广州市水务科学研究所
摘要：高应变检测技术应用于管桩桩端检测工作中，管桩桩端检测工作是一项严谨而细致的工作，它要求测试人员要有精湛的专业技能和严肃的工作态度，而且要有丰富的实践经验，能够及时准确地发现并解决问题。通过多年来观察顺德地区管桩高应变法与静载试验结果误差偏大的一些例子，我们发现主要是桩端两种异常支撑情况所致，而高应变法瞬态冲击方式是造成上述影响的原因。文中用两个代表性工程实例结合施工过程和地质资料加以分析说明，对提高管桩桩端异常支撑情况下高应变法的检测精度作出相应建议。
关键词：管桩；动静比对；高应变；支撑情况
引言
目前，高应变法是预应力管桩工程承载力验收的有效手段，只要高应变试验时桩身位移足够，就能获得桩侧的极限土阻力，而桩底的土阻力则取决于桩端持力层的性状，其激发的程度则与桩底的竖向位移有关。
顺德地区此前做过大量的预应力管桩高应变法与静载承载力比对试验（简称“动静比对”，下同），绝大部分动测拟合分析结果与静载试验结果的误差都在±15% 以内，且高应变结果偏向于保守的居多，但这些工地管桩施工收锤标准都较为严格，桩端持力层性状良好。多年来，我们陆续发现了个别动静比对误差较大的工地，经分析发现主要是因桩端支撑情况异常所致，一类是收锤标准偏松且桩端持力层岩性复杂，另一类是因多种原因引起桩端上浮现象导致桩端与持力层之间产生间隙。前者通常高应变实测结果比静载结果偏高，即高估承载力，易造成安全隐患；后者又实测结果偏低，易出现误判情况。故分析此类误差原因对提高高应变法的测试精度以及探索高应变法的适用范围大有裨益。
一、工程实例
下面列举其中的两个代表性工地试验 A 和 B，其高应变信号速度曲线桩端分别呈现不明显和明显的同相反射特征，通常是反映桩端支撑情况较好或偏差，但动静比对结果皆相差较大。工地基本情况和代表性检测曲线见表 1 所示，持力层类别是顺德地区较为普遍的风化岩层，其中，工地 A 的试验桩收锤标准较松，入岩深度浅，但高应变信号桩端同相反射却较弱（见表 1 工地 A6# 桩高应变信号）；工地 B 的工程桩收锤较严，但在检测验收时较多高应变信号却呈现强烈同相反射（见表 1 工地B451# 桩高应变信号）。下面分别对此加以分析。顺便说明，二个工地高应变测试采用 8 吨自由落锤，锤高控制在 1～2m，信号采集用美国 PDI公司生产的 PDA 打桩分析仪，承载力结果利用 Cap-wapc 软件拟合分析获得，静载试验采用慢速维持荷载法。
工地 A 是我中心遇水软化试验课题的其中一个管桩动静对比工地。在同区域共静压了 7 根Φ500m m 相同桩长试验桩，桩间距 2.5m，终压力1000kN 至 2650kN 不等（通常工程要求 Φ500m m终压力在 4000kN 左右，说明桩端还没到工程要求的持力层），恢复 7 天进行了复压，分别在恢复 9、37、83 天进行高应变试验，高应变速度信号桩端同相反射不明显，其中 6 号桩桩端处于岩性交互、风化不均的强风化泥质粉砂岩中，分别在恢复 33和 77 天做了静载试验，几次高应变信号及静载数据类似，表 1 中为 6 号桩的第二次高应变和第一次静载曲线，动静比对结果见图 1 所示，两次静载结果均为 3500kN，拟合分析所得动测承载力随时间逐渐递增且幅度逐渐减小，但两次结果接近 4200kN，动静比对误差近＋20％。另外该工地另一根 4号桩的动静比对误差也将近＋20％，表明在工地 A试验中的高应变法高估了承载力。同样，在课题的另一个动静对比工地和 2011 年全广东省高应变比对工地，也出现一些试桩因等桩长施工、收锤标准松而出现了高应变法高估承载力的现象。
表 1 工程实例基本情况
工地 B 在工程桩的高应变验收阶段发现部分桩承载力偏低（桩端有明显同相反射），高应变结果不到 3000kN，不符合设计要求（单桩设计 2000kN）。择其中 451# 工程桩做静载试验，静载值却大于4000kN。第一次高应变信号和静载曲线见表 1，动静比对误差则大于 37%，而在静载后不久又对该桩进行了高应变复测，动测承载力则提高到了4688kN，信号曲线见图 2，与表 1 中比较可知桩端同相反射改善明显，该桩动静比对结果见图 3 所示。为了探讨原因分析，又选择了 7 根高应变测试承载力不满足要求的桩进行了高应变复测，复测过程中有多打几锤，初检和复测的比对结果见图 4 所示，承载力均有不同幅度地提高，从 14% 到 55%不等，高应变速度曲线的桩端同相反射均明显变小。
二、原因分析
高应变测试属瞬态冲击，由于作用时间短，桩土位移小（通常在几个毫米之间），故端阻反应的更多是桩端接触面附近的性状。而静载试验更接近桩的真实工作条件，为防止加载速率对承载力的影响，一般按照极限承载力的1/10分级逐渐增加荷载，并且在每级荷载维持足够长时间到沉降趋于稳定后方施加下一级荷载。卸载亦有类似要求。通常完成一根试桩时间需要十几小时到几十小时。所以，桩端支撑情况异常对静载试验承载力的影响可以忽略不计。
