樁基動(dòng)測技術(shù)

根據(jù)瞬態(tài)沖擊或穩(wěn)態(tài)振動(dòng)荷載作用下樁頂動(dòng)力響應(yīng)的特性來分析樁身介質(zhì)的均勻性，估算樁的承載力等問題樁基動(dòng)測技術(shù)內(nèi)容摘要樁基動(dòng)測技術(shù)，如同一位神秘的舞者，借助于瞬態(tài)沖擊或穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的細(xì)微變化，通過觀察樁頂?shù)膭?dòng)力響應(yīng)，來揭示樁身介質(zhì)的均勻性，宛如揭示隱藏在黑暗中的秘密。它以一種獨(dú)特的方式，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的靜載試驗(yàn)方法，為我們提供了一種全新的檢測手段，以更深入、更全面地了解樁基工程的質(zhì)量。它不僅僅是一種方法的名稱，而是一類方法的統(tǒng)稱。就如同那多彩的調(diào)色板，每種顏色都擁有自己獨(dú)特的魅力，每種方法都有自己獨(dú)特的特點(diǎn)。樁基檢測試驗(yàn)中，除了靜載試驗(yàn)，還有大應(yīng)變或者小應(yīng)變檢測，這就是動(dòng)測試驗(yàn)。靜載試驗(yàn)，如同那寧靜的湖水，平和而深沉。它的目的在于檢查樁基的極限承載力，就如同湖水深處的寶藏，神秘而珍貴。而動(dòng)測試驗(yàn)，動(dòng)力響應(yīng)如同那舞動(dòng)的火焰，靈活而激昂。內(nèi)容摘要它的目的在于檢查樁身完整性，就像火焰照亮了黑暗，清晰地揭示出樁身長度、有無斷樁、縮頸等細(xì)節(jié)。通過這種全新的檢測手段，我們能夠更深入地了解樁基工程的質(zhì)量，更全面地把握樁基的承載力和打樁效率。這就是樁基動(dòng)測技術(shù)，它以其獨(dú)特的方式，賦予了我們揭示秘密的力量，讓我們的世界更加清晰、更加多彩。01背景分類發(fā)展動(dòng)向發(fā)展歷程研究現(xiàn)狀目錄03050204背景背景近年來,速度快、耗資低的動(dòng)測法作為一項(xiàng)新的檢測技術(shù)已在全國各地的樁基檢測中得到廣泛應(yīng)用,動(dòng)測技術(shù)的普及推廣促進(jìn)了對該技術(shù)的原理、方法和可靠性的試驗(yàn)與研究,同時(shí)也引起了地基基礎(chǔ)工程界的科研、質(zhì)檢、設(shè)計(jì)和施工人員的高度重視。但是在實(shí)際應(yīng)用中,有時(shí)會(huì)由于檢測方法選擇不當(dāng)、動(dòng)測人員素質(zhì)不高、測試設(shè)備或被測對象不滿足動(dòng)測的要求、缺乏較為完善的或正確的分析軟件以及法規(guī)不健全等原因,在工程中產(chǎn)生一些誤判。造成人們對各種動(dòng)測法的使用范圍,特別是對它們的可靠性評價(jià)褒貶不一。為了更好地為工程建設(shè)服務(wù),必須加速高質(zhì)量動(dòng)測設(shè)備軟硬件的研制,提高整個(gè)樁基動(dòng)測行業(yè)的技術(shù)水平,使我們這個(gè)樁基動(dòng)測技術(shù)應(yīng)用大國真正成為一個(gè)樁基動(dòng)測技術(shù)領(lǐng)先的國家。為此,有必要對樁基動(dòng)測技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)向作進(jìn)一步探討和研究。發(fā)展歷程發(fā)展歷程樁基動(dòng)力檢測技術(shù)是土動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的重大課題,是保證基礎(chǔ)工程質(zhì)量的重要手段之一。