扩底桩基础的检测与分析
 

摘要对于在扩底桩成桩的检测、分析、研究与实践过程中总结出来的桩基动测技术,用波动方程拟合分析法在桩的静载荷试验中予以动静对比测试分析、验证,总结出扩底桩不但可以有效地避免或解决传统桩基础在现代化建筑的基础施工中常常出现的问题,而且是一种技术可靠、施工方便、振动小、噪音低、适应能力强、适用范围广的优秀桩型。

关键词:扩底桩  检测  动测  静载荷试验

中图分类号:TU4  文献标识码:A  文章编号:(200601-0014-05

 

扩底桩基础的检测与分析

 

张铭军

 

1.桩基动测技术的发展

基桩动力检验方法具有费用低、快速、轻便等优点,因而越来越受到人们的重视和欢迎。1985年的第十一届国际土力学会,桩与其它深基础的总报告人J.A.Foch会前做过调查,对于桩的承载力测定,有25%的专家认为可以使用动力测试和波动方程法,欧洲使用动力试桩的人数已超过静力试桩的人数。

动力试桩,根据作用在桩顶上的能量大小,分为高、低应变两种方法,当作用于桩顶上的能量较大,直接测得的打击力与设计极限值相当时,可计算相应动测“极限承载力”,这就是高应变法;反之,作用于桩上的能量小,仅能使桩土间产生微小扰动,这类方法称之为低应变法。目前高应变法有动力打桩公式法、波动方程分析法、Case法、曲线拟合法、锤击贯入法和动静法等。低应变有机械阻抗法、应力波反射法、球击法、动力参数法和水电效应法等。

早在100多年以前,就有人将桩假定为刚体模型,根据牛顿碰撞定律导出动力打桩公式,通过锤击能量、贯入度和一些经验常数估算单桩承载力。本世纪30年代曾有人将桩假定为土中的一维弹性杆件引入波动方程,研究了杆件内应力波的传播,但是数学求解复杂,无法用于解决工程实际。60年代,A.Smith提出了波动方程在桩基中应用的差分数值解法,它把锤--土系统简化为质量块、弹簧和阻尼器模型,用电子计算机进行迭代运算,从而使波动方程打桩分析进入实用阶段。

美国G.G.Goble等在1970年发表了“关于桩承载力的动测研究”一文,1975年发表了“根据动测确定桩的承载力”研究报告,70年代中后期,美国PDI(Pile Dynamics,Inc.)根据波动方程半经验解析解原理,开始生产以PDA(Pile Driving Analyzer)打桩分析仪为名的高应变动力试桩专用仪器,通过量测桩顶应变和加速度转换来的力与速度时域波形,对桩的极限承载力、桩身质量、锤击能量、锤和垫的性能等作实时分析;其后又把桩作为连续模型,采用波动方程程序(CAse Pile Wave-equation Analysis Program/Continuous model,简称CAPWAPC程序)对桩侧摩阻分布、端阻和桩身缺陷进行实测波形的拟合法分析。荷兰、法国等也研制出了自己的桩基动测设备和相应分析程序,其中TNO在国际上也有广泛应用。

1972年湖南大学周光龙等人开始研究桩的动测技术,经多年研究探索和工程考核试验,他们形成了动力参数测桩法;1976年四川省建筑科学研究所和中国建筑科学研究院共同研究成功锤击贯入高应变动力试桩法;1978年唐念慈在渤海12号储罐平台,沿两根大直径钢管桩两侧粘贴电阻应变片、在桩头安设加速度传感器,现场量测打桩过程中的各项数据及静荷载试桩时的桩身应力分布,并编制了BF81计算机程序,因而取得了各种静、动对比资料;1980年西安公路研究所研究了稳态激振机械阻抗法,还与中国科学院电工研究所共同研究了水电效应法低应变动力测桩技术,自制了我国最早的低应变测桩仪器;1980年甘肃建筑科学研究所编制了输入实测力波的波动方程计算程序,并与上海铁道学院共同研制了我国的高应变打桩分析仪;1986年中国科学院武汉岩土力学研究所开发出第一台RSM桩基动测仪,经过多年发展,该仪器系列后来在国内应用较广;1988年后,中国建筑科学研究院开始针对引进的美国PDA打桩分析仪进行开发,编制了桩的特征线波动分析程序FEIPWAPC,取得了较好效果,1992年该单位又进一步研制了FEI系列桩基动测分析系统,基本与PDA兼容,以便携式计算机为主体,兼其高、低应变功能;1992年,我国成立了首家专门从事高低应变桩基动测仪研制及方法研究的专业化公司武汉岩海工程技术开发公司,该公司开发的RS系列桩检测设备及CCWAPC波动方程拟合法分析软件已达到国际先进水平。

