CN108589805B - 一种基桩承载力动测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基桩承载力动测方法，在各个节点深度位置布置应变传感器，在最上方的节点深度位置布置加速度传感器，重锤锤击桩顶，获得各个加速度传感器的加速度和应变传感器的应变，进而获得各个节点深度位置的加速度、速度、位移、应变、力，进而获得基桩的承载力。还公开了一种基桩承载力动测装置。本发明计算过程概念清楚、过程简明、无多解性问题。

Description

一种基桩承载力动测方法及其装置

技术领域

本发明属于岩土工程检测领域中的基桩承载力动测技术领域，具体涉及一种基桩承载力动测方法，还涉及一种基桩承载力动测装置。

背景技术

基桩承载力检测有两种技术路线，一种基于静载法，一种基于动测法。静载法在基桩桩顶施加静荷载，测试施加的静荷载值和对应的基桩桩头的沉降(位移)，根据规范取值得到基桩承载力。动测法通过重锤锤击基桩桩头，测试基桩桩头承受的动荷载值时程曲线和对应的基桩桩头质点运动速度值时程曲线，拟合计算得到基桩承载力和分层土阻力。

现有技术进行动测法基桩承载力检测时，传感器安装在桩头部位，拟合计算承载力和分层土阻力的技术路线是将基桩分为多段，设定每段基桩的土阻力模型及其参数值，以桩顶实测下行波数据为边界条件，依据行波原理计算上行波数据，依据实测上行波与计算上行波构建优化目标函数。逐步调整每段基桩的土阻力模型参数值，并根据调整值计算上行波，循环往复，直至优化目标函数满足优化计算终止条件，此时得到的每段基桩的土阻力模型参数值就是拟合计算的结果。这种拟合计算存在多解性问题，并且现有基桩承载力动测装置的生产厂家均不公开其拟合计算优化方法，导致实际运用中同样的实测数据，不同厂家的检测装置结果相差很大，即便是同一个厂家的检测装置，设置不同的初始数据也会有较大的差异，检测结果有很大的人为性，这也是一些检测技术规范中强调检测计算人员素质、强调不宜采用自动拟合计算的承载力的原因。

发明内容

本发明的目的是提供一种基桩承载力动测方法，根据基桩桩顶质点速度数据和实测桩身应变数据，计算得到基桩承载力，解决现有技术存在的多解性问题，并且提供一种基桩承载力动测装置，用以在基桩动测过程中，记录基桩桩顶实测质点速度数据和实测桩身应变数据。

本发明采用以下技术方案实现上述发明目的：

一种基桩承载力动测方法：

步骤1、对于桩长L、桩径D、截面A、密度ρ、弹模E的基桩，以基桩顶面的中心为坐标原点，建立自基桩顶面的中心指向基桩底面的中心的桩身深度位置的x坐标系，自x＝L₀至桩底x＝L_N设定N+1个安装传感器的节点深度位置L_p，1D≤L₀≤2D，N∈{10，～，100}，p∈{0，～，N}；

自节点深度位置L₀至节点深度位置L_N并不要求等间距分布，由于最终的检测结果是基桩承载力值和承载力在各个节点之间的分段分布状况，节点深度位置L_p可根据所关注的现场土层状况布设。

自节点深度位置L₀至节点深度位置L_N布设测线，测线为M排，M∈{2,～,6}，各排测线与基桩轴线平行，各排测线在基桩柱面周向均匀分布；

如果检测中使用光纤应变传感器，由于光纤传感器对温度变化更加敏感，可同步布设光纤温度传感器用以校正光纤应变传感器的测量值。

第i排测线在节点深度位置L₀安装加速度传感器SA_i和应变传感器SE_i,0，i∈{1,～,M}；

每排测线在L₀位置安装加速度传感器和应变传感器参照现有技术要求，例如参照《建筑基桩检测技术规范JGJ106—2014》第九章高应变法的有关规定。

第i排测线在节点深度位置L_j分别安装应变传感器SE_i,j，i∈{1,～,M}，j∈{1,～,N}；

对于基桩为钢管桩，应变传感器可布设在钢管桩的内管壁上，在内管壁焊接角钢对应变传感器和连接线路进行保护，对于混凝土灌注桩，应变传感器可布设在钢筋笼上，可用PVC管对应变传感器和连接线路加以保护。

考虑到施工中对检测装置尤其是传感器系统的防护性要求，测线最底端的传感器很难布设到实际桩底，最底端应变传感器应尽量靠近实际桩底，其与实际桩底的位置差不宜大于一倍桩径。