20世紀(jì)80年代以來,隨著我國工程建設(shè)的迅速發(fā)展,樁基礎(chǔ)作為土木工程中一種常用的基礎(chǔ)形式在高層建筑、鐵路、公路、港口碼頭、電力、海上石油鉆井平臺、水利工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,尤其是一樁一柱大直徑灌注樁的采用,對成樁質(zhì)量的可靠性提出了更高的要求,因此引起了科研、設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)檢和政府管理部門的高度重視,促進(jìn)了對樁基檢測技術(shù)原理、方法和可靠性的試驗(yàn)研究,使樁基檢測在各方面都得到了飛速發(fā)展。樁的動(dòng)力測試最初是利用能量守恒定律和牛頓定律,根據(jù)打樁時(shí)測得的貫入度與打樁所消耗的能量建立關(guān)系式,推算樁的極限承載力,這種關(guān)系稱為動(dòng)力打樁公式。而近代樁的動(dòng)測技術(shù)是以應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。1931年伊薩克斯(D.V.I2saacs)首先提出樁頂受到?jīng)_擊后,沖擊能量是以波動(dòng)形式傳至樁底,因此可用一維波動(dòng)方程來描述。1938年?？怂?)作了許多簡化假定后,對打樁過程進(jìn)行了粗略的分析,得出了用于打樁分析的波動(dòng)方程解答。發(fā)展歷程1960年史密斯()發(fā)表了“打樁分析的波動(dòng)方程”這一著名論文,從而使波動(dòng)方程分析方法進(jìn)入實(shí)用階段。隨后在1970年高貝爾()等發(fā)表了“關(guān)于樁承載力的動(dòng)測研究”一文。1975年發(fā)表了“根據(jù)動(dòng)測確定樁的承載力”的研究報(bào)告。樁基動(dòng)測技術(shù)研究在我國始于20世紀(jì)70年代。1972年,湖南大學(xué)的周光龍?zhí)岢隽藰痘鶇?shù)動(dòng)測法,對開創(chuàng)我國樁的動(dòng)測方法的研究,起了積極的推動(dòng)作用。1978年東南大學(xué)的唐念慈應(yīng)用波動(dòng)方程法進(jìn)行了渤海12號平臺鋼管樁的動(dòng)力測試獲得成功。自20世紀(jì)80年代以來,機(jī)械阻抗法、水電效應(yīng)法、共振法、錘擊貫入法等10余種方法相繼問世,并在各地紛紛進(jìn)行試驗(yàn)研究和應(yīng)用。樁基動(dòng)力檢測技術(shù)包括高應(yīng)變法和低應(yīng)變法。采用足夠大的重錘敲擊樁頂,使樁頂產(chǎn)生足夠大的沉降量(通常樁身的應(yīng)變量級為10-3),以使樁周土的極限阻力充分發(fā)揮,這便是高應(yīng)變法;而作用在樁頂上的能量較小,僅能使樁土間產(chǎn)生微小擾動(dòng),這類方法稱為低應(yīng)變法。目前高應(yīng)變法主要有動(dòng)力打樁公式法、波動(dòng)方程法、Case法、曲線擬合法、錘擊貫入法和動(dòng)靜法等。低應(yīng)變法主要有機(jī)械阻抗法、應(yīng)力波反射法、球擊法、動(dòng)力參數(shù)法和水電效應(yīng)法等。分類分類1、靜力試樁法（靜載荷試樁法）靜載荷試樁法是指對樁基進(jìn)行靜力原型測試。其具體做法是按一定要求將荷載分級加到試樁上，每級荷載維持不變直至樁頂?shù)南鲁猎隽窟_(dá)到某一規(guī)定的相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，然后繼續(xù)加下一級荷載，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的終止試驗(yàn)條件時(shí)便停止加荷，再分級卸荷直至零載。優(yōu)點(diǎn)：真實(shí)地反映了樁基礎(chǔ)的工作狀況，是確定承載力的最直接最可靠方法，為常用的承載力確定方法。