高应变实测曲线拟合法在PHC桩周土阻力分布计算中的应用

□□ 赵 月

(山西科汇工程质量检测有限公司,山西 太原 030013)

引言

在桩基工程选型与布置设计中,需要桩侧土阻力和桩端土阻力参数。尤其是对摩擦桩或端承摩擦桩而言,桩侧土阻力分布情况是重要的设计依据之一。对地基设计等级为甲级、地基条件复杂的重要建筑施工图设计前,其桩基工程设计时,桩侧土阻力参数除可参考工程地质勘察报告数据外,往往需进行试桩检测,以准确确定桩周土阻力分布情况。对于混凝土灌注桩,可以通过埋设传感器进行桩身内力测试,来获得桩侧各土层的分层侧阻力和桩端支承力。但对预应力混凝土管桩而言,在钢筋笼中预装传感器来进行桩身内力测试十分困难。因此,通常在预应力混凝土管桩试桩进行静载试验前,采用高应变动测方法对试桩进行检测,并运用实测曲线拟合法进行分层分段计算,推断管桩桩周土层土阻力分布,为优化工程桩的选型与布置设计提供依据。

1 高应变动测法及实测曲线拟合法原理

1.1 高应变动测的现场工作方法

高应变法理论基础是一维应力波理论,建立本构关系,同时考虑土弹簧和土阻尼的非线性影响,综合计算分析桩-土系统响应,以达到对桩侧和桩端土阻力进行测量的目的。基桩高应变动测法现场试验系统组成示意如图1所示。高应变动测系统主要包括高应变基桩动测仪、加速传感器、应变式力传感器、锤击设备及相应采集分析软件。检测设备主要技术性能符合JG/T 518—2017《基桩动测仪》要求,且具有存储、实时显示力与速度信号、实测信号处理与分析等功能,检测所用的BECT-C6型高应变动测仪器如图2所示。

图1 高应变动测法试验系统示意图

图2 BECT-C6型基桩动测仪

高应变检测的锤击设备有两种:一是自由落锤,适用于各种桩型;二是打桩锤,适用于打入桩,如筒式柴油锤、蒸汽锤和液压锤等具有导向装置的打桩机械都可作为高应变锤击设备。传感器一般安装于桩顶下1D～2D的桩侧表面(D为基桩的直径或边宽)。安装时,应根据现场条件尽量向下安装,以避免锤击时应力集中和偏心的影响。每种传感器≮2个,以提高力与速度测试的精度。

1.2 高应变动测法中土阻力测量原理

高应变动测是采用波动理论计算分析桩-土相互作用时的土阻力。现场测试时,通过安装在桩顶附近的传感器来测量对桩激励和响应,通常将传感器的安装截面当作桩顶(x=0),将传感器安装位置到基桩桩端的距离L定义为测点下桩长。由于PHC桩(预制预应力管桩)的桩身截面均匀,在桩顶通过实测得到力和速度的信号中,包含桩侧和桩底土阻力信息。在桩顶受到高应变重锤冲击过程中,桩身某一深度x处的土阻力Rx对桩顶的力信号和速度信号的影响为:当入射波下行通过x界面时,会在界面处同时产生幅值为Rx/2的向上反射压力波和向下传播的拉力波,如图3所示。这说明土阻力Rx在t时刻(t=x/c)被激发,反射压力波(幅值为Rx/2)将于2t时刻到达桩顶,导致在所测的力曲线上升Rx/2,所测速度曲线同时下降Rx/2Z,因而土阻力Rx对桩顶力和速度曲线的影响表现为导致力和速度曲线的差值。因此,在桩顶所测高应变的力和速度时域曲线中,在2t时刻速度曲线与力曲线的差值,即为应力波自桩顶向下传播至x深度过程中所受到的桩周土阻力之和,土阻力Rx计算见式(1):

图3 土阻力波传播示意图

Rx=F(0,2x/c)-Z·V(0,2x/c)

(1)

1.3 实测曲线拟合法原理

高应变实测曲线拟合法是通过波动方程理论数值计算,反演出基桩和桩周土的力学参数。实测曲线拟合分析时,先按照力学模型,把桩-土系统分成若干个计算单元,初始设定各桩和土单元的相关参数,拟合计算时将实测的力(或者速度、下行波、上行波)曲线当作边界条件,根据一维波动理论,用数值计算方法求解波动方程,计算出桩顶的速度(或力、上行波、下行波)曲线。根据拟合计算出曲线与桩顶实测曲线的拟合相似程度,针对性地调整模型或单元参数进行多次拟合计算,直到拟合计算曲线与实测曲线非常吻合为止。在调整桩-土体系的相关参数时,应与桩、土情况相符合,不可片面追求拟合程度,从而导致选取的桩土参数脱离实际。分析实测曲线拟合法输出结果,既可得出桩的静阻力,又可得出桩侧土阻力、桩身轴力和阻抗的分布情况、桩端阻力的大小。

1.3.1桩身模型

将桩身简化为一根一维的连续弹性杆状体,单元长度采用等时单元模型(即应力波穿过每个单元的耗时相等),将桩划分成N个单元,按照特征线差分格式要求,分别设置每个桩单元截面积A、弹性模量E和波速c,以模拟桩身阻抗随深度的不规则变化。等时单元模型如图4所示。

