周建成
佛山市顺德区建设工程质量安全监督检测中心
摘要：高应变法是一种常用的基桩检测方法，可同时对基桩的单桩竖向抗压承载力和桩身完整性进行检测，现已广泛地应用于工程实践中，相较于静载荷试验，它具有经济效益和时间优势的优势。本文对高应变的基本原理进行阐述，并通过具体的工程实例探讨高应变法在顺德地区的应用。
关键词：高应变法； 基桩检测； 顺德地区； 应用
1 高应变法的原理和基本理论
1.1高应变法的原理
1）、高应变法是一种给桩顶施加较高能量的冲击脉冲，冲击脉冲在沿桩身向下传播的过程中使桩-土之间产生一定的永久位移，实测的力和速度时程曲线反映岩土对桩的阻力作用和桩身阻抗的变化。
2）、高应变分析方法是波动理论，冲击力使得桩身质点振动，振动传递给相邻的质点，依此类推，振动由近及远以一定速度传播出去，从而形成波。分析时假定桩身材料均匀且各向同性、假定桩为一维线弹性杆并满足平截面假定。
3）、高应变法的过程就是用重锤冲击桩顶产生较大脉宽的平面波，作用时间通常不超过20ms，桩仅几个毫米的动位移，远不及静载试验的作用时间和沉降量。
4）、高应变测法测桩完整性的基本原理：波在传播过程中，遇到桩身缺陷等波阻抗异常的地方，会产生反射。
5）、高应变测法测单桩竖向抗压承载力的基本原理：应力波在行进过程中将使桩身截面产生运动，激发桩周土阻力，并反射回桩顶，通过在桩顶附近某个截面安装力传感器和加速度传感器接收，用CASE法或拟合分析法可计算得出阻力。
2 高应变法的应用范围
1）、单桩竖向抗压承载力的测定：判定单桩竖向抗压承载力是否满足设计要求是高应变法的主要功能。这里所说的承载力是指在桩身结构承载力满足设计要求的前提条件下，得到的桩周岩土对桩的抗力（静阻力）。要得到桩的极限承载力，应使桩侧和桩端岩土阻力充分发挥，否则不能得到承载力的极限值，只能得到承载力检测值。由于高应变法无法定量评价桩身结构承载力，因此，对于桩身存在严重缺陷的桩（此时桩的承载能力很可能由于桩身结构承载力控制），不适合用高应变法来判定单桩承载力。
2）、检测桩身完整性：与低应变法相比，高应变法激励能量显著增加，有效检测深度明显加大，特别在判定桩身水平整合型缝隙、预制桩接缝等缺陷时，大多能够在查明这些"缺陷"是否影响竖向抗压承载力的基础上，合理判定缺陷程度和桩身完整性类别。当然，带有普查性的完整性检测，采用低应变法更为恰当。
3）、打桩过程的监测：开发高应变动力试验技术的推动力最早就来自打入桩的施工监控，目的在于取代不够可靠的动力打桩公式。能够在打桩过程中进行监控，这是其它基桩检测方法所无法做到的。在打桩过程中进行监控的内容包括桩身最大压应力、桩身最大拉应力、桩的实测承载力随入土深度的变化、桩锤实际传递给桩的能量等数据。通过对监控数据进行分析，可以更加合理地选择锤重、冲程、锤垫、桩垫等沉桩设备和施工工艺，合理确定收锤标准等，另外，经过即打监控和复打试验的比较，可以确定打入式预制桩的单桩承载力随桩侧和桩端岩土阻力的变化而变化的情况。
3 高应变法的优缺点
1）、优点
因为省事、省力和省时间而可以降低检测费用和减少对工程的延误，当然是动力试验法最突出的优点。由此而延伸出来的优点，则是抽检率的提高和现场适应性的改善：前者使得本法更加适用于不均匀的桩基工程（包括由场地地质条件所决定的土层的复杂多变和由桩型所决定的成桩质量的不稳定），从而能对复杂场合提供比少量静载试验更加全面和更加可靠的检测结果；后者则使本法能够应用于许多因为条件限制而无法采用静载试验的特殊场合，如海上的桩基工程和特殊的大型工程需要极高的单桩承载力时，实际无法为静载试验构筑必要的反力结构，又如因工期限制必须提前完成检测等。换句话说，如果说在确定单个桩基的承载力方面，高应变动力试验法的精度还稍逊于静载试验，那么对于具有较大不均匀性的桩基工程来说，抽检数量的增加将大大有助于提高检测结果在总体上的可信度。因此，对于变异性较大的场地，在同样的检测成本下，动测技术的可靠性完全有可能赶上甚至超过静载试验。