不足：檢測周期長，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)用昂貴，且為有損檢測，因此試樁數(shù)量受到限制，抽樣率低、試驗(yàn)結(jié)果代表性差。另外，在對承載力較高的工程樁檢測時(shí)，施工前往往要指定靜載試驗(yàn)樁位，因而樁基檢測不能做到隨機(jī)抽樣，使檢測結(jié)果的利用價(jià)值降低。分類2、動(dòng)力試樁法原理：利用重錘沖擊樁頂產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊力，使樁周土產(chǎn)生塑性變形，通過安裝在樁頂兩側(cè)的力傳感器和加速度傳感器實(shí)測樁頂力和速度的時(shí)程曲線，并用應(yīng)力波理論分析確定樁的極限承載力以及檢測樁身結(jié)構(gòu)完整性。（1）高應(yīng)變法優(yōu)點(diǎn)：分為凱斯法和凱普維普法即波形擬合法。其中，凱斯法的優(yōu)點(diǎn)是可以快速地對單樁極限承載力和樁身結(jié)構(gòu)的完整性作出估計(jì)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)分析，同時(shí)可用來對打樁過程實(shí)行監(jiān)測和監(jiān)控，對預(yù)制打入樁特別適合，波形擬合法的優(yōu)點(diǎn)是精度高。同時(shí)，采用先進(jìn)的微電子儀器及信號處理技術(shù),具有設(shè)備輕便、快速、費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)。不足：分析計(jì)算復(fù)雜,需要經(jīng)過專業(yè)工程技術(shù)人員進(jìn)行信號擬合分析。分類（2）低應(yīng)變法優(yōu)點(diǎn)：低應(yīng)變法是通過樁的動(dòng)剛度和動(dòng)靜對比系數(shù)來求得樁的承載力。它的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、檢測速度快、費(fèi)用低廉,可以大面積檢測。不足：必須依賴靜載試驗(yàn)以求出動(dòng)靜對比系數(shù),精度較差。3、射線法屬于放射性元素能量衰減法中的一種，是根據(jù)射線穿過混凝土?xí)r，混凝土質(zhì)量的差異將會(huì)產(chǎn)生不同的輻射效應(yīng)，以此來檢驗(yàn)樁基的質(zhì)量。該法所用儀器設(shè)備復(fù)雜昂貴，又要在樁中預(yù)埋管道，操作時(shí)易危及人的安全。分類4、超聲波法是以彈性波理論為基礎(chǔ)，采用由壓電材料制成的聲-電換能器在不同位置發(fā)射和接收聲波，測量并記錄聲波穿透介質(zhì)所需要的時(shí)間和波形，計(jì)算聲波的傳播速度，結(jié)合聲波幅度、頻率等特征來分析介質(zhì)的性質(zhì)。聲波透射法分辨能力很高，可以從微觀角度分析介質(zhì)的聲學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。并具有檢測儀器輕便、測試結(jié)果準(zhǔn)確、可靠等優(yōu)點(diǎn)。但該法要在樁中預(yù)埋兩根以上的管道，不能隨機(jī)抽樣實(shí)驗(yàn)，做不到普查，并且檢驗(yàn)被限定在兩側(cè)管間的一定范圍內(nèi)，這些使超聲波法的使用范圍受到限制（見示意圖常用聲管樣式）。5、電探法電探法是根據(jù)物探中的點(diǎn)法勘探原理提出來的，作為樁基檢測還只是初步探索性的實(shí)驗(yàn)，和實(shí)際應(yīng)用還有很大距離。研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀總的來說,目前的樁基動(dòng)測具有費(fèi)用低、快速、輕便、適用于普查等優(yōu)點(diǎn),這大大促進(jìn)了樁基動(dòng)測技術(shù)的研究和應(yīng)用。