低应变动力测桩技术具有周期短、耗资少已及对桩身质量检测效果明显等优点,所以具有工程上的实际意义和前景。目前低应变动力测桩技术还有待进一步深入研究和完善,尤其是需要加强理论研究环节,逐步减少或不依赖于从动、静对比中寻求修正系数、对比系数及采用经验系数的做法。因为这些系数不仅仍然完全依赖于静载荷验桩法,而且还会因桩基类型不同而异、因地基条件不同而异、因混凝土标号不同而异及人员经验不同而异等因素的影响,这样势必使提高低应变动力测桩的有效性、可信度带来局限性。

1.1波动方程拟合分析法

拟合分析没有显式计算公式,只能通过编程计算获得数值解。国际上较知名的程序有CAPWAPCTNOWAVE等,我国自行编制的有CCWAPCFEIPWAPC程序。

将桩等分为一系列1m左右的单元(图1左侧),并约定:

1)单元内部无面积和阻抗变化;

2)土阻力由分布荷载等效为集中荷载,且可选地作用于指定的单元节点处;

    3)单元内部的应力波衰减符合一种线性粘性体模型;

    4)裂隙影响通过松弛模型反映,且仅在单元节点处发挥作用;

5)应力波在单元节点处因受土阻力、桩身阻抗或面积变化、裂隙作用等的影响,产生反射波和透射波。

取时间步长 ,同时分析下行波和上行波在两单元介面处因受阻力、阻抗变化等影响而产生的反射与透射,可得到递推计算表式(图1右侧),结果如下:

1  波动方程拟合分析法递推计算及桩单元和特征线网格划分原理图

(1)       阻力和阻抗影响

式中 ,为广义波阻抗   的变化系数, 分别为离散化的空间与时间坐标。

(2)       微小裂隙影响。

时,应力波正常传播。

(3)       桩身内阻影响。

混凝土桩

4)土阻力 的计算。

质点速度:

质点位移:

值代入土的动静阻力模型计算式,结合上述递推关系,通过逼近运算,可得相应单元节点处的动静阻力

5 图的边界处理。

桩尖:(图1下端桩底边界)

    测点:(图1示出上部桩顶边界)

  

式中, 代表桩底单元侧摩阻,而 为端阻。

划分单元,建立递推公式后,拟合法以实测速度为已知初始边界条件,同时根据已建立的桩土模型,假定一系列的桩土参数,利用程序计算出桩身各单元的应力波状态量,尤其是传感器位置处的力随时间变化曲线 ,将实测力曲线 和此曲线进行比价(称为拟合),按下式计算拟合质量数:

如图2,由于不同部分的拟合效果与不同桩土参数对应,因此, 值的计算分四段进行,而且以桩尖处权值最重。为解决人工调参的复杂性,许多实用程序均引入了各种自动计算或优化计算方法, 有十二种优化计算指令供选用。

 

2  拟合法收敛标准的计算区间

 

1.2桩的静载荷试验

采用接近于竖向抗压桩的实际工作条件的试验方法,确定单桩竖向(抗压)极限承载力标准值,作为设计依据或对工程桩的承载力进行抽样检验和评价。除对于以桩身承载力控制极限承载力的工程桩试验加荷至承载力设计值的1.52.0倍外,其余试桩均应加荷至破坏。

1.2.1确定单桩极限荷载

根据各级载荷 极其对应的沉降量 ,可以绘制 曲线,图3 曲线上存在两个明显的转折点或拐点12,以第2个拐点对应的载荷值 作为单状轴向极限载荷。并以极限载荷除以安全系数(常取1.82.0)作为单桩轴向许用载荷值或安全载荷值。

卸载时,可以获得卸载的 曲线,即回弹曲线,图3

               

