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摘要：基桩高应变检测是目前在检测桩的承载力方面最快捷，经济效益最好的检测方法，但从技术方面看，却又是最难准确分析桩身质量和承载力性状的检测方法。要利用高应变检测获得较为准确的完整性和承载力，好的实测数据以及合理的分析处理两者缺一不可，本文从实测数据出发，通过一些工程实例，论述如何甄别数据的质量，以及对有效数据如何分析处理等要点。
关键词：基桩检测 高应变 曲线 分析处理
一、引言
高应变试验利用从桩身上直接测试的应力波信号，对桩～土力学模型作一定的假设后，用数值法求解一维波动方程获得桩的承载力和完整性信息，因此，高应变是一种半直接法。高应变检测所有的分析判定，都必须基于检测到有效的数据曲线。但在实际检测中，因为场地条件的限制，锤击系统不稳定，桩头处理不合适，传感器安装不当等因素的作用下，很多现场采集到的数据无法反映桩身的力学性状。而对于能比较完整反映桩身力学性状的数据，在基于怎么样参数选择计算下才能比较准确得出桩的真实承载力，是一个挑战性极高的难题。因此，如何科学合理辨识数据的优劣，甄别数据的质量，如何合理选择计算参数是一个重要的课题。
二、实测曲线的类型
在实际检测过程中，由于受各种因素影响，检测采集到的数据千差万别，有的能比较准确反映桩身力学性状，有的不能；能反映桩身力学性状的曲线我们称之为有效曲线，不能的我们称之为无效曲线：
1.无效曲线
1.1四通道数据不全（如下图所示：）
1.4实测力与速度曲线峰值比例失调（如下图所示：）
以上实测的曲线数据，都是典型的不同方面和不同程度上失常的无效曲线，无法反映桩身的完整性信息和承载力状况，不能用作分析判定。检测时产生这些无效曲线，可能的原因有多种，有的是传感器安装不正确，有的是锤击偏心，有的是因为桩身强度低而导致传感器安装处混凝土开裂或产生严重塑性变形，总之应按实际情况纠正后再重新检测。对于采集到无效曲线的受检桩，多次采样仍无法采到有效曲线时，应考虑采用其它检测方法验证桩的完整性和承载力。
2.有效曲线
有效曲线指检测采样时参数设置正确，重锤的重量大于受检桩竖向抗压承载力特征值的2.0％～3.0％，单击贯入度在2～6mm之间，四通道数据齐全，力与速度曲线峰值比例协调，信号无干扰，信号在采集信号结束时桩已恢复静止，信号在激振时传感器锤击系统和桩头上部基本正常，两侧力信号峰值相差不超过一倍。表现在曲线上应该是：
1）没有不规则的毛刺或振荡不削顶；
2）应力和速度尾部归零；
3）应力和速度曲线上升沿重合几乎共同达到峰值点；
4）力传感器，加速度传感器，冲量定理所求得的最大打击力FMX，FVX，FHM接近；
5）力值无负值；
6）最大动位移5mm以上，残余位移大于2.5mm。
典型的有效曲线如下图所示：
三、有效曲线基于CASE法软件的分析计算
（一）case法的基本假设
1.实测总阻力包括静阻力和动阻力；
2.动阻力集中在桩底，无侧阻力，且动阻力只与桩底质点运动速度成正比；
3.忽略应力波在传播过程中的能量损耗，包括桩身阻尼损耗和桩周土的热逸散；
4.土的本构关系为理想刚塑性：土体对桩的静阻力大小与桩土之间的位移大小无关，仅与桩土之间是否存在相对位移有关。
（二）case法计算的子方法和适用条件
1.阻尼系数法（RSP法）
适用于单击贯入度大于2.5mm的桩。
2.最大阻力修正法（RMX法）
适用于土的弹性位移大，端阻力滞后发挥的桩。
3.卸荷修正法（RUN法）
适用于大摩阻力长桩。
