高应变法检测质量控制相关问题探讨

鹿逢月

摘 要 本文介绍了高应变法的检测原理方法，质量控制技术以及检测中应注意的问题。

关键词 高应变法;CASE法;实测曲线拟合法;单桩竖向抗压承载力

概述

高应变法检测是一种用重锤冲击桩顶，冲击脉冲沿桩身向下传播，使桩-土产生足够的相对位移，以激发桩周土阻力和桩端支承力;通过安装在桩顶的传感器，实测桩顶附近或桩顶部的速度和力的时程曲线，通过波动理论计算单桩竖向抗压承载力和桩身完整性的一种检测方法;高应变法是基桩桩身承载力验收检测最快捷的检测方法，该方法具有快速、经济、无损等优点，应用最为广泛。但是该方法由于有它成立的假设条件，且在实际检测过程中，锤击能量选择、原始资料收集、检测时间选择、传感器安装以及桩头处理好坏都会影响基桩高应变检测的精度与结果的可靠性，因此如何确保检测过程中采集的信号质量与检测数据的合理分析是关键，下面对高应变法检测工作质量控制的相关问题，进行一些探讨。

1高应变法检测对仪器设备的要求

①检测仪器的主要技术性能指标不应低于现行行业标准《基桩动测仪》JG/T3055规定的2级标准;②高应变检测专用锤击设备应具有稳固的导向装置。重锤应形状对称，高径比（宽）不得小于1。当采取落锤上安装加速度传感器的方式实测锤击力时，重锤的高径比（宽）应为1.0～1.5;③采用高应变法进行承载力检测时，锤的重量与单桩竖向抗压承载力特征值的比值不得小于0.02，当作为承载力检测的灌注桩桩径大于600mm或混凝土桩桩长大于30m时，尚应对桩径或桩长增加引起的桩-锤匹配能力下降进行补偿，锤重与承载力特征值的比值不得小于0.03，承载力越大或桩长越长比值应越大[1];④桩的贯入度可采用精密水准仪等仪器测定。

2检测时被检桩基本参数的设定和计算

（1）采样时间间隔宜为50μs～200μs，信号采样点数不宜少于1024点;

（2）传感器的设定值应按计量检定或校准结果设定;

（3）自由落锤安装加速度传感器测力时，力的设定值由加速度传感器设定值与重锤质量的成绩确定;

（4）测点处的桩截面尺寸应按实际测量确定;

（5）测点以下桩长和截面积可采用设计文件或施工记录提供的数据作为设定值[2];

（6）桩身材料质量密度应按下表取值：

桩身材料质量密度（t/m3）

（7）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，现场检测完成后，可根据实测曲线进行调整;

（8）桩身材料弹性模量应按公式：E=ρ.c2计算。

E——桩身材料弹性模量（kPa）;

c——桩身应力波传播速度（m/s）;

ρ——桩身材料质量密度（t/m3）

3高应变法现场检测要求

①受检桩的成桩龄期、桩顶处理、桩头加固、锤击装置的架立以及传感器的安裝应符合相关检测规范的规定;②交流供电的测试系统应接地良好，检测时测试系统应处于正常状态;③采用落锤为锤击设备时，为了获得较好的采集信号，应符合重锤低击原则，最大锤击落距不宜大于2.5m;④现场信号采集时，应检查采集信号的质量，并根据桩顶最大动位移、贯入度、桩身最大拉应力、桩身最大压应力、缺陷程度及其发展情况等，综合确定每根受检桩的有效锤击信号数量;⑤发现测试波形紊乱，应分析原因，桩身有明显缺陷或缺陷程度加剧，应停止检测[3];⑥承载力检测时应实测桩的贯入度，为使受检桩的侧阻力及端阻力得到充分发挥且不会使受检桩的承载力降低，单击贯入度宜为2～6mm。

