高应变误差分析

高应变动力试桩的误差分析 梁曦（福建省建筑科学研究院 350025） 【提要】相对静载试验而言，高应变动力试桩的误差来源要丰富得多。本文较系统地对这些误差进行总结，提出了浅层次、中层次和高层次的误差的概念，并通过工程实践分析说明。对如何减小误差、更好地应用和发展高应变动力试桩技术提出建议。 【关键词】高应变动力试桩 凯司法 实测曲线拟合法 Errors Analysis of High-Strain Dynamic Pile Testing ABSTRACT: Compare to static load testing, the testing errors source of high strain dynamic testing is more abundant. In this paper, testing errors of high strain dynamic testing was systematically introduced. The concept of three levels of errors that existing in the process of high strain dynamic testing was put forward and demonstrated by project example. Some suggestions were given for reducing testing errors and promoting the application and development of high strain dynamic testing technique. KEY WORDS: high strain dynamic pile testing, CASE method, matching analysis of measured curves method 1、前言 以应力波理论为基础的高应变动力试桩法在我国的应用已有十几年的历史。这种方法以其省时省钱以及能提供诸如单桩承载力、桩身结构完整性、端承力大小和桩侧摩阻分布等丰富信息的特点而得到人们的推崇和喜爱。 多年以来，人们往往试图以静动对比试验结果来衡量高应变动力试桩方法的准确性，但评述结果都是有争议性的。原因是复杂的，从静载试验方面，其得到的极限承载力值并非唯一值。首先，静载荷试验每级加荷量为预估极限荷载的10%，这意味着其所确定的承载力的精度为预估极限荷载的10%，这其中就包含着不小的误差。其次，不但世界各地确定极限荷载的标准五花八门、迥然各异，即使在我国，不同规范中的确定方法也有所区别。因此以不同的标准所确定的承载力显然也就不尽相同。第三，基准梁的设置，千斤顶和压力表以及位移量测仪表所产生的系统误差不可忽略。此外，非自动加荷条件下的人工加载其主观性误差更是无法估计。所以，要得到一个合理的对比标准是一件十分困难的事。在这里，笔者仅从高应变试验本身的误差来源出发来作分析，认为可将误差分为浅层次、中层次和高层次的误差。 2、浅层次的误差——动测信号质量 美国人曾说过桩基动测是“垃圾进、垃圾出”的方法，意即在没有获得可靠的现场实测数据的情况下，室内分析是没有意义的，所以动测数据的可靠性直接影响试桩结果。 现场的信号采集尤其是灌注桩的信号采集有较大难度，失败的教训主要有以下：桩头砼强度不高而被重锤击碎；偏心锤击、桩垫选择不当使得测试信号严重畸变；安装点砼质量欠佳，锤击后可能导致塑性变形或裂缝，从而产生持续的压力或拉力波而使信号尾部不归零；传感器没有上紧或桩侧面不平整导致传感器自振；锤重选择不当或落高控制不当导致激励能量过高或不足。此外，在系统误差方面，传感器的标定精度，传感器自身的灵敏度，压电式加速度计的低频泄漏也都影响着测试数据，尽管这种影响是微乎其微的。 