高应变法检测计算承载力与静载对比分析

高应变法 检测计算承载力与静载对比分析

阮金友

惠州建恺建设工程质量检测有限公司 广东惠州 516229

摘 要：桩基检测方法多样，各种检测方法具有不同的特点。本文结合检测实例对检测管桩工程承载力的高应变与单桩竖向抗压静载试验检测两种方法的测试原理、过程、结果等方面进行对比分析。与高应变相比，静载法试验结果直观、准确，但试验周期长、费用高。实践中可根据具体工况选用，通过采取控制措施提供测试的准确性。

关键词：预应力管桩；高应变拟合曲线法；单桩竖向抗压静载试验

引 言

由基桩和桩顶的承台构成的桩基础工程主要承载上部建筑荷载力并有效传递到深层地下，是整个工程中较为重要的部分，其涉及建筑主体的安全，其质量管控不容忽视。预应力管桩采用高压、高温、蒸汽养护等技术手段，应力强度可达到C80以上，而且承载能力强、施工效率高、成本低、养护周期短、成桩质量可靠，目前应用极为广泛。高应变检测根据一维纵波理论，计算出桩模型和桩土体系简化，所有计算结果是基于桩-土模型和测量参数的设定，高应变法的计算结果具有多解性，因此，需要动静对比，进一步验证计算结果的准确性。

一、高应变检测原理及特点

高应变检测基于应力波理论，依据一维应力波弹性传播原理，假定桩周土介质均匀，桩身为弹性直杆件，且具有一维、杆件材料和杆截面应力均匀连续、各向同性的属性，采用重锤冲击桩顶，获得较高的冲击能量，使桩土间相对位移量能够满足测量要求，桩周土摩阻力及桩端支承力通过重锤力的激发，利用传感器获取基桩竖向抗压承载力，从而对桩身质量完整性进行评判。再利用计算机辅助系统拟合计算实测波形分析得到基桩周、周土力学参数、桩端土阻力分布以及荷载-沉降曲线。

通常，假定基桩是1个材质均匀、等截面的直杆，杆周围摩阻力忽略不计，直杆截面面积为A，直杆材料弹性模量为E，密度为ρ，时间为t，当杆在轴向力作用下沿x轴方向发生纵向位移μ，设定在杆件受压时，应变及各种力为正，速度、位移、加速度等参数定义为与x轴同方向为正，可以得到一维应力波动方程：

式中， ,为应力波沿杆竖向传播速度。

一维波动方程的求解主要有分离变量法和达朗贝尔解法。分离变量法表达了一维弹性杆纵向振动的特性，获得的解称为振动解；达朗贝尔解法表达了应力波在一维弹性杆中的传播规律，应力波一维方程的经典解。

高应变法测试系统主要包括锤击设备、加速度传感器、应变传感器以及动测仪系统（信号采集模块）、计算机辅助数据处理系统等构成。测量时，在距桩顶2倍桩径处，对称安装传感器，这些传感器通过传输电缆连接到高应变测试仪，用于记录重锤击撞桩产生的应变、加速度等信号。在通过计算机辅助系统进行信号滤波、放大、积分变换等处理，获得速度、应力等信号，再将这些信号参数采用曲线拟合，获得Q-s曲线、速度曲线、时程曲线等，或者采用锤击贯入法、打桩公式法、实时分析法（CASE法）、Smith波动法、静动法等方法计算分析桩身单桩承载力和结构完整性，以避免因施工条件、地质条件造成的桩基缺陷。

二、单桩竖向抗压静载试验

最为直观和简便有效的承载力检测方法即为单桩竖向抗压静载试验。JGJ 106-2014《建筑基桩检测技术规范》中规定：地基基础设计为甲级应采用单桩抗压静载试验对单桩竖向极限承载力进行检测。单桩竖向静载荷试验原理为在桩顶部逐级施加竖向压力，连续对桩顶部随时间产生沉降进行观测记录，从而确定检测的单桩竖向抗压承载力符合设计要求，其实质是对基桩荷载与沉降关系进行对比分析，可用来检测基桩破坏的形式及承载的能力。PHC管桩荷载传递机理是若干根预应力管桩与承台连接成共同体，承受上层建筑物全部荷载。传递路线为：上部结构物荷载→地基→承台→预应力管桩。预应力管桩竖向承载力特性计算公式为：

式中： 为基桩总摩擦阻力（kN）； 为基桩端总阻力（kN）； 为桩侧摩阻力（kPa）； 为基桩端阻力（kPa）； 为桩身截面周长（m）； 为基桩长度（m）； 为端桩全截面面积（m²）。

