预应力管桩承载力高应变与静载检测对比研究

黄绍念 隆 威 中南大学地球科学与信息物理学院

1 前言

由于桩基工程建设过程中存在一些不确定性[1][2]，对桩基检测技术提出了严格的要求。高应变动力测桩法是对传统静载荷试验有效补充和部分取代[3][4]。相对于传统桩基检测手段，高应变动力测桩法优势在于检测费用较低、检测时间快、同一时间检测数量多[5]，是桩基础承载力检测方法目前的发展方向[6]。

2 工程概况

拟建工程场地位于长沙市望城区，其基础采用预应力管桩（Ф600）。场地岩土分层及特征如下：

①人工填土：素填土为主，结构松散，由硬塑～可塑状粘性土回填、板岩风化岩块等回填；

②耕土：褐灰色，松散，主要由可塑粘性土组成，充填腐烂植物根茎及砂砾石；

③粉质黏土：褐黄色夹灰白色为主，湿，坚硬状，中东部局部因地势较低，有光泽反应，无摇震反应，干强度中等，韧性中等。

④卵石：褐黄色夹灰白色，稍湿～湿，中密～密实，卵石含量60%，石英质，粒径一般为3cm～6cm，最大10cm～12cm，黏土、砂充填。

⑤残积粉质黏土：褐黄色夹灰白色，硬塑状，由板岩风化残积形成。

⑥全风化板岩：褐黄、黄、褐红等色。泥质成分，岩石风化近土状，原岩结构较清晰；

⑦强风化板岩：褐黄色，为极软岩，变余泥质结构，中厚层板状构造，岩芯呈块状、碎块状及柱状，理裂隙很发育，岩体基本质量等级为V级。

⑧中风化板岩：褐黄色、褐灰色、青灰色，为极软软岩，岩体较完整，变余泥质结构，中厚层板状构造，岩芯较完整，呈短柱状或块状，部分岩芯破碎。

3 检测方法和原理

3.1 高应变拟合法

3.1.1 基本原理

在桩顶施加一个足够大的瞬间动力荷载，产生一个应力波向桩底传播，该应力波遇到桩身波阻抗界面要向上产生反射，遇到土阻力时也产生反射。在桩侧离桩顶1倍～2倍桩径处安装应变传感器和加速度传感器，同时测定桩身应变信号和加速度信号，通过弹性模量与应变的乘积得出力信号（F（t）），对加速度信号积分得速度信号（ZV（t））。应用一维波动理论和专用软件进行分析，可测定土阻力的分布情况和桩身完整性，计算基桩的单桩竖向抗压承载力。现场检测示意图如图1。

图1 检测设备及检测过程示意图

通过实测曲线拟合法专业软件（中国科学院（武汉）岩土研究所的PSP－WAP软件），采用桩-土力学模型，该模型的边界条件进行拟合条件选择实测力与速度或上行波，计算曲线应与桩基检测实测曲线保持基本吻合，桩侧土摩阻力应与勘察报告提供岩土层力学参数基本相符，检测桩的竖向承载力和桩身完整性，可提供桩基摩阻分布图与桩身内力分布图、桩身阻抗变化图、静载模拟条件下的Q-S曲线，获得桩底和桩侧各单元阻力、阻尼及弹限值、桩身各单元最大压应力、拉应力等参数，采用加速度信号两次积分得到最终位移为实测贯入度。

3.1.2 现场检测方法

高应变试桩使用的传感器为配套的压电式加速度计和工具式应变计，预估单桩极限承载力为4800kN。

高应变测试参数设定为：采样间隔50μs，在t1+2L/c时刻后延续时间大于30ms，信号采样点数1024点；锤重50kN；锤击落距为0.5m～0.8m；桩身材料质量密度取2.45t/m3；桩身波速预置为3800m/s。

3.1.3 桩身完整性判定计算公式

桩身完整性系数β 和桩身缺陷位置x 应分别按下列公式计算获取：

式中：β──桩身完整性系数；

tx──缺陷反射峰对应的时刻（ms）；

x──桩身缺陷至传感器安装点的距离(m)；

Rx──缺陷以上部位土阻力的估计值；

t1──初始峰对应的时刻（ms）；

c──桩身波速（m/s）。

根据计算的β值按表1分类标准进行桩身完整性判定。

表1 高应变检测-桩身完整性分类评价表

3.1.4 测试结果及分析

高应变动力试桩检测结果见表2。

表2 曲线拟合法分析结果

3.1.5 桩基高应变检测成果

桩1基本信息见表3，检测成果如图2所示。

表3 桩1基本信息

图2 桩1检测成果（a实测力及实测速度曲线；b实测速度及计算速度曲线；

模拟Q-S曲线；摩阻力分布及荷载传递曲线）

桩2基本信息见表4，检测成果如图3所示。

表4 桩2基本信息

图3 桩2检测成果（a实测力及实测速度曲线；b实测速度及计算速度曲线；

模拟Q-S曲线；摩阻力分布及荷载传递曲线）

桩3基本信息见表5，检测成果如图4所示。

表5 桩3基本信息

图4 桩3检测成果（a实测力及实测速度曲线；b实测速度及计算速度曲线；

模拟Q-S曲线；摩阻力分布及荷载传递曲线）

3.2 静载试验

3.2.1 工程施工现场检测

选用荷载压重平台反力装置进行试验，码放混凝土块到荷载压重平台形成反力系统，通过液压千斤顶置于桩顶模拟竖向荷载施加，经过标定的压力传感器给出压力值后再由千斤顶的标定曲线换算成荷载值。检测桩的沉降变形量，布置于桩头的位移传感器传输给静载荷测试仪记录输出。设备安装见下图5“压重平台反力装置示意图”。

图5 压重平台反力装置示意图

3.2.2 测试结果及分析

所测1#、2#和3#工程桩的Q-S曲线均为缓变型，桩的沉降量大于40mm时，取S=40mm对应的荷载值为桩的极限承载力。检测结果汇总见下表。检测桩试验荷载和沉降数据汇总表见表6，检测桩的Q-S曲线见图6。

表6 检测结果汇总

图6 Q-s曲线图

4 测试数据分析与评价

（1）本次三根桩使用了高应变法波形拟合法，经后期静载试验验证，检测精度相对较高。波形拟合法评价单桩极限承载力，目前被认为是高应变法检测中较先进的技术，但它具有多解性，无唯一解。虽然有优良的拟合分析软件，能够自动排除大部分明显不合理的拟合结果，但最终拟合结果还需要分析人员拥有该地区丰富的经验。

（2）静载试验作为传统直观的检测方法，当采用该方法作为工程桩验收检测手段时，加载量一般取单桩承载力特征值的2 倍，而受场地、现场安全、成本等多方面的因素影响，使试验加载至桩侧与桩端的岩土阻力达到极限状态很困难。本次对该工程3根试验桩进行静载破坏性试验，得到三根试验桩极限承载力，通过比较发现该地区桩的高应变法检测结果略低于静载试验确定的单桩竖向极限承载力，其动静误差为-2.78%，整体一致性较好。

5 结束语

本文通过长沙地区某项目现场试验对静载试验和高应变试验测试数据进行对比分析得出以下结论：

（1）该施工区桩的高应变法检测结果，略低于静载试验确定的单桩竖向极限承载力，两者的动静误差为-2.78%，整体一致性较好。

（2）高应变检测方法操作得当，结果准确性较高，在本地区该类项目中可以作为普查手段推广使用。