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高應(yīng)變動力試樁的誤差分析

2009-11-20 11:52    【  【打印】【我要糾錯】

  摘要:相對靜載試驗而言,高應(yīng)變動力試樁的誤差來源要豐富得多。本文較系統(tǒng)地對這些誤差進行總結(jié),提出了淺層次、中層次和高層次的誤差的概念,并通過工程實踐分析說明。對如何減小誤差、更好地應(yīng)用和發(fā)展高應(yīng)變動力試樁技術(shù)提出建議。

  關(guān)鍵詞:高應(yīng)變動力試樁 凱司法 實測曲線擬合法

  1、前言

  以應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)的高應(yīng)變動力試樁法在我國的應(yīng)用已有十幾年的歷史。這種方法以其省時省錢以及能提供諸如單樁承載力、樁身結(jié)構(gòu)完整性、端承力大小和樁側(cè)摩阻分布等豐富信息的特點而得到人們的推崇和喜愛。

  多年以來,人們往往試圖以靜動對比試驗結(jié)果來衡量高應(yīng)變動力試樁方法的準確性,但評述結(jié)果都是有爭議性的。原因是復(fù)雜的,從靜載試驗方面,其得到的極限承載力值并非唯一值。首先,靜載荷試驗每級加荷量為預(yù)估極限荷載的10%,這意味著其所確定的承載力的精度為預(yù)估極限荷載的10%,這其中就包含著不小的誤差。其次,不但世界各地確定極限荷載的標準五花八門、迥然各異,即使在我國,不同規(guī)范中的確定方法也有所區(qū)別。因此以不同的標準所確定的承載力顯然也就不盡相同。第三,基準梁的設(shè)置,千斤頂和壓力表以及位移量測儀表所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差不可忽略。此外,非自動加荷條件下的人工加載其主觀性誤差更是無法估計。所以,要得到一個合理的對比標準是一件十分困難的事。在這里,筆者僅從高應(yīng)變試驗本身的誤差來源出發(fā)來作分析,認為可將誤差分為淺層次、中層次和高層次的誤差。

  2、淺層次的誤差——動測信號質(zhì)量

  美國人曾說過樁基動測是“垃圾進、垃圾出”的方法,意即在沒有獲得可靠的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的情況下,室內(nèi)分析是沒有意義的,所以動測數(shù)據(jù)的可靠性直接影響試樁結(jié)果。

  現(xiàn)場的信號采集尤其是灌注樁的信號采集有較大難度,失敗的教訓(xùn)主要有以下:樁頭砼強度不高而被重錘擊碎;偏心錘擊、樁墊選擇不當使得測試信號嚴重畸變;安裝點砼質(zhì)量欠佳,錘擊后可能導(dǎo)致塑性變形或裂縫,從而產(chǎn)生持續(xù)的壓力或拉力波而使信號尾部不歸零;傳感器沒有上緊或樁側(cè)面不平整導(dǎo)致傳感器自振;錘重選擇不當或落高控制不當導(dǎo)致激勵能量過高或不足。此外,在系統(tǒng)誤差方面,傳感器的標定精度,傳感器自身的靈敏度,壓電式加速度計的低頻泄漏也都影響著測試數(shù)據(jù),盡管這種影響是微乎其微的。

  3、中層次的誤差——測試條件的不同

  靜載荷試驗是一種慢速的維持荷載試驗法,而高應(yīng)變是一種動態(tài)沖擊加載,是在排除動力效應(yīng)的基礎(chǔ)上獲得樁的靜承載力,這本身決定了兩種方法的差異性。

  首先,是否完全進入塑性狀態(tài)是評價樁承載力的關(guān)鍵,確定極限承載力的方法就我國而言,標準相對明確;而高應(yīng)變試驗則很難定義土體是否進入塑性狀態(tài)。傳統(tǒng)的推薦是當貫入度達到或超過土的彈限值時,可認為土阻力充分發(fā)揮,其貫入度推薦值是2.54mm.但國內(nèi)外學(xué)者的研究表明,各類土的彈限值各不相同,如對碎卵石混粘土及一部砂,該值可能達十毫米,而對于黃土或一部分淤泥,

  土阻力充分發(fā)揮,其貫入度推薦值是2.54mm.但國內(nèi)外學(xué)者的研究表明,各類土的彈限值各不相同,如對碎卵石混粘土及一部砂,該值可能達十毫米,而對于黃土或一部分淤泥,該值可靠只有一毫米。所以將高應(yīng)變試驗所激發(fā)的承載力簡單地與靜載試驗確定的極限承載力相比較,不是一種科學(xué)的態(tài)度。

