l 概述

 

用重锤冲击桩顶，实测桩顶附近或桩顶部的速度和力时程曲线，通过波动理论分析，对单桩竖向抗压承载力和桩身完整性进行判定的检测方法。

 

高应变动力法实际上包括锤击贯入试桩法、波动方程法和静动法三种方法。锤击贯入法属经验法，主要适用于中小型的摩擦型桩，已基本被波动方程法取代；波动方程法实际是我国目前最广泛采用的方法；静动法始于20世纪80年代末，从减少波传播效应、提高承载力检测结果可靠性角度上讲，是对波动方程法的合理改进。

 

高应变试桩法时一种给桩顶施加较高能量的冲击脉冲，冲击脉冲在沿桩身向下传播的过程中使桩-土之间产生一定的永久位移，从而自上而下依次激发桩侧及桩端岩土阻力的一种动力检测基桩承载力的方法。

 

所谓“高”应变试桩是相对于“低”应变试桩而言的。高应变动力试桩利用几十甚至几百千牛的重锤打击桩顶，使桩产生的动位移接近常规静载试桩的沉降量级，以便使桩侧和桩端岩土阻力较大乃至充分发挥，即桩周土全部或大部分产生塑性变形，直观表现为桩出现贯入度。不过，对于嵌入坚硬基岩的端承型桩、超长的摩擦型桩，不论是静载还是高应变试验，欲使桩下部及桩端岩土进入塑性状态，从概念上讲似乎不大可能。

 

高应变桩身应变量通常在0.1‰～1.0‰范围内。对于普通钢桩，超过1.0‰的桩身应变已接近钢材屈服台阶所对应的变形；对于混凝土桩，视混凝土强度等级的不同，桩身出现明显塑性变形对应的应变量约为0.5‰～1.0‰。低应变桩身应变量一般小于0.01‰。

  

l 检测目的

（1）判定单桩竖向承载力是否满足设计要求。

（2）检测桩身缺陷及位置，判定桩身完整性类别。

（3）分析桩侧和桩端阻力。

（4）进行打桩监控。      

 

l 高应变的基本假设

高应变动力试桩在原理上就被简化为一维线性波动力学问题： 

1）假定桩身材料是均匀的和各向同性的 

2）假定桩是线弹性杆件 

3）假定桩是一维杆件 

4）假定纵波的波长比杆的横截面尺寸大得多 

5）假定破坏只发生在桩土界面

 

l 应用范围

1）本方法适用于检测基桩的竖向抗压承载力和桩身完整性；

2）监测预制桩打入时的桩身应力和锤击能量传递比，为沉桩工艺参数及桩长选择提供依据。

3）对于大直径扩底桩和Q-S 曲线具有缓变型特征的大直径灌注桩，不宜采用本方法进行竖向抗压承载力检测。

4）进行灌注桩的竖向抗压承载力检测时，应具有现场实测经验和本地区相近条件下的可靠对比验证资料。 

 

l 仪器设备及要求

高应变动力试桩测试系统主要由传感器、基桩动测仪、冲击设备三部分组成。

检测仪器的主要技术性能指标不应低于现行行业标准《基桩动测仪》JG/T 3055规定的2 级标准。

 高应变法检测仪器属于法定计量设备：

1）生产厂家必须具备生产许可证。

2）检测仪器能通过计量部门检定

3）具备防尘、防潮、防震性能

4）适应恶劣条件（温度变化、防水等）

 

传感器要求：

 

传感器是实现被测物理量转化为易被传输和处理的电量的器件。目前，在高应变动力试桩中一般用应变式传感器来测定桩顶附近截面的受力，用加速度传感器（加速度计）来测定桩顶附件截面的运动状态。

 

1、测力传感器——工具式应变传感器

通常采用环型应变式力传感器来检测高应变动力试桩中桩身界面受力，其外观如图所示，它有一个弹性铝合金环型框架，在框架内壁贴有四片箔式电阻片，电阻片连成一个桥路，当轴向受力时，两片受压，另两片受拉。

 

 

2、测振传感器——加速度计

目前一般采用压电式（或压阻式）加速度传感器来测试桩顶截面的运动状况。

压电式加速度计具有体积小、质量轻、低频特性好、频带宽等特点。

压阻式加速度计是利用半导体应变片的压阻效应工作的。压阻式加速度计具有灵敏度高、信噪比大、输出阻抗低、可测量很低频率等优点，因此常用于低频振动测量中。

 

 