步骤2、重锤锤击桩顶，以时间间隔dT同步采集记录各个加速度传感器的加速度a_i,p,k和应变传感器的应变ε_i,p,k,每个加速度传感器和每个应变传感器均记录TN个采样数据，50us≤dT≤200us，TN为总采样数，TN∈{512,～,4096}，k∈{1,～,TN}，p∈{0，～，N}，采样时刻为k×dT；

重锤重量和锤击方式以及各传感器记录的采样时间间隔和采样时段长度参照现有技术要求，例如参照《建筑基桩检测技术规范JGJ106—2014》第九章高应变法。若采集记录装置针对不同原理的传感器采用不同的记录时间参数，例如，距桩顶L₀处采用压电型加速度计和工具式电压应变计，桩身其他深度位置采用光纤应变传感器，采样时间参数不一致时，须采用插值方式获取统一dT时间间隔的同步的各个加速度传感器和各个应变传感器的响应时程曲线。

步骤3、计算各个采样时刻的节点深度位置L_p的加速度a_p,k、速度v_p,k、位移u_p,k、应变ε_p,k、力F_p,k,p∈{0,～,N}，k∈{1,～,TN}，参数k对应时间t＝k×dT时刻；

步骤3.1、节点深度位置L₀的M个加速度传感器SA_i的加速度a_i,0,k的平均值为加速度a_0,k，对加速度a_0,k进行一次时间积分得到速度v_0,k，进行二次时间积分得到位移u_0,k，i∈{1,～,M}；

检测装置通常会有一定的零漂误差，对桩身L₀深度位置的加速度a_0,k进行时间积分，特别是二次时间积分会产生较大的累积误差，还需要对位移u_0,k、速度v_0,k、加速度a_0,k进行校正，具体为，可在重锤锤击后，即TN×dT时刻，测量节点深度位置L₀的沉降值Pd，将校正前的位移u_0,k与沉降值Pd的差值定义为差值Δ，将校正前的位移u_0,k减去

获得矫正后的位移u_0,k，而后对矫正后的位移u_0,k一次微分得到校正后的速度v_0,k，二次微分得到校正后的加速度a_0,k。桩身L₀深度位置的沉降值Pd测量属既有技术。

步骤3.2、节点深度位置L_p的M个应变传感器SE_i,p的应变ε_i,p,k平均值为节点深度位置L_p的应变ε_p,k，节点深度位置L_p的力F_p,k＝-A×E×ε_p,k，i∈{1,～,M}，p∈{0,～,N}；

需要说明的是这里采用约定：拉应变为正，压应力为正。

步骤3.3、根据节点深度位置L₀的位移u_0,k和应变ε_0，k、以及节点深度位置L_j的应变ε_j,k，依次递推计算节点深度位置L_j的位移u_j,k，j∈{1,～,N}；

步骤3.1得到了节点深度位置L₀的位移u_0,k，步骤3.2得到了节点深度位置L_j的应变ε_j,k，递推计算节点深度位置L_j的位移u_j,k的依据是：u_j,k＝u_j-1,k+节点深度位置L_j-1与节点深度位置L_j之间桩身的压缩量，节点深度位置L_j-1与节点深度位置L_j之间桩身的压缩量＝节点深度位置L_j-1与节点深度位置L_j的平均应变×节点深度位置L_j-1与节点深度位置L_j之间桩身长度(即dL_j＝L_j-L_j-1)，可以定义节点深度位置L_j-1与节点深度位置L_j的平均应变＝节点深度位置L_j-1与节点深度位置L_j应变值的平均值，即(ε_j-1,k+ε_j,k)/2。

步骤3.4、对位移u_j,k，j∈{1,～,N}，计算一次时间微分得到速度v_j,k，计算二次时间微分得到加速度a_j,k；

步骤3.5、定义节点深度位置L_j-1与节点深度位置L_j之间的桩身为第j段桩身，j∈{1,～,N}，第j段桩身的平均加速度AAve_j，k为加速度a_j-1,k和加速度a_j,k的平均值，第j段桩身的平均速度VAve_j，k为速度v_j-1,k和速度v_j,k的平均值；

步骤4、计算基桩的承载力Rsmax；

步骤4.1、定义节点深度位置L_j-1与节点深度位置L_j之间的桩身为第j段桩身，j∈{1,～,N}，计算第j段桩身所受桩侧动阻力Rd_j,k，Rd_j,k＝F_j-1,k-F_j,k-第j段桩身的惯性力ρ·A·(L_j-L_j-1)·AAve_j，k，j∈{1,～,N}；

