劉士偉，劉春亮

（青島市建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司 山東青島266012）

關(guān)建詞：高應(yīng)變；波形擬合法；樁側(cè)土彈性變形值；樁端土彈性變形值

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，樁基礎(chǔ)在建設(shè)工程中的應(yīng)用越來越廣泛。樁基礎(chǔ)工程屬于隱蔽工程，樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、施工、檢測等方面都比上部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，一旦出現(xiàn)問題不容易處理。因此，工程樁的質(zhì)量檢測成為建設(shè)工程質(zhì)量控制的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。工程樁的質(zhì)量檢測包含承載力和完整性2個(gè)方面的內(nèi)容。其中，如何準(zhǔn)確地確定樁的承載力，充分發(fā)揮樁基礎(chǔ)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，具有重要意義［1，2］。

與靜載荷試驗(yàn)相比較，高應(yīng)變法現(xiàn)場測試方便快捷，檢測效率高；檢測范圍受場地、設(shè)備條件限制小，從而更加隨機(jī)抽取檢測對象，易于樁基質(zhì)量控制；檢測成本及費(fèi)用相對低廉，更加經(jīng)濟(jì)。鑒于高應(yīng)變法的以上優(yōu)點(diǎn)和其物理意義較明確，檢測準(zhǔn)確度相對較高的特點(diǎn)，在工程界已被廣泛認(rèn)可并大量使用。實(shí)測波形擬合法是在1974年由高波爾的研究小組以CASE法實(shí)測波形曲線為邊界條件，采用史密斯樁土力學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算方法的一維波動方程的反演分析法，并推出了名為“Capwap”的計(jì)算程序，它采用的樁土模型更加接近實(shí)際樁土模型。

1988年中國建筑科學(xué)研究院針對美國PDA 打樁分析儀研發(fā)編制了分析程序FEIPWAPC，于1992年又研發(fā)出了FEI 系列打樁分析儀，基本與PDA 兼容，取得了較好的效果。1992年武漢巖海公司研發(fā)推出了RS 樁基動測儀系列，又于1996年推出CCWAPC 波動擬合方程分析軟件，在工程實(shí)踐中取得了良好的效果。目前，動測法仍是以一維波動理論為基礎(chǔ)，理論體系較為完備。高應(yīng)變法歷經(jīng)幾十年的發(fā)展與實(shí)踐，在儀器和分析軟件的功能和細(xì)節(jié)得到不斷完善和補(bǔ)充，并為大量的工程實(shí)踐所認(rèn)可。本文對高應(yīng)變法測試承載力原理、測試方法進(jìn)行深入研究，并結(jié)合工程實(shí)例，對目前高應(yīng)變存在的一些問題及影響高應(yīng)變法測試結(jié)果準(zhǔn)確度的一些關(guān)鍵參數(shù)，及現(xiàn)場測試技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行深入探討，以期提高高應(yīng)變法測試承載力的準(zhǔn)確度，使其成為預(yù)應(yīng)力管樁承載力檢測的有效方法之一［3-7］。

1 高應(yīng)變波形擬合法原理

1.1 基本原理［8-10］

實(shí)測波形擬合法是利用“Capwap”計(jì)算程序，輸入力或速度（任選其一）的時(shí)程曲線作為邊界條件，賦予樁-土模型及參數(shù)的一組初值，然后通過計(jì)算，得到樁頂剩余的一個(gè)變量（如力F）的時(shí)程曲線。將得到的結(jié)果（計(jì)算力曲線）與實(shí)測力曲線進(jìn)行比較，繼續(xù)調(diào)整樁-土模型參數(shù)，再重復(fù)上述過程進(jìn)行運(yùn)算，直至計(jì)算變量（力）與測試信號（力）一致性良好。此時(shí)，可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果中樁-土模型參數(shù)就是接近工程樁實(shí)際情況的模型參數(shù)，然后根據(jù)模型參數(shù)計(jì)算樁的承載力，模擬靜載試驗(yàn)的荷載-位移曲線。這種擬合分析全面地利用實(shí)測曲線，降低了人為經(jīng)驗(yàn)對測試結(jié)果的影響，其結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性比Case 法大大提高。

1.2 對樁側(cè)土的加荷最大彈性形變Qskn、樁端土的加荷彈性變形極限Qtoe的討論

實(shí)測曲線擬合法通過實(shí)測曲線作為條件輸入和程序計(jì)算，得到符合錘擊下樁土系統(tǒng)響應(yīng)樁-土參數(shù)。然而，由于這種方法得到的樁土參數(shù)并不是唯一的，各參數(shù)的取值必須在符合實(shí)際工程意義的范圍內(nèi)。但是，實(shí)測曲線擬合法中有關(guān)參數(shù)的取值是否合理我們無法驗(yàn)證其正確性，況且這些參數(shù)的取值直接影響著計(jì)算結(jié)果的正確與否，從而也關(guān)系到高應(yīng)變動測技術(shù)的應(yīng)用前景。