然而,由于樁基動(dòng)測技術(shù)在基礎(chǔ)理論、測量分析技術(shù)、工程應(yīng)用等方面有很大難度,因此該技術(shù)尚存在著不少問題有待于進(jìn)一步的研究與探討:(1)就高應(yīng)變來說主要有測試誤差、與樁土相互作用機(jī)理不符時(shí)可能引起的偏差、樁未被“打動(dòng)”時(shí)的誤差等問題。測試誤差主要來源于對力的測量。由于混凝土本身的非線性(E=dб/d≠常數(shù))。低應(yīng)力水平的模量高于高應(yīng)力水平下的模量,所以沖擊應(yīng)力水平愈高,實(shí)測力信號中的非線性成分也愈大,如有時(shí)低應(yīng)變測試得到的波速比高應(yīng)變測試得到的波速高就屬于這種情況。預(yù)制樁在測試前經(jīng)受的錘擊數(shù)很多,混凝土的非線性在很大程度上得以消除,因而預(yù)制樁的測試誤差比灌注樁要低。此外,由于灌注樁的混凝土標(biāo)號低、施工條件影響較大、安裝傳感器的樁側(cè)表面不平整和錘擊偏心等原因,均可產(chǎn)生混凝土的塑性變形而導(dǎo)致測力誤差。研究現(xiàn)狀而與樁土相互作用機(jī)理不符時(shí)可能引起的偏差指的是在波形擬合中,樁側(cè)靜阻力靠樁與土之間的剪切變形傳遞,假設(shè)樁側(cè)土不隨樁一起運(yùn)動(dòng),則樁端與巖土介質(zhì)的相互作用與刺入破壞模式相近。對嵌巖樁、大直徑樁和擴(kuò)底樁等一些超范圍使用的情況,將出現(xiàn)明顯不符的情況。如嵌巖樁在嵌固段的巖體可能隨樁一起運(yùn)動(dòng),大直徑樁特別是擴(kuò)底樁樁端的破壞模式與刺入破壞模式不同。況且,目前所采用的土模型無非是理想彈塑性模型(CAPWAPC模型)或在其基礎(chǔ)上考慮了土的加工硬化或軟化效應(yīng)(FEIPWAPC程序),并不能準(zhǔn)確地表征樁土相互作用的復(fù)雜機(jī)理。最后,對于樁未被“打動(dòng)”時(shí)誤差,此情況常出現(xiàn)在以端承樁為主的嵌巖樁、支撐在密實(shí)砂卵石層的擴(kuò)底樁或大直徑樁。擴(kuò)底樁靜載試驗(yàn)得到的極限承載力對應(yīng)的沉降常高達(dá)40～60mm甚至更大,而動(dòng)載試驗(yàn)要使樁頂產(chǎn)生影響10mm的位移就不易了。對于細(xì)長樁,土的卸載特性參數(shù)由于樁的提前回彈而在土阻力響應(yīng)區(qū)段內(nèi)和加載參數(shù)發(fā)生藕合,進(jìn)而對部分發(fā)揮的靜阻力的計(jì)算產(chǎn)生不利影響。研究現(xiàn)狀另外,與此對應(yīng)的還有一個(gè)“輻射阻尼”問題,輻射阻尼的使用對那些灌入度不大的樁的承載力的提高幅度是有限的,某種意義上講是對樁未被打動(dòng)低估承載力的一種修正;而在場被打動(dòng)的場合,可能出現(xiàn)高估承載力的危險(xiǎn)。(2)低應(yīng)變法的主要問題。樁的低應(yīng)力波反射法是建立在一維彈性波理論基礎(chǔ)上的,應(yīng)用中存在這樣或那樣的問題,但對樁—土相互作用的問題,它不象高應(yīng)變那樣突出,至少不存在樁—土系統(tǒng)的塑性響應(yīng)問題。但在實(shí)際使用中也有一些問題值得注意,如超范圍使用的應(yīng)力波反射法的尺寸效應(yīng)問題。另外,應(yīng)力波反射法還有其它一些局限性,如漸變擴(kuò)徑后的相對縮徑容易誤判為真實(shí)縮徑,大擴(kuò)徑處的二次反射容易誤判為縮徑;漸變縮徑或離析且范圍較大時(shí),波形缺陷反應(yīng)不明顯;預(yù)制樁的裂隙或接頭反射的判別尺度很難掌握,有時(shí)誤判為嚴(yán)重缺陷等。因此在實(shí)際應(yīng)用低應(yīng)變法檢測樁身結(jié)構(gòu)完整性時(shí)一定要對這種方法有一個(gè)正確的認(rèn)識。