3  静载试验Q-S曲线                 4  静载试验S-logt曲线

绘制沉降量 与沉降时间的对数 的关系曲线,取桩的顶端沉降量为纵坐标,沉降的时间的对数为横坐标,绘出每级载荷的 曲线,图4。斜率具有明显转折的那一条曲线(图4中的 曲线)所对应的载荷为桩的破坏载荷,取前一级载荷作为桩的极限载荷。


5  Q-S曲线特征分析

1.2.2静载荷试验的QS曲线特性分析

曲线(图5)可分为三段,它们对应着桩、土系统的3个沉降阶段:

1)弹性沉降阶段( 段)。

段内,载荷 与沉降量 呈比例关系。桩的沉降量是弹性的,即当卸

载至零后,沉降会完全恢复。即 值与 值沿 段的变化是可逆的。其中弹性极限载荷值为 ,称为比例极限载荷。弹性(比例)极限沉降量为 的关系可用如下线性方程表示

式中,KS为初始单位抗压静刚度,试验桩为端承桩时, ,EAL分别为混凝土材料的杨氏模量、桩横截面积和桩长。

   2)弹塑性沉降阶段( 段)。

在这段内,载荷 与沉降量 呈非线性关系,桩的沉降既有弹性部分也有塑性部分。同时,加载与卸载时, 的变化是沿不同的曲线 进行的,即变化是不可逆的,弹性力学称之为“滞回效应”。加载时, 的增大是沿 进行的,而从 点处卸载时,则沿 曲线进行。即使卸载至零,沉降量也不能恢复至零,而有一个剩余沉降量 ,即残余或塑性沉降量。

由于 点是产生塑性沉降的起始点,故又称 为临塑载荷。整个弹性阶段也可称“屈服”阶段。

3)线性强化沉降阶段( 段)。

当载荷达到极限值 时,桩土系统已开始出现破损现象,本应完全丧失承载能力,而进入自由塑性沉降或塑性流动沉降阶段,但实际上,从 点开始,又呈现 满足线性关系的阶段,不过此线段的斜率,即单位抗压刚度已非常小。

虽然桩土系统已达到破损状态,但由于存在侧限和底限条件,使桩土系统的塑性变形能无法完全释放出来,所以,桩土系统仍能保留着较低的残余承载能力。

1.3扩底桩的动静对比测试验证

对于深圳龙岗大厦扩底桩基础工程中的扩底桩,在桩基工程施工结束并达到龄期后,进行了动静对比测试。测试对象为四根扩底灌注试桩,其中,试1、试2桩径 ,桩端直径 ,桩长分别为 ,试3、试4桩径 ,桩端直径 桩长 ,强度等级 ,混凝土灌注充盈系数不少于 ,设计 值试1、试2 ,试3、试4 。由于要同时兼顾高应变和静载试验,桩头灌注了较长的桩帽,上部还用钢护筒保护。

高应变现场测试先于静载试验进行,采用8吨自由锤敲击,静载试验用锚桩法进行。试验成果分别如下:

1)静载试验。

1在加载至 时,桩发生急剧沉降,桩进入破坏状态;试2加载至8600KN时同样发生急剧沉降,试桩进入破坏;试3则在加载至 时,沉降明显加大,出现不稳定特征;试4虽总体沉降较大,加载至 时总沉降达 ,但沉降均匀,未出现明显的破坏特征。

(2)高应变 法分析。

1由于桩帽横截面积高出本桩截面一倍多,现场实测信号表现出浅部断桩特征[6a)所示],然而这种断桩信号并不代表桩身没有承载力,对这种信号进行分析,除接桩不良外, 法分析尚反映出 处严重离析(由于接桩影响, 并不真实,但缺陷严重是显而易见的),与静载试验反映出桩身中下部破坏相吻合。由于实测曲线无明显桩底反射,极限承载力宜取

1  试桩静载试验成果一览表

桩号

 

设计

荷载

破坏荷载

KN

破坏沉降

(㎜)

极限荷载

KN

极限沉降

(㎜)

容许荷载

KN

容许沉降

(㎜)

1

4500

8100

79.86

7200

39.76

3600

10.13

2

4500

8600

77.82

8100

38.20

4050

12.90

3

6500

13000

39.88

13000

39.88

6500

11.96

4

6500

13500

39.45

13500

39.45

6750

17.70

 