4.通过延时求出承载力最小值的最小阻力法（RMN法）：
适用于桩身存在缺陷，桩底反射滞后，单击贯入度较大的桩。
5.考虑桩侧阻尼的修正法（RSW）
适用于摩阻力为主的桩。
6.自动法（RAU法、RA2法）
RAU法适用于摩阻力小的端承桩，RA2适用于摩阻力适中的端承桩。
在武汉岩海公司开发的case法计算软件中：RSP，RMX，RUN，RMN，WUX，WUX，RAU，RA２法等子方法的计算结果均可显示，如下图所示：
上图可以看出，通过不同的子方法计算的结果差异很大，在实际操作中应采用与之条件匹配的子方法计算出来的结果更为可靠。
总之言之，case法的极限承载力计算公式在最初导出时，对于桩侧摩阻力和以侧摩阻力为主的桩的研究并不充分。case法的承载力计算公式在推导过程中采用了不少简化，公式的推导并不严格。因此需要结合地区实际情况，通过动静对比试验，或与拟合法结果比较以得出合理的结果。在计算分析时，应该尽量再采用拟合分析法计算。
四、有效曲线基于CCWAPC软件的拟合分析计算
Case法的计算模型是一种理想化的模型，有时这种理想化的桩土模型与工程桩的实际情况有较大差别，从而引入较大误差，导致结果的可靠性降低。由此，国外学者提出一种计算方法，即通过波动问题数值计算，反演确定桩和土的力学模型及其参数值。其过程为：假定各桩单元的桩和土力学模型及其模型参数，利用实测的速度（或力、上下行波）曲线作为输入边界条件，数值求解波动方程，反算桩的力（或速度、下上行波）曲线。若计算的曲线与实测曲线不吻合，说明假设的模型或其参数不合理，有针对性地调整模型及参数再行计算，直至计算曲线与实测曲线（以及贯入度的计算值与实测值）的吻合程度良好且不易进一步改善为止。
与Case法相比较，曲线拟合法的优点体现在：曲线拟合法同时考虑了桩侧动阻力和桩端动阻力，并考虑了桩材料的粘性。曲线拟合法将桩的静阻力与桩～土之间的相对位移建立了直接联系。
目前比较常用的曲线拟合法计算程序国外有“CAPWAP”，国内有武汉岩海公司的“CCWAPC”。本文仅以“CCWAPC”程序为例作阐述：
（一）采用曲线拟合法计算应符合的规定
由于桩、土以及它们之间的相互作用等力学行为的复杂性，实际运用时还不能对各种桩型、成桩工艺、地质条件都达到十分准确地求解桩的动力学和承载力问题的效果。所以在《建筑地基基础检测规范》作了如下规定：
1.桩土力学模型的物理意义明确，应能反映桩土的实际力学性状。
2.曲线拟合时间段长度在ti+2L/C时刻后延续时间不应小于20ms；对于柴油锤打桩信号，在在ti+2L/C时刻后延续时间不应小于30ms。
3.各单元所选用的土的最大弹性位移值不应超过相应桩单元的最大计算位移值。
4.土阻力分布应能体现受检桩的实际承载性状，拟合分析选用的限定在岩土工程的合理范围内。
5.在同一场地，地质条件相近，桩型、施工工艺及村截面积相同时，各受检桩的桩侧土弹限、桩底土弹限、桩侧土阻尼、桩底土阻尼的极差不宜大于其平均值的30%。
6.拟合完成时，土阻力响应区段的计算曲线与实测曲线应吻合，其它区段的曲线应基本吻合。
7.贯入度的计算值应与实测值接近。
（二）主要拟合参数的取值与影响
在拟合计算中涉及的几个主要参数：桩侧土的加荷最大弹性形变QS、桩底土的加荷最大弹性形变QT、桩侧土的卸荷弹性变形极限CS、桩底土的卸荷弹性变形极限CT、桩侧土的史密斯阻尼SS、桩底土的史密斯阻尼ST、桩底土隙TG，这些参数取值的是否合理，对拟合效果有着极大的影响。
1. 桩侧土的加荷最大弹性形变QS
