高应变波形拟合法在某工程应用分析与探讨

2019-10-15刘士伟刘春亮

广东土木与建筑 2019年9期

刘士伟，刘春亮

（青岛市建筑工程质量检测中心有限公司山东青岛266012）

关建词：高应变；波形拟合法；桩侧土弹性变形值；桩端土弹性变形值

0 引言

随着社会经济的日益发展，桩基础在建设工程中的应用越来越广泛。桩基础工程属于隐蔽工程，桩基础的设计、施工、检测等方面都比上部结构更为复杂，一旦出现问题不容易处理。因此，工程桩的质量检测成为建设工程质量控制的一个关键环节。工程桩的质量检测包含承载力和完整性2个方面的内容。其中，如何准确地确定桩的承载力，充分发挥桩基础的技术经济效益，具有重要意义［1，2］。

与静载荷试验相比较，高应变法现场测试方便快捷，检测效率高；检测范围受场地、设备条件限制小，从而更加随机抽取检测对象，易于桩基质量控制；检测成本及费用相对低廉，更加经济。鉴于高应变法的以上优点和其物理意义较明确，检测准确度相对较高的特点，在工程界已被广泛认可并大量使用。实测波形拟合法是在1974年由高波尔的研究小组以CASE法实测波形曲线为边界条件，采用史密斯桩土力学模型和数值计算方法的一维波动方程的反演分析法，并推出了名为“Capwap”的计算程序，它采用的桩土模型更加接近实际桩土模型。

1988年中国建筑科学研究院针对美国PDA 打桩分析仪研发编制了分析程序FEIPWAPC，于1992年又研发出了FEI 系列打桩分析仪，基本与PDA 兼容，取得了较好的效果。1992年武汉岩海公司研发推出了RS 桩基动测仪系列，又于1996年推出CCWAPC 波动拟合方程分析软件，在工程实践中取得了良好的效果。目前，动测法仍是以一维波动理论为基础，理论体系较为完备。高应变法历经几十年的发展与实践，在仪器和分析软件的功能和细节得到不断完善和补充，并为大量的工程实践所认可。本文对高应变法测试承载力原理、测试方法进行深入研究，并结合工程实例，对目前高应变存在的一些问题及影响高应变法测试结果准确度的一些关键参数，及现场测试技术关键环节进行深入探讨，以期提高高应变法测试承载力的准确度，使其成为预应力管桩承载力检测的有效方法之一［3-7］。

1 高应变波形拟合法原理

1.1 基本原理［8-10］

实测波形拟合法是利用“Capwap”计算程序，输入力或速度（任选其一）的时程曲线作为边界条件，赋予桩-土模型及参数的一组初值，然后通过计算，得到桩顶剩余的一个变量（如力F）的时程曲线。将得到的结果（计算力曲线）与实测力曲线进行比较，继续调整桩-土模型参数，再重复上述过程进行运算，直至计算变量（力）与测试信号（力）一致性良好。此时，可以认为计算结果中桩-土模型参数就是接近工程桩实际情况的模型参数，然后根据模型参数计算桩的承载力，模拟静载试验的荷载-位移曲线。这种拟合分析全面地利用实测曲线，降低了人为经验对测试结果的影响，其结果的客观性和准确性比Case 法大大提高。

1.2 对桩侧土的加荷最大弹性形变Qskn、桩端土的加荷弹性变形极限Qtoe的讨论

实测曲线拟合法通过实测曲线作为条件输入和程序计算，得到符合锤击下桩土系统响应桩-土参数。然而，由于这种方法得到的桩土参数并不是唯一的，各参数的取值必须在符合实际工程意义的范围内。但是，实测曲线拟合法中有关参数的取值是否合理我们无法验证其正确性，况且这些参数的取值直接影响着计算结果的正确与否，从而也关系到高应变动测技术的应用前景。

在众多的桩土参数中，桩侧弹限和桩端弹限这对参数是波形拟合法中的2个重要参数，它们表征在锤击状态下土阻力的发挥状态，当弹限值取小值时，程序计算中会判定土阻力未被充分激发，当弹限值取大值时，程序计算会得到土阻力变大的结果。在拟合过程中，如果桩侧弹限和桩端弹限取值较低时，相应的桩侧阻力和端阻力也只能取较低的值，拟合效果才能达到良好效果，反之，如果桩侧弹限和桩端弹限取值较高时，相应的桩侧阻力和端阻力也只能取较高的值，拟合效果才能达到良好效果。这是桩土参数的两种解，需要判定哪一种解是真正的解，即哪组参数才是真实表征桩土系统，利用真实的那组参数得到的单桩承载力准确性更高。两组桩土参数的特点：往往是取值较低的组合中，弹限值在数值上满足土层弹限在实际物理意义上的数值范围，可与之对应的侧阻力和端阻力取值却远低于勘察报告提供的数值，而取值较高的组合中，弹限值在数值上不符合土层的真正弹限值，可与之对应的侧阻和端阻和勘察报告提供的数值接近。在取舍计算结果时，笔者一般选用第二种的计算结果，动静对比也是第二种情况的计算结果接近静载荷的实验结果。