  其次,樁的試驗時的狀態(tài)具有時效性,先動載后靜載,才會使樁的試驗狀態(tài)相對接近。此外,巖土也具有時效性,例如硬質(zhì)巖的松馳效應(yīng),風(fēng)化巖的蠕變效應(yīng),軟粘土的軟化,負孔隙水壓力等都可能導(dǎo)致高應(yīng)變試驗過高判定承載力,而對動載敏感的粘土,超孔隙水壓力,土體的擾動,液化作用等可能導(dǎo)致動力試驗過低判定承載力。

  4、深層次的誤差——高應(yīng)變的分析理論

  高應(yīng)變動力試驗對實測時域波形的分析處理,主要提供了兩種方法:凱司法和實測曲線擬合法,以下作分別論述。

  4.1凱司法

  凱司法是一種建立在一維應(yīng)力波理論基礎(chǔ)上的具有快速的現(xiàn)場實時結(jié)果的高應(yīng)變動力試樁方法。其誤差主要有以下幾個方面:

  4.1.1理論假定的主要誤差

  首先,砼是非勻質(zhì)的彈塑性材料并且樁徑越大,與一維彈性體的假定相關(guān)愈遠。

  其次,動阻力并非只來自于樁尖,尤其是以側(cè)摩阻力為主的摩阻樁或端承摩擦樁,情況更是如此。并且,實驗室研究表明:動阻力和樁端運動速度也并非線性相關(guān)。

  4.1.2設(shè)定值的選取誤差

 、俨ㄋ俚倪x取

  凱斯法求承載力要求樁體內(nèi)縱波的傳播速度值是已知的,波速是關(guān)鍵的,它影響到F和Z兩條曲線的匹配性,對于工程樁(鋼樁除外),通常情況下無法預(yù)先實測波速值,在樁底反射不明顯的情況下,只能靠動測人員根據(jù)混凝土強度憑經(jīng)驗選取。而波速和混凝土強度之間并無很好的相關(guān)關(guān)系,在樁基動測中,波速除與砼本身因素有關(guān)外,還和諸如沖擊產(chǎn)生的應(yīng)變量級、樁周土性質(zhì)、樁身缺陷及至樁長等都有關(guān),這使得波速的選取并非輕易而舉。而有些關(guān)于動測的資料給出相應(yīng)于各種強度等級的混凝土波速,一般范圍較大。

  而即使樁身反射明顯,用“上升點一上升點”或“峰一峰”方法判定波速,也可能有10%左右的誤差,波速值對力曲線和速度曲線的影響分別是一次方和兩次方關(guān)系,因而它可能給力曲線帶來20%左右的換算誤差。

 、趧P斯阻尼系數(shù)Jc

  Jc完全是一個沒有物理含義的經(jīng)驗系數(shù),Jc的取值不僅和樁尖土的類型有關(guān),還和樁周土情況、樁的材料、樁型等等其他因素有關(guān)。Jc的取值是否合理很大程度上依賴于對地質(zhì)情況的了解和地區(qū)性經(jīng)驗,要想準確取得必須通過動靜對比分析。美國PDI公司提出了凱斯阻尼系數(shù)的建議值和取值范圍(此處略),但國內(nèi)外已有多種資料提出各地區(qū)的Jc取值范圍,和PDI公司的并不相同。因此,在缺乏地區(qū)性經(jīng)驗條件下盲目地選取或套用Jc值可能將導(dǎo)致很大誤差。

  4.2實測曲線擬合法

  除了上述凱司法中所述的波速誤差的影響外,對實測曲線擬合法還包括其它的誤差來源,筆者以為,其誤差主要有以下兩種:

  4.2.1理論模型誤差

  從理論模型方面,目前的國內(nèi)外軟件均不完善。公認最優(yōu)秀的CAPWAPC軟件并沒有考慮土的加工軟化和硬化,從而與密實砂、硬粘土、超固結(jié)土和靈敏粘土等這一類加工軟化性的土和對松砂或正常固結(jié)土等這一類加工硬化性的土的本構(gòu)關(guān)系無法作出更好的表述;此外,CAPWAPC軟件采取了線性的樁尖縫隙模型,這種模型往往只能反映打入式預(yù)制樁的反彈情況。我國編制的曲線擬合程序在靜阻模型上已比CAPWAPC有所改進,許多程序在土的靜阻模型上已考慮了土的軟化、硬化性質(zhì)。有的程序還采用了非線性的樁尖縫隙模型,可以更好地反映灌注樁在荷載作用下的沉渣壓縮過程。但是,在動阻力模型方面,所有的曲線擬合程序采用的均是線性粘滯阻尼模型(除了樁尖可選擇Smith阻尼模型外),這種模型建立的是阻尼力和樁的速度的線性相關(guān)關(guān)系,但實驗室研究表明,阻尼的最大值和速度隨時間的變化不是呈線性關(guān)系,而Smith阻尼模型雖然體現(xiàn)了一種非線性關(guān)系,但在應(yīng)用中,這種模型與實際情況往往相關(guān)更遠……

