基于高应变动测法惠州地区桩基承载力试验研究1

中国生，刘定环

（1.惠州学院 建筑与土木工程学院，广东 惠州 516007；2.惠州白鹭湖旅游实业开发有限公司，广东 惠州 516021）

基于高应变动测法惠州地区桩基承载力试验研究1

中国生1，刘定环2

（1.惠州学院 建筑与土木工程学院，广东 惠州 516007；2.惠州白鹭湖旅游实业开发有限公司，广东 惠州 516021）

为了检验桩基高应变实测曲线拟合法的正确性与可行性，在惠州地区某一建设场地选择2个试验点，每个试验点均用预应力混凝土管桩（Φ400,C80）进行桩基竖向承载力的现场试验.试验结果表明：根据试验点实际的土层参数，修正桩土动力学模型中的相关拟合参数，应用MATLAB编制拟合计算程序，对高应变实测数据进行拟合计算，获得的计算曲线与实测曲线拟合较好；2个试验点的桩基极限承载力动测试验结果与静载试验相比，分别降低了13.03%和11.35%，高应变实测曲线拟合法能相对准确地测出桩基承载力.研究成果可为桩基设计与承载力检测提供理论依据.

桩基承载力；静载；堆载法；高应变；实测曲线拟合

1引言

桩基是目前土建工程中最常用和最安全的基础形式之一［1］.自改革开放以后，随着我国社会主义现代化建设的迅猛发展，越来越多的高层及超高层建筑以及大型的建设工程普遍采用桩基础形式，特别是在我国的地震设防区，冻土、膨胀土、软土以及湿陷性黄土等地区，大量的工程实践证明，桩基是一种最为有效和安全可靠的基础形式［2-4］.

由于我国地域广阔，不同地区的工程地质状况差异很大，复杂地质状况下建筑物桩基础的施工和检测往往比上部结构更为复杂，桩基础的质量直接决定了建设工程的安全性［5］.与静载试验相比，高应变动测具有设备轻便、测试时间短、抽检比例高、费用低、效率高等诸多优点，现已被建设工程界广泛认可并采用［6-8］.

现有分析计算的桩土力学模型没有充分考虑不同地区桩土的相互作用机理，不能精确地反映实际地区桩土体系的复杂性，不可避免地存在较多的假设和经验成分，根据国内外工程实践表明，桩基高应变动测法较静载试验相比，仍存在较大的误差［7，8］.因此，针对某一地区的工程地质条件，对桩土动力学模型及相关参数取值问题进行深入研究，合理准确地确定桩基的承载力，不仅关系到工程建设的质量和效率，也是基础工程中的一项非常重要的研究课题，具有重要的理论意义和工程应用价值.

2 试验地点

惠州市地处低纬度，北回归线横贯全市，属亚热带季风性湿润气候区，雨量充沛，阳光充足，气候温和.结合实际的工程项目建设，试验桩选择位于惠州白鹭湖山水休闲度假区BHL-15号地块的建设场地.根据工程地质钻探显示，该场地土层自上而下依次为：素填土Qml、全风化粉砂岩J、强风化粉砂岩J.

表1 试验点I的桩侧土层分布

表2 试验点II的桩侧土层分布

为了准确地比较静载与高应变动测试验获得的桩基承载力，特地在该建设现场选取了两个试验点，使用相同规格的试验桩，采用平行施工且成桩日期相同.两个试验点的桩侧土层的分布情况，见表1和表2所示.

3 静载与动测试验原理及设备

3.1 静载试验原理—堆载法

单桩竖向抗压静载试验采用接近于竖向抗压桩的实际工作条件的试验方法，以此确定单桩的竖向抗压承载力，是目前公认的检测基桩竖向抗压承载力最直观、最可靠的试验方法，通常认为是一种标准试验方法，可作为其他检验方法的对比依据［9］.针对本次静载与动测对比试验对象是中小桩，国内检测机构普遍采用堆载法作为加载方法，堆载法由重物、副梁（工字钢）、主梁、千斤顶等构成，见图1所示.常用的堆载重物多为砂包和钢筋混凝土构件，少数用钢铁、石块等.压重不得小于预估最大试验荷载的1.2倍，且压重宜在试验开始之前一次加上，并均匀稳固地放置于平台上.规范要求压重施加于地基的压应力不宜大于地基承载力特征值的1.5倍，当压重平台支墩尺寸较小时，压重平台支墩施加于地基土的压应力可能会大于地基土承载力，造成地基土破坏或明显下沉，导致堆载平台倾斜甚至坍塌.

