摘要：目前我国经济处于高速发展时期，在今后一个时期，交通建设也将保持高速发展，而质量是交通建设永恒的主题。尤其是高铁、桥梁数量的迅速增长，使用荷载及其环境条件要求也越来越高，这些工程中绝大多数都是采用桩基础结构。桩基础是桥梁的基本支柱，桥梁上部所承受的荷载全部由桩基础承担。所以桩基承载力是否满足要求直接关系到桥梁能否正常使用。本文主要介绍高应变检测单桩承载力的方法。
关键词：桩基检测；承载力；高应变
1高应变试验和静载荷试验的相关性
目前，在我国静载荷试验和高应变试验是检测单桩竖向抗压承载力的主要方法，静载荷试验是确定单桩竖向抗压承载力最传统也是最可靠的方法，但是由于试验周期长、成本高等原因，工程上应用比例相对较低。而相比之下高应变则轻便快速、且能得到桩身完整性结果，所以工程上应用较多。由于高应变试验方法的经验性、假设性、局限性，检测人员在采用高应变方法时，也应该客观对待，不可盲目采用。国内外很多标准规范规定，同一工程内相同条件下，高应变试验要在静载试验结果对比的基础上建立相关关系，从而提高高应变检测结果的可靠性。
2高应变检测单桩竖向抗压承载力的实际应用
2.1高应变试验原理
高应变动力试验法是通过重锤冲击桩顶，产生沿桩身向下传播的应力波和一定的桩—土相对位移，利用对称安装于桩顶一定距离的应变和加速度传感器，记录冲击波作用下的应变和加速度信号，经过基桩动测仪软件处理以后，输出力和速度时程曲线，分析单桩承载力和桩身完整性。
2.2高应变试验目的和方法
（1）检测单桩竖向抗压承载力。凯斯法和实测曲线拟合法是两种常用的分析方法。凯斯法计算中采用的阻尼系数Jc一般是通过同一工程桩的动静试验对比或实测曲线拟合得出的，Jc是一个综合参数，影响因素较多，同一工程中由于地质的差异钻孔灌注桩侧摩阻力与端阻力的不稳定性及钻孔桩桩身截面变化等，各桩拟合得出的阻尼系数有一定的差别，以极少量的桩得到的拟合系数推广到大量桩去，将会导致较大的误差，提高拟合数量可以减少这种误差。采用实测曲线拟合法得到的承载力，精度高于凯斯法，实测曲线拟合法分析时可以得出的桩侧土阻力分布和桩底端承力，但绝不能简单地把程序自动拟合得出的单元侧阻力不加修正的提供进去，而应该结合实测波形具体情况将拟合参数作适当调整；采用人工干预的方法进行拟合。在此，尚应注意采用高应变检测单桩极限承载力时，必须有足够大的冲击力，使桩周土进入塑性状态，这样才能达到充分发挥桩侧土阻力和桩底端承力的目的。
（2）检测桩身结构完整性。与低应变检测相比，高应变由于其冲击能量大，可以检测出长桩深部的缺陷，也可以检测出一根桩两个以上不同断面处的明显缺陷，但对于浅部和微小裂缝，高应变难以判别。若只用高应变方法检测桩身完整性时，锤击能量可以适当减小。
（3）监测预制桩或钢桩沉桩时的桩身应力和锤击效率。可以使施工单位在选锤、选择垫层以及确定沉桩工艺等方面有科学的依据，达到即可控制打桩应力、又可提高打桩效率，这一方法应在施工中推广应用。
2.3高应变现场测试技术要点
（1）桩头处理。检测前必须对试桩桩头重新加固处理。要求桩头顶面平整，桩头中轴线和桩身中轴线重合，测点处的桩头截面和桩身截面相同，桩顶设置2～3层钢筋网片，桩头混凝土强度比桩身提高1个等级，且不得低于C30，并满足养护时间。
（2）传感器的安装。分别在桩身两侧距离桩顶1.5～2.0倍以上桩径的位置对称安装两只应变传感器和两只加速度传感器，并用膨胀螺栓紧固。传感器安装面应平整密实，安装后的传感器中心轴应与桩的中心轴线平行。安装完成后应对应变传感器进行监视，不得超过允许的变形值。
（3）参数的设置。测点处的桩身截面积、有效桩长、桩身材料波速、弹性模量等均应按实际数值设定。
（4）检测前检查仪器系统是否处于正常的工作状态，结合实际情况输入参数设定值。重锤锤击桩头时，应设有桩头垫层，并采用重锤低击，锤的最大落距不宜大于2m，并用精密水准仪实测单击贯入度，单击贯入度应控制在2～6mm。
（5）测试信号的要求。两组力和速度信号时域波形基本一致，峰前力与速度信号重合，峰后两者协调，最终归零。波形基本光滑、无振荡和低频噪音信号叠加。采样长度不小于5L/c或2L/c+20ms。每根桩采集到的有效信号不得少于2次。
2.4高应变测试结果的处理和判断
（1）凯斯法
①凯斯法判定单桩竖向抗压承载力时，应符合下列要求：a适用于预制桩、钢桩及中小直径的钻孔灌注桩；b桩身材质基本均匀、截面基本相等；c阻尼系数Jc值宜通过同一根桩的动静对比试验来确定或采用一定数量的实测曲线拟合法来确定。
②凯斯法计算公式如下：
式中：Quc──单桩竖向抗压极限承载力(kN)
