高應變法檢測質量控制相關問題探討

鹿逢月

摘 要 本文介紹了高應變法的檢測原理方法，質量控制技術以及檢測中應注意的問題。

關鍵詞 高應變法;CASE法;實測曲線擬合法;單樁豎向抗壓承載力

概述

高應變法檢測是一種用重錘沖擊樁頂，沖擊脈沖沿樁身向下傳播，使樁-土產生足夠的相對位移，以激發樁周土阻力和樁端支承力;通過安裝在樁頂的傳感器，實測樁頂附近或樁頂部的速度和力的時程曲線，通過波動理論計算單樁豎向抗壓承載力和樁身完整性的一種檢測方法;高應變法是基樁樁身承載力驗收檢測最快捷的檢測方法，該方法具有快速、經濟、無損等優點，應用最為廣泛。但是該方法由于有它成立的假設條件，且在實際檢測過程中，錘擊能量選擇、原始資料收集、檢測時間選擇、傳感器安裝以及樁頭處理好壞都會影響基樁高應變檢測的精度與結果的可靠性，因此如何確保檢測過程中采集的信號質量與檢測數據的合理分析是關鍵，下面對高應變法檢測工作質量控制的相關問題，進行一些探討。

1高應變法檢測對儀器設備的要求

①檢測儀器的主要技術性能指標不應低于現行行業標準《基樁動測儀》JG/T3055規定的2級標準;②高應變檢測專用錘擊設備應具有穩固的導向裝置。重錘應形狀對稱，高徑比（寬）不得小于1。當采取落錘上安裝加速度傳感器的方式實測錘擊力時，重錘的高徑比（寬）應為1.0～1.5;③采用高應變法進行承載力檢測時，錘的重量與單樁豎向抗壓承載力特征值的比值不得小于0.02，當作為承載力檢測的灌注樁樁徑大于600mm或混凝土樁樁長大于30m時，尚應對樁徑或樁長增加引起的樁-錘匹配能力下降進行補償，錘重與承載力特征值的比值不得小于0.03，承載力越大或樁長越長比值應越大[1];④樁的貫入度可采用精密水準儀等儀器測定。

2檢測時被檢樁基本參數的設定和計算

（1）采樣時間間隔宜為50μs～200μs，信號采樣點數不宜少于1024點;

（2）傳感器的設定值應按計量檢定或校準結果設定;

（3）自由落錘安裝加速度傳感器測力時，力的設定值由加速度傳感器設定值與重錘質量的成績確定;

（4）測點處的樁截面尺寸應按實際測量確定;

（5）測點以下樁長和截面積可采用設計文件或施工記錄提供的數據作為設定值[2];

（6）樁身材料質量密度應按下表取值：

樁身材料質量密度（t/m3）

（7）樁身波速可結合本地經驗或按同場地同類型已檢樁的平均波速初步設定，現場檢測完成后，可根據實測曲線進行調整;

（8）樁身材料彈性模量應按公式：E=ρ.c2計算。

E——樁身材料彈性模量（kPa）;

c——樁身應力波傳播速度（m/s）;

ρ——樁身材料質量密度（t/m3）

3高應變法現場檢測要求

①受檢樁的成樁齡期、樁頂處理、樁頭加固、錘擊裝置的架立以及傳感器的安裝應符合相關檢測規范的規定;②交流供電的測試系統應接地良好，檢測時測試系統應處于正常狀態;③采用落錘為錘擊設備時，為了獲得較好的采集信號，應符合重錘低擊原則，最大錘擊落距不宜大于2.5m;④現場信號采集時，應檢查采集信號的質量，并根據樁頂最大動位移、貫入度、樁身最大拉應力、樁身最大壓應力、缺陷程度及其發展情況等，綜合確定每根受檢樁的有效錘擊信號數量;⑤發現測試波形紊亂，應分析原因，樁身有明顯缺陷或缺陷程度加劇，應停止檢測[3];⑥承載力檢測時應實測樁的貫入度，為使受檢樁的側阻力及端阻力得到充分發揮且不會使受檢樁的承載力降低，單擊貫入度宜為2～6mm。