步骤4.2、搜寻第j段桩身的平均速度VAve_j，k自峰值下降后的首个过零点对应的过零点时刻A_j，桩侧静阻力Rs_j为第j段桩身所受桩侧动阻力在A_j时刻的取值Rd_j,Aj，j∈{1,～,N}；

步骤4.1得到的是实测意义上的第j段桩桩侧阻力，是在运动过程中受到的土阻力，这个力与桩的运动状态有关，步骤4.2得到的是第j段桩激发基桩土阻力后该段桩体首次达到静止状态时受到的桩侧阻力，也就是第j段桩体受到的桩侧静阻力。

步骤4.3、节点深度位置L_N处的速度v_N,k自峰值下降后的首个过零点对应的时刻记做B，节点深度位置L_N处的力F_N,k在B时刻的取值F_N,B为桩受到的桩端静阻力Fs_N；

由于Fs_N是节点深度位置L_N处的轴力，若节点深度位置L_N未处于实际桩底，节点深度位置L_N至实际桩底的桩段对应的侧阻力也包含在Fs_N之内。

步骤4.4、基桩承载力Rsmax为各个桩侧静阻力Rs_j之和，再加上桩端静阻力Fs_N。

一种基桩承载力动测装置，包括计算机控制单元，其特征在于，还包括若干排测线，每排测线自节点深度位置L₀至节点深度位置L_N布设，各排测线在基桩柱面周向均匀分布，每排测线在节点深度位置L₀安装加速度传感器SA_i和应变传感器SE_i,0，每排测线在节点深度位置L_j分别安装应变传感器SE_i,j，加速度传感器SA_i获得的加速度数据、应变传感器SE_i,0获得的应变数据和应变传感器SE_i,j获得的应变数据分别传送到计算机控制单元，

其中，以基桩顶面的中心为坐标原点，建立自基桩顶面的中心指向基桩底面的中心的桩身深度位置的x坐标系，x＝L₀至x＝L_N对应各个节点深度位置L_p，p∈{0，～，N}，N∈{10，～，100}，i∈{1,～,M}，M∈{2,～,6}，j∈{1,～,N}。

本发明的有益之处在于，相比于现有技术，通过在桩身N个位置增设应变传感器，实测桩身变形和受力状态，由实测桩顶运动状态和桩身实测变形状态递推得到桩身运动状态，进而通过桩身运动状态和桩身受力状态得到每一段桩身的桩侧阻力和桩端力，这些桩侧阻力和桩端力与对应桩身位置的运动状态有关，确定这些桩身位置的速度由峰值首次回复到0的时刻，对应的桩侧阻力和桩端力取值即为桩侧静阻力和桩端静阻力。桩侧静阻力和桩端静阻力的计算过程概念清楚、过程简明、无多解性问题。

附图说明

图1为第i排测线传感器安装位置示意图，其中dL为各个节点深度位置之间的差值。

图2为A_j时刻取值示意图。

VAve_j，k：第j段桩身的平均速度。

A_j·dT：VAve_j，k自峰值下降后的首个过零点对应的时刻。

图3为实施例中B时刻取值示意图。

v_20,k：节点深度位置L₂₀的速度值。

B·dT：v_20,k自峰值下降后的首个过零点对应的时刻。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步详细的描述。

步骤1、对于桩长L、桩径D、截面A、密度ρ、弹模E的基桩，以基桩顶面的中心为坐标原点，建立自基桩顶面的中心指向基桩底面的中心的桩身深度位置的x坐标系，自x＝L₀至桩底x＝L_N设定N+1个安装传感器的节点深度位置L_p，1D≤L₀≤2D，N∈{10，～，100}，p∈{0，～，N}。

自节点深度位置L₀至节点深度位置L_N布设测线，测线为M排，各排测线与基桩轴线平行，各排测线在基桩柱面周向均匀分布。

每排测线在节点深度位置L₀安装加速度传感器SA_i和应变传感器SE_i,0，i∈{1,～,M}；

每排测线在节点深度位置L_j分别安装应变传感器SE_i,j，i∈{1,～,M}，j∈{1,～,N}；

在本实施例中，桩长L＝42.5m、桩径D＝2m、截面A＝0.01244m2、密度ρ＝7850kg/m3、弹模E＝210GPa，基桩为钢管桩，管壁厚20mm，N＝20，M＝2，自x＝L₀＝2m至x＝L_N＝42设定21个安装传感器的节点深度位置。侧线为2排。如图1所示。

第一排测线在2m深度位置安装一个电压型加速度传感器SA₁和一个工具式电压应变传感器SE_1,0，在2+j×2m深度位置安装一个布拉格光栅应变传感器SE_1,j，j∈{1,～,20}。