發(fā)展動(dòng)向發(fā)展動(dòng)向新的世紀(jì),樁基動(dòng)測技術(shù)應(yīng)向高質(zhì)量、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。除了不斷開發(fā)和改善動(dòng)測分析的硬件設(shè)備外,更應(yīng)不斷完善軟件分析和理論研究等。具體來說,應(yīng)在以下幾方面取得突破:1、樁基動(dòng)測理論目前樁基動(dòng)測的理論模型依然是波動(dòng)理論和動(dòng)力參數(shù)理論,隨著人們對樁土作用機(jī)理研究的不斷深入,以下三方面可能成為樁基振動(dòng)理論研究的突破點(diǎn):（1）樁、土材料力學(xué)特性以及它們之間相互作用模型的研究樁土材料的本構(gòu)關(guān)系及樁土界面相互作用的力學(xué)機(jī)理是樁基動(dòng)測法的基本依據(jù)。大量的研究表明,因?yàn)楝F(xiàn)有的動(dòng)測理論對樁周土模型考慮過于簡單化,不能真實(shí)揭示樁與土的相互作用規(guī)律,得到的結(jié)論有局限性。實(shí)際上,樁周土阻力以及樁土之間的相對位移為非線性關(guān)系。發(fā)展動(dòng)向如今,在混凝土材料和土的本構(gòu)關(guān)系方面已經(jīng)取得較大發(fā)展,可以考慮在分析中引入一些先進(jìn)的模型對樁基動(dòng)測進(jìn)行理論模擬,如土的(粘)彈塑性模型(劍橋模型、邊界面模型、結(jié)構(gòu)性模型、顆粒流模型等),可以考慮土的應(yīng)變硬化、軟化及結(jié)構(gòu)性破壞的影響,這符合土的實(shí)際本構(gòu)關(guān)系。在分析中可以把樁、界面和樁周土視為一個(gè)系統(tǒng),采用有限元的方法分析,這比常規(guī)的一些分析模型有很大的進(jìn)步。當(dāng)然由于有限元方法比較復(fù)雜,分析計(jì)算成本較高,在實(shí)際推廣應(yīng)用中,可以首先考慮在一些大型的工程項(xiàng)目中應(yīng)用。（2）樁土作用阻尼特性的研究由于樁埋置于巖土中,樁和巖土間的相互作用是樁基承載力得以發(fā)揮的重要因素;且樁與巖土系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)是大阻尼動(dòng)力響應(yīng),而在波動(dòng)方程中沒有有效地考慮樁與巖土介質(zhì)間的阻尼效應(yīng),這是波動(dòng)理論的最大缺陷,由此造成測試結(jié)果的準(zhǔn)確度不高。實(shí)際上樁與巖土組成的系統(tǒng)是一個(gè)多自由度、摩擦阻尼材料等組成的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。發(fā)展動(dòng)向用等效粘性阻尼來模擬樁與巖土阻尼特性已不符合該系統(tǒng)的動(dòng)力特性,用此阻尼特性來模擬描述樁土的動(dòng)力響應(yīng)已難以真正把握巖土體系的動(dòng)力響應(yīng)。因此,對樁土作用阻尼特性的研究已成為研究樁土系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)理論模型的關(guān)鍵。（3）樁周土成層特性和各向異性的振動(dòng)研究樁的振動(dòng)問題的解析理論還很不成熟,很多問題有待于進(jìn)一步的研究。其中一個(gè)很重要的方向就是發(fā)展合理考慮樁周土的成層特性和各向異性的振動(dòng)理論,土的各向異性包括微觀結(jié)構(gòu)的變化引起的各向異性和由應(yīng)力體系引起的各向異性,土的各向異性對土的強(qiáng)度影響較大,這一點(diǎn)對于高應(yīng)變動(dòng)測法尤為重要。發(fā)展動(dòng)向2、分析方法國內(nèi)外已有人開始將神經(jīng)絡(luò)系統(tǒng)用于樁基動(dòng)測,有些單位甚至已編制了相應(yīng)的應(yīng)用程序;也有單位將邊界元、無限元、三維有限元,甚至邊界層理論用于樁基動(dòng)測之中,但是這種分析目前仍停留在分析探索狀態(tài),尚不能步入成熟應(yīng)用階段。