在眾多的樁土參數(shù)中，樁側(cè)彈限和樁端彈限這對參數(shù)是波形擬合法中的2個(gè)重要參數(shù)，它們表征在錘擊狀態(tài)下土阻力的發(fā)揮狀態(tài)，當(dāng)彈限值取小值時(shí)，程序計(jì)算中會判定土阻力未被充分激發(fā)，當(dāng)彈限值取大值時(shí)，程序計(jì)算會得到土阻力變大的結(jié)果。在擬合過程中，如果樁側(cè)彈限和樁端彈限取值較低時(shí)，相應(yīng)的樁側(cè)阻力和端阻力也只能取較低的值，擬合效果才能達(dá)到良好效果，反之，如果樁側(cè)彈限和樁端彈限取值較高時(shí)，相應(yīng)的樁側(cè)阻力和端阻力也只能取較高的值，擬合效果才能達(dá)到良好效果。這是樁土參數(shù)的兩種解，需要判定哪一種解是真正的解，即哪組參數(shù)才是真實(shí)表征樁土系統(tǒng)，利用真實(shí)的那組參數(shù)得到的單樁承載力準(zhǔn)確性更高。兩組樁土參數(shù)的特點(diǎn)：往往是取值較低的組合中，彈限值在數(shù)值上滿足土層彈限在實(shí)際物理意義上的數(shù)值范圍，可與之對應(yīng)的側(cè)阻力和端阻力取值卻遠(yuǎn)低于勘察報(bào)告提供的數(shù)值，而取值較高的組合中，彈限值在數(shù)值上不符合土層的真正彈限值，可與之對應(yīng)的側(cè)阻和端阻和勘察報(bào)告提供的數(shù)值接近。在取舍計(jì)算結(jié)果時(shí)，筆者一般選用第二種的計(jì)算結(jié)果，動靜對比也是第二種情況的計(jì)算結(jié)果接近靜載荷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

一般認(rèn)為，彈性極限取值2.54 mm，但是實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為是不合適的，它的取值應(yīng)該根據(jù)樁型，施工工藝，地質(zhì)條件綜合確定，其取值范圍應(yīng)為1.3～7.7 mm，而樁底彈性極限取值范圍更大，可以高達(dá)10 mm，特別是大直徑樁被充分激發(fā)的情況下，利用取高值樁土參數(shù)組合擬合計(jì)算的結(jié)果才接近其真實(shí)的承載力值。這也和大直徑樁在單樁豎向靜載荷試驗(yàn)是樁端沉降很大時(shí)極限承載力才能發(fā)揮相吻合?？紤]實(shí)測曲線擬合法中各參數(shù)取值范圍時(shí)，使各參數(shù)的取值范圍在正常的地質(zhì)參數(shù)取值范圍內(nèi)是必要的，但是同時(shí)也要滿足程序計(jì)算需要，以使得計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

擬建場區(qū)位于青島市某地。擬建建筑物包括16 幢17～33 層高層住宅樓，場區(qū)除A3、A4 號樓外，其他樓座均帶1～2 層層高為3.6～3.9 m的地下室或地下車庫。

各巖土層分布特征及其物理力學(xué)性質(zhì)按標(biāo)準(zhǔn)層層序分述如下：

第①層：雜填土，回填黏性土和建筑垃圾有大量碎磚塊和碎石，工程性狀不穩(wěn)定。

第②層：粉質(zhì)黏土，該層廣泛分布于場區(qū)，局部粉細(xì)砂含量較多。

第③層：細(xì)砂～中砂，地基承載力特征值fak=250 kPa，變形模量E0=15 MPa。

第④層：粉質(zhì)黏土，揭露層厚0.70～2.70 m。地基承載力特征值fak=200 kPa。壓縮系數(shù)α1-2＝0.268 MPa-1，壓縮模量Es1-2=6.63 MPa。黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值CK=26.0 kPa，內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值φK=15.0°。

第⑤層：泥巖全風(fēng)化帶，黃褐～紅褐色，泥質(zhì)土體狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。該帶為極破碎的極軟巖。

第⑥層：泥巖強(qiáng)風(fēng)化帶，紅褐色，泥質(zhì)散體狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。該帶為極破碎的極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級V 級。

2.2 檢測結(jié)果及分析

2.2.1 靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

本工程樁基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力管樁，樁徑φ500，樁長10.0 m。設(shè)計(jì)單樁豎向承載力特征值1 800 kN。在預(yù)應(yīng)力管樁打樁前，對樁位進(jìn)行了引孔深度為3 m 引孔處理。本工程共進(jìn)行了靜載荷試驗(yàn)6 根，檢測結(jié)果匯總結(jié)果如表1 所示。典型測試曲線如圖1 所示。