图1 基桩堆载法静载试验示意图

图2 桩土动力学模型

3.2 静载试验设备

堆载法静载试验系统由压重平台反力装置、加载装置、荷载量测装置、位移量测装置和自动采集装置组成.反力装置由重物、次梁、主梁、千斤顶等构成；加载装置采用千斤顶与油泵相连的形式，由千斤顶施加荷载，本次试验液压千斤顶的最大施加荷载为2000kN，液压泵站的加载精度为0.4MPa、最大加载值为63MPa；荷载量测装置为油压表，本次试验油压表的量程为60MPa；位移量测装置由基准桩、基准梁和位移传感器组成，本次试验位移传感器的量程为50mm；自动采集装置为静载荷测试仪，采集每级荷载作用下的位移读数.

3.3 高应变动测试验原理—实测曲线拟合法

实测曲线拟合法是在假定的桩土动力学模型的前提下，编制相应的计算程序，然后在计算程序中导入实测的波形曲线，以实测的速度波曲线（或实测的力波曲线）为边界条件，通过不断调整土的弹限、土的最大静阻力以及土的阻尼系数来计算力（或速度）的值，然后将计算曲线与实测曲线进行对比，若结果不吻合，则继续调整土层参数，直到计算值与实测值相符合为止，把此时的土参数值作为实际土的参数值，将得到的最大静阻力值进行求和，最终得出总的土阻力，并依此来计算桩的极限承载力［10，11］.具体分析过程如下：

（1）桩的计算模型

将桩视为连续杆件模型，分为N个弹性杆件单元（单元长度约为1m），各个单元长度的取值都必须使应力波通过该单元的时间相等，且应力波在传播过程中不发生畸变.每个单元弹性模量与截面积的取值均来自于桩的弹性模量和截面积，同时假定土阻力作用在

②设定全部单元桩土参量；

③求解波动方程计算另一条曲线；

④把实测曲线与计算曲线进行比较；

⑤调整桩土体系的相关系数，反复迭代计算，使两者的拟合程度达到相关要求，此时就认为对桩土参数的假定与实际情况接近；

⑥输出分析结果.

3.4 高应变动测试验设备

高应变动测试验系统主要由传感器、基桩动测仪和激振设备等三部分组成.本次试验采用的主要设备有：CYB-YB-F1K型力传感器、SY-2型加速度传感器、RS-1616K（S）型基桩动测仪、激振设备为4000kg重锤.

4 静载与动测对比试验方案

为了更好地对比静载法和高应变法测出的桩基承载力，试验桩采用相同规格的预应力混凝土管桩，试验点I的试验桩号为1#，试验点II的试验桩号为2#.试验桩的相关参数，见表3所示.

为保证桩基静载与动测试验数据的对比性，在判断静载试验达到极限破坏同时进行高应变动测试验.静载试验前，在桩顶布设位移传感器，通过磁芯表座固定在基准钢梁上，试验荷载由安装在桩顶的油压千斤顶逐级加载.

为了测量不同土层的桩侧摩阻力，根据试验点的土层分布情况（见表1和表2所示），沿着桩身不同土层的分界面布设应力应变计.为了测量桩端阻力，在桩底布设压力传感器.

表3 试验桩的相关参数

高应变动测试验前，在距离桩顶1米处的桩身表面布设加速度传感器和力传感器；对桩头进行加固处理，进行激振设备的预击打，调整好重锤下落高度.根据桩基静载试验测量的各土层桩侧摩阻力和桩端阻力，修正高应变动测桩土动力学模型的土层参数，绘制波形拟合曲线，确定桩基承载力.

5 试验结果与分析

本次静载试验1#桩和2#桩的Q-s曲线和s-lgt曲线，如图5和图6所示.

由图5可知，1#桩加载到3300kN时，加载累积沉降量为8.09mm，卸载累积回弹量为5.12mm，回弹率为63.3%，Q-s曲线平缓，无明显陡降段，s-lgt曲线呈平缓规则排列.因此，1#桩竖向抗压极限承载力Qu≥3300kN.

由图6可知，2#桩加载到3100kN时，加载累积沉降量为7.05mm，卸载累积回弹量为5.02mm，回弹率为71.2%，Q-s曲线平缓，无明显陡降段，s-lgt曲线呈平缓规则排列.因此，2#桩竖向抗压极限承载力Qu≥3100kN.

图5 1#桩的Q-s和s-lgt曲线

图6 2#桩的Q-s和s-lgt曲线

本次高应变动测试验1#桩和2#桩的实测力波与实测速度波以及实测力波与拟合力波，如图7至图10所示.

图7 1#桩的实测力波与实测速度波

图8 1#桩的实测力波与拟合力波

图9 2#桩的实测力波与实测速度波

图10 2#桩的实测力波与拟合力波

由图7和图9可知，1#桩和2#桩的实测力波与实测速度波，这两条曲线的上升段与第一峰值是重合的，说明在此时间段没有明显的土阻力作用；过了峰值后，由桩侧土阻力作用产生的上行压力波，使得力波与速度波开始分离.因而，实测曲线质量良好，可用于拟合计算与分析.

