CN111663577B - 一种基于离散桩单元的单桩竖向极限承载力动态测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于离散桩单元的单桩竖向极限承载力动态测试方法，属于地基基础检测和试验领域。本发明首先将桩身沿深度方向离散为若干桩单元，分别测量振动过程中各桩单元中心位置的加速度、桩单元顶面和底面的轴力等，经过积分变换得到桩身速度、位移等物理量；然后选择各桩单元动位移达到最大的时刻(此时动阻尼力为零)，计算该时刻各桩单元所受桩侧土(或桩端土)的静态极限阻力；最后将各桩单元的静态极限阻力累加获得单桩静态极限承载力。这种新的动态测试分析方法，可避免静载试验中费用高昂，试验工期较长等缺点，同时对测试结果的分析较为客观，受人为因素干扰小，结果理论上也较为准确。
Description
技术领域
本发明属于地基基础检测和试验领域，具体涉及一种基于离散桩单元的单桩竖向极限承载力动态测试方法。
背景技术
桩基础因其优良的承载性能已被广泛应用于各类建筑工程中。为确保桩基承载力满足设计要求以保证工程安全，桩基施工完成后一般需要进行承载力测试。在我国，工程上常用的桩基承载力测试试验方法，一般包括静力载荷试验和高应变动力试验两类。前者被认为是最为直接可靠的测试方法，所获单桩竖向承载力结果较为准确可靠，在工程上广泛使用。但是，静载试验往往需要庞大的反力及加载装置，导致试验所需耗时太长，单桩试验成本高昂，在某些特殊条件下静载试验难以实现，例如海上桩基等深水区域、狭小场地区域等不易进行大量堆载，或设置反力架。因此静载试验在工程上的应用有一定限制，通常应用于重要工程上，而且受检桩基的数量被限制在总桩数量的1％～2％。对于地基土层条件差异过大的工程，即使是相同尺寸和施工工艺的桩基，其承载能力的差异往往也明显，因此用极为有限的单桩试验结果来判断整个工程的桩基质量，是存在一定安全隐患的。
高应变动力测试方法的出现弥补了静载试验的某些缺陷，该法较为快速，单桩测试成本相对较低，并且特别适用于海上桩基工程。在相同的预算条件下，高应变试验所能测试的基桩数量可达到总工程桩数量的10％至20％左右，因此，该法能在一定程度上提高整个桩基工程承载力评价的可靠性。高应变动力测试的基本思想，是通过重锤敲击桩顶，以激发桩侧土(包括桩端土)的极限阻力，通过去除由于动力引起的动阻力部分，从而获得桩侧土的静态极限阻力，进而得到单桩极限承载力。国内现阶段常用的高应变测试方法是一种波动方程法，如CASE法，利用桩顶处的实测轴力和速度曲线作为边界条件来进行桩基承载力的求解。这类方法的主要缺陷在于，桩端土阻尼系数为一假定的经验系数，与常规土工参数无特定的联系，因此是难以准确确定的。此外，为解决CESE法的缺陷而出现了一种波形拟合法，通过大量参数的反复修改和反演，拟合实测曲线来确定单桩竖向承载力。然而，这种反演拟合的方法常常需要反演数百个参数，参数的选择与判断与测试人员的经验有很大相关性，这些参数具有很大的不确定性，人为主观因素对试验结果的影响显著，不同测试人员对同一实测曲线的分析结果可能相差甚远，因此分析结果的可靠性难以得到保证。此外，为满足波动效应，已有的高应变测试一般适用于长桩，而不适用于波动效应不明显，反射叠加影响大的短桩。
综上所述，现有桩基承载力测试方法，无论是静载试验还是高应变动态测试均存在种种问题，工程上需要寻找一种快速、可靠、成本低、适用性广的桩基承载力测试分析方法。本发明结合已有高应变测试中动力激发桩侧土极限阻力的思想，并结合测量桩身应变和速度的思路，提出了一种将桩身离散为若干单元，通过测量或计算各桩单元的速度、轴力等物理量，选取速度为零、动位移达到最大的时刻，获得各桩单元所受到的静态竖向极限阻力，累加得到单桩整体静态承载力的动态测试分析新方法。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种基于离散桩单元的单桩竖向极限承载力动态测试方法。