表1 樁基靜載荷測試結(jié)果匯總表Tab.1 Summary of Static Load Test Results of Pile Foundation

圖1 試樁靜載荷曲線Fig.1 Test Pile Static Load Curve

根據(jù)靜載荷測試結(jié)果，工程樁極限承載力為2 160～2 450 kN，低于設(shè)計(jì)極限承載力3 600 kN，無法滿足設(shè)計(jì)要求，靜載荷試驗(yàn)均使樁達(dá)到極限狀態(tài)，靜載荷試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)的反映了其極限狀態(tài)下的承載力。根據(jù)測試曲線分析，在1 800 kN 之前，樁基本穩(wěn)定，之后繼續(xù)加載，穩(wěn)定時(shí)間變長，沉降加大，分析認(rèn)為是在1 800 kN 時(shí)側(cè)阻力全部發(fā)揮作用后，端阻力開始承擔(dān)全部荷載，而持力層為泥巖或砂巖等軟質(zhì)巖，強(qiáng)度低造成端阻力較低，樁基達(dá)到極限荷載后沉降持續(xù)增大而無法穩(wěn)定。根據(jù)靜載荷結(jié)果，結(jié)合場地地質(zhì)條件以及施工方式，因?yàn)槭┕で暗囊?，造成樁基為非擠土樁或半擠土樁，樁的側(cè)向擠壓作用明顯減弱，因而側(cè)阻力降低，樁端持力層為軟質(zhì)巖，造成端阻力也很低，因而實(shí)測承載力值不能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 高應(yīng)變檢測及結(jié)果分析

本工程現(xiàn)場共對10 根樁進(jìn)行了高應(yīng)變試驗(yàn)。從測試曲線看：動位移較大，現(xiàn)場實(shí)測貫入度在2～4 mm之間，表明錘擊能量合適，樁已被充分打動，承載力被充分激發(fā)；所有的試樁測試曲線中F 曲線和ZV 曲線同時(shí)起跳，同時(shí)達(dá)到最高峰以后，側(cè)阻力發(fā)揮作用，促使兩條曲線逐漸分離，在沖擊脈沖達(dá)到樁底（v2=t1+2L/c）時(shí)刻，ZV 曲線有較大的正向反射，顯示此時(shí)樁底有明顯的拉應(yīng)力，而后續(xù)ZV 曲線還有明顯的正向反射，這說明持力層強(qiáng)度低，符合持力層為軟質(zhì)巖的工程特性。對曲線進(jìn)行了實(shí)測波形擬合法計(jì)算。

檢測結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。典型擬合曲線及結(jié)果如圖2 及表3 所示。

表2 高應(yīng)變檢測結(jié)果Tab.2 High Strain Test Results

表3 3-1#樁CCWAPC 土參數(shù)匯總Tab.3 3-1# Summary of Soil Parameters of CCWAPC Pile

從表2 可以看出，擬合質(zhì)量數(shù)在2.37～2.92 之間，表明擬合效果良好，樁側(cè)阻力和端阻力取值在巖土層正常的取值范圍內(nèi)，主要參數(shù)符合程序規(guī)定要求，說明擬合法取得承載力值可信度較高。

⑴高應(yīng)變法計(jì)算結(jié)果在2 200～2 700 kN 之間，和靜載結(jié)果接近，動靜對比效果好，高應(yīng)變測試結(jié)果準(zhǔn)確度較高。

⑵擬合結(jié)果表明樁側(cè)阻力占總承載力的75%～80%，和靜載測試分析結(jié)果一致。

⑶計(jì)算的樁側(cè)阻力一般在1 800 kN 左右，這和靜載時(shí)分析的側(cè)阻力基本比較吻合，高應(yīng)變法對樁側(cè)阻力和端阻力的劃分準(zhǔn)確度相當(dāng)高。和勘察報(bào)告提供數(shù)據(jù)相比較，相對低了15%～20%，這和現(xiàn)場施工的實(shí)際情況有關(guān)，打樁前引孔，管樁擠土效應(yīng)明顯降低，造成樁側(cè)阻力低于完全擠土工況下側(cè)阻力。

⑷樁側(cè)彈限和樁底彈限一般取值范圍分別為：4.5～6.5 mm 和5.5～8.5 mm，取值較大，但是樁的側(cè)、端阻力取值正常值范圍內(nèi)，擬合效果和計(jì)算承載力值均達(dá)到滿意效果。

⑸現(xiàn)場錘擊力適當(dāng)，樁被充分打動的情況下，只要采集到準(zhǔn)確反映樁土信息的測試曲線，實(shí)測波形擬合法能夠得到準(zhǔn)確的承載力值，而且能對側(cè)阻力和端阻力詳細(xì)劃分，為樁的承載力分析提供充分的依據(jù)。

圖2 3-1#樁高應(yīng)變擬合結(jié)果Fig.2 3-1# Pile High Strain Fitting Results

3 結(jié)語

波形擬合法在采集的波形能夠準(zhǔn)確反應(yīng)樁土參數(shù)的情況下，擬合參數(shù)選取正確的情況下，測試的承載力結(jié)果準(zhǔn)確性較高，測試精度能夠滿足工程需要。工程實(shí)例表明，在樁的側(cè)、端阻力數(shù)值在正常值范圍內(nèi)取值的情況下，擬合計(jì)算時(shí)樁側(cè)彈限和樁底彈限一般取值范圍內(nèi)取大值，擬合效果和計(jì)算承載力結(jié)果準(zhǔn)確性較高。