高应变法测PHC管桩承载力的应用研究

李 俊　邹定南

摘 要：PHC管桩在工程中使用越来越广泛。本文结合某地拟建风电项目工程PHC管桩试桩检测实例，介绍了高应变法检测原理和检测管桩极限承载力的技术。检测数据表明，试桩极限承载力满足设计要求。

关键词：PHC管桩;高应变;检测

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）35-0099-05

Research on the Application of High Strain Method to Measuring

the Bearing Capacity of PHC Pipe Piles

LI Jun ZOU Dingnan

（Wuxi Institute of Communications Technology，Wuxi Jiangsu 214151）

Abstract： PHC pile is more and more widely used in engineering.Combined with the PHC pile test of a wind power project， this paper introduced the principle of high strain method and the ultimate bearing capacity test technology.The test data show that the ultimate bearing capacity of the test pile meets the design requirements.

Keywords： PHC pipe pile;high strain;detection

预应力高强度混凝土管桩（Pre-stressed High-strength Concrete Pile），简称PHC管桩。它是专业工厂采用先张法预应力和离心成型工艺，经过蒸压养护而制成的一种桩型。在施工过程中，采用锤击或静压的方法沉入地下成为桩基础。它具有以下特点：单桩承载力高，制作工艺成熟，造价低;压桩方便，施工速度快，节约施工周期;适用性强等。但是，PHC管桩打入地下后，桩基完好与否无法用肉眼观察，属于隐蔽工程。如果桩基有问题，建筑物后期处理和加固会存在很多困难，因此，在桩基施工中，桩基检测必不可少。

目前，检测单桩承载力的方法基本可以分为两种类型：第一种是现场静荷载，该方法耗时长、花费高、配重大，抽样少;第二种是动力测桩试验，该方法可以测得桩侧摩阻力和桩底端阻力，而且检测效率高、加测桩的数量多。近年来，第二种方法发展迅速。

1 高应变法检测原理

1.1 桩的承载机理

桩基的作用是传递和承担上部结构传下来的力，桩顶受到的力主要由桩端阻力和侧摩阻力来承担。当桩顶压力比较小时，其主要由侧摩阻力支撑。随着压力增大，桩周土形成的止滑土楔作用逐渐下移，侧摩阻力全部发挥作用。荷载继续增加，桩端支撑力发挥作用，直至侧摩阻力和桩端支撑力全部发挥作用，就得到了桩的极限承载力。如果荷载继续增加，桩端土产生塑性变形，此时就是破坏性试验。荷载-沉降（[Q-s]）曲线出现突降点。

1.2 高应变法检测原理

高应变检测是运用重锤锤击桩顶，产生向下的冲击脉冲，对桩土之间产生相对永久的位移，从而使端阻力和侧阻力全部激发的一种动力测试方法。由此可以看出，此法应用的前提是有足够的冲击力使桩土产生位移[1]。

本文采用曲线拟合法检测承载力。该法运用波动问题数值计算，反算桩-土力学模型及其参数。比较计算曲线和实测曲线是否吻合，以确定所选取的桩土参数是否合理。如两曲线不吻合，则调整参数继续进行拟合计算，直到计算曲线与实际曲线满足一定的拟合质量系数。最终拟合得出桩-土体系参数：桩的静承载力、桩侧和桩端阻力及分布、模拟静载试验的[Q-s]试验曲线[2]。该法将桩身等价为一维线弹性杆。

1.3 工程概况

湖北省孝感市拟建一风电项目工程，该工程采用的桩型为PHC-800C-110预制管桩，桩身砼强度等级为C80，设计持力层为粉质黏土层。根据设计，用高应变法检测6根桩，桩长为22.6～24m。试桩位置如图1所示。

（a） TF11机位试桩桩位布置图

（b） TF24机位试桩桩位布置图

图1 试桩位置图

该项目风电场风机拟建场地地貌较好，北部为丘陵，南部为平原，地势低平。场地地形较平坦，高差变化不大。根据钻探及室内土工试验结果，在勘探深度范围内，地层主要为第四系冲洪积粉土、黏土、细砂等。

在勘探深度范围内，场地土（岩）层自上而下分层描述如表1所示。

2 高应变法现场检测

2.1 测试过程

设[Hr]为锤体高度，[D]为试桩直径或边宽。采用锤上测力的方法，将2支加速度传感器对称安装在距桩顶≥0.4[Hr]或[D]（取两者中的大值）的位置，将2支应变传感器对称安装在距桩顶≥0.4[Hr]或[D]（取两者中的大值）的位置，自由下落锤击桩顶，瞬时冲击产生的加速度和力信号通过放大和A/D转换，变成数字信号传给检测主机，信号通过软件处理（故障诊断、双边平均、加速度积分及计算等）后存入磁盘，同时显示实测波形。

