灌注樁高應變二種測力方法的差異性研究

鄭文貞

（廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司）

0 引言

近年來，隨著設計不斷優化以及施工工藝的長足進步，高層建筑物的基礎中使用了越來越多的大直徑、高承載力的混凝土灌注樁，樁的施工質量好壞直接關系著建筑物的整體質量，因此，準確的檢測大直徑灌注樁的豎向抗壓承載力是否滿足設計要求變得尤為重要。

目前，國內主要的基樁檢測規范允許用靜載和高應變法檢測樁的豎向抗壓承載力，就高應變法而言，在預應力管樁中的應用已經很成熟，但在混凝土灌注樁尤其在大直徑、高承載力的樁型中應用相對較少。高應變法的信號采集包括力信號和加速度信號的采集，廣東省標準DBJ/T15-60－2019《建筑地基基礎檢測規范》對力信號的采集給出了兩種方式：在樁頂附近安裝應變傳感器或者在重錘上安裝加速度傳感器，后文分別稱為應變測力和錘上測力。目前大多數檢測機構傾向于采用應變測力，然而，實際情況是，對于大直徑、高承載力的混凝土灌注樁，受混凝土的不均勻性、非線性以及測試環境等因素影響，在高錘擊力的作用下，易造成樁頂兩側混凝土變形不協調和塑性變形過大，此時采用應變測力易出現兩側力信號峰值差距大、力曲線與速度曲線峰值比例失調、力信號失真等問題。因此，在大直徑混凝土灌注樁中采用應變測力往往難采集到高質量的信號，影響測試結果。

為降低上述影響，應變測力測試前需預制混凝土樁帽作為替打，樁帽混凝土標號一般高出樁身混凝土標號兩個等級，若選用大噸位重錘，則需進一步提高樁帽混凝土標號，根據樁的設計承載力以及滿足“重錘低擊”的原則，大多數灌注樁檢測選用的錘重在100kN 至300kN的范圍內，對于樁徑小、樁長短的灌注樁，尚能與樁阻抗匹配，充分激發樁土相對位移，但是對于樁徑大、樁長長的樁型，該錘重下提供的沖擊能量往往不足，為此，高應變重錘的設計質量越來越大，據悉，目前國內用于檢測灌注樁承載力的高應變重錘已達600kN，可想而知，其產生的高錘擊力將會放大上述影響，增加采集高質量信號的難度。如圖1，在高錘擊力作用下，應變傳感器測得的力信號失真。

圖1 高錘擊力下力信號失真

考慮到應變測力的上述局限性，有檢測機構已用錘上測力采集力信號，關于錘上測力的有效性和準確性已有不少學者進行了相關研究，如：陳久照等[1]采用數值模擬方法分析了錘上測力的合理性、可行性和優越性,明確了該方法與應變測力產生差異的情形、原因以及對檢測結果的影響程度。郭寶園[2]從理論上分析了錘上測力方法的準確性，并結合實際工程證明了采用錘上測力對大直徑灌注樁進行高應變試驗是可靠的。鄭建民等[3]通過比較應變測力和錘上測力，證實了錘上測力的優越性，并通過動靜對比試驗，進一步驗證了錘上測力的準確性。

本文以錘上測力為參照對象，結合已有的相關研究成果，分析造成應變測力在大直徑灌注樁中應用局限性的根本原因，并通過實測數據證實分析結果，所得結論以指導灌注樁高應變法現場測試，進一步提升高應變法在大直徑灌注樁中的應用。

1 兩種測力方法的基本原理

1.1 錘上測力

廣東省標準DBJ/T15-60－2019《建筑地基基礎檢測規范》規定在自由落錘錘體0.5Hr 處（Hr 為錘體高度）對稱安裝加速度傳感器直接測量錘擊力，測量基本原理為當重錘對樁頂施加豎向沖擊荷載時，樁頂受到的作用力與重錘底面受到的反作用力大小相等、方向相反，故可認為樁頂附近傳感器安裝位置受到重錘的錘擊力與重錘受到樁頂施加的反作用力相等，由此可計算出重錘對樁頂施加的錘擊力［4］。

式中：F 為錘擊力，m 為錘體質量，a 為實測加速度值。

1.2 應變測力

規范規定傳感器宜分別對稱安裝在距樁頂不小于2d 的樁側表面處（d 為試樁的直徑或邊寬），大直徑灌注樁傳感器安裝位置與樁頂之間的距離可適當減小，但不得小于1d，錘擊力計算公式如下：

式中：F 為錘擊力，A 為測點處樁截面積，E 為樁材料彈性模量，ρ 為樁材料密度，c 為樁身波速，ε 為實測應變值。

由公式（2）、（3）可知，樁身波速c 和實測應變值ε直接影響錘擊力計算值。

2 應變測力局限性分析

2.1彈性體假定對波速c 的影響

在樁中分析波的傳播規律時，前提假設介質為彈性的，上述波速c 為彈性波波速，但是，混凝土畢竟不是理想彈性體，對于聲波透射法和低應變法來說，由于應變量級較小，混凝土的變形在彈性范圍內，尚可認為混凝土為彈性材料，然而對于高應變法來說，其產生的應變量級較低應變法或是聲波透射法要高得多，尤其當重錘提供的錘擊力較大時，此時混凝土的塑性特性就不得不考慮。當混凝土表現出彈塑性時，樁中產生的應力波并不是我們假定的彈性應力波而是彈塑性應力波，此時，波速實則為彈塑性波波速c′，其傳播規律和特性大致為：混凝土變形初期，彈性波以一定的波速傳播，隨著混凝土變形增大出現塑性變形，塑性波也開始在樁中傳播，塑性波的傳播速度小于彈性波的傳播速度，且塑性波波速隨著應力的增大而減小。換句話說，混凝土表現出塑性變形越大，樁身波速則越低，從高應變法波速低于低應變法波速也證實了這點。因此，根據公式（3）計算得到的彈性模量較實際值要小，進而導致計算得到的錘擊力值較實際值低。總結來說，在不考慮其他因素影響下，隨著錘擊能量增加，應變測力測得的錘擊力值將越來越小于實際值。