4高應變法檢測現場易出現問題

①錘擊偏心（無導向架時錘子的晃動;導向架放置不平;樁墊放置不平等），靈敏度系數設置顛倒等導致兩側力信號幅值相差過大;②現場使用了交流電，并且沒有有效接地導致加速度信號提前震蕩;③傳感器安裝不牢或松動（打孔過大或者打孔傾斜），樁墊使用不當，膨脹螺栓不好，濾波參數設置不合理等，導致測試信號震蕩厲害;④傳感器損壞，傳感器提前觸發（加速度通道較力通道靈敏，當周圍在同時進行打樁時，微弱的振動就能激發加速度通道）導致自觸發;⑤樁淺部阻抗變化、樁淺部土側阻力很大、測點處混凝土的非線性造成力值明顯偏高、錘擊力波上升緩慢或樁很短時，土阻力波或樁底反射波的影響、樁墊過厚、波速選擇不當、靈敏度系數不對、傳感器安裝傾斜等，導致速度與力峰值不重合;⑥標定系數、平均波速設置不合理等，導致曲線比例性差;⑦混凝土產生塑性變形或開裂、打孔間距與傳感器對應不上強行安裝、采樣時間較短在采集的時間內還沒有停止震動等，導致力值或速速最終未歸零;⑧不監測樁的錘擊貫入度，僅僅通過加速度多次積分得到位移曲線，通過最終的位移值大小來估計貫入度，導致貫入度數值不明;⑨觸變效應造成承載力不斷下降、每次錘擊之后沒有實時對傳感器進行加固等，導致多次錘擊數值相差較大。

5高應變法檢測信號的初判要求

①力和速度的時程一致，峰值重合、協調;（灌注樁峰值很難重合）;②力和速度的時程曲線最終歸零，位移曲線對時間軸收斂;③錘擊沒有嚴重偏心，力、速度不應相差太大，力信號不出現受拉;④波形平滑，無高頻干擾雜波;⑤有足夠的采樣長度，在2L/c時刻后延續時間不小于20ms;⑥高應變試驗成功的關鍵是信號質量及信號中的信息是否充分;⑦檢查混凝土樁錘擊拉、壓應力和缺陷程度大小，以決定是否進一步錘擊，以免樁頭或樁身受損;⑧對摩擦樁樁底反射明確。

6分析數據的選取相關要求

（1）出現下列情況之一時，高應變錘擊信號不得作為承載力分析計算的依據：①傳感器安裝處混凝土開裂或出現嚴重塑性變形使力曲線最終未歸零;②嚴重錘擊偏心，兩側力信號幅值相差超過1倍;③四通道測試數據不全。

（2）出現下列情況之一時，應采用單樁豎向抗壓靜載試驗方法進一步驗證：①樁身存在缺陷，無法判定樁的豎向抗壓承載力;②樁身缺陷對水平承載力有影響;③觸變效應的影響，預制樁在多次錘擊下承載力下降;④單擊貫入度大，樁底同向反射強烈且反射峰較寬，側阻力波、端阻力波反射弱，波形表現出的豎向承載性狀明顯與勘察報告中的地基條件不符合;⑤嵌巖樁樁底同向反射強烈，且在時間2L/c后無明顯端阻力反射波;也可采用鉆芯法核驗。

（3）曲線擬合法判定豎向抗壓承載力時Smith阻尼系數的選取：

J為Smith阻尼系數，它是一個有量綱的系數（量崗為s/m），且它的數值可以大于1，而CASE法阻尼系數是一個無量綱的系數，它的數值不得大于1。樁側阻尼系數Js建議按下表取值：

（4）高應變實測的力和速度信號第一峰起始段不成比例時，不得對實測力或速度信號進行調整。正常施打的預制樁，力和速度信號在第一峰處應成比例，基本相等。但也有不成比例（比例失調）是正常的，如下列幾種情況：①樁淺部阻抗變化和土阻力影響;②采用應變式傳感器測力時，測點處混凝土的非線性造成力值明顯偏高;③錘擊力波上升緩慢或樁很短時，土阻力波或樁底反射的影響。

（5）樁底反射明顯時，樁身波速可根據速度波第一峰起升沿的起點到速度反射峰起升或下降沿的起點之間的時差與已知樁長值確定;樁底反射信號不明顯時，可根據樁長、混凝土波速的合理取值范圍以及鄰近樁的樁身波速值綜合確定。