2）、缺点
高应变动力试验不得不采用较大的锤重。一般说来，冲击荷载的实施虽然快捷，重锤的超控却并不容易。动态数据的采集很难达到较高的精度，动态信号的测定误差总是高于静态下的测定误差。正常情况下，桩基检测中静态误差不难控制在1%以下，动态误差就往往接近5%。另外，根据检测截面的设定参数来推算截面的实际作用力大小，也总是难免产生一定的误差。动力分析的数学模型本身比较粗略。在典型情况下，误差一般不大；如果实际的桩身运动偏离模型所要求的典型条件，如动位移和运动速度显著偏大的易沉场合，或者是动位移和运动速度特别偏小的难沉场合，模型的粗略就会带来显著的误差。另外，冲击荷载对桩土体系的影响实际远不是只有黏滞阻力一项，如果分析软件或分析人员不能正确加以考虑，结果的误差还有可能进一步增大。实际都有可能存在一定程度的混淆不清而缺乏有效而明确的区分办法。因此，在分析求解桩身的阻抗变化和承载力时，分析人员在桩基工程方面的素养和经验成为不可或缺的重要条件。
4 高应变法在顺德地区的推广与应用
4.1高应变法在顺德地区的发展
4.1.1检测设备投入大
1992年顺德地区引进第一台美国制造的PDA打桩分析仪，到目前为止顺德区建设工程检测中心已经有五台美国制造的打桩分析仪，其中四台PAK型、一台PAX型打桩分析仪（无线接受传输信号），设备数量上在区属检测机构已经属于领先地位，这就让高应变法在顺德地区的发展奠定了有效而坚定的硬件基矗
4.1.2不断保持高应变法专家并引进高端人才
从事高应变法相关的技术人员，包含了从事高应变法检测工作25年的教授级高工专家，还有3位年轻的高层次人才硕士研究生，在高应变法检测项目上还不断地引进人才，不断地壮大此类技术人员的专业队伍,这也锻就了高应变法在顺德地区发展的软实力。
4.1.3高应变法验收检测数量大
1992～2016年年度高应变检测总量高达13万根，检测数量最多的一年达到9862根，这属于区属甚至国内检测数量居高的。
总量高达13万根
4.1.4注重比对试验，从比对试验中找经验
引进高应变法检测以来，就十分注重检测经验的总结，在做桩基础承载力试验时注意有条件做动静对比工作，要多做动静比对工作，近十多年来就完成了33个工地70条管桩的动静比对试验，动静比对结果误差绝大多数在15%以内，详见管桩动静比对结果误差图。经过对比，不但了解了高应变法的测试精度，也了解了它的适用范围。而且，动静对比一致性较好的情况越来越多时，检测人员的自信心也不断增强，建设、监理、设计、施工，包括建管系统的人员也对高应变法越来越认同，这同时也为该方法的应用提供了良好的环境条件。
4.1.5确定桩身完整性
与静载试验相比，确定桩身完整性是高应变法特有的优势。前面已经讲过，我们曾经用高低应变法结合，在确定沉管灌注桩的桩身完整性方面发挥了很大的作用。事实上，高应变法测试时用重锤多次冲击，通过观摩桩身缺陷反射的变化情况，可以定量（用完好系数）判定桩身缺陷程度。以下试举例说明：
1）、大良某花园接缝脱开检测
该花园设计φ500的PHC预应力管桩，用柴油锤施打。由于设计地下室，送桩3米，而工地填土2米，以下为淤泥层，施打过程桩顶在淤泥摇摆，在桩身第三节接头处断开，动测第一次测试时可见类似断桩反射，经静载测试后再次高应变测试时反射波消失，见图7。该工地及其附近工地管桩经常出现此类缺陷。
4.2高应变法在顺德地区的推广与应用
4.2.1从地区实际出发完成的科研成果