在《建筑基桩检测技术规范》中对加速度计的量程未作具体规定。原因是不同类型的桩，各种因素影响使其最大冲击加速度变化很大，建议根据实测经验合理选择，一般原则是选择量程大于预估最大冲击加速度的一倍以上，因为加速度计量程愈大，其自振频率愈高。加速度计量程用于混凝土桩测试时一般为1000~2000g，用于钢桩测试时为3000~5000g（g为重力加速度）。

 

在其他任何情况下，如采用自制自由落锤，加速度计的量程也不应小于1000g。这也包括锤体上安装加速度计的测试，但根据重锤低击原则，锤体上的加速度峰值不应超过150～200g。

 

冲击设备：

现场高应变试验用锤击设备分为两大类：预制桩打桩机械和自制自由落锤。

 

选择锤重应考虑以下因素：

1）测承载力及桩的承载性状的影响。承载力越大，锤越重；承载力构成中端阻力占的比例越大，则要求锤越重。

2）桩径的影响。桩径越大，桩本身的惯性越大，锤与桩匹锤提配能力下降，要求锤越重。此外，桩径的增大也会增大土的弹限，导致对锤重的要求增加。  

3）桩长的影响。桩越长，应力波在传播过程中的衰减越大，桩中下部及端阻力就越难激发，因而要求的锤重越重。

4）岩土弹限的影响。桩侧、桩端土的弹性极限较大。土的弹限越大，意味着激发岩土阻力所需的桩土相对位移越大，要求锤重越重。

5）桩垫的影响。桩垫的选择应是保证充分激发岩土阻力前提下，尽量选择较软的桩垫。

6）提倡“重锤低击”。“轻锤高击”虽然可以提高锤击能量，但常会打碎桩头。高应变试桩应大力提倡“重锤低击”。

 

高应变检测专用锤击设备应具有稳固的导向装置。

 

 

 

l 现场检测：

1、锤击装置的安设

为了减小锤击偏心和避免击碎桩头，锤击装置应垂直，锤击应平稳对中。这些措施对保证测试信号质量很重要。对于自制的自由落锤装置，锤架底盘与其下的地基土应有足够的接触面积，以确保锤架承重后不会发生倾斜以及锤体反弹对导向横向撞击使锤架倾覆。

 

2、传感器安装

为了减小锤击在桩顶产生的应力集中和对锤击偏心进行补偿，应在距桩顶规定的距离下的合适部位对称安装传感器。检测时至少应对称安装冲击力和冲击响应（质点运动速度）测量传感器各两个，传感器安装见图。

 

 

3、桩垫或锤垫

对于自制自由落锤装置，桩头顶部应设置桩垫，桩垫可采用10～30mm厚的木板或胶合板等材料，并在桩垫上铺一层薄砂找平。

 

4、重锤低击

采用自由落锤为锤击设备时，应重锤低击，最大锤击落距不宜大于2.5m。根据波动理论分析，若视锤为一刚体，则桩顶的最大锤击应力只与锤冲击桩顶时的初速度有关，锤撞击桩顶的初速度与落距的平方根成正比。落距越高，锤击应力和偏心越大，越容易击碎桩头。轻锤高击并不能有效提高桩锤传递给桩的能量和增大桩顶位移，因为力脉冲作用持续时间不仅与锤垫有关，还主要与锤重有关；锤击脉冲越窄，波传播的不均匀性，即桩身受力和运动的不均匀性（惯性效应）越明显，实测波形中土的动阻力影响加剧，而与位移相关的静土阻力呈明显的分段发挥态势，使承载力的测试分析误差增加。事实上，若将锤重增加到预估单桩极限承载力的5%～10%以上，则可得到与静动法（Statnamic法）相似的长持续力脉冲作用。此时，由于桩身中的波传播效应大大减弱，桩侧、桩端岩土阻力的发挥更接近静载作用时桩的荷载传递性状。因此，“重锤低击”是保障高应变法检测承载力准确性的基本原则，这与低应变法充分利用波传播效应（窄脉冲）准确检测缺陷位置有着概念上的区别。

 

l 工程实例：

钻孔灌注桩，桩径0.8m，测点下桩长16m，桩端持力层为全风化基岩。

试验采用60kN重锤，先做高应变检测，后做静载验证检测。实测波形如图。

 

采用波形拟合法分析承载力时，波形拟合法承载力仅950kN，承载力比按地质报告估算的低很多。静载验证试验尚未压至破坏，满足设计要求，Qmax=1950kN,相应沉降s=11.5mm。静、动试验得出的荷载-沉降曲线对比见图，差异很大，但高应变测试的锤重、贯入度却“符合”要求。高应变拟合结果和静载结果误差-51%，所以对桩底速度反射波宽度大，并反射强烈的桩，采用常规的土模型，拟合结果差异大。