图4 桩身单元模型

1.3.2土的静阻力模型

该模型基本上采用理想的弹塑性模型,静阻力Rs与桩单元的位移有关,目前大多数值分析软件采用该模型。采用该土阻力模型优点在于可以很好地模拟计算桩侧土阻力的情况,同时土的极限静阻力和加载时最大弹性变形值都可以通过试桩的静载试验来验证。通过与试桩静载试验结果进行比对,完善土的静阻力模型,同时对土的阻尼系数、最大弹性变形值和弹限等参数合理调整,达到最佳的实测曲线拟合效果,力求实测曲线拟合法输出的土静阻力分布值与桩周土的情况十分接近,使其成为工程桩优化选型设计的重要依据。

2 工程应用实例及分析

某变电站电压等级为1 000 kV,根据工程勘察报告,其电厂间隔扩建工程基础拟采用先张法预应力混凝土管桩(PHC桩),桩径为500 mm,以②2老黄土层为桩端持力层。

2.1 场地工程地质概况

拟建场地位于盆地的边缘地带,周围区域地势西高东低,场地海拔高程为965～967 m,地貌类型单一,地形平坦开阔。站址区25 m深度内的地层为第四系黄土沉积层。根据时代成因和土层物理力学性质,揭露的土层自上而下分为黄土状粉质黏土和老黄土两大层,每层又分为两个亚层,各土层具体情况如下:

2.2 场地预应力管桩检测要求

为了优化后期工程桩的选型和布置设计,需检测单位向设计人员提供桩周土阻力分布参数。故在工程桩施工图设计前,布置一组(3根)预应力管桩试验桩(SZ1～SZ3),桩径为500 mm,桩长为9 m,混凝土强度为C80,持力层为第②2老黄土,进入持力层4 m,设计要求单桩竖向抗压极限承载力估算值为1 400 kN。

对3根试桩采用静载荷试验和动力检测技术结合法。在静载试验前,先进行低应变法桩身混凝土完整性检测,再进行高应变单桩竖向抗压承载力检测,最后进行单桩竖向抗压静载试验。利用高应变实测曲线拟合法的分析结果提供桩周土层侧阻力数据。为了了解黄土湿陷性对基桩桩周土阻力和承载力的影响,除SZ1桩试验过程未浸水外,SZ2和SZ3桩均在浸水后进行高应变动测及静载试验。

2.3 实测曲线拟合法所得桩周土阻力结果分析

2.3.1高应变实测曲线拟合法结果

经对SZ1～SZ3试桩(预应力混凝土管桩)的高应变动测曲线进行实测曲线拟合法计算,结果为:SZ1管桩的桩侧摩阻力极限值为1 376 kN,桩端阻力为348 kN;SZ2管桩的桩侧摩阻力极限值为1 240 kN,桩端阻力为350 kN;SZ3管桩的桩侧摩阻力极限值为1 264 kN,桩端阻力为340 kN。其高应变实测曲线拟合法计算曲线如图5～图7所示。

图5 SZ1高应变实测拟合计算曲线

图6 SZ2高应变实测拟合计算曲线

图7 SZ3高应变实测拟合计算曲线

2.3.2动静结果对比

将高应变动测结果与静载试验结果进行对比,结果表明,无论是否浸水,高应变动测结果与相应静载试验结果均非常接近,单桩抗压极限承载力值的相对误差为2.6%～4.2%,动静对比系数为1.026～1.041,3根试桩上动静对比分析数据见表1。

表1 试桩高应变与静载试验结果

2.3.3桩周土阻力结果

根据场地地质条件,该项目拟采用预应力管桩,虽然在工程桩施工前进行了静载试验,但对预应力管桩试桩无法进行桩身内力测试,无法直接从试桩的静载试验中获得桩侧土阻力数据,结合表1的动静对比结果来看,同条件下(浸水或未浸水),试桩的动测结果与对应的静载试验结果很接近,这说明高应变结果准确可靠。

工程实测曲线拟合法算出的SZ1～SZ3桩周土摩阻力分布如图8所示。将拟合法计算的桩侧土摩阻力平均值与工程勘察报告所提供的桩侧土摩阻力数据进行对比可知,两者相差不大,工程勘察提供的数据相对稍低,实测曲线拟合法算出的桩周土阻力参数更符合工程场地的情况,可应用于工程桩的优化设计中。3根试桩实测曲线拟合法计算结果与工程勘察提供数据的比对情况见表2。

表2 桩极限侧阻力计算结果和勘测报告数据

图8 实测曲线拟合法计算的桩周土摩阻力分布图

3 结语

在工程桩设计施工前,对试验桩进行静载试验或高应变动力测试,获得准确的桩周土阻力参数,为优化设计提供依据是检测的主要目的之一。然而对预应力混凝土管桩而言,通过在钢筋笼中预埋传感器的方法来测试桩身内力和桩周土阻力分布情况在工程中很难实现。通过在预应力混凝土管桩工程的静载试验桩中开展高应变动力检测,并运用实测曲线拟合法进行数据拟合,可计算出预应力管桩桩周土阻力的分布数据,将其作为优化工程桩设计的重要依据。