，桩长10～20m，τ 约为0.7～2.0ms；桩长20～30m，τ 约为2.0～3.0ms；桩长大于30m 的桩，τ 约为3.0～4.0ms。

3.3 测试盲区

实测及研究表明，距桩顶1～1.5D（D 桩径）范围内的桩身缺陷，用反射波法不易查明，称为测试盲区。

对于桩长大于60m 的特长桩，低应变法已难于检测，可该用高应变检测或进行抽芯。

总之，低应变动测具有方便快捷、费用低、抽样率高的特点，但低应变检测基本上不能对截面的变化程度作出定量的评定而只能作出定性的判断，定位的误差亦在15%左右。检测时实际只能做到的只是从大批试桩中鉴别出肯定合格的基本完整桩和肯定不合格的严重缺陷桩，对于许多只有中等程度缺陷的桩，实际难于对其合格性作出评价，只有在增加抽检数量的条件下应用于桩基工程验收。所以从事低应变动测的技术人员必须具备岩土、设计、施工、振动理论、计算机技术、测试技术等多方面的知识，以便根据条件对桩基完整性作出较为准确的分析。

4 高应变动测方法及问题

高应变方法与低应变方法的根本区别是前者适当考虑了桩周土的弹塑性影响。高应变作用在桩上能量大，动荷载使桩产生贯入度，从而使桩、土之间产生塑性位移，通过在桩顶量测到的信号，分析桩的承载力。高应变试桩的应变量约10-3级次。

现场实测信号是承载力拟合的基础，实测信号的质量很大程度上决定着测试的精度。测试时，桩头的处理、锤重和落高、锤垫的选择、传感器的安装等因素，都将影响信号的质量。

4.1 锤击设备及锤重和落高的选择

对于预制桩，可以用打桩机作为锤击设备，对于灌注桩，须有专门的自由落锤设备，包括锤体、导向架和脱钩器，可采用整体锤或组合锤，锤的高宽比宜为2：1 或1.5：1。

锤重一般为单桩极限承载力的1%，落高一般为1.0～2.0m，最好是重锤低打。一般使贯入度不小于2.5mm，但也不要大于10mm，贯入度过小，土强度发挥不充分，贯入度太大，不满足波动理论，实测波形失真。对于嵌岩桩，注意不能把嵌固段打动，否则嵌固力不能恢复，会大大降低桩的承载力。

4.2 桩头处理

桩顶要平整，测试前应将浮浆凿掉，用标号较高的混凝土加固桩头，桩头加配2～3 层钢筋网片并加密箍筋。新接桩段注意连接面用水冲洗干净后方可浇混凝土，高度应为2～2.5 倍的桩径，便于传感器安装在新接段上。

4.3 锤垫选择

锤垫是影响实测波形的重要因素，锤垫过软，会降低锤击能量的传递，使贯入困难；过硬，锤击力峰值过高，易击碎桩顶。工程中可采用胶合板、薄木版、不垫或纸箱壳，并根据第一锤波形加以调整。

4.4 传感器的安装

传感器的安装是测试波形好坏的关键，其安装面应用砂轮磨平，否则安装后会有过大的初始电压，导致传感器损坏。安装点距桩头一般为1.5～2.0D，安装在混凝土质量好的部位，如安装在差的部位，锤击过程中应变偏大，会使实测力偏大，高估单桩承载力。

高应变测承载力时实实在在激发了桩周土的阻力，但高应变方法也存在一些问题，用高应变方法去准确测定单桩承载力是较为复杂的问题。①锤击过程中桩身所激发的桩侧土阻力与静载条件下的阻力有着本质的区别，在外力冲击下，桩体的动力特性是静力运动、刚体运动、应力波传播的叠加反映，而静承载力本身机理又是一个复杂的问题。②桩基测试中还发现桩超过一临界深度后，桩端土阻力和单位面积桩侧土阻力基本保持为常数，这些复杂的机理问题，用简单的应力波理论模型去模拟是很困难的。

高应变动测中需认识的几个方面是：①波速的选取问题。由于混凝土是非均质体，应力波在混凝土中传播存在频散现象，故不同测试方法在同一根桩上可能测到不同的波速，而通过分析桩反射波计算的平均波速往往不一定等于安装传感器处混凝土的波速，波速不准带来的误差对承载力计算结果的可靠性有较大影响；②CASE 阻尼系数Jc 的取值及曲线拟合处理的不确定性对测试结果的影响；③高应变对以下承载力的评定是无能为力的，桩身结构破坏的桩、桩的负摩阻力问题、时间效应问题、土的蠕变特性、砂土液化、桩的沉降问题。

5 结论

静载荷试验和桩的高应变、低应变是桩基检测工作中的常用方法。在具备高应变动测的理论及丰富的实践经验的情况下，高应变所测结果与静载荷试验有较好的一致性。高、低应变动测和静载试验具有一定的互补性，它们各有长短，不能互相取代。通过桩基测试的实践与研究，得出如下结论：

（1）具备条件的情况下，确定极限承载力应首先选择静载荷试验方法，设计性试桩务必用静载荷的慢速维持荷载法。

（2）高应变动测适合于对打桩进行监控和对有静载荷试验结果作对比的工程桩的承载力进行检测。

（3）低应变动测适用于工程桩的完整性普查。

（4）桩的静力、动力测试，一定要有训练有素的工程师负责完成。

[1]刘兴录.桩基工程与动测技术200 问[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.

[2]陈如桂.桩基工程动测技术的若干问题[A].桩基工程动测技术与方法.武汉：中国地质大学出版社，1997.