本发明结合已有高应变试验基本思路，即通过重锤敲击桩顶，使桩侧土到达塑性变形，来激发并测试桩侧土的极限承载能力。通过将单桩离散为若干桩单元，测量各桩单元中心位置的加速度时程，桩单元顶面和底面的轴力时程，基于桩身各单元速度为零(达到最大动位移)时，桩侧土阻尼力为零的原理，获得各桩单元所受到的极限静态阻力，最终计算单桩竖向静极限承载能力。
本发明具体采用的技术方案如下：
一种基于离散桩单元的单桩竖向极限承载力动态测试方法，其步骤如下：
S1：将桩身沿深度方向离散为n段桩单元，在每段桩单元中心位置固定加速度计；
S2：采用重锤锤击桩顶，使桩-土之间通过产生相对位移达到极限承载状态，并通过各加速度计分别记录桩身振动过程中各桩单元中心位置的加速度时程曲线；再对每一段桩单元的加速度时程曲线进行积分，得到各桩单元中心位置的速度时程曲线和位移时程曲线；同时，通过直接测量或计算得到各桩单元振动过程中单元的顶面和底面处的轴力时程曲线；
S3：基于各桩单元中心位置的速度时程曲线，选择各桩单元振动过程中速度第一次为零的时刻t0作为计算时刻，计算各桩单元所受土阻力，该时刻的土阻力视为静态极限土阻力；
其中除桩端处的桩单元外，其余任意第i段桩单元的静态极限土阻力Ris计算公式为：
Ris＝fi1(t0)-fi2(t0)-miai(t0),i＝1,2,…,n-1
式中，fi1(t0)为第i段桩单元顶面处的轴力时程曲线中t0时刻的轴力值，fi2(t0)为第i段桩单元底面处的轴力时程曲线中t0时刻的轴力值，mi为i段桩单元的质量，ai(t0)为第i段桩单元中心位置的加速度时程曲线中t0时刻的加速度值；
对于桩端处的桩单元，其静态极限土阻力Rns计算公式为：
Ris＝fi1(t0)-miai(t0),i＝n
S4：将n段桩单元的静态极限土阻力累加，得到整根桩的竖向极限土阻力。
作为优选，每个所述的离散桩单元，其轴向长度相同，或者按土层分布划分为不同长度。
作为优选，所述桩身预留轴向的中心孔道，所述加速度计采用机械装置或充气气囊固定在中心孔道的内壁上。
作为优选，所述加速度计的信号传输线沿中心孔道从桩顶穿出，连接到数据采集系统中，或者通过无线传输与数据采集系统构成通信连接。
作为优选，所述重锤采用自由落体方式锤击桩顶，或采用蒸汽锤、内燃式柴油锤，使桩-土间产生足量的相对位移，桩侧土达到极限状态。
作为优选，所述的速度时程曲线由加速度时程曲线经过一次积分得到，再次积分后得到所述的位移时程曲线。
作为优选，各桩单元的轴力时程曲线，通过直接测量顶面和底面的轴力获得；或者通过粘贴应变片测定动态应变再计算轴力而获得；或者根据加速度计信号，二次积分得到位移后，利用相邻桩单元位移差获得桩单元顶面和底面平均轴向应变，进而计算轴力。
作为优选，在进行正式测试前，先用橡胶锤轻敲桩顶，检验各加速度计是否正常工作；加速度计正常工作标准为：除桩底的桩单元外，沿桩身向下的各桩单元中的速度峰值信号逐渐衰减。
作为优选，所述的桩顶上从下往上依次安装有桩垫、桩帽和锤垫。
作为优选，多次重复S2～S4测试，取竖向极限土阻力的多次测量结果平均值作为单桩的最终承载力值。
本发明的动态测试分析方法，可以避免静载试验中费用高昂，试验工期较长等缺点，同时能够克服已有高应变测试方法中经验参数取值困难，受人为主观判断的影响大，分析结果不一致等缺点。本方法的分析测试结果相对已有高应变测试结果更为客观，受人为主观因素的影响小，不需设置经验参数，同时也综合了高应变测试方法快速、低成本的优点，是一种新的方便可靠的单桩竖向承载力动态测试分析方法。
附图说明
图1为本发明的测试装置和测试过程(以灌注桩为例)示意图；
图2为任意第i段桩单元的受力示意图；
图3为桩身三个相邻的桩单元；
图4为桩单元中心位置处的加速度、速度与位移信号时程曲线示意图；