4高应变法检测现场易出现问题

①锤击偏心（无导向架时锤子的晃动;导向架放置不平;桩垫放置不平等），灵敏度系数设置颠倒等导致两侧力信号幅值相差过大;②现场使用了交流电，并且没有有效接地导致加速度信号提前震荡;③传感器安装不牢或松动（打孔过大或者打孔倾斜），桩垫使用不当，膨胀螺栓不好，滤波参数设置不合理等，导致测试信号震荡厉害;④传感器损坏，传感器提前触发（加速度通道较力通道灵敏，当周围在同时进行打桩时，微弱的振动就能激发加速度通道）导致自触发;⑤桩浅部阻抗变化、桩浅部土侧阻力很大、测点处混凝土的非线性造成力值明显偏高、锤击力波上升缓慢或桩很短时，土阻力波或桩底反射波的影响、桩垫过厚、波速选择不当、灵敏度系数不对、传感器安装倾斜等，导致速度与力峰值不重合;⑥标定系数、平均波速设置不合理等，导致曲线比例性差;⑦混凝土产生塑性变形或开裂、打孔间距与传感器对应不上强行安装、采样时间较短在采集的时间内还没有停止震动等，导致力值或速速最终未归零;⑧不监测桩的锤击贯入度，仅仅通过加速度多次积分得到位移曲线，通过最终的位移值大小来估计贯入度，导致贯入度数值不明;⑨触变效应造成承载力不断下降、每次锤击之后没有实时对传感器进行加固等，导致多次锤击数值相差较大。

5高应变法检测信号的初判要求

①力和速度的时程一致，峰值重合、协调;（灌注桩峰值很难重合）;②力和速度的时程曲线最终归零，位移曲线对时间轴收敛;③锤击没有严重偏心，力、速度不应相差太大，力信号不出现受拉;④波形平滑，无高频干扰杂波;⑤有足够的采样长度，在2L/c时刻后延续时间不小于20ms;⑥高应变试验成功的关键是信号质量及信号中的信息是否充分;⑦检查混凝土桩锤击拉、压应力和缺陷程度大小，以决定是否进一步锤击，以免桩头或桩身受损;⑧对摩擦桩桩底反射明确。

6分析数据的选取相关要求

（1）出现下列情况之一时，高应变锤击信号不得作为承载力分析计算的依据：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严重锤击偏心，两侧力信号幅值相差超过1倍;③四通道测试数据不全。

（2）出现下列情况之一时，应采用单桩竖向抗压静载试验方法进一步验证：①桩身存在缺陷，无法判定桩的竖向抗压承载力;②桩身缺陷对水平承载力有影响;③触变效应的影响，预制桩在多次锤击下承载力下降;④单击贯入度大，桩底同向反射强烈且反射峰较宽，侧阻力波、端阻力波反射弱，波形表现出的竖向承载性状明显与勘察报告中的地基条件不符合;⑤嵌岩桩桩底同向反射强烈，且在时间2L/c后无明显端阻力反射波;也可采用钻芯法核验。

（3）曲线拟合法判定竖向抗压承载力时Smith阻尼系数的选取：

J为Smith阻尼系数，它是一个有量纲的系数（量岗为s/m），且它的数值可以大于1，而CASE法阻尼系数是一个无量纲的系数，它的数值不得大于1。桩侧阻尼系数Js建议按下表取值：

（4）高应变实测的力和速度信号第一峰起始段不成比例时，不得对实测力或速度信号进行调整。正常施打的预制桩，力和速度信号在第一峰处应成比例，基本相等。但也有不成比例（比例失调）是正常的，如下列几种情况：①桩浅部阻抗变化和土阻力影响;②采用应变式传感器测力时，测点处混凝土的非线性造成力值明显偏高;③锤击力波上升缓慢或桩很短时，土阻力波或桩底反射的影响。

（5）桩底反射明显时，桩身波速可根据速度波第一峰起升沿的起点到速度反射峰起升或下降沿的起点之间的时差与已知桩长值确定;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确定。

