PHC管桩承载力的动力和静力测试对比分析

刘勇健，傅杨攀，2，黄承泽，方鸿发，邱 阳

(1.广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州 510006；2.广州大学 土木工程学院，广东 广州 510006)

预应力高强度混凝土管桩(Prestress High Concretepile，PHC管桩)因承载力高、桩身质量好、施工速度快、环境污染小、工期短等特点，是东南沿海软土分布区工程建设中广泛采用的重要桩型之一[1]。单桩承载力的确定是基础工程设计和桩基理论研究的核心问题。

静载荷试验(Static Load Test，简称SLT)[2-4]和高应变动力测试(High Stress Test，简称HST法)是目前两种重要的单桩竖向承载力原位测试方法[5-7]。高应变法通过对桩顶施加高能量冲击荷载，实测桩顶附近或桩顶部的力和速度信号，运用波动理论反演来推算被检桩的完整性和单桩承载力。该方法具有快速高效，不受抽检率和场地限制等优点，但高应变法的计算结果依赖于桩-土模型的选择及参数的设定，其结果存在多解性[8-10]。静载荷试验对桩顶施加作用相对长的静力荷载，通过荷载与变形的关系曲线，确定单桩承载力，是目前桩基承载力确定最可靠方法，但静载荷试验与高应变动测技术相比，费时、费力、抽检率偏低、对场地要求高且不经济。工程实践表明两种测试方法各有优势，对于同一桩的动静测试结果间存在内在的关联性[11-13]。分析两种试验方法的测试原理，对比分析测试结果和误差大小，建立动静参数的相互关系，有助于桩基测试技术更好的应用[14-15]。本文结合佛山市禅城区某试桩项目，对12条PHC管桩高应变法和静载试验及结果进行分析，旨在为类似工程的管桩设计和桩基动静检测提供参考依据。

1 桩基的动力和静力检测方法

1.1 高应变法

桩基动力检测是在桩顶施加一个动态力，根据响应特征曲线来估算单桩承载力的方法，其中高应变“Capwap曲线拟合法”应用较广泛。Capwap法把桩划分成若干段(单元)，假定各分段的桩、土参数，以实测的桩顶速度波或力波作为边界条件，用特征线法求解波动方程，将实测力波和速度波输入计算机进行迭代计算，反算桩顶力波或速度波，使计算的波形和实测波形拟合。从而得到单桩极限承载力、桩侧阻力分布、计算的荷载与沉降曲线(Q-s曲线)[3-7]。本次研究的桩身模型和土模型如下：

(1) 桩身模型。把桩身看作连续的、线性的和一维的弹性杆件；将桩分成N个弹性杆件单元，各单元长度值不等。假设桩为一维线弹性杆测点下桩长为L，横截面积为A，时间为t，设杆轴为x轴，受轴向力F在杆端作用下沿杆轴向的位移为u，桩材弹性模量为E，桩材质量密度为ρ，桩身内应力波传播速度为C(C2=E/ρ)，土阻力R，建立桩的一维波动方程：

(1)

Capwap桩侧土计算模型如图1，re为重新加载水平系数，un为卸载水平系数，Cs为桩侧土卸载系数。

(2) 土模型。将桩周土体简化为理想弹塑性模型，其桩侧阻和桩端阻模型如图(1)和图(2)。当土位移小于最大弹性位移Q时，应力和应变呈线性关系；当土位移达到Q值，应力不再随应变增加而增加，土进入塑性状态，即:

Fs=(u(z)/Q)Ruu(z)≤Q

(2)

Rs=Ruu(z)>Q

(3)