3、中层次的误差——测试条件的不同 静载荷试验是一种慢速的维持荷载试验法，而高应变是一种动态冲击加载，是在排除动力效应的基础上获得桩的静承载力，这本身决定了两种方法的差异性。 首先，是否完全进入塑性状态是评价桩承载力的关键，确定极限承载力的方法就我国而言，标准相对明确；而高应变试验则很难定义土体是否进入塑性状态。传统的推荐是当贯入度达到或超过土的弹限值时，可认为土阻力充分发挥，其贯入度推荐值是2.54mm。但国内外学者的研究表明，各类土的弹限值各不相同，如对碎卵石混粘土及一部砂，该值可能达十毫米，而对于黄土或一部分淤泥，该值可靠只有一毫米。所以将高应变试验所激发的承载力简单地与静载试验确定的极限承载力相比较，不是一种科学的态度。 其次，桩的试验时的状态具有时效性，先动载后静载，才会使桩的试验状态相对接近。此外，岩土也具有时效性，例如硬质岩的松驰效应，风化岩的蠕变效应，软粘土的软化，负孔隙水压力等都可能导致高应变试验过高判定承载力，而对动载敏感的粘土，超孔隙水压力，土体的扰动，液化作用等可能导致动力试验过低判定承载力。 4、深层次的误差——高应变的分析理论 高应变动力试验对实测时域波形的分析处理，主要提供了两种方法：凯司法和实测曲线拟合法，以下作分别论述。 4.1凯司法 凯司法是一种建立在一维应力波理论基础上的具有快速的现场实时结果的高应变动力试桩方法。其误差主要有以下几个方面： 4.1.1理论假定的主要误差 首先，砼是非匀质的弹塑性材料并且桩径越大，与一维弹性体的假定相关愈远。 其次，动阻力并非只来自于桩尖，尤其是以侧摩阻力为主的摩阻桩或端承摩擦桩，情况更是如此。并且，实验室研究表明：动阻力和桩端运动速度也并非线性相关。 4.1.2设定值的选取误差 ①波速的选取 凯斯法求承载力要求桩体内纵波的传播速度值是已知的，波速是关键的，它影响到F和Z两条曲线的匹配性，对于工程桩（钢桩除外），通常情况下无法预先实测波速值，在桩底反射不明显的情况下，只能靠动测人员根据混凝土强度凭经验选取。而波速和混凝土强度之间并无很好的相关关系，在桩基动测中，波速除与砼本身因素有关外，还和诸如冲击产生的应变量级、桩周土性质、桩身缺陷及至桩长等都有关，这使得波速的选取并非轻易而举。而有些关于动测的资料给出相应于各种强度等级的混凝土波速，一般范围较大。 而即使桩身反射明显，用“上升点一上升点”或“峰一峰”方法判定波速，也可能有10%左右的误差，波速值对力曲线和速度曲线的影响分别是一次方和两次方关系，因而它可能给力曲线带来20%左右的换算误差。 ②凯斯阻尼系数Jc Jc完全是一个没有物理含义的经验系数，Jc的取值不仅和桩尖土的类型有关，还和桩周土情况、桩的材料、桩型等等其他因素有关。Jc的取值是否合理很大程度上依赖于对地质情况的了解和地区性经验，要想准确取得必须通过动静对比分析。美国PDI公司提出了凯斯阻尼系数的建议值和取值范围（此处略），但国内外已有多种资料提出各地区的Jc取值范围，和PDI公司的并不相同。因此，在缺乏地区性经验条件下盲目地选取或套用Jc值可能将导致很大误差。 4.2实测曲线拟合法 除了上述凯司法中所述的波速误差的影响外，对实测曲线拟合法还包括其它的误差来源，笔者以为，其误差主要有以下两种： 4.2.1理论模型误差 从理论模型方面，目前的国内外软件均不完善。公认最优秀的CAPWAPC软件并没有考虑土的加工软化和硬化，从而与密实砂、硬粘土、超固结土和灵敏粘土等这一类加工软化性的土和对松砂或正常固结土等这一类加工硬化性的土的本构关系无法作出更好的表述；此外，CAPWAPC软件采取了线性的桩尖缝隙模型，这种模型往往只能反映打入式预制桩的反弹情况。我国编制的曲线拟合程序在静阻模型上已比CAPWAPC有所改进，许多程序在土的静阻模型上已考虑了土的软化、硬化性质。有的程序还采用了非线性的桩尖缝隙模型，可以更好地反映灌注桩在荷载作用下的沉渣压缩过程。