3、樁基動(dòng)測結(jié)果的信號分析處理信號分析包括兩個(gè)內(nèi)容:一是信號處理技術(shù),二是信號分析結(jié)果的正確解釋,兩者密切相關(guān)。(1)由于樁土系統(tǒng)的復(fù)雜性和外界噪聲的影響,從而使有用信號難以直觀把握,因此采用良好性能的信號分析技術(shù),提取有用信號是最終正確判斷樁身特性的基礎(chǔ)之一。在經(jīng)典譜分析中主要采用了FFT變換、倒頻譜分析及希爾伯特變換。對于不同特性的信號,分別選用不同的分析技術(shù),就會(huì)改變信號分析的難易。因此,進(jìn)一步改善信號分析技術(shù)是樁基信號分析的重點(diǎn)研究方向。目前,人們已意識到經(jīng)典譜分析技術(shù)難以完全適應(yīng)信號分析的要求,從而提出了時(shí)序分析技術(shù)的應(yīng)用問題。時(shí)序分析法系指現(xiàn)代的、非傳統(tǒng)的時(shí)間序列方法。發(fā)展動(dòng)向同傳統(tǒng)的時(shí)序法不同,該方法不是直接利用觀測數(shù)據(jù)來獲得數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性,而是對觀測數(shù)據(jù)擬合一個(gè)參數(shù)模型,再利用這個(gè)參數(shù)模型對觀測數(shù)據(jù)及產(chǎn)生這一數(shù)據(jù)的系統(tǒng)進(jìn)行分析、研究與處理。在目前普遍使用的儀器設(shè)備中,并沒有時(shí)序分析技術(shù)的應(yīng)用程序,有待進(jìn)行研究開發(fā)。(2)信號分析的另一個(gè)關(guān)鍵問題是結(jié)果的解釋,這和采用的理論模型密切相關(guān),不同的理論模型對相同的測試結(jié)果可能產(chǎn)生完全不同的解釋。即使采用相同的理論,在不同的地質(zhì)條件、不同的樁土系統(tǒng)下,相似信號分析結(jié)果的解釋也不一致。問題主要存在于不完整樁上。這樣使人們對樁基動(dòng)測的結(jié)果產(chǎn)生懷疑,因此,如何智能化地解釋動(dòng)測樁信號是還沒有解決的問題。對于儀器使用者而言,信號分析技術(shù)知之甚少,如何使使用者方便地使用和掌握動(dòng)態(tài)測樁技術(shù),分析時(shí)減少人工干擾,也是人們關(guān)心的一個(gè)問題。因此設(shè)計(jì)出智能化分析系統(tǒng)也是研究的一個(gè)課題。發(fā)展動(dòng)向4、建立專家系統(tǒng)由于樁土系統(tǒng)復(fù)雜,特別是土性變異非常大,使人們不得不積累大量的土參數(shù)測試經(jīng)驗(yàn),才能較好的描述樁土系統(tǒng),較準(zhǔn)確地測出樁基質(zhì)量。再好的測試和分析方法,如果不與現(xiàn)場樁土的實(shí)際情況和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合,也很難得出正確的判斷結(jié)果。樁土特性的描述、表達(dá)和利用必須采用專家系統(tǒng)的方法。在建立專家系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意以下內(nèi)容:(1)在建立專家系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意經(jīng)驗(yàn)的積累不是一家或一個(gè)人的經(jīng)驗(yàn),而應(yīng)集思廣益,薈集并具體分析各家經(jīng)驗(yàn)、多人經(jīng)驗(yàn),否則,那樣的“專家系統(tǒng)”無論在理論上還是在工程應(yīng)用中均是不