高应变动测法在桥梁桩基检测中的应用分析研究

闫朋

(华设设计集团股份有限公司 江苏南京 210000)

在桥梁桩基施工过程中，高应变动测法不但可以对桩基承载力进行分析，还可以对桩土阻力分布、桩身完整程度以及桩身阻抗变化等情况进行分析。检测人员应对高应变动测法准确性影响因素进行分析，并采取相应的措施进行控制，使其检测准确性进一步提高，并以实际施工情况为依据，对检测过程进行控制，达到控制桥梁桩基质量的目的。

1 高应变动测法的检测原理

高应变动测法的原理主要为结构动力学理论和一维波动理论。在检测过程中，检测人员应使用重锤对桩顶进行锤击，产生高能量冲击脉冲，并对桩周土动阻力情况进行分析，以此为基础，对桩基完整性进行分析，得到桩基实际承载力[1]。到目前为止，曲线拟合法、阻尼系数法是应用比较广泛的高应变动侧技术，前者主要以实际检测曲线和理论曲线为依据，对桩土关系进行拟合，当参数取值合理时，两条曲线越吻合，检测结果越准确；后者具有检测方式简便的特点，通常应用于对现场实时进行分析，其检测结果准确性与阻尼系数息息相关。

1.1 阻尼系数法

在使用阻尼系数法进行检测过程中，主要将桩基看成一维的连续、均匀弹性杆件，桩端速度和桩尖动阻力值成正比，且全部动阻力主要集中在桩尖位置，与此同时，桩侧土主要为刚塑性结构，因此其各处静阻力极限值基本一致，检测人员可以根据波动方程对桩基承载力进行计算。该种检测方式具有操作简单，可以对现场桥梁桩基进行实施检测，但是为了保障其检测准确性，检测人员应以所在区域桩基静动载试验为基础，对阻尼系数进行确定，并对检测结果加以修正[2]。

1.2 波形曲线拟合法

在桥梁桩基施工时，波形曲线拟合法以桩承载力、桩周土侧摩阻力、桩顶位移和速度以及桩顶力等变量为依据对桩土作用体系进行分析，并以分析仪的速度信号和已知力基础对土力学模型进行分析。在使用波形曲线拟合法实施检测时，检测人员应以某一个参数为基础进行分析，例如：将桩顶位移速度时程曲线作为边界条件，对桩土模型参数进行设定，随后以行波理论为基础，对桩土进行分析，得到变量（桩顶力等）的时程曲线，通过与测试曲线相对比，得到两者的差异，并根据差异将对桩土模型进行反演分析和调整，使测试信号和变量达到最佳拟合状态。

2 高应变动测法准确性的影响因素

2.1 锤击能量和传感器因素

在高应变动测法检测过程中，若传感器灵敏度系数误差较大，会导致其桩基检测结果准确性受到影响。通常情况下，传感器应每隔一年检测一次，为了控制其灵敏度系数，检测人员应以传感器安装使用次数为依据，对传感器进行检测，但是在实际应用过程中，由于部分检测人员重视度较低，存在传感器检测周期较长等问题，导致其使用受到影响，进而产生桩基检测准确性较低的问题。与此同时，在锤击过程中，根据相关规定可知，重锤重量通常应为1%的单桩极限承载力，在对高承载力桩基进行检测时，锤重应不低于8 t，但是，在实际检测过程中，部分单位为了满足场地和成本的要求，所使用的锤重较小，导致锤击能量不满足要求，导致桩基检测准确性受到影响[3]。

2.2 检测人员因素

高应变动测法具有复杂性和系统性较高的特点，因此其对检测人员要求相对较高。到目前为止，由于部分检测人员对高应变动测法边界条件、桩基受力状态以及载荷传递机理等理解存在误差，且应用过程缺乏灵活性，导致检测过程出现传感器安装不科学、锤击落距过大等问题，使检测准确性受到影响。与此同时，在对曲线拟合进行测量时，检测人员只关注拟合系数MQ 和桩基承载力，忽视了桩土体系实际情况，导致检测数据与桩基实际受力情况存在差异，不利于桥梁桩基质量控制。