第二排测线在2m深度位置安装一个电压型加速度传感器SA₂和一个工具式电压应变传感器SE_2,0，在2+j×2m深度位置安装一个布拉格光栅应变传感器SE_2,j，j∈{1,～,20}。

参照《建筑基桩检测技术规范JGJ106—2014》第九章高应变法的有关规定，每排测线在x＝2m位置安装的电压型加速度传感器和工具式电压应变传感器间距不大于10cm，均匀布设在基桩的外管壁上。每条测线上的布拉格光栅应变传感器均布设在基桩的内管壁上，在内管壁焊接角钢对布拉格光栅应变传感器和连通光纤进行保护。

步骤2、重锤锤击桩顶，以时间间隔dT＝200us同步采集记录各个加速度传感器的加速度a_i,p,k和应变传感器的应变ε_i,p,k,每加速度传感器和每个应变传感器均记录TN个采样数据，TN为总采样数，TN＝2048，k∈{1,～,TN}，p∈{0，～，N}，采样时刻为k×dT；

步骤3、计算各个采样时刻的节点深度位置L_p的加速度a_p,k、速度v_p,k、位移u_p,k、应变ε_p,k、力F_p,k,p∈{0,～,N}，k∈{1,～,TN}，参数k对应时间t＝k×dT＝k×200us时刻；

步骤3.1、节点深度位置L₀的M个加速度传感器SA_i的加速度a_i,0,k的平均值为加速度

对加速度a_0,k进行一次时间积分得到速度v_0,k，进行二次时间积分得到位移u_0,k，i∈{1,～,M}；

记录结束时刻，即2048×200us时刻，二次积分得到的位移u_0,k，将位移u_0,k与重锤锤击后实测2m位置的沉降值Pd的差值定义为差值Δ，将位移u_0,k减去

获得矫正后的位移u_0,k，而后对矫正后的位移u_0,k一次微分得到校正后的速度v_0,k，二次微分得到校正后的加速度a_0,k。

步骤3.2、节点深度位置L_p的2个应变传感器SE_i,p的应变ε_i,p,k平均值为节点深度位置L_p的应变ε_p,k，节点深度位置L_p的力F_p,k＝-A×E×ε_p,k，i∈{1,～,M}，p∈{0,～,N}；

步骤3.3、根据节点深度位置L₀的位移u_0,k和应变ε_0，k、以及节点深度位置L_j的应变ε_j,k，依次递推计算节点深度位置L_j的位移u_j,k，j∈{1,～,N}，见公式(1)

本实例中节点深度位置L₀到节点深度位置L₂₀的间隔相等，均为2m。

步骤4、对节点深度位置L₁到节点深度位置L₂₀的位移u_1,k～u_20,k，计算时间微分得到速度v_1,k～v_20,k，计算二次时间微分得到加速度a_1,k～a_20,k。

步骤3.5、定义节点深度位置L_j-1与节点深度位置L_j之间的桩身为第j段桩身，j∈{1,～,N}，第j段桩身的平均加速度AAve_j，k为加速度a_j-1,k和加速度a_j,k的平均值，第j段桩身的平均速度VAve_j，k为速度v_j-1,k和速度v_j,k的平均值；

步骤4、计算基桩承载力Rsmax；

步骤4.1、定义节点深度位置L_j-1与节点深度位置L_j之间的桩身为第j段桩身，j∈{1,～,N}，计算第j段桩身所受桩侧动阻力Rd_j,k，Rd_j,k＝F_j-1,k-F_j,k-第j段桩身的惯性力ρ·A·(L_j-L_j-1)·AAve_j，k，j∈{1,～,N}。

步骤4.2、搜寻第j段桩身的平均速度VAve_j，k自峰值下降后的首个过零点对应的过零点时刻A_j，桩侧静阻力Rs_j为第j段桩身所受桩侧动阻力在A_j时刻的取值Rd_j,Aj，j∈{1,～,N}，A_j时刻取值示意图如图2所示。

步骤4.3、节点深度位置L₂₀处的速度v_20,k自峰值下降后的首个过零点对应的时刻记做B，节点深度位置L₂₀处的力F_20,k在B时刻的取值F_20,B为受到的桩端静阻力Fs₂₀，如图3所示。

由于Fs₂₀是节点深度位置L₂₀(桩身的42m处)的桩端静阻力Fs₂₀，未处于实际桩底，节点深度位置L₂₀至实际桩底(42.5m处)的0.5m桩段对应的侧阻力也包含在Fs₂₀之内。