Jc──凯司法阻尼系数
t1──速度信号第一峰对应的时刻（ms）
F(t1)──t1时刻的锤击力(kN)
V(t1)──t1时刻的振动速度(m/s)
Z──桩身截面力学阻抗（kN•s/m）
E──桩身材料弹性模量（kPa）
A──桩身截面面积（m2）
C──桩身波速(m/s)
L──测点以下桩长(m)
（2）实测曲线拟合法
①实测曲线拟合法判定单桩竖向抗压承载力时，应符合下列要求：a采用的力学模型应能反映实际性状；b拟合使用的土参数应在合理的范围内；c曲线拟合长度在t1+2L/c时刻后的延续时间不应少于20ms，拟合结束时，土阻力响应区的计算曲线必须与实测曲线吻合，其他区段应基本吻合(一般混凝土预制桩和钢桩拟合质量系数不宜大于3％，钻孔灌注桩不宜大于5％)；d拟合分析得出的贯入度计算值与实测值基本一致。
②计算方法：实测曲线拟合法是将桩和桩侧土划分为一系列的单元，利用实测的速度或力曲线作为输入边界条件，数值求解波动方程，反算桩顶的速度或力曲线。若计算曲线与实测曲线不吻合，说明假设的参数不合理，有针对性的调整参数再进行计算直到计算的曲线与实测的曲线相吻合为止。
3高应变试验的局限性和发展前景
（1）局限性
①出现下列情况时，高应变测试信号不得作为承载力分析计算的依据：a传感器安装处的混凝土出现开裂或严重的塑性变形现象，使力曲线最终未归零；b偏心锤击，两侧传感器测得力信号幅值相差超过1倍；c触变效应的影响，预制桩在多次锤击下承载力下降；d四通道测试数据不全。
②出现下列情况时，不宜采用高应变方法确定单桩竖向抗压承载力：a桩身存在明显的严重缺陷；b桩底同相反射比较强烈，单击贯入度较大，。
③高应变检测方法应用时的注意事项：a所应用的桩-土力学模型与实际工程中的力学性质的差异。b当单桩承载力由桩身结构强度控制时,高应变试验无法定量检测桩身结构承载力，无法判断桩身承载力。c一般情况下静载荷试验的位移量比高应变试验的位移量大很多，土阻力发挥有差别，所以静载荷测得的承载力要比高应变得出的承载力高。
（2）若干问题的探讨
①锤击偏心。经过本人及同行业检测人员现场经验总结，高应变试验锤击偏心概率很高，导致检测数据不可靠、或还未采集到有效信号桩头就已经破坏，浪费现场资源、延误工期。目前上海市及很多外省市行业专家建议使用重锤导向架（见图一），导向架具有稳定、安全及自动起吊等功能，重锤与导向架之间设有卡槽，重锤可以沿着卡槽自动滑落，减少锤击偏心，增加稳定性，提高检测结果可靠性。经过本人多次试验对比，导向架有效解决了锤击偏心问题。同时，本人建议携带一把水平尺，在锤击下落前，测量一下桩头和锤底的水平程度，若有倾斜，可作适当调整。
②传感器安装。高应变试验测试数据的可靠程度关键在于传感器的安装，若传感器安装的不符合要求，采集到的一切信号都是假信号。现场安装人员要根据实际情况合理选择安装位置，传感器安装处的混凝土要密实，安装面要平整，并由专业的安装人员进行。本人建议同一根桩两侧的传感器由同一人完成安装，避免由于两侧的膨胀螺栓紧固程度不同，而导致数据不一致。同时建议使用传感器保护装置，避免检测过程中损坏传感器。
③自动脱钩装置。目前多数检测单位使用的重锤脱钩装置有拉绳式、杠杆式，这些装置都是在外力作用下，打开保险，张开挂钩，使重锤释放，在重锤脱落的瞬间，由于外力作用，重锤会产生一定振荡，造成锤击偏心，影响测试结果，又不利于安全操作。在传统的脱钩装置的基础上，本人研发一款电动自动脱钩，并已经获得国家专利（见图二）。在脱钩装置内安装小型电动机、锂电池及遥控接收装置，由遥控器控制电动机产生动力，使其自动张开挂钩，无需借助外力，有效解决了重锤脱落瞬间的振荡，避免锤击偏心，保障操作人员的人身安全。该装置可单独使用也可以与导向架联合使用，性能稳定。
图一 图二
（3）发展前景
基桩承载力的大小直接关系到上部结构的安全，高应变检测方法虽然应用较为方便，但在某些方面还有很大的局限性，在应用过程中我们要认真总结积累经验，客观地评价这些局限性对承载力可能产生的影响，找出其中的规律，去伪存真。相信高应变检测技术仍有广阔的应用前景。
参考文献
[1]上海市工程建设规范，DGJ08-218-2003建筑基桩检测技术规程,2003
[2]陈凡，基桩质量检测技术.中国建筑工业出版社,2003
论文作者:刘光奎
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/3/25
标签：应变论文; 承载力论文; 曲线论文; 桩头论文; 传感器论文; 信号论文; 截面论文; 《基层建设》2018年第34期论文;