 

 

 

 

 

6 现场实测信号图

2  RS-CASE分析成果一览表

桩号

静载极限

荷载(KN

锤重

T

落距

m

极限承载

力(KN

最大动位

移(㎜)

完整性

评价

误差

%

1

7200

8

1

7584

11.67

15.7

严重离析

5.3

2

8100

8

1

7440

7.83

13.6

离析

-8.1

3

13000

8

1.4

13006

5.67

完整

0

4

13500

8

1.6

12373

6.79

完整

-8.3

 

2的实测曲线幅值偏高,另一道力信号则出现较大拉应力。本桩 法分析成果中的力值系叠加结果,该处适逢 处的严重缺陷 ,应有部分拉应力出现[6(b)]。试验所检测的缺陷与静载结论吻合,实测曲线桩底反射明显,承载力取

3和试4基本正常,但均反映出 左右的接桩缺陷( 均等于74),但峰值处力信号均较速度值高,很可能与钢护筒和桩帽配筋过重有关[6cd]。试3、试4桩的实测信号均表现出明显的端承桩特征,桩底均有一定沉渣。

3 拟合分析

1进行了阻抗优化和裂隙优化后,除桩身阻抗图反映的桩身广义波阻抗变化外,计算时施加了较大的张开裂隙和闭合裂隙   ,与静载荷试验及 分析相吻合。对于本桩所存在的裂隙特征,可理解为存在一严重的胶结面或软弱夹层。

2信号中出现较大拉应力是不正常的,对此桩进行拟合分析,结果比较满意,不仅仅是承载力和摩阻分布吻合,而且利用 的阻抗自动优化功能也恰如其分地计算出了 左右的严重离析。

3  CCWAPC分析结果一览表

桩号

静载极限

荷载(KN

极限承载力(KN

端阻力(KN

MQ

 

误差

 

完整性评价

 

1

7200

6879

4450

5.77

-4.4%

17m处严重缺陷

2

8100

7921

5343

5.83

-2.2%

18m离析

3

13000

13547

9341

2.70

4.2%

5m轻度颈缩

4

12500

13394

8540

3.52

-0.8%

5m轻度颈缩

    3、试4主要采用卸载优化和阻抗优化,计算结果均表明承载力主要集中在桩尖,但桩底临塑变形偏大,分别为 ,自动计算结果与对原始曲线的认识相一致,图7为试3的部分计算成果。

7  3的拟合分析成果

 

2.结论

随着我国现代化城市建设的飞速发展,特别是在深圳、广东等沿海开放城市和地区,原来的建筑基础常用桩型已经逐步难以满足城市高层建筑对于基础形式的需求,扩底桩经过近十年的探索、应用与技术积累,解决了许多由于采用常规基础形式而经常出现的难题,如:

1)地下水降水造成毗邻建筑物不均匀沉降而出现倾斜、裂缝;

2)地下水太大致使施工无法进行,中途改变方案而造成工期延误等;

3)较易流泥砂等造成的施工问题;

4)强风化层不易终孔等;

5)其它原因导致的安全问题。

扩底桩不但可以避免或解决此类问题,且是一种技术可靠、施工方便、振动小、噪音低、适应能力强、适用范围广的优秀桩型。

但是,对于扩底桩的新技术应用,却超出了现行规范的某些有关规定。本文鉴于扩底桩在目前城市建设基础工程中越来越得到广泛应用的实际情况,针对扩底桩从设计、施工到质量检测等方面,进行了一系列的探索和研究,为今后对于扩底桩基础技术的进一步发展提供了从理论到工程实践上的依据。

在国内经过近十年的工程应用与发展,扩底桩正在成为一种相对成熟的桩型。扩底桩,是由于现代化城市建设的迅速发展,建筑物不断密集,原有常用传统桩型已逐步难以满足应用需求的情况下逐步产生、发展起来的。在国内扩底桩的设计、施工及检测实践中,仍有不能完善及解决的问题需要进一步地探索和研究,比如:

1.在桩基础钻进成孔方面:全套管钻进成孔[贝诺托 施工法],在国内尚未得到普及和应用,类似这类的较先进的钻进方法,必须在应用中不断总结、提高,并逐步实现规范化;