步骤4.4、基桩承载力Rsmax为各个桩侧静阻力Rs_j之和，再加上桩端静阻力Fs_N。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种基桩承载力动测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对于桩长L、桩径D、截面A、密度ρ、弹模E的基桩，以基桩顶面的中心为坐标原点，建立自基桩顶面的中心指向基桩底面的中心的桩身深度位置的x坐标系，自x＝L₀至桩底x＝L_N设定N+1个安装传感器的节点深度位置L_p，p∈{0，～，N}；

自节点深度位置L₀至节点深度位置L_N布设测线，测线为M排，各排测线与基桩轴线平行，各排测线在基桩柱面周向均匀分布；

第i排测线在节点深度位置L₀安装加速度传感器SA_i和应变传感器SE_i,0，i∈{1,～,M}；

第i排测线在节点深度位置L_j分别安装应变传感器SE_i,j，i∈{1,～,M}，j∈{1,～,N}；

步骤2、重锤锤击桩顶，以时间间隔dT同步采集记录各个加速度传感器的加速度a_i,p,k和应变传感器的应变ε_i,p,k,每个加速度传感器和每个应变传感器均记录TN个采样数据，TN为总采样数，k∈{1,～,TN}，p∈{0，～，N}，采样时刻为k×dT；

步骤3、计算各个采样时刻的节点深度位置L_p的加速度a_p,k、速度v_p,k、位移u_p,k、应变ε_p,k、力F_p,k,p∈{0,～,N}，k∈{1,～,TN}，参数k对应时间t＝k×dT时刻；

步骤4、计算基桩的承载力Rsmax，

所述的步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、节点深度位置L₀的M个加速度传感器SA_i的加速度a_i,0,k的平均值为加速度a_0,k，对加速度a_0,k进行时间积分得到速度v_0,k，进行二次时间积分得到位移u_0,k，i∈{1,～,M}；

步骤3.2、节点深度位置L_p的M个应变传感器SE_i，p的应变ε_i,p,k的平均值为节点深度位置L_p的应变ε_p,k，节点深度位置L_p的力F_p,k＝-A×E×ε_p,k，i∈{1,～,M}，p∈{0,～,N}；

步骤3.3、根据节点深度位置L₀的位移u_0,k和应变ε_0，k、以及节点深度位置L_j的应变ε_j,k，依次递推计算节点深度位置L_j的位移u_j,k，j∈{1,～,N}；

步骤3.4、对位移u_j,k，j∈{1,～,N}，计算时间微分得到速度v_j,k，计算二次时间微分得到加速度a_j,k；

步骤3.5、定义节点深度位置L_j-1与节点深度位置L_j之间的桩身为第j段桩身，j∈{1,～,N}，第j段桩身的平均加速度AAve_j，k为加速度a_j-1,k和加速度a_j,k的平均值，第j段桩身的平均速度VAve_j，k为速度v_j-1,k和速度v_j,k的平均值。

2.根据权利要求1所述的一种基桩承载力动测方法，其特征在于，所述的步骤3.1中还包括对位移u_0,k、速度v_0,k、加速度a_0,k的校正步骤：

记录重锤锤击后，即TN×dT时刻后，测量节点深度位置L₀的沉降值Pd，将校正前的位移u_0,k与沉降值Pd的差值定义为差值Δ，将校正前的位移u_0,k减去

获得矫正后的位移u_0,k，而后对矫正后的位移u_0,k一次微分得到校正后的速度v_0,k，二次微分得到校正后的加速度a_0,k。

3.根据权利要求2所述的一种基桩承载力动测方法，其特征在于，所述的步骤4包括以下步骤：

步骤4.1、计算第j段桩身所受桩侧动阻力Rd_j,k，Rd_j,k＝F_j-1,k-F_j,k-第j段桩身的惯性力ρ·A·(L_j-L_j-1)·AAve_j，k，j∈{1,～,N}；

步骤4.2、搜寻第j段桩身的平均速度VAve_j，k自峰值下降后的首个过零点对应的过零点时刻A_j，桩侧静阻力Rs_j为第j段桩身所受桩侧动阻力在A_j时刻的取值Rd_j,Aj，j∈{1,～,N}；

步骤4.3、节点深度位置L_N处的速度v_N,k自峰值下降后的首个过零点对应的时刻记做B，节点深度位置L_N处的力F_N,k在B时刻的取值F_N,B为桩受到的桩端静阻力Fs_N；

步骤4.4、基桩承载力Rsmax为各个桩侧静阻力Rs_j之和，再加上桩端静阻力Fs_N。

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