  4.2.2擬合分析的非收斂性誤差

  擬合程序無論多么優(yōu)秀,它的解在相當?shù)姆秶鷥?nèi)是發(fā)散的,是否得到合理準確的解完全取決于分析者的技術(shù)和經(jīng)驗。這類完全取決于分析者的誤差往往是人們所最關(guān)心的,它的大小程度也決定了試驗的精確度。對不熟練的分析者來說,眾多的參數(shù)可能令之無法適從,并且這許多參數(shù)規(guī)范或程序手冊并未給出取值方法,所給出的取值范圍也顯太大。其中起舉足輕重作用的是土的動阻力取值大小,其中Smith動阻尼系數(shù)及幅射阻尼的取值尤為關(guān)鍵。

  4.2.3工程實例

  福建某高速公路一高架橋的基樁,為沖孔灌注樁,樁身混凝土強度等級為C25,樁徑為1500mm,樁周土層從上到下依次為雜填土﹑中細砂﹑圓礫,樁端持力層為粘土,測點以下樁長31.40m.測試時貫入度達到4mm/擊。

  結(jié)果一是在自動擬合的結(jié)果上形成的,計算極限承載力為8747kN;結(jié)果二是筆者提高了動阻力后形成的,計算極限承載力為5500kN.從擬合結(jié)果上看,兩種分析結(jié)果曲線均擬合良好(擬合質(zhì)量數(shù)MQ均≤2.0),計算貫入度與實測貫入度均比較一致,樁土模型各參數(shù)均在合理的范圍,樁周土阻力分布類似并與地質(zhì)情況也均基本吻合。從表面上看,結(jié)果一提供的樁土靜力指標接近于地質(zhì)報告,似乎比較合理,結(jié)果二則偏低很多。但由于是大貫入度樁,在結(jié)果二中筆者選用了較高的樁側(cè)Smith阻尼系數(shù),二者的分析結(jié)果,靜極限承載力相對誤差為59

  該樁后來做靜荷載試驗,在5600kN的壓力下試樁就因Q-S曲線產(chǎn)生陡降段而破壞,證明筆者提高動阻力的分析方法是正確的。(限于篇幅,兩結(jié)果的擬合曲線圖對比略去)

  因而如何增加制約條件,對于特定的樁,使動阻力收斂在更小的范圍,筆者以為是高應(yīng)變動測工作者努力的方向,以下為筆者的參考方法:

 、儇炄攵群艽螅ㄘ炄攵却笥10mm/擊)的樁不應(yīng)考慮幅射阻尼模型,因為在有高的速度和大貫入度的情況下,不可能產(chǎn)生很大的粘滯阻尼和干摩擦阻尼。輻射阻尼往往在樁身的運動很小,對土體形不成剪切破壞的情況下產(chǎn)生。

 、谠谛∝炄攵鹊那闆r下,對于樁周土較好(比如樁周為密實度較好的碎石土、砂土或粉土)的排土樁,初步計算后靜阻力又不大的情況應(yīng)注意可能要用到樁側(cè)輻射阻尼模型,在其為樁身強度不高的摩擦樁時尤其如此。

 、蹚膭游灰魄上動位移與靜位移的比例大致預(yù)估動靜阻力的相對大小,并在實測貫入度清晰無誤的情況下,加強貫入度的校核,就能較好地達到分析結(jié)果的收斂性。

  5、結(jié)論

  相對靜載試驗而言,高應(yīng)變動力試樁的誤差來源要豐富得多,本文力爭系統(tǒng)地對這些誤差進行總結(jié),提出了淺層次、中層次和高層次的誤差,并對如何減少高層次的誤差提出建議和設(shè)想。

  高應(yīng)變動力試樁技術(shù)是一種綜合性很強的技術(shù),它要求分析者能兼?zhèn)渫亮W(xué)、振動力學(xué)、巖土經(jīng)驗以及高等數(shù)學(xué)和電子學(xué)方面的基礎(chǔ)。擺在眾多高應(yīng)變動力試驗工作者面前的道路,是即不能神話這種方法的作用,不顧對比條件的不同而高談動靜對比的準確性(10%或20%),也不能誤解高應(yīng)變方法的作用,認為其一無是處,而是應(yīng)該從嚴肅的角度出發(fā),在有效動靜對比資料的基礎(chǔ)上,消除或基本消除低層次和中層次的誤差,摸索盡可能減少高層次誤差的方法。這樣才能更好地應(yīng)用和發(fā)展高應(yīng)變動力試樁技術(shù)。

  參考文獻:

  [1] CAPWAP Manual,November 1997,Gobel Rausche Likins and Associates,Inc.

  [2] 國家行業(yè)標準《基樁高應(yīng)變動力檢測規(guī)程》(JGJ106-97),1997,北京

延伸閱讀:試樁 動力 應(yīng)變
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