7高应变法实测数据分析方法

目前在我国应用范围最广泛的高应变分析方法是：CASE法和实测曲线拟合法（CCWAPC法）这两种方法均属于波动方程法。

7.1 CASE法

CASE法是美国CASE技术学院Goble教授等人经十余年努力，逐步形成的一套以行波理论为基础的桩动力测量和分析方法。这个方法从行波理论出发，导出了一套简洁的分析计算公式并改善了相应的测量仪器，使之能在打桩现场立即得到关于桩的承载力、桩身完整性、桩身应力和锤击能量传递等分析结果。

CASE法判定单桩承载力可按下列公式计算：

Rc=（1-Jc）/2·[F（t1）+Z·V（t1）]+（1+Jc）/2

·[F（t1+2L/c）-Z·V（t1+2L/c）]

Z=E·A/c

式中：Rc——CASE单桩承载力计算值（kN）;

Jc——CASE法阻尼系数;

t1——速度第一峰所对应的时刻（ms）;

F（t1）——t1时刻测点处实测的锤击力（kN）;

V（t1）——t1时刻的质点运动速度（m/s）;

Z——为桩身截面力学阻抗（kN·s/m）;

A——桩身截面积（m2）;

L——测点下桩长（m）。

7.2 CASE法所作的基本假定

（1）假定桩身材料是均匀（桩身阻抗恒定且无明显的缺陷）和各向同性的;（桩身某一截面上的各个质点的受力状态都是相同的）;

（2）假定桩是线弹性杆件（不考虑桩身材料的黏性，应力波在沿桩身传播时桩身材料不吸收应力波的能量）;

（3）假定桩是一维杆件;

（4）假定纵波的波长比杆的横截面尺寸大得多;

（5）应力波在传播过程中没有能量的耗散和信号畸变;

（6）假定破坏只发生在桩土截面;

（7）动阻力只与桩底质点运动成正比，且全部集中于桩端;

（8）土阻力在时刻t2=t1+2L/c已充分发挥。

7.3 CASE法的适用条件

（1）摩擦型的中、小直径桩和截面较均匀的灌注桩;

（2）桩身材质、截面应基本均匀;

（3） 阻尼系数Jc宜根据同条件下静载试验结果校核，或采用实测曲线拟合法确定Jc值。

7.4 CASE法的优点

（1）计算简单。在选取了t1、t1+2L/c两个时刻和CASE阻尼系数后，就可以得出承载力值;

（2）计算速度快、可提供的参数多。可作实时分析，进行打桩监测;

（3）完整性检测能定量计算，能较准确地对长桩、多缺陷桩、多接头预制桩、预制桩接头脱开情况下的完整性作出判断。

7.5 CASE法的局限性

（1）方法本身的局限性：

假设条件苛刻且桩土模型理想化，与工程桩实际差别较大，计算结果的可靠性会降低。桩身阻尼衰减没有考虑。

（2）参数引起的局限性：

CASE法阻尼系数Jc为地区经验系数，物理意义不明确，取值的人为因素较多，需要通过动、静对比试验来确定。

（3）实际应用的局限性：

桩身阻抗有较大变化时，CASE法无法考虑，严重影响计算结果。

（4）桩土体系的破坏模式的限制;

（5）土阻力激发程度的局限性;

（6）CASE法不能将侧阻力与桩端阻力分开，且侧阻力分布情况无法判别;

（7）承载力分析时，桩身缺陷没有考虑，所以缺陷桩误差更大;

（8）桩身塑性没有考虑，低强度桩、力信号過大时存在问题，锤击偏心时存在问题;传感器存在的问题。

7.6 实测曲线拟合法的基本原理

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和波动方程结合起来，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，具体结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，则重新调整原波形参数，反复迭代计算，直至二者吻合程度达到要求为止，由此得出桩的承载力和阻尼系数等被认为是正确的。

7.7 实测曲线拟合法评判单桩竖向抗压承载力应符合下列规定：

（1）采用的力学模型应与被检桩的工程实际情况相符;

（2）拟合使用的土参数应在岩土工程的合理范围内，所用土的最大弹性变形值应合理;