式中:Ru为桩在深度处土的极限静阻力,kN;Q为土的最大弹性位移,mm;u(z)为z深度处的土位移,mm。

Capwap桩端土计算模型见图2，cb为桩端卸载系数，其它符号同前。

图1 Capwap桩侧土计算模型

图2 Capwap桩端土计算模型

1.2 静载荷试验

静载荷试验通过反力装置分级对桩顶施加静荷载，在每级荷载作用下量测桩顶沉降量，获得桩顶荷载与沉降关系Q-s曲线、沉降与时间s-lgt等关系曲线，从而确定单桩竖向承载力。为了进一步研究桩的荷载传递机理，本次试验采用滑动测微计法量测各级荷载作用下的测点位移(如图3)，与传统钢筋计、压力盒法相比，滑动测微计不仅可以计算摩阻力、端阻力、弯矩和挠度曲线等，通过数值微分求出桩侧摩阻力，桩身轴力及其沿深度分布[11-12]。

2 工程实例分析

2.1 工程桩试验

本文选取禅城地区城北地块为桩基竖向承载力动测法和静载荷试验场地。根据场地的岩土工程详细勘察报告，地层自上而下为素填土、粉砂、淤泥质土、中粗砂、粉砂、强风化泥岩，场地土层分布见表1。

图3 滑动测微计

表1 ZK1的土层分布及岩性特征

试验场地共布置了12根PHC管桩，其中10根Φ500PHC管桩(壁厚125 mm)，2根Φ400PHC管桩(壁厚95 mm)，桩间距8 m，桩长为22 m～26 m不等，分别对12条工程桩进行了高应变动力测试和静载荷试验。

2.2 高应变Capwap法结果及分析

高应变测试所得桩承载力结果与锤击参数有一定关系，锤重可取单桩极限承载力的1%～2%。本次试验，高应变动力测试打桩采用锤重120 kN的液压锤进行打桩，12根桩的实测参数如表2。

限于篇幅限，本文以ZK1#桩为例，分析高应变法实测数据与Capwap法计算结果。ZK1#桩的弹性波速取值为4 100 m/s，其实测速度与实测力曲线、拟合实测力和速度曲线、上下行波、摩阻力与端阻力分布及桩身质点位移结果如图4—图7。

表2 高应变法的实测参数

图4 ZK1#桩实测力曲线、实测速度曲线图

图5 ZK1#桩计算速度曲线与实测速度曲线对比图

图6 ZK1#桩计算力曲线、实测力曲线对比图

图7 ZK1#桩截面处上行波、下行波曲线图

图4为ZK1#桩的实测力曲线与实测速度曲线，从图中可以看出，两条曲线的上升段与第一峰值是重合，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曲线与速度曲线开始分离。实测曲线质量良好，可用于拟合计算与分析。

图5中，是以实测力曲线为边界条件，不断的调整拟合参数来拟合计算速度曲线。对比图中计算速度曲线与实测速度曲线得到，两条曲线的基本走向趋势一致。

图6中，以实测速度曲线为边界条件，不断调整拟合参数来拟合计算力曲线，对比图中计算力曲线与实测力曲线得到，两条曲线的基本走向趋势一致。

图7为桩身截面处上、下行波的曲线图，取下行波起跳点，联合上行波一个极大值点之间的时间段定义为2L/c，可以得出桩的平均波速值约为4 050 m/s。经计算可得高应变Capwap法所得结果如表3。

2.3 静载荷试验

静载试验测试测了12根桩，测试采用100 cm×100 cm×200 cm混凝土块堆载加压，最大试验荷载为不小于承载力特征值的3.0倍，且不小于高应变动力测试承载力的1.5倍。选取其中4根500和1根400管桩预埋滑动测微计，以测试各级荷载下摩阻力和端阻力分布规律和分配比例，分析各地层摩阻力发挥状态、桩沉降和桩身总压缩变形量。应变测试采用瑞士Solexperts AG公司最新生产的滑动测微计(Sliding Micrometer)，在进行静载试验时同时测试PHC预应力管桩轴力与位移的关系。