一般认为，弹性极限取值2.54 mm，但是实际工作经验认为是不合适的，它的取值应该根据桩型，施工工艺，地质条件综合确定，其取值范围应为1.3～7.7 mm，而桩底弹性极限取值范围更大，可以高达10 mm，特别是大直径桩被充分激发的情况下，利用取高值桩土参数组合拟合计算的结果才接近其真实的承载力值。这也和大直径桩在单桩竖向静载荷试验是桩端沉降很大时极限承载力才能发挥相吻合。考虑实测曲线拟合法中各参数取值范围时，使各参数的取值范围在正常的地质参数取值范围内是必要的，但是同时也要满足程序计算需要，以使得计算结果的准确、可靠。

2 工程实例

2.1 工程概况

拟建场区位于青岛市某地。拟建建筑物包括16 幢17～33 层高层住宅楼，场区除A3、A4 号楼外，其他楼座均带1～2 层层高为3.6～3.9 m的地下室或地下车库。

各岩土层分布特征及其物理力学性质按标准层层序分述如下：

第①层：杂填土，回填黏性土和建筑垃圾有大量碎砖块和碎石，工程性状不稳定。

第②层：粉质黏土，该层广泛分布于场区，局部粉细砂含量较多。

第③层：细砂～中砂，地基承载力特征值fak=250 kPa，变形模量E0=15 MPa。

第④层：粉质黏土，揭露层厚0.70～2.70 m。地基承载力特征值fak=200 kPa。压缩系数α1-2＝0.268 MPa-1，压缩模量Es1-2=6.63 MPa。黏聚力标准值CK=26.0 kPa，内摩擦角标准值φK=15.0°。

第⑤层：泥岩全风化带，黄褐～红褐色，泥质土体状结构，层状构造。该带为极破碎的极软岩。

第⑥层：泥岩强风化带，红褐色，泥质散体状结构，层状构造。该带为极破碎的极软岩，岩体基本质量等级V 级。

2.2 检测结果及分析

2.2.1 静载荷试验结果

本工程桩基础采用预应力管桩，桩径φ500，桩长10.0 m。设计单桩竖向承载力特征值1 800 kN。在预应力管桩打桩前，对桩位进行了引孔深度为3 m 引孔处理。本工程共进行了静载荷试验6 根，检测结果汇总结果如表1 所示。典型测试曲线如图1 所示。

表1 桩基静载荷测试结果汇总表Tab.1 Summary of Static Load Test Results of Pile Foundation

图1 试桩静载荷曲线Fig.1 Test Pile Static Load Curve

根据静载荷测试结果，工程桩极限承载力为2 160～2 450 kN，低于设计极限承载力3 600 kN，无法满足设计要求，静载荷试验均使桩达到极限状态，静载荷试验结果真实的反映了其极限状态下的承载力。根据测试曲线分析，在1 800 kN 之前，桩基本稳定，之后继续加载，稳定时间变长，沉降加大，分析认为是在1 800 kN 时侧阻力全部发挥作用后，端阻力开始承担全部荷载，而持力层为泥岩或砂岩等软质岩，强度低造成端阻力较低，桩基达到极限荷载后沉降持续增大而无法稳定。根据静载荷结果，结合场地地质条件以及施工方式，因为施工前的引孔，造成桩基为非挤土桩或半挤土桩，桩的侧向挤压作用明显减弱，因而侧阻力降低，桩端持力层为软质岩，造成端阻力也很低，因而实测承载力值不能满足设计要求。

2.2.2 高应变检测及结果分析

本工程现场共对10 根桩进行了高应变试验。从测试曲线看：动位移较大，现场实测贯入度在2～4 mm之间，表明锤击能量合适，桩已被充分打动，承载力被充分激发；所有的试桩测试曲线中F 曲线和ZV 曲线同时起跳，同时达到最高峰以后，侧阻力发挥作用，促使两条曲线逐渐分离，在冲击脉冲达到桩底（v2=t1+2L/c）时刻，ZV 曲线有较大的正向反射，显示此时桩底有明显的拉应力，而后续ZV 曲线还有明显的正向反射，这说明持力层强度低，符合持力层为软质岩的工程特性。对曲线进行了实测波形拟合法计算。

检测结果汇总如表2 所示。典型拟合曲线及结果如图2 及表3 所示。