7高應變法實測數據分析方法

目前在我國應用范圍最廣泛的高應變分析方法是：CASE法和實測曲線擬合法（CCWAPC法）這兩種方法均屬于波動方程法。

7.1 CASE法

CASE法是美國CASE技術學院Goble教授等人經十余年努力，逐步形成的一套以行波理論為基礎的樁動力測量和分析方法。這個方法從行波理論出發，導出了一套簡潔的分析計算公式并改善了相應的測量儀器，使之能在打樁現場立即得到關于樁的承載力、樁身完整性、樁身應力和錘擊能量傳遞等分析結果。

CASE法判定單樁承載力可按下列公式計算：

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單樁承載力計算值（kN）;

Jc——CASE法阻尼系數;

t1——速度第一峰所對應的時刻（ms）;

F（t1）——t1時刻測點處實測的錘擊力（kN）;

V（t1）——t1時刻的質點運動速度（m/s）;

Z——為樁身截面力學阻抗（kN·s/m）;

A——樁身截面積（m2）;

L——測點下樁長（m）。

7.2 CASE法所作的基本假定

（1）假定樁身材料是均勻（樁身阻抗恒定且無明顯的缺陷）和各向同性的;（樁身某一截面上的各個質點的受力狀態都是相同的）;

（2）假定樁是線彈性桿件（不考慮樁身材料的黏性，應力波在沿樁身傳播時樁身材料不吸收應力波的能量）;

（3）假定樁是一維桿件;

（4）假定縱波的波長比桿的橫截面尺寸大得多;

（5）應力波在傳播過程中沒有能量的耗散和信號畸變;

（6）假定破壞只發生在樁土截面;

（7）動阻力只與樁底質點運動成正比，且全部集中于樁端;

（8）土阻力在時刻t2=t1+2L/c已充分發揮。

7.3 CASE法的適用條件

（1）摩擦型的中、小直徑樁和截面較均勻的灌注樁;

（2）樁身材質、截面應基本均勻;

（3） 阻尼系數Jc宜根據同條件下靜載試驗結果校核，或采用實測曲線擬合法確定Jc值。

7.4 CASE法的優點

（1）計算簡單。在選取了t1、t1+2L/c兩個時刻和CASE阻尼系數后，就可以得出承載力值;

（2）計算速度快、可提供的參數多。可作實時分析，進行打樁監測;

（3）完整性檢測能定量計算，能較準確地對長樁、多缺陷樁、多接頭預制樁、預制樁接頭脫開情況下的完整性作出判斷。

7.5 CASE法的局限性

（1）方法本身的局限性：

假設條件苛刻且樁土模型理想化，與工程樁實際差別較大，計算結果的可靠性會降低。樁身阻尼衰減沒有考慮。

（2）參數引起的局限性：

CASE法阻尼系數Jc為地區經驗系數，物理意義不明確，取值的人為因素較多，需要通過動、靜對比試驗來確定。

（3）實際應用的局限性：

樁身阻抗有較大變化時，CASE法無法考慮，嚴重影響計算結果。

（4）樁土體系的破壞模式的限制;

（5）土阻力激發程度的局限性;

（6）CASE法不能將側阻力與樁端阻力分開，且側阻力分布情況無法判別;

（7）承載力分析時，樁身缺陷沒有考慮，所以缺陷樁誤差更大;

（8）樁身塑性沒有考慮，低強度樁、力信號過大時存在問題，錘擊偏心時存在問題;傳感器存在的問題。

7.6 實測曲線擬合法的基本原理

實測曲線擬合法的基本原理是將現場高應變法采集的力和速度時程曲線和波動方程結合起來，將樁劃分為若干個單元，假定各樁單元的計算模型和土的計算模型，具體結合時預先假定各個單元體的計算參數，用實測速度（或力、上行波、下行波）波曲線為邊界條件求解波動方程，反算樁頂力（或速度、下行波、上行波）曲線，使計算波形曲線與實測波形曲線吻合程度良好，若二者吻合程度不滿足要求，則重新調整原波形參數，反復迭代計算，直至二者吻合程度達到要求為止，由此得出樁的承載力和阻尼系數等被認為是正確的。

7.7 實測曲線擬合法評判單樁豎向抗壓承載力應符合下列規定：

（1）采用的力學模型應與被檢樁的工程實際情況相符;

（2）擬合使用的土參數應在巖土工程的合理范圍內，所用土的最大彈性變形值應合理;