2014～2016年区检测中心相继完成了《高应变法在管桩桩端土软化与松弛工程检测中的应用》、《高应变在特殊地质条件下预应力管桩工程检测中的应用》、《预应力管桩桩端土软化课题研究》等高应变法桩端异常情况的研究项目，包括遇水软化和桩端上浮，用数据说明高应变检测是否受到遇水软化的影响，并对规范中关于遇水软化不能做高应变检测作出修正。该组研究成果分别获得广东省第一届建设工程检测与监测优秀项目特等奖、广东省土木建筑学会2014年科学技术三等奖、广东省土木建筑学会2016年科学技术二等奖。
4.2.1.1应力管桩桩端土软化课题研究介绍
预应力管桩桩端土是否存在遇水软化现象，关系到如何评价现有房屋的安全性，对指导桩基础设计、施工具有重大社会意义和经济价值。花岗片麻岩和粉砂质泥岩这两类岩土，是我区分布最广、最典型的岩土，选取这两类岩土各1个场地进行试验。其中五沙某厂房工地持力层为粉砂质泥岩，大良某工地持力层为花岗片麻岩。每个试验工地采用静压法施工8根试验桩，每根试验桩在施工完约1周、1个月、2个月（注水浸泡1个月后）左右各进行一次高应变测试。每个试验工地各选择1根试验桩在施工完1个月、2个月（注水浸泡1个月后）左右各进行一次静载试验。五沙某厂房工地在施工完2个月（注水浸泡1个月后）还增加了1根桩的静载试验。通过分析承载力的变化、高应变法波形图的变化（特别是桩端支撑情况的变化），判断端阻力是否降低。
每个试验工地各选择1根试验桩在施工后约1个月、注水后约1个月各进行一次静载试验。比较同一根桩两次静载试验结果，极限承载力一样，沉降量变化幅度不大，试验曲线基本一致，说明注水后承载力并未降低，桩端土没有发生遇水软化现象。
利用高应变法拟合分析，可以获得每根桩端阻力和承载力的变化趋势，如附表2。从表上数据可以看到，端阻力和承载力随时间增长都有所增加。在第二次高应变检测后向桩孔注水，等待约1个月左右进行第三次高应变检测，无论桩底是否闭口、有无封底，端阻力和承载力均未出现降低现象。比较两种岩层的土阻力随时间的变化趋势，花岗片麻岩的恢复时间较短，后两次高应变检测时承载力增加幅度不大，可以认为第一次高应变检测时已获得稳定承载力，对应休止时间约为11d。
以花岗片麻岩或粉砂质泥岩为持力层的两个试验工地共16根预应力管桩，试验结果表明三次高应变承载力均未降低（详见粉砂质泥岩、花岗片麻岩三次高应变法结果图，图9），且两次静载结果均一致，桩端土未出现遇水软化。
结 论
高应变法作为基桩承载力成桩验收的一种方法是可靠的，同时具有可测完整性、用于试打桩试验、土层恢复系数总结等优势，值得推广。虽然国家行业规范、省地方规范早已规定了高应变法可作为基桩承载力成桩验收方法，但目前很多省份对其依然有诸多限制，其因主要是行业内滥用高应变法的现象层出不穷，也有相关各方经济利益的驱使使然。从本文的工程实例可以得出只要从业者能认真对待高应变法，在合理范围内使用，测出好的信号，多做动静比对试验，就能发挥该方法的优势，促进行业发展，为建设工程质量安全保驾护航。
参考文献
[1] 广东省建设工程质量安全监督检测总站.《工程桩质量检测技术培训教材》.2009年9月第一版
[2] 李德庆 李澄宇 李澄海.《桩基工程质量的诊断技术-方法、原理及应用实例》.2009年8月第一版
[3] 郑永民 张建生.顺德地区预应力管桩持力层遇水易软化试验研究.广东土木与建筑.2011年第12期
论文作者:周建成
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/26
标签：承载力论文; 应变论文; 顺德论文; 阻力论文; 误差论文; 工地论文; 桩基论文; 《中国西部科技》2019年第22期论文;