图中：预制管桩1，落锤2，锤垫3，桩帽4，桩垫5，加速度计6，出线孔7，桩单元8，顶面9、底面10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的作进一步阐述，以便于本领域技术人员更好地理解本发明。
在本发明中，本方法在测试前需要在桩身不同位置处固定加速度计，按加速度计的分布将桩身离散为若干单元来进行计算。可利用桩身预留小孔，如利用声测孔或预制管桩的中心孔等，采用机械装置或充气气囊等方式将加速度计安装固定，重锤一次敲击即可得到整桩的极限承载力。该方法在分析测试结果时，利用了桩单元的位移达到最大时，速度为零，则与速度相关的动土阻尼力为零的原理，直接根据加速度测量结果获得各桩单元的静极限阻力。
具体而言，基于离散桩单元的单桩竖向极限承载力动态测试方法，基本的实现步骤如下：
S1：将桩身沿深度方向离散为n段桩单元8，在每段桩单元8中心位置固定加速度计6。每个离散桩单元8，其轴向长度既可以相同，也可以按土层分布划分为不同长度。n的具体个数可根据实际需要进行调整，由测试精度要求和加速度计6的安装要求确定，一般而言，精度要求越高，桩单元8数量越多，尺寸越小。
加速度计6固定在桩单元8的中间，以获得桩身各位置的加速度值。可通过桩身内预留小孔，如声测孔，管桩中心孔等，采用机械装置或充气气囊等方式固定在桩身内壁上。加速度信号传输线可在桩顶穿出，连接到数据采集系统中，也可采用无线传输微型加速度计等类型。加速度型号可由施工要求、成本要求等确定。
S2：采用重锤2锤击桩顶，使桩-土之间通过产生足够大的相对位移达到极限承载状态，并通过各加速度计6分别记录桩身振动过程中各桩单元8中心位置的加速度时程曲线。再对每一段桩单元8的加速度时程曲线进行积分，得到各桩单元8中心位置的速度时程曲线和位移时程曲线；同时，通过直接测量或计算得到各桩单元8振动过程中单元的顶面9和底面10处的轴力时程曲线。
重锤2可采用自由落体方式锤击桩顶，或其他可提供足够冲击荷载的蒸汽锤、内燃式柴油锤等，使桩-土间产生足够大的相对位移，桩侧土(或桩端土)达到极限状态。与加载相关的锤垫3、桩帽4和桩垫5等，可起到缓冲荷载、保护桩头和减小荷载偏心等作用，相关材料、尺寸根据被测桩的类型和尺寸，并根据试验确定。
对于任意第i段桩单元8中心加速度信号，经一次积分得到单元中心的速度时程曲线，再次积分得到单元中心的位移时程曲线，如图4所示。其中，在速度时程曲线第一个零点对应的时刻t0，桩单元振动达到最大位移，此时桩单元与速度相关的土阻尼力为零，若桩侧土达到极限状态，则此时桩身所受桩侧土阻力为静态极限阻力。
各桩单元8振动过程中顶面9和底面10处的轴力时程，可直接测量顶面9和底面10的轴力，或通过粘贴应变片等方式获得动态应变，从而计算轴力，还可根据加速度计信号，积分得到位移，利用相邻桩单元位移差获得桩单元顶面9和底面10平均轴向应变，进而计算轴力。无论采用何种方式获得各桩单元顶面9和底面10的轴力，来用于本动态测试分析方法中，均在本发明的保护要求范围内。
S3：基于各桩单元8中心位置的速度时程曲线，选择各桩单元8振动过程中速度第一次为零的时刻t0作为计算时刻，计算各桩单元所受土阻力，该时刻的土阻力视为静态极限土阻力；
其中除桩端处的桩单元(即第n段桩单元)外，其余任意第i段桩单元8的静态极限土阻力Ris计算公式为：
Ris＝fi1(t0)-fi2(t0)-miai(t0),i＝1,2,…,n-1
式中，fi1(t0)为第i段桩单元顶面处的轴力时程曲线中t0时刻的轴力值，fi2(t0)为第i段桩单元底面处的轴力时程曲线中t0时刻的轴力值，mi为i段桩单元的质量，ai(t0)为第i段桩单元中心位置的加速度时程曲线中t0时刻的加速度值；
对于桩端处的桩单元，其静态极限土阻力Rns计算公式为：
Ris＝fi1(t0)-miai(t0),i＝n
S4：将所有的n段桩单元8的静态极限土阻力累加，得到整根桩的竖向极限土阻力。
在实际测试时，为了减少误差，可多次重复S2～S4测试，取竖向极限土阻力的多次测量结果平均值作为单桩的最终承载力值。