但是，在动阻力模型方面，所有的曲线拟合程序采用的均是线性粘滞阻尼模型（除了桩尖可选择Smith阻尼模型外），这种模型建立的是阻尼力和桩的速度的线性相关关系，但实验室研究表明，阻尼的最大值和速度随时间的变化不是呈线性关系，而Smith阻尼模型虽然体现了一种非线性关系，但在应用中，这种模型与实际情况往往相关更远。。 4.2.2拟合分析的非收敛性误差 拟合程序无论多么优秀，它的解在相当的范围内是发散的，是否得到合理准确的解完全取决于分析者的技术和经验。这类完全取决于分析者的误差往往是人们所最关心的，它的大小程度也决定了试验的精确度。对不熟练的分析者来说，众多的参数可能令之无法适从，并且这许多参数规范或程序手册并未给出取值方法，所给出的取值范围也显太大。其中起举足轻重作用的是土的动阻力取值大小，其中Smith动阻尼系数及幅射阻尼的取值尤为关键。 4.2.3工程实例 福建某高速公路一高架桥的基桩，为冲孔灌注桩，桩身混凝土强度等级为C25，桩径为1500mm，桩周土层从上到下依次为杂填土﹑中细砂﹑圆砾，桩端持力层为粘土，测点以下桩长31.40m。测试时贯入度达到4mm/击。 结果一是在自动拟合的结果上形成的，计算极限承载力为8747kN；结果二是笔者提高了动阻力后形成的，计算极限承载力为5500kN。从拟合结果上看，两种分析结果曲线均拟合良好（拟合质量数MQ均≤2.0），计算贯入度与实测贯入度均比较一致，桩土模型各参数均在合理的范围，桩周土阻力分布类似并与地质情况也均基本吻合。从表面上看，结果一提供的桩土静力指标接近于地质，似乎比较合理，结果二则偏低很多。但由于是大贯入度桩，在结果二中笔者选用了较高的桩侧Smith阻尼系数,二者的分析结果，静极限承载力相对误差为59 %。该桩后来做静荷载试验，在5600kN的压力下试桩就因Q-S曲线产生陡降段而破坏，证明笔者提高动阻力的分析方法是正确的。（限于篇幅，两结果的拟合曲线图对比略去） 因而如何增加制约条件，对于特定的桩，使动阻力收敛在更小的范围，笔者以为是高应变动测工作者努力的方向，以下为笔者的参考方法： ①贯入度很大（贯入度大于10mm/击）的桩不应考虑幅射阻尼模型，因为在有高的速度和大贯入度的情况下，不可能产生很大的粘滞阻尼和干摩擦阻尼。辐射阻尼往往在桩身的运动很小，对土体形不成剪切破坏的情况下产生。 ②在小贯入度的情况下，对于桩周土较好（比如桩周为密实度较好的碎石土、砂土或粉土）的排土桩，初步计算后静阻力又不大的情况应注意可能要用到桩侧辐射阻尼模型，在其为桩身强度不高的摩擦桩时尤其如此。 ③从动位移曲线上动位移与静位移的比例大致预估动静阻力的相对大小，并在实测贯入度清晰无误的情况下，加强贯入度的校核，就能较好地达到分析结果的收敛性。 5、结论 相对静载试验而言，高应变动力试桩的误差来源要丰富得多，本文力争系统地对这些误差进行总结，提出了浅层次、中层次和高层次的误差，并对如何减少高层次的误差提出建议和设想。 高应变动力试桩技术是一种综合性很强的技术，它要求分析者能兼备土力学、振动力学、岩土经验以及高等数学和电子学方面的基础。摆在众多高应变动力试验工作者面前的道路，是即不能神话这种方法的作用，不顾对比条件的不同而高谈动静对比的准确性（10%或20%），也不能误解高应变方法的作用，认为其一无是处，而是应该从严肃的角度出发，在有效动静对比资料的基础上，消除或基本消除低层次和中层次的误差，摸索尽可能减少高层次误差的方法。这样才能更好地应用和发展高应变动力试桩技术。 【参考文献】 [1] CAPWAP Manual, November 1997, Gobel Rausche Likins and Associates, Inc. [2] 国家行业标准 《基桩高应变动力检测规程》（JGJ106-97），1997，北京 基桩检测http://bbs.chinatesting.com.cn/forum.php