2.2 分析方法

将存储在计算机磁盘上的原始信号回放，利用相应软件进行波形计算分析。

实测曲线拟合法的计算方法是从一条实测曲线（如[Vt]曲线是对加速度曲线积分而求得）出发，通过对桩身各段土阻力和其他动力参数进行设定，然后通過波动理论计算程序，应用行波理论构造迭代格式，将计算的桩顶力波[Fct]曲线同实测的力波曲线[Fmt]进行反复比较、迭代（迭代过程中可对人为假定参数进行调整），使得计算[Fct]曲线与实测[Fmt]曲线的拟合趋于完善（即拟合因子MQ达到设置的标准要求）。其计算过程可概括为“假定-计算-比较”的循环。这样既可确定桩的阻力分布和承载力，也可模拟桩的静载[p-s]曲线。该方法的具体分析过程如下。

表1 土（岩）层分层描述

2.2.1 波动理论。将桩抽象为一维弹性杆，重锤锤击桩顶激发一应力波沿桩身传播，由动量守恒原理、本构关系和变形协调方程可求得一维波动方程：

[∂2u∂2t-c2∂2u∂2x=R]                                 （1）

式中，[u]為截面位移;[c]为波速;[x]、[t]为空间、时间坐标;[R]为桩周土阻力。

2.2.2 波动理论的迭代格式。具体迭代格式的构造涉及桩模型、土体阻力模型以及桩土的相互作用问题。对于桩，实测曲线拟合法采用Rausche和Goble提出的CAPWAP/C所描述的连续杆件模型，如图2所示。

一维波动方程的波动解为：

[ux，t=fx-ct+gx+ct]                    （2）

该解由两部分组成，分别代表两个行波。将波动方程的解进行更进一步的推导，可得桩截面的力波曲线计算公式：

[Pc（j）=Z·Vm（j）+2Pu（i，j-1）]                    （3）

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图2 Goble提出的连续桩模型（CAPWAP/C）示意图

桩身质点的运动速度[Vi，j]为：

[Vi，j=Pdi，jZi+Pui，jZi+1]                      （4）

桩身质点的位移值[S（i，j）]为：

[S（i，j）=S（i，j-1）+Δt2[V（i，j-1）+V（i，j）]]         （5）

式中，[Pd]为下行波;[Pu]为上行波;[Vm]为实测速度波;[Z]为波阻抗。

2.2.3 阻力模型。该方法土阻力模型采用的是Smith法的土阻力模型。

[RS（i，j）=RU（i）q（i）[S（i，j）-DE（i，j）]]         （6）

[DE（i，j）=S（i，j）-q（i） S（i，j）-DE（i，j）>q（i）DE（i，j-1） -q（i）≤S（i，j）-DE（i，j-1）≤q（i）S（i，j+1）+q（i） -q（i）>S（i，j）-DE（i，j-1）]（7）

式中，[DE（i，j-1）]为土体单元的塑性位移。

[Rdi，j= Rsi，j ∙ Jsi∙Vi，j]                 （8）

式中，[Jsi]为Smith阻尼系数;[Rs]为桩侧单元静摩阻力;[Rd]为桩侧单元动摩阻力。

2.2.4 优化方法和参数反映。根据上述建立的桩土模型，假定待反分析的参数[X]为某个值，代入迭代公式计算，取得计算力波[Fct]并与量测值[Fmt]比较，使二者误差的最小参数值就是最终的反分析值。通常，将理论计算值与量测值的误差用函数表示：

[F（x）=i=1NpileABS[Fc（j）-Fm（j）]]                        （9）

[X=Rui， Qi， Hsi， Rt， Qt， ff， Ws， Jms ]   （10）

式中，[Npile]为桩单元数;[Rui]为桩侧土最大静阻力;[Qi]为桩侧土最大弹性变形;[Hsi]为桩侧土阻尼系数;[Rt]为桩端最大静阻力;[Qt]为桩端最大弹性变形;[ff]为桩端部刚柔系数：[Ws]为附加土体质量;[Jms]为模拟能量消耗。

这样可确定桩的阻力分布、单桩极限承载力及模拟静载[p-s]曲线。

3 试桩检测曲线

工程名称为丰华应城东岗风电场风机PHC检测管桩试桩检测项目，测试结果如表2所示。各个试桩的曲线图如图3至图8所示。

图3 试桩TF11-13曲线

4 检测结果

通过现场测试，并经室内资料的综合分析处理，测试结果如表3所示。

根据本次高应变法检测试验，单桩竖向抗压极限承载力检测值为：TF11机位检测3根试桩，分别为6 125、5 987、6 377kN;TF24机位检测3根试桩，分别为7 415、7 566、7 398kN。试桩单桩竖向抗压承载力满足设计要求。

试桩点位附近土层断面情况如表4、表5所示。

5 结语

根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106—2014）[3]，本文用高应变检测法对湖北省孝感市某风电项目工程的PHC基桩进行了检测。根据设计，共检测6根试桩。检测结果显示，试桩的抗压极限承载力均满足设计要求。

参考文献：

[1]陶明江.波形拟合法在基桩完整检测中的应用[D].上海：同济大学，2000.

[2]张龙.高应变法测预应力管桩承载力的应用研究[D].石家庄：河北地质大学，2018.

[3]住房和城乡建设部.建筑基桩检测技术规范：JGJ 106—2014[S].北京：中国标准出版社，2014.