下面结合附图，说明本发明在实际工程应用时的具体测试装置、测试过程以及该方法的分析原理。
如图1所示，测试时需要沿预制管桩1的桩身布置加速度计6，用于采集重锤2冲击下桩身不同位置处的振动加速度信号。为保证桩头不被砸坏，对冲击起到缓冲作用，并减小荷载偏心影响，还可在桩顶上设置锤垫3、桩帽4和桩垫5等。
(1)动态测试过程和测试装置
如图1所示，以等截面灌注桩为例(其余桩型类同)，具体动态测试过程如下：
①在预制管桩1贯入土层设计深度后，利用预留中心孔(如声测孔)，将加速速度计6等间隔地固定在桩身的不同位置处(也可非等间隔布置)，可采用机械固定、充气气囊等方式来进行固定。对于预制管桩而言，可利用管桩中心孔将加速度计固定在桩壁上。
②安装固定加速度计6后，可通过桩顶附近的出线孔7将连接加速度计3的信号传输线穿出，并与外部数据采集仪等设备相连，来进行信号采集和处理。也可采用无线传输的加速度计，此时不需在桩顶附近预留小孔。
③连接完成加速度计后，需检测各加速度计是否正常。利用橡胶锤轻敲桩顶，采集各通道的加速度信号，一次积分可转化为速度信号。若各加速度信号采集正常，同时沿桩身向下的速度峰值信号总体上呈现衰减的规律(桩底附近由于反射波叠加，可能速度信号会增大)，则表明加速度计正常工作。
④在桩顶依次安装好桩垫5、桩帽4和锤垫3，通过重锤2锤击桩顶，(可采用自由落体或其他方式锤击)，使桩顶产生足够大位移，记录一次锤击下各加速度计的信号，完成一次动态测试。
在实际应用时，根据各桩单元中心位置的加速度信号可以得到位移值，进而获得各桩单元顶面和底面的应变，并计算轴力时程。当然，也可采用其他方式直接获得各桩单元顶面和底面的轴力值，可与由加速度计得到的轴力值比较以相互验证。
(2)测试分析原理及承载力计算方法
如图2所示，桩顶受到落锤的一次敲击后，任意一桩单元(第i段桩)在振动过程所受到的力及其平衡方程为
f1-f2＝mia+R (1)
式中，f1为桩单元顶部截面的轴力，f2为桩单元底部截面的轴力；mi为桩单元的质量；a为桩单元的加速度，R为桩侧土阻力。
振动状态下的桩侧土阻力R有两部分组成，分别为静阻力Rs和动阻尼力Rd，即
R＝Rs+Rd (2)
静阻力部分与桩单元的承载力直接相关，是动态测试方法最终所要求的量。动阻尼力部分与桩单元的速度有关，当桩身速度为零时，动阻尼力Rd＝0。
此时，对于第i段桩单元而言，总的土阻力值即为静阻力值，即：
Ris＝fi1(t0)-fi2(t0)-miai(t0) (3)
式中，Ris为第i段桩所受土的静阻力部分；t0为桩单元速度为零的时刻。
各桩单元的加速度可由加速度计获得，加速度一次积分可得到速度，从而可以确定速度为零的时刻t0，如图4所示。加速度两次积分可得到桩单元中心点的位移，结合前后相邻桩单元中心点的加速度之差(如图3所示)，由式(4)，可分别积分得到该桩单元顶部截面和底部截面的平均应变εi1和εi2，利用此应变结合桩身模量和截面尺寸，容易得到f1和f2。如前文所述，桩单元顶面和底面的轴力值，也可通过粘贴应变片的方式获得，本发明仅叙述了其中一种较为简便的测试方式，也可通过其他测量方式来获得轴力时程。
特别地，对于桩端处的桩单元，除桩侧土阻力外，还包括桩端阻力(即为f2)，因此该桩单元所受的土阻力值Rns为
Rns＝fn1(t0)-mnan(t0) (5)
式中，Rns是桩端处桩单元所受土静阻力，包括桩侧阻力和桩端阻力。
由于第一个速度零点(如图4所示)一般对应着桩单元的最大位移。当落锤的锤击力足够大时，可激发桩侧土进入极限状态，极限状态也对应于桩单元产生最大位移的时刻。因此，在第一个速度零点时刻，不仅使桩侧土阻力仅存在静阻力，而且这一静阻力同时也是土的极限阻力，即该桩单元的极限承载力。这样将各桩单元的极限阻力累加，就得到了整根桩的竖向极限承载力T：