2.钻进中钻头压力方面:大口径钻进,重要参数之一是钻进压力。先行规范中,对此没有明确的规定和计算方法。

在现代化城市建设的不断发展要求下,桩径、桩长在不断增大,重型机具的引进必将带来许多的技术新课题,在工程实践中,也更加渴望得到各位专家学者的指教。

在多年的探索、研究与应用中,扩底桩在现代化城市建设中的优越性已经得到了广大专家学者的肯定,作者相信,只要在设计、施工技术上精益求精,勇于探索,扩底桩基础必定会越来越展现出其独有的发展潜力。

 

参考文献:

[1]张东刚.复合地基成桩及受力特性的分析[J].岩土工程师,1999(2).

[2]周同和等.水泥土桩复合地基新技术的应用研究[R].河南基础工程有限公司,1997.

[3]陈文豹,田培等.混凝土外加剂及其在工程中的应用[M].煤炭工业出版社,1998.

[4]阎明礼主编.地基处理技术[M].中国环境科学出版社,1996.

[5]黄熙龄,阎明礼.小桩复合地基试验研究[C].海峡两岸土力学及基础工程学术研讨会论文集,1994.

[6]袁勋,张东刚,阎明礼.多种地基处理方法组合加固不均匀地基[C].第六届地基处理学术讨论会暨第二届基坑工程学术讨论会论文集[C].西安出版社,2000.

[7]王雪峰,吴世明.桩基动测技术[M].北京,科学出版社,2001.

[8]徐攸在,刘兴满.桩的动测新技术[C].中国建材工业出版社.1989.

[9]Smith,E.A.L.Pile Driving Analysis by the Wave Equation,Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division,Proceeding ASCE,Vol.86,No.SM4,August,1960.

[10]Goble,G.G.,et al.Dynamic Studies on the Bearing Capacity of Piles,Phase ,Report No.48,Division of Solid Mechanics,Structure and Mechanical Design,Case Wesern Reserve University,1970.

[11]Goble,G.G.,et al. Bearing Capacity of Piles From Dynamic Measurer,Final Report.Report No.OHIO-DOT-05-75,Ohio Department of Transportation,Department of Solid Mechanics.Structures and Mechanical Design,Case Western Reserve University.March,1975.

[12]Goble,G.G.,et al.Wave Epuation Analysis of Pile Driving-WEAP Program.Volumes 1 through 4,FHWA IP-76-13.1Through IP-76-14.K,April 1976 With an Update in March 1981.

[13]交通部第三航务工程局科学研究所[C].桩基动测译文集(第三届“应力波理论在桩基工程中的应用”国际会议论文).1991.

[14]周光龙.桩基参数动测法[C],中国土木工程学会第三届土力学及基础工程学会会议论文集.中国建筑工业出版社.1981.

[15]唐念慈等.渤海12号平台钢管桩试验研究[R].海洋石油.No.3.1979.

[16]蒋泽汉.机械阻抗法无损检测桩身质量[C].桩基工程学会会议论文集.1981.

[17]赵学勐,李达样,张用谦.检测桩身质量的水电效应法[C].桩基工程学会论文集.1981.

[18]雷林源.桩基动力学[M].冶金工业出版社.2000.

[19]王雪峰,杨燕军,潘榕明.CCWAPC应用实例,CCWAPC技术鉴定材料[R].武汉岩海公司,1996.

[20]王雪峰.CASE法确定承载力基本公式的推导与改进,桩基动测理论与实践[R].国家科委成果办宜昌桩基动测研讨咨询会.武汉岩海公司,1994.

[21]陈凡.桩的特征线波动分析程序(FEIPWAPC用户手册)[M].中国建筑科学研究院地基基础研究所,1992.

[22]GRL Inc.CAPWAP User'c Manual,1995.



 作者简介 张铭军,男,硕士,北京卓达经济管理研修学院教师

paper   2007-08-10 16:03:03 评论:0   阅读:2480   引用:0

发表评论>>

署名发表(评论可管理,不必输入下面的姓名)

姓名:

主题:

内容: 最少15个,最长1000个字符

验证码: (如不清楚,请刷新)

Copyright@2004-2010 powered by YuLog