3 提高高应变动测法准确性的主要措施

3.1 提高高应变动测法的科学性

在桥梁桩基建设时，为了使其施工质量进一步提高，检测单位应合理使用高应变动测法，使桩基检测准确性进一步提高。在此过程中，检测人员应保障高应变动测法的科学性，采用静载荷试验和高应变动测法相结合的方式进行检验，使误差进一步降低。在实施检测过程中，检测人员应以载荷大小为依据，对小重量重锤进行自由落锤测试，并对传感器安装准确性进行控制，达到控制测试贯入度的目的，保障其锤击能量符合要求[4]。与此同时，当桩基较长、且桩径较大时，检测人员应适当增加锤击的重量，采用重锤低击的形式对桩基进行高应变动力检测，使检测准确性进一步提高。当桥梁桩基施工现场地质条件较好但软土底层较薄时，在对其实施高应变动力检测过程中，若桩端持力层岩石硬度较大，可能会出现检测误差较大的情况，因此，检测人员应先使用阻力后延法和静载试验相结合的方式对其进行检验，再进行高应变动力检测，保障检测准确性。

3.2 提高检测人员的综合素质

在高应变动测法检测过程中，部分检测人员存在综合素质较低的问题，使检测准确性受到影响。因此，在桥梁桩基检测时，为了提高高应变动测法应用效果，检测单位应对检测人员的综合素质进行控制，确保其综合素质符合施工要求。在此过程中，检测单位应对检测人员的证件进行检查，各检测人员应持证上岗。与此同时，检测人员应具备专业的检测知识，规范应用各个设备和仪器，并使用软件对检测数据进行计算和分析[5]。除此之外，检测单位应对检测人员进行培训，使其了解高应变动测检测法的应用，且应聘请专业的人员进行指导，使检测人员综合素质进行一步提高，达到提高桥梁桩基检测准确性的目的。在此过程中，检测人员应采用合理的手段对工程地质情况进行检测，对地质勘察报告中土层深度、黏性土稠度、砂土密实度以及贯入阻力分布等指标准确性进行控制，为土参数计算奠定基础。与此同时，检测人员不但要掌握高应变动测法的基本理论和知识，还应对其波形进行正确判断，使检测准确性和效率进一步提高。

4 高应变动测法应用实例

4.1 工程概况

在某特大桥建设过程中，为了保障其施工质量，主要使用高应变动测法对其5#桩基进行检测。该桩基为钻孔灌注桩，桩长为19.5 m，桩径为1.0 m，设计形式为嵌岩桩，混凝土强度为C30，单桩最大承载力为4 020 kN。通过对桩基土层进行分析可知，其主要为冲洪积相沉积层，地层主要为黏性土夹杂砂，因此，在桩基检测过程中，检测人员应对土参数进行分析，为后期施工奠定基础。

4.2 检测前准备工作

4.2.1 桩头处理

（1）若原桩头顶面存在破碎层、软弱层、浮浆或平整度较差时，检测人员应先对其进行凿平处理，并对桩帽进行制作，确保高应变动测法检测顺利性。

（2）桩顶清理完整后，应进行接长桩施工，接长桩的截面尺寸、混凝土强度应与原桩基一致，与此同时，还应保障接缝处不存在冷缝。

（3）施工单位应对原桩身主筋进行加长处理，使其到达接长桩顶部标高下30～50 mm的位置，且应保障各主筋位于同一高度。

（4）施工单位应将φ10 钢筋网片设置在接长桩顶部，网片层数应大于3 层，各层之间的距离应为100 mm，最上层钢筋网与桩帽顶之间的距离应为50～100 mm，达到保护桩顶混凝土的目的。

（5）在接长桩施工时，施工单位应将加密箍筋设置在接长桩中，且各箍筋之间的距离应小于100 mm。与此同时，接长桩的中轴线应与原桩保持一致，混凝土浇筑完成后，应及时进行抹平处理。

（6）为了使接长桩养护时间进一步降低，施工单位应将早强剂加入混凝土中，施工后的接长桩应无蜂窝、骨料均匀。

4.2.2 传感器安装

（1）在检测过程中，检测人员应将两只加速度传感器和两只应变传感器安装在桩顶下方，控制偏心锤击的影响。

（2）为了提高实测信号的准确性，在传感器安装时，应对其与桩顶下方的距离进行控制，通常应大于1.2倍桩径。如果传感器的安装位置位于接长桩，其与连接面的距离应大于1倍桩径。