本发明通过上述测试手段和分析方法，可以较为简单地获得单桩竖向极限承载力，不需人为设置参数，测试结果不受人为主观因素干扰，不需满足波动条件，对于长桩和短桩均可适用，能够弥补现有单桩承载力测试分析方法的不足。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于离散桩单元的单桩竖向极限承载力动态测试方法，其特征在于，步骤如下：
S1：将桩身沿深度方向离散为n个桩单元(8)，在每段桩单元(8)中心位置固定加速度计(6)；
S2：采用重锤(2)锤击桩顶，使桩-土之间通过产生相对位移达到极限承载状态，并通过各加速度计(6)分别记录桩身振动过程中各桩单元(8)中心位置的加速度时程曲线；再对每一段桩单元(8)的加速度时程曲线进行积分，得到各桩单元(8)中心位置的速度时程曲线和位移时程曲线；同时，通过直接测量或计算得到各桩单元(8)振动过程中单元的顶面(9)和底面(10)处的轴力时程曲线；
S3：基于各桩单元(8)中心位置的速度时程曲线，选择各桩单元(8)振动过程中速度第一次为零的时刻t0作为计算时刻，计算各桩单元所受土阻力，该时刻的土阻力视为静态极限土阻力；
其中除桩端处的桩单元外，其余任意第i段桩单元(8)的静态极限土阻力Ris计算公式为：
Ris＝fi1(t0)-fi2(t0)-miai(t0),i＝1,2,…,n-1
式中，fi1(t0)为第i段桩单元顶面处的轴力时程曲线中t0时刻的轴力值，fi2(t0)为第i段桩单元底面处的轴力时程曲线中t0时刻的轴力值，mi为i段桩单元的质量，ai(t0)为第i段桩单元中心位置的加速度时程曲线中t0时刻的加速度值；
对于桩端处的桩单元，其静态极限土阻力Rns计算公式为：
Ris＝fi1(t0)-miai(t0),i＝n
S4：将n段桩单元(8)的静态极限土阻力累加，得到整根桩的竖向极限土阻力。
2.如权利要求1所述的基于离散桩单元的单桩竖向极限承载力动态测试方法，其特征在于，每个所述的离散桩单元(8)，其轴向长度相同，或者按土层分布划分为不同长度。
3.如权利要求1所述的基于离散桩单元的单桩竖向极限承载力动态测试方法，其特征在于，所述桩身预留轴向的中心孔道，所述加速度计(6)采用机械装置或充气气囊固定在中心孔道的内壁上。
4.如权利要求3所述的基于离散桩单元的单桩竖向极限承载力动态测试方法，其特征在于，所述加速度计(6)的信号传输线沿中心孔道从桩顶穿出，连接到数据采集系统中，或者通过无线传输与数据采集系统构成通信连接。
5.如权利要求1所述的基于离散桩单元的单桩竖向极限承载力动态测试方法，其特征在于，所述重锤(2)采用自由落体方式锤击桩顶，或采用蒸汽锤、内燃式柴油锤，使桩-土间产生足量的相对位移，桩侧土达到极限状态。
6.如权利要求1所述的基于离散桩单元的单桩竖向极限承载力动态测试方法，其特征在于，所述的速度时程曲线由加速度时程曲线经过一次积分得到，再次积分后得到所述的位移时程曲线。
7.如权利要求1所述的基于离散桩单元的单桩竖向极限承载力动态测试方法，其特征在于，各桩单元(8)的轴力时程曲线，通过直接测量顶面(9)和底面(10)的轴力获得；或者通过粘贴应变片测定动态应变再计算轴力而获得；或者根据加速度计(6)信号，二次积分得到位移后，利用相邻桩单元位移差获得桩单元顶面(9)和底面(10)平均轴向应变，进而计算轴力。
8.如权利要求1所述的基于离散桩单元的单桩竖向极限承载力动态测试方法，其特征在于，在进行正式测试前，先用橡胶锤轻敲桩顶，检验各加速度计是否正常工作。
9.如权利要求1所述的基于离散桩单元的单桩竖向极限承载力动态测试方法，其特征在于，所述的桩顶上从下往上依次安装有桩垫(5)、桩帽(4)和锤垫(3)。
10.如权利要求1所述的基于离散桩单元的单桩竖向极限承载力动态测试方法，其特征在于，多次重复S2～S4测试，取竖向极限土阻力的多次计算结果平均值作为单桩的最终承载力值。
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