从施工过程看，工地 A 是定长施工，收锤标准很松，造成桩端入岩深浅不一，持力层性状不稳定，桩端支撑情况复杂。工地A在每根桩附近都有钻孔取样和静探试验，资料揭示场地岩层变化复杂，岩性及风化程度沿垂直和水平方向都有剧烈的变化，相隔不到 1m 的孔位所示岩层都有很大出入，且强风化岩层中夹大量中风化岩碎块，4、6号桩属于有硬夹层的一边，说明桩端刚好处于性状略好的岩层或桩端下有较硬夹层。另外，由于打（或压）桩的缘故，可能也在桩端下方形成硬夹层。但是，由于定桩长施工，终压力仅为2600 kN，远未达到通常工程要求的 4000 kN，所以，硬夹层以下岩层还是偏软，达不到设计要求。4、6 号桩因桩端下有硬夹层而使得高应变速度信号桩端反射不明显，由于硬夹层和下面的松软岩层波存在明显阻抗差异，瞬态冲击力产生的应力波未能反映出硬夹层以下岩层的情况。而静载试验每级荷载维持时间相对很长，荷载可以传递通过硬夹层。如6号桩桩端位移超过100mm，是高应变的十几倍，其对持力层的影响范围也远远超过高应变法。
工地 B 采用锤击送桩，25m m /10 击收锤，在收锤标准较为严格的情况下依然出现桩端同相反射明显的现象，但该案例表明高应变法较大地低估了承载力。从施工记录来看，工地 B 承台内桩数多达 9根，间距小，由于工期紧张，多台桩机同时施工，未能根据工地特点安排好合理的施工顺序。由此推断工地 B 的部分桩出现了上浮现
象。由于桩上浮而在桩端形成了间隙，桩端和持力层之间的波阻抗明显减小，阻碍了应力波的传播，未能激发出真实的桩端阻力，速度信号同相反射明显，导致初次承载力分析结果明显偏低。且可能因桩端间隙较小，对于端承力来说，桩底的持力层会在重锤冲击下受到夯实压密而迅速提高其强度和刚度，故出现图 4 中承载力值提高的结果，而静载的“夯实”作用更为明显，使得图 4 中的桩第二次动测承载力大幅提高。
按照建立于刚塑体模型基础上的经典单桩端阻力极限平衡理论，桩端持力层塑性极限平衡区分为五个部分三个区，即桩端中心的主动朗肯区Ⅰ、与中心区相邻的辐射向剪切区Ⅱ、与辐射区相邻的被动朗肯区Ⅲ，见图5所示，桩端阻力则由该三个区构成的梨状土体提供。工地 A 的 6 号桩静载曲线出现了陡降，且沉降较大，说明三个区构成的桩端阻力其实并不高，桩端范围的梨状土体发生了剪切破坏，持力层压缩性较大，此时硬夹层之下的软岩层起了决定性作用，而高应变法端阻支撑主要靠图5 中Ⅰ区离桩端近的较硬岩层提供。结合地质情况和动静比对结果，说明在工地 A 中高应变法显示的桩端阻力是一种“假象”，未能真实反应出桩端整个持力层范围的支撑情况。工地B的451号桩由于上浮使桩端与持力层 I区出现间隙，该间隙导致高应变瞬态冲击的应力波在桩端产生强烈的同相反射，从而显著低估了基桩承载力；间隙闭合后，
同相反射消失或明显减弱，高应变法分析的承载力接近静载结果。从以上分析可知，工地 A和B动静比对结果存在较大差异，其原因都和桩端支撑情况密切相关。但这种性状变化导致了高应变和静载试验的较大误差。为了提高高应变法的测试分析精度，应当结合施工记录和地质资料进行综合分析动测承载力，尤其是端阻部分，参考因素包括布桩密度、沉桩环境、沉桩工序、收锤标准、桩端入持力层深度及桩端持力层分布情况等等，特别对于收锤标准较松和地质变化复杂的工地要格外留意，高应变测试时碰到贯入度大的桩应多打几锤以观察持力层性状的变化趋势，为估算承载力提供参考，另需多做一些动静比对试验以总结经验。
结束语
管桩桩端附近异常的支撑情况对瞬态冲击的高应变法的影响不能低估，这是顺德地区总结出的容易引起动静比对误差偏大的主要原因。分析动测承载力时，尤其是桩端信息，要结合地质资料和施工情况，收锤较松且桩端有硬夹层时高应变法易高估承载力，而上浮导致桩端有轻微间隙则易低估承载力，对与实际情况存在明显差异的承载力分析结果需引起警惕，否则易造成不安全隐患或者误判。高应变测试仅仅反映桩端小范围持力层的端阻信息，特别对桩端与持力层接触面的支撑情况非常敏感，与桩实际受荷时桩端受力情况不同。为避免动测承载力分析误差，当发现桩端支撑情况异常时可复打（复压）后再检测，或按规范要求进行静载试验。
参考文献
[1]李德庆，李澄宇.桩基工程质量的诊断技术 --方法、原理及应用实例.中国建筑工业出版社.2012.03
[2]陈旭照，郑宇民.预应力管桩沉桩过程模拟与承载力预测.建筑工程集团有限公司.2011.10
[3]李煦洋.建筑基桩检测技术规范.建筑工业出版社.2015.04
[4]顾玉山.基桩高低应变检测相关问题探讨.科技与研究.2012.08
[5]马裕国.解志浩.基桩高应变动力检测在工程桩检测中的应用.2012.04
论文作者:李斌
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
标签：承载力论文; 应变论文; 工地论文; 比对论文; 岩层论文; 动静论文; 情况论文; 《建筑学研究前沿》2017年第30期论文;