基于应力波的桩身内力计算方法研究

洪光森，马克刚，张明瑞

（1.中国能源建设集团资产管理中心，北京 100022；2.中国能源建设集团安徽省电力设计有限公司，安徽 合肥 230601）

基于应力波的桩身内力计算方法研究

洪光森1，马克刚2，张明瑞2

（1.中国能源建设集团资产管理中心，北京 100022；2.中国能源建设集团安徽省电力设计有限公司，安徽 合肥 230601）

针对大型试桩工程中桩身内力测试存在的问题，为了提高桩身内力测试参数的可靠性和准确性，基于应力波理论，利用声波透射法测试成果进行桩身材料弹性模量修正，有效提高桩身内力测试的精度，优化桩基设计参数，降低桩基工程造价，并提高了桩基工程的安全性。

应力波；声波透射法；弹性模量；桩身内力测试。

1　概述

大型试桩工程中桩身内力测试是用来获取桩侧各土层的侧摩阻力和桩端阻力的重要手段，其方法是在桩身预埋传感器，在进行静载试验时进行应变或应力量测，进而计算桩身各断面轴力，最终推导出桩身摩阻力和桩端阻力。目前多采用弦式钢筋计进行桩身应力量测。由于混凝土的非线性，需在桩顶设置一个测量断面作为标定断面，进行桩身材料弹性模量的标定。

然而灌注桩的桩身混凝土弹性模量受各种因素影响存在不确定性，加之桩身截面的不均匀性和传感器件埋设等问题，进行内力计算时存在较大的系统误差和人为误差，主要表现在：

（1）计算时假设桩身材料均匀，测点断面与标定断面桩身材料一致，采用相同的弹性模量；

（2）同一断面测点应变存在不一致性，难以判别取舍有效测点。

由于混凝土的弹性模量与其超声波波速之间具有较好的相关性，针对以上问题，提出利用声波透射法测试成果和桩身沉降观测资料解决以上问题，方法如下：

基于应力波理论，利用声波测试成果进行桩身材料弹性模量修正，解决桩身不均匀性问题，该方法在电力工程的试桩项目中进行了应用，取得了较好的效果。

2　桩身内力计算方法

2.1一般原理

采用钢筋计的桩身内力计算是基于混凝土与钢筋笼同步变形，通过量测钢筋的应变得到混凝土的应变，进而得到桩身断面处的轴力，计算出各断面间土层的侧摩阻力和桩端阻力，具体计算过程如下：

（1）根据桩顶标定断面处应变变化，建立桩身应变ε0～桩身等效弹性模量E0关系（或者桩身应变ε0～桩身轴力F0）关系，当桩身测点断面与标定断面存在变化时，按钢筋弹性模量不变，进一步计算建立桩身混凝土应变ε0～桩身混凝土弹性模量Ec0关系。

（2）整理各断面应变数据，计算断面应变平均值，根据标定断面计算成果，计算该断面处桩身轴力，计算方法如下：

式中：Qi为桩身第i断面处轴力（kN）；εi为第i断面处应变平均值；Ai为第i断面处桩身截面面积（m2）；Ei为第i断面处桩身材料弹性模量（kPa），根据标定断面处回归关系ε～E计算。

如桩身断面与标定断面一致时，上述公式往往简化为根据桩身应变ε0～桩身轴力F0关系直接计算Qi。

（3）利用各断面桩身轴力计算各段土体侧摩阻力和桩端阻力。

由于混凝土自身的非线性和桩身不同地段混凝土密实度的差异，混凝土弹性模量Ec非常值，而随ε增加而有变小的趋势。

上述桩身内力计算时基于测量断面与标定断面处桩身材料一致的前提，而实际混凝土灌注桩桩身均匀性存在一定变化，计算时应对于桩身混凝土的弹性模量进行修正。

2.2基于应力波的弹性模量修正方法

根据一维应力波理论，桩身混凝土的弹性模量可根据以下公式计算：

式中：ρ为混凝土密度，C为混凝土波速。

声波透射法检测采用超声脉冲发射源向砼内发射高频弹性脉冲波，并用高精度接收系统记录该脉冲波在砼内传播过程中表现的波动情况，由于同为纵波，脉冲波波速可视为与一维应力波波速一致。因此根据声波测试成果，利用各断面实测波速（钢筋计长度范围内的平均值）与标定断面处实测波速进行对比，利用上述公式进行修正，即采用ECi=KiEC0，Ki=（Ci/C0）2。

3　工程应用

将上述方法用于某电厂主厂房区域综合试桩工程中，以A1桩内力测试为例，修正前后桩身轴力成果如图1所示，修正前后各土层极限侧摩阻力试验值对比见表1。

表1　A1桩修正前后各土层极限侧摩阻力试验值

根据表1可知，修正前④层可塑粉质粘土、⑤3层硬塑含砾卵石粉质粘土、⑥2中风化泥质砂岩试验值均为异常值，而修正后各土层的侧摩阻力试验值均在规范的建议取值范围内。因此，通过弹性模量修正，可以有效地提高桩身内力测试成果的可靠性和准确性，从而有利于桩基的优化设计。

4　结论

（1）采用基于应力波的桩身内力测试计算方法可以有效修正由于弹性模量变化造成的桩身内力测试误差，提高桩身内力测试成果的可靠性和准确性。

图1　A1桩修正前后桩身轴力图

（2）简单比值修正方法往往与反算成果存在一定差异，个别断面差异很大，这与混凝土的非线性有关，建议后期根据更多的室内试验建立弹性模量与声速的二次回归关系。

（3）钢筋计为非连续测量应变，如采用滑动测微计进行连续测量，可以通过标定断面与加固桩头之间应变与波速关系，直接建立弹性模量修正公式，在以后工程中建议尝试采用。

［1］郝恩海，刘杰，等.混凝土超声声波与强度和弹性模量的关系研究［J］.天津大学学报，2002，3（35）.

［2］董清华.混凝土超声波、声波检测的某些进展，混凝土［J］.2005，（11）.

［3］杨龙才，周顺华，高强.基于单桩轴力实测的桩身压缩变形计算与分析［J］.工程勘察，2004，4（1）.

［4］罗骐先.桩基工程检测手册（第二版）［M］.北京：人民交通出版社，2004.

Calculation Method of Pile Body Internal Force Based on Stress Wave

HONG Guang-sen，MA Ke-gang，ZHANG Ming-rui
（1.China Energy Engineering Group Assets Administration Center， Beijing 100022， China；2.China Energy Engineering Group Anhui Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Hefei230601， China）

For large engineering pile body internal force of piles testing problems， in order to insure the accuracy and the reliability of the pile test parameters， by using stress wave theory， the use of sound wave transmission method test results for pile body material elastic modulus， improve the precision of the pile body internal force test and optimize the pile foundation design parameters， reduce the engineering cost； Will be a number of testing method and unified application without increasing resource input， accord with environmental protection principle to improve the reliability of pile foundation design parameters， guarantee the safety of the pile foundation engineering.

stress wave；acoustic transmission method；elastic modulus；conductivity；pile internal force measuring.

TU473

B

1671-9913（2016）04-0053-03

2016-03-01

洪光森（1982- ），男，工程师，硕士，从事岩土及地质工程研究，