由图8和图10可知，1#桩和2#桩的实测力波与拟合力波，以实测速度波为边界条件，通过调整相应拟合参数来拟合计算力波，将图中拟合力波与实测力波进行对比可知，两条曲线的趋势走向基本一致.

基于桩土动力学模型，应用Matlab编制了相应的计算程序，根据试验点的土层参数，反复调整拟合参数进行实测曲线拟合分析，最终获取试验桩竖向抗压承载力的高应变动测结果，见表4所示.

表4 试验桩的高应变动测结果

通过对比本次试验的静载与动测结果，可知1#桩的静载极限承载力为3300kN、动测极限承载力为2870 kN，两者相差13.03%；2#桩的静载极限承载力为3100kN、动测极限承载力为2748 kN，两者相差11.35%.

6结论

（1）通过桩土动力学模型，应用MATLAB编制拟合计算程序，对实测高应变数据进行了拟合计算，并与静载试验结果进行对比分析.

（2）两个试验点的桩基竖向极限承载力静载与动测试验结果相比，相差程度为13.03%和11.35%，高应变实测曲线拟合法测出的桩基承载力要比静载法偏低.

（3）根据试验点实际的土层参数，通过修正桩土动力学模型中的拟合参数，获得的计算曲线与实测曲线拟合较好，高应变实测曲线拟合法能相对准确地测出桩基承载力.

参考文献：

［1］李德庆，李澄宇，李澄海.桩基工程质量的诊断技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［2］冯忠居，王航，魏进，等.黄土冲沟斜坡桥梁桩基竖向承载特性模型试验研究［J］.岩土工程学报，2015，37（12）：2308-2314.

［3］蒋代军，郭春香.青藏高原多年冻土区单桩承载力的长期稳定性［J］.长安大学学报：自然科学版，2016，36（2）：59-65.

［4］王端端，周志军，吕彦达，等.湿陷性黄土中成孔方式对桩基承载力影响试验研究［J］.岩土力学，2015，36（10）：2927-2933.

［5］杨敏，靳军伟.桩基础与既有地铁隧道相互影响的研究进展［J］.建筑结构学报，2016，37（8）：90-100.

［6］宇德忠，程培峰，季成，等.岛状多年冻土地区桥梁桩基回冻后承载力的静载与动测对比试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2015，34（S1）：2845-2853.

［7］张吾渝，王雪峰，甘轶，等.偏心敲击对高应变信号的影响［J］.工业建筑，2010，40（8）：95-60.

［8］杨志琛.基桩高应变动力检测试验参数的研究［D］.济南：山东建筑大学，2013.

［9］陈爱军，吴鸣，陈惠满.结构试验与检测［M］.北京：中国建材工业出版社，2015.

［10］陈安国，刘东甲.基桩高应变检测的拟合方法研究［J］.工程地球物理学报，2008，5（2）：215-221.

［11］夏磊.基桩高应变检测波形拟合法的理论研究与应用［D］.合肥：合肥理工大学，2013.

【责任编辑：吴跃新】

Experimental Study on Bearing Capacity of Pile in Huizhou Area Based on Dynamic Testing Method of High Strain

ZHONG Guosheng1，LIU Dinghuan2
（1.School of Architecture and Civil Engineering，Huizhou University，Huizhou 516007，Guangdong，China；2.Huizhou Bailuhu Touismr Enterprise Development Limited Company，Huizhou 516021，Guangdong，China）

In order to test the correctness and feasibility of high strain measured curve fitting method of pile，two test sites were selected in a construction site in Huizhou area，and field tests of vertical bearing capacity of pile were carried out using prestressed concrete pipe pile（Φ400，C80）.The following test results can be obtained:(1)According to the actual soil layer parameters of test sites，the relevant fitting parameters in dynamic model of pile and soil were modified；The fitting calculation programs were compiled by MATLAB，and the measured data of high strain were calculated；The calculated curves can fit well with the measured curves.(2)Compared with the static loading test results，the ultimate bearing capacity of pile of dynamic testing at two test sites was reduced by 13.03%and 11.35% respectively；The bearing capacity of pile measured by the high strain measured curve fitting method was relatively accurate.The research results can provide a theoretical basis for the design and bearing capacity testing of pile foundation.

pile bearing capacity；static loading；heaped loading method；high strain；measured curve fitting

TU 43

A

1671-5934（2017）03-0086-06

2017-05-08

国家自然科学基金项目（51464015）；广东省高等学校人才引进基金项目（A413.0210）；广东省自然科学基金项目（2016A030313121）；惠州市科技计划项目（2014B020004018）

作者简介：中国生（1974-），男，江西赣州人，教授，博士后，研究方向为岩土工程灾害检测与控制，Email：70371482@qq.com。