QS值不能为0，也不能大于相对应桩单元的最大位移，数值变动不大，建议初始取值为2.5mm，降低时会引起桩侧土的快速加荷与卸载，使波形F（t）顺时针转动，即上部升高，后部下降。
2. 桩底土的加荷最大弹性形变QT
QT值不能为0，也不能大于桩端最大位移与桩底土的加荷最大弹性形变之差，数值变动较大，建议初始取值为2.5mm，降低时会引起桩底土的快速加荷与卸载，使波形F（t）顺时针转动，2L/C前F（t）曲线上升，2L/C后F（t）曲线下降，且使贯入度减小。
一般情况下QT＞QS。
3. 桩侧土的卸荷弹性变形极限CS
取值为0＜CS≤1，建议初始取值为1，减小时会引起桩侧土单元卸载速度加快，使F（t）曲线的后部越来越下降。
4. 桩底土的卸荷弹性变形极限CT
取值为0＜CT≤1，建议初始取值为1，减小时会引起桩底土卸载速度加快，使F（t）曲线的后部越来越下降，便下降起始与结束部位略微靠后。
5. 桩侧土的史密斯阻尼SS
取值为0.075＜SS＜1，有时也会超过这个数值范围，建议初始取值为0.1。在CCWAPC中，改变SS会引桩侧土CASE阻尼Js变化，变化范围可为0＜Js＜3，但各桩单元土的CASE阻尼不能大于1。
减小Js，会使桩侧土单元动阻力减小，计算曲线偏低，Js过低会引起低频振荡。
6. 桩底土的史密斯阻尼ST
取值为0.075＜ST＜1，有时也会超过这个数值范围，建议初始取值为0.1。在CCWAPC中，改变ST会引桩底土CASE阻尼Jt变化，桩底土阻尼Jt一般不大于1。
减小Jt，会使桩底土单元动阻力减小，2L/C处计算曲线偏低。Jt太小，2L/C会有低频振荡形成；而Jt太大，又往往会形成大量高频振荡。
7. 桩底土隙TG
当确信桩底存在间隙时方可使用，否则一般取值为0。存在间隙时，取值也不宜过大。间隙的确定办法，可从桩顶最大位移和桩底反射两方面观察，若桩顶沉降过大且桩底反射强烈，则有可能桩底存在间隙。（如下图所示）
CCWAPC使用手册建议初始值为1.5mm，最大值不应大于桩顶最大位移与桩底土的加荷最大弹性形变之差，通常在几毫米范围。
（三）拟合计算效果评估
拟合质量数据越高，拟合效果越好。拟合质量数为计算曲线与拟合曲线上各点差值进行加数的结果，在曲线拟合分析中，拟合质量数高，仅仅意味差拟合效果较好，并不完全表示计算结果正确。在拟合效果较好的情况下，桩-土参数取值合理，土阻力分布与地质条件吻合，贯入度的计算值与实测值接近所得出的结果才有可能接近桩的真实承载力。
五、结语
高应变检测是一种半经验法，检测结果的准确性依赖于数据信号的质量和测试人员对计算参数选择。同一数据在不同的测试人员的计算下的结果不尽相同，但在数据质量可靠，计算参数选择合理的情况下，所得出的结果均可认为接近真实承载力。而知道如何正确选择数据，调整数据，分析数据是一个负责任的测试人员应该具备的基本素质。
参考文献
1.王雪峰 波动方程拟合分析原理及应用
2.陈凡，徐天平，陈久照，关立军 基桩质量检测技术 中国建筑工业出版社
3.陈安国，刘东甲 .基桩高应变检测的拟合方法研究 工程地球物理学报
4.广东省标准.建筑地基基础检测规范 DBJ15-60-2008；
5.中华人民共和国行业标准.建筑基桩检测技术规范JGJ106-2014
6.基桩动测仪使用手册 武汉岩海公司
论文作者:仇诗波
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/10
标签：曲线论文; 底土论文; 阻力论文; 承载力论文; 阻尼论文; 位移论文; 数据论文; 《建筑学研究前沿》2018年第10期论文;