2.2 實測應變值的影響

實測應變值容易受到偏心荷載、樁徑及傳感器的安裝環境、混凝土的特性和質量等因素的影響。

⑴偏心荷載影響：重錘產生的沖擊荷載可視為平面波，應變傳感器測量的是間距約76mm 的兩質點間的相對變形來反映力的大小，再通過平均兩個測量力值得到樁身受力[2]。在偏心荷載作用下，應力波傳至樁兩側應變傳感器安裝處兩質點的時間差異造成兩側彈性變形不同，計算得到的應力時程曲線一致性差，雖然取平均值能降低偶然誤差，但因測試數據少，仍無法較好的控制的誤差，尤其在兩個測試值相差較大時，如：當兩側力信號峰值相差一倍以上，任一個力信號與平均值之差的絕對值超過了平均值的33%。因此，規范中明確規定這種信號不能用于計算分析。然而，在實際工程中，不同程度的偏心情況經常發生，如圖2。

圖2 偏心荷載作用下實測力信號

⑵樁徑及傳感器安裝影響：基于圣維南原理，廣東省標準DBJ/T15-60－2019《建筑地基基礎檢測規范》規定傳感器安裝位置宜距離樁頂不小于2d（d 為試樁的直徑或邊寬）以減小偏心荷載帶來的影響，然而，在實際工程中，受現場條件、沖擊設備及試驗安全的限制，大多數大直徑灌注樁測試中只能勉強滿足距離1d 的要求，并且樁徑越大樁頂的三維效應越明顯，偏心荷載的影響越嚴重，實測信號效果越差，試驗證明，當樁徑較大或應變傳感器安裝位置距樁頂距離較小時，實測力信號可能會出現拉力，在測試中這種信號無效[2]。

⑶混凝土不均勻性和非線性的影響：不均勻性的影響表現在容易造成力信號失真，非線性的影響則表現為：隨著應變增大出現塑性變形，使得實測應變值偏大且力信號曲線尾部不歸零。

2.3 應變率對混凝土動彈性模量影響

按應變測力公式（2）計算錘擊力大小，前提假設是混凝土滿足胡克定律，但混凝土并非理想的線彈性材料，且高應變錘擊力的實質是一種動荷載，根據混凝土的動荷載特性可知，在一定范圍內，隨著重錘落距增加，樁頂混凝土應變率隨之增加，混凝土的彈性模量表現為動態增大，不同應變率對混凝土力學特性的影響已有很多學者做了較為全面的研究。如：Bischoff 等研究了高應變率下混凝土的抗壓性能，試驗數據離散性較大，但總體反應了混凝土的增強效應。雷光宇［5］等結合數值試驗指出隨著應變率的增大混凝土強度不斷變大。邢峻偉［6］等研究了C20 混凝土彈性模量與應變速率的關系，得到了在混凝土彈性變形階段，混凝土彈性模量隨著應變速率增加而增加。孫吉書［7］等通過試驗得出了C50 混凝土在一定的應變速率范圍內，隨著的應變速率增大，混凝土彈性模量明顯提高。

然而，按公式（3）計算混凝土彈性模量，未表達出動態增大的特性，因此，隨著重錘落距增加，使得計算得到的錘擊力值將越來越小于實際錘擊力值。

2.4 小結

上文論述了應變測力應用于大直徑灌注樁時難以準確的測試錘擊力，一方面受外界條件的影響，另一方面由于理論假設前提與實際情況的差異造成，由于影響因素很多，本文暫無法進行相關性和量化分析。但是，由上文論述可知，在理想的測試效果下，隨著重錘落距增加，應變測力測得的錘擊力值將越來越小于實際力值，進而可能造成實測力曲線與速度曲線峰值比例失調，影響高應變法的準確性。

3 工程實例

通過抽取采集狀況良好的一些項目中的部分樁的高應變實測數據，按測試采用的不同錘重：5 噸至13噸、14 噸至19 噸、20 噸至30 噸、31 噸至60 噸進行分類，分別記錄每根樁3 錘的錘上測力和應變測力的測試數據，見表1，分析數據變化趨勢。

表1 不同錘重錘上測力和應變測力數據

續表1

根據表1 數據，計算每根樁3 錘的錘上測力值與應變測力值的差值（簡稱“差值”），并將差值沿Y 軸平移得到表2，并根據表2 數據繪制變化趨勢圖3。

表2 不同錘重錘上測力和應變測力數據

圖3 變化趨勢圖

根據圖3 可得出以下結論：

⑴隨著重錘落距增加，差值大致表現出非線性增大趨勢；

⑵不同錘重對差值的影響不同，總體而言，隨著錘重增加，對差值影響增大。

4 結論

⑴混凝土材料特性導致應變測力法的應用有局限性，隨著測試錘重增加，進一步增加了這種測試方法的不準確度，使得測試值小于實際值，以致對試驗結果產生較大的影響。

⑵當采用應變測力法時，應盡可能采用重錘低擊的方式以維持高能量同時減少錘擊力引起混凝土材料的塑性變形，減少應變測力帶來的誤差。

⑶在開展大直徑灌注樁高應變法測試時，除了應嚴格保證測試條件外，宜選用錘上測力法以減少混凝土材料特性對測試結果帶來的影響。