桩侧摩阻力 和桩端阻力 均有一定的极限值，桩身压缩变形及桩身轴力会随着深度逐渐向下变化，桩侧摩阻力 大小与桩土体系相对位移μ（极限非稳定值）存在相关，其分布形态为沿桩身自下向上。桩端阻力 施展也存在峰值，一旦超过峰值，桩基可能发生毁坏、失效。 和 非同步作用施展，研究表明 先于 施展极限值后， 才会施展作用。桩侧摩阻力 和桩端阻力 的定性分析与桩身几何尺寸、土层力学性质、施工因素等存在影响关联关系，定量分析还有待进一步研究和实践。

3. 工程实例分析

3.1工程状况

某工程拟建10层办公楼，建筑面积约2000m²,其结构为框剪结构，桩基基础为预应力管桩，桩径为500m，桩长设计为11~14m，根据该地区地质调查调绘及钻探揭露，持力层强风化花岗岩，桩身土层介质如下。（1）0~1.72m素填土；（2）1.7~4.85m耕植土。（3）4.5~8.58m粉质黏土。（4）8.3~20.14m强风化花岗岩。

根据建设单位委托，需检测2根试验桩的极限承载力，该工程预估单桩承载力特征值2400kN。先采用高应变法检测，然后对7号、8号试验桩进行单桩竖向抗压静载试验，确定其极限承载力，并对高应变检测结果进行验证分析。

3.2桩基检测试验分析

以7号、8号桩作为检测桩，进行高应变法抽检检测分析。配桩长度为9.0m+6.0m，入土桩长13.8m。试验用重锤整锤量为5.0t，7号桩高应变曲线如图1。

图1 7号桩高应变法抽检检测F-V曲线

图1中F-V曲线峰值出现后存在分离不太明显，在2 L/c附近存在较为明显正向反射，同时应力（F）曲线呈现明显下降趋势，由此分析桩底有缺陷，桩端阻力相对较弱，持力层较软弱。采用实测曲线拟合法计算，7号桩高应变承载力为4150kN。8号桩高应变法F-V曲线如图2所示。

对比图1，F-V曲线峰值出现后存在明显分离状态，速度曲线（V曲线）在L/c-2L/c附近呈现缓慢下降趋势并达到最低处，分析得知，8号桩侧阻力和端阻力比较强。实测曲线拟合法计算，检测获得8号高应变承载力值为5060kN。

随后对7号、8号桩进行单桩竖向抗压静载试验，试验曲线如图3所示。7号桩加载到4800kN时，位移量累计超过40mm，根据JGJ 106-2014《建筑基桩检测技术规范》规定，取沉降量等于40mm对应的荷载值4406kN作为7号桩单桩竖向抗压极限承载力。8号桩最大试验荷载加载到5760kN时，出现桩身爆裂现象，取前一级最大荷载为该桩极限承载力，最终得出8号桩静载试验极限承载力为5280kN。

图3 静载试验荷载曲线

3.3试验结果分析对比

通过分析并对比试验结果，可以发现，承载力较小时，高应变检测法通过拟合曲线计算获得单桩极限承载力小于静载试验预测值；当承载力较高时，高应变检测法预测值则高于静载试验获得的数据。分析认为由于位移受桩周土阻力影响，位移量没有静载试验大，桩周土阻力施展程度低于静载试验。另外，高应变采用一维动力波方程，未充分考虑桩身结构强度变化情况，由于预应力管桩为异性钢筋预制桩，桩身材质强度大，承载力计算时，容易取值出现虚高现象。分析7号和8号桩的动静对比结果；将实测曲线拟合法分析结果与静载试验获得的单桩竖向极限承载力进行对比：7号桩平均相对误差为6.1%，8号桩平均相对误差为4.3%；静载试验获得的单桩竖向极限承载力与实测曲线拟合法分析结果对比：7号桩平均相对误差为5.8%，8号桩平均相对误差为4.2%。

3. 结束语

在建筑工程中，高应变法和静载试验法在桩基检测中应用较为广泛。高应变法在实际工程应用中，受制于施工条件、施工人员技能水平以及实测曲线拟合法计算阻尼系数、混凝土弹模强度、侧阻力、端阻力、弹性位移等因素，经验参数的取值和拟合操作受人为操作的合理性和经验性影响较多。单桩抗压静载试验相比于高应变检测法拟合曲线计算结果较为安全。预应力管桩采用高应变检测适用于对打桩期间的监测，对保证整体打桩质量有很大的保证。后期采用单桩抗压静载试验进行抽检，对高应变法进行验证。

参考文献

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