高应变法在水闸基桩抗压承载力检测的应用

刘 洁

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

1 概述

高应变法的基本原理，是往桩顶施加冲击力，使桩贯入后，测量产生的桩身质点应力和加速度，结合波动理论分析，开展应力分析[1-3]。近年来的研究和实践表明，高应变法可用来判定单桩竖向抗压承载力是否满足设计要求，检测桩身缺陷及其位置，判定桩身完整性类别[4-7]。本文以某水系连通工程水闸基桩为例，论述高应变法在水闸基桩抗压承载力检测的应用。

水闸基桩类型为混凝土灌注桩，桩径900mm，水闸闸室段26.98～28.90m、挡土墙段26.40～27.60m。场地埋深约60.00m深度范围内，地基土按成因年代可分为以下7层：人工填土层、全新统中组海相沉积层、全新统下组沼泽相沉积层、全新统下组陆相冲积层、上更新统第五组陆相冲积层、上更新统第四组滨海潮汐带沉积层、上更新统第三组陆相冲积层。均为第四系浅层新地层，较为松软稀疏，因此基桩抗压承载力检测对于该水闸建设至关重要。

2 方法原理与设备

本工程采用武汉中岩科技有限公司研制的RSMPDT(A)基桩检测分析仪，2个加速度传感器，2个应变测量传感器及附属设备。分析软件为配套专业应用软件。本次高应变检测使用锤重为50kN，最大锤击落距为1.0m；传感器安装位置距桩顶为1.0m。

在重锤的冲击下，产生的应力波将沿桩身向下传播。在应力波的作用下，使桩、土产生相对位移。利用安装在桩身上的应变计和加速度传感器，拾取锤击时桩身受力和运动速度的时域波形。利用桩基分析仪采集、并对两信号进行分析，CASE法按下式判定单桩竖向极限承载力。

现场检测装置见图1。实际操作的经验表明，重锤落距越高，锤击应力和偏心越大，越容易击碎桩头，作者的经验是最大锤击落距不宜大于2.5m。

图1 基桩高应变现场检测装置图

式中：Rc——CASE法确定的单桩极限承载力，kN；

Jc——CASE法阻尼系数；

F——某时刻测点处实测的锤击力，kN；

t1、t2——速度波第一峰和第二峰对应的时刻，ms；

F(t1)、F(t2)——t1、t2时刻测点处实测的锤击力，kN；

v(t1)、v(t2)——t1、t2时刻测点处实测的速度，m/s；

Z——桩身截面力学阻抗，kN·s/m；

A——桩身截面积，m2；

E——桩身材料弹性模量，MPa；

L——测点以下桩长，m；

c——桩身应力波波速，m/s。

3 结果分析

从表1高应变检测成果，结合地质资料分析，本文样品地质背景均为第四系地层，CASE法阻尼系数Jc取值0.35。闸室段被检桩单桩竖向极限承载力3810～4030kN，平均值为3900kN；挡土墙段被检桩单桩竖向极限承载力3580～3900kN，平均值为3680kN。

表1 高应变检测成果表

为开展抗压承载力综合分析，本文应用高应变检测成果开展了桩身完整性分析。对于等截面桩，可按下表并结合经验判定，完整性系数β和桩身缺陷位置按下列式计算：

式中：β——桩身完整性系数；

t1——速度波第一峰对应的时刻，ms；

tx——速度波第二峰对应的时刻，ms；

F(t1)、F(tx)——t1、tx时刻测点处实测的锤击力，kN；

v(t1)、v(tx)——t1、tx时刻测点处实测的速度，m/s；

Z——桩身截面力学阻抗，kN·s/m；

ΔR——缺陷以上部位土阻力估计值，kN，等于缺陷反射起始点的锤击力减去速度与桩身截面力学阻抗的乘积；

c——桩身应力波波速，m/s；

x——缺陷断面位置与测点间的距离，m。

完整性判定见表2，本文基桩样品β均大于1，为完整桩。高应变检测成果见表3。

表2 完整性判定表

表3 高应变检测成果表

分析表明，水闸闸室段样品高应变单桩竖向抗压极限承载力检测值均不小于3780kN，竖向抗压承载力特征值可取1890kN；挡土墙段样品高应变单桩竖向抗压极限承载力检测值均不小于3540kN，竖向抗压承载力特征值可取1770kN。按照《水运工程地基基础试验检测技术规程》和《建筑基桩检测技术规范》，单桩竖向抗压承载力特征值满足设计要求[8-9]。

4 结论

综合上述抗压承载力检测分析，研究取得了以下结果。

（1）水闸闸室段竖向抗压承载力特征值可取1890kN；挡土墙段竖向抗压承载力特征值可取1770kN。

（2）按照行业标准，水闸闸室段单桩竖向抗压承载力特征值满足设计要求，且完整性分析表明单桩样品为完整桩。综合分析表明，高应变法可用来测试单桩竖向抗压承载力，判定是否满足设计要求。

（3）现场实际操作的经验表明，高应变法实验过程中，重锤最大锤击落距不宜大于2.5m。