（3）在传感器安装过程中，检测人员应保障安装位置桩身的光滑度和平整度，同时，检测人员应对加速度传感器和应变传感器的中心进行控制，使其位于同一水平面上，高度差应小于10 cm，且传感器应与桩身表面紧贴。在传感器固定过程中，如果固定工具为膨胀螺栓，检测人员应对螺栓孔轴线进行控制，保障其垂直于桩身轴线，且传感器安装方向应平行于桩身轴线[6]。

4.2.3 锤重及落高选择

在高应变动测法检测过程中，其设备包括传感器、动测仪、起吊设备、导向架以及重锤等。在锤击时，应以重锤低击为原则，该桥梁桩基所使用的重锤为16 t，落距为0.65 m，桩头力为1.5倍的设计工作荷载。

4.3 高应变承载力检测过程

在对该桥梁桩基承载力进行检测时，所使用的PDA打桩分析仪产地为美国，并配备柴油打桩机，规格为4 t，锤重为40 kN。当桩径为35 cm 时，起重高度为1.5 m；当桩径为45 cm 时，起重高度为2.5 m。为了使检测效果进一步提高，检测人员应在桩头铺设胶皮垫，厚度为5 cm。通过对5 根试桩实施检验可知，试桩曲线形态和桩周土激发程度较好。

在对高应变动测法检测资料进行整理过程中，所使用的软件为CAPWAP拟合软件，通过载荷试验曲线拟合分析（荷载-位移）、桩周土对桩尖阻力值计算分析，得到分析结果具体见表1。通过对表1的数据进行分析可知，桩径为35 cm时，其单桩极限承载力均值为1 596.5 kN，桩端摩阻力占比为14.8%，桩侧摩阻力占比为85.1%；桩径为45 cm 时，其单桩极限承载力均值为5 264.8 kN，桩端摩阻力占比为17.3%，桩侧摩阻力占比为82.7%。

表1 荷载试验拟合及桩周土对桩尖的阻力值分析结果

4.4 竖向抗压静载试验

检测人员应以规范为依据，使用慢速维持载荷法对桩基进行竖向静载试验，并以试验结果为依据，对桥梁桩基高应变检测结果进行验证。在竖向静载试验时，检测人员应逐级加载，在加载时，当上级荷载稳定后，才能对继续加载，试桩被破坏后，才能分级进行卸载。加载过程主要使用自动加载系统，首级荷载大小为400～500 kN，后续加载量为200～400 kN。

通过单桩竖向静载试验可知单桩承载力极限值，结果如表2 所示。在通常情况下，检测人员可以根据基础底面和地面桩体侧摩阻力值对基底面以上侧向摩阻力进行分析，其中，当桩径为35 cm 时，基础埋深为3.5 m；当桩径为45 cm时，基础埋深为6.5 m。

表2 单桩承载力极限值表

通过对单桩竖向静载试验结果进行分析可知，高应变动测法检测所得到的总阻力结果值相对较高，其余项目两者的检测结果基本一致。产生这种结果的主要原因是，在2 根竖向静载试验桩中，1 根桩身混凝土结构被破坏，且存在极限荷载较低的问题，另一根未被破坏。总之，根据上述检测结果可知，高应变动测法所得到的检测结果与静载试验结果基本一致，由此可知，该检测技术可靠性较高。

5 结语

综上所述，在桥梁施工过程中，桩基施工质量检测具有重要意义。在使用高应变动测法对桥梁桩基进行检测时，所使用的技术主要包括信号处理、数学和力学理论以及振动测试手段等，该种检测方式具有检测简单便捷、费用低、效率高等特点，应用越来越广泛。根据相关试验可知，高应变动测法主要适应于桩身截面和材质相对均匀的小直径桩的检验过程中，在大直径灌注桩中适用性较差。在检测过程中，检测人员应对外界干扰、仪器性能、传感器安装、锤击能、锤击位置以及桩头处理等因素进行控制，使检测结果的准确性进一步提高。与此同时，检测人员应以实际工程为依据，选择合理的检测方式进行检测，并运用单桩竖向静载试验对检测结果进行验证，确保其检测准确性，为后续施工奠定基础。