表3 Capwap法的PHC桩的测试结果

以ZK1#桩为例介绍静载试验结果，通过对静载荷试验的数据处理，可获得各级荷载下实测应变曲线、回归应变曲线、轴向力曲线、摩阻力曲线、弹性模量与应变量级关系曲线、桩顶沉降和累计变形关系曲线，如图8。

图8(a)为管桩应变随深度变化曲线，可以看出测试数据规律性较好，应变会随着荷载的增大而增大。回归处理后的应变曲线，可以看出荷载越大，回归应变越大，但回归应变会随着桩身的深度增加而减少。根据零点应变，可得弹性模量与应变呈线性，弹模方程可表示为：

Ei=35.38-0.0032εi

(4)

图8(b)为桩顶荷载与桩顶沉降(Q-s曲线)及桩身累计变形曲线，累计变形曲线与桩顶荷载成正相关。其差值为桩端沉降，800 kN以后，桩端下沉逐渐增长，端阻力逐渐发挥。通过上述静载试验的试验数据分析，可得ZK1#桩的极限承载力为5 600 kN。

图8 ZK1#桩静载试验曲线图

3 动静试验结果对比及误差分析

3.1 试验结果对比

本次试验12根工程桩的动力和静力测试得到的单桩承载力结果如表4，ZK1#桩高应变动力Capwap法所得承载力为5 998 kN，而静载桩基承载力为5 600 kN，两种方法的相对误差为7.1%，误差小于20%，表明动静测试误差在合理范围内，动静测试方法可靠实用。

3.2 误差分析

从表4可见，12根桩基承载力测试结果的相对误差最小为7.1%，最大的是25.2%，其余相对误差均在20%以下，Capwap法所测单桩承载力测试结果符合预期[11-12]。影响动测承载力精度和误差大小的主要因素：

表4 桩的动测与静载试验结果的对比表

(1) 桩土力学模型。考虑了非线性关系，增加了阻尼系数等多种影响参数，但忽略了桩单元惯性力和桩身沉降对基桩承载力的影响，将对动测结果的精度造成一定程度的影响。

(2) 桩土作用体系。本次试验顺序为先动测后采用静载，动测时的桩周土扰动效应和时间效应导致了动静前后并非同一个桩土体系，故试验结果可能会导致基桩承载力存在一定的差异。

(3) 岩土阻力的激发程度。土阻力的激发与桩顶位移、锤重及落距等因素有关。取锤重为单桩极限承载力的1%～2%，桩周土能否产生塑性变形，土阻力能否沿桩长范围内充分激发，一定程度影响动测结果的精度。

(4) 拟合参数的选择。实测与计算曲线拟合时，计算单元数划分、桩材料密度、截而段的选取及土参数设定中的弹限值、阻尼系数等参数均会影响拟合结果的精度，需要合理选择。

4 结 论

(1) 静载荷试桩和高应变测桩，高应变属于半直接法，用瞬态值计算得到的承载力和相对长时间作用的静载荷作用试验结果存在一定差异性，本次试验12根Capwap法桩基承载力测试结果相对误差最小的是7.1%，最大的是25.2%，其余相对误差均在20%以下，符合预期检测效果。

(2) Capwap法可提取桩侧阻力、桩端阻力及桩端位移等力学参数，不仅可测单桩承载力和判断桩身质量，控制好影响高应变检测的主要因素，计算精度可以满足工程使用要求，对于管桩测试有效可行的。

(3) Capwap法与静载荷试桩结果的差异原因，主要受桩土力学模型、桩土作用体系、岩土阻力的激发程度、拟合参数的选择等因素影响。两种方法各具优势，可相互验证，以确保工程设计的安全性和经济合理性。

(4) 滑动测微计进行应变测试提高了测试精度，获得了静载试验的特征曲线，建立了弹性模量与应变经验公式Ei=35.38-0.0032εi。本文的研究可为佛山地区或同类工程的PHC管桩设计、施工和检测提供参考依据，也可为地方规程修编提供依据。