CN105019481A

CN105019481A - 分级动荷加载法基桩承载力测试方法

Info

Publication number: CN105019481A
Application number: CN201510385804.2A
Authority: CN
Inventors: 王晓泉; 崔德密; 路伟亭; 王林华; 李宝春; 孔昊泉; 朱甲龙
Original assignee: Anhui Province (ministry Of Water Resources Huaihe Water Conservancy Committee) Water Conservancy Science Research Institute (anhui Water Conservancy Project Quality Inspection Center Station); Anhui Construction Engineering Quality Supervision and Testing Station Co Ltd
Current assignee: Anhui Province (ministry Of Water Resources Huaihe Water Conservancy Committee) Water Conservancy Science Research Institute (anhui Water Conservancy Project Quality Inspection Center Station); Anhui Construction Engineering Quality Supervision and Testing Station Co Ltd
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2015-11-04

Abstract

本发明公开一种分级动荷加载法基桩承载力测试方法，对基桩的桩顶轴向分级施加动态载荷，并实时记录基桩的桩身质点受到冲击产生的荷载和位移、加速度，然后根据记录的荷载和位移、加速度数据进行分析以判定基桩竖向抗压承载力。所述分级施加动态载荷的方法为等势能递增或等荷载量级递增。结果分析方法为得到在分级动荷载作用下扣除动阻力及惯性力后的静阻力和桩顶沉降的关系，最后综合各级荷载作用下的桩顶的桩顶静阻力和沉降关系，得到最终综合的荷载和沉降关系图，根据荷载及沉降的变化情况确定桩的最大承载能力。本发明相对于静载法具有试验周期短、测试效率高、节约检测成本等优点；更接近实际的基桩承载力作用效果，测试结果更准确、高效。

Description

分级动荷加载法基桩承载力测试方法

技术领域

本发明涉及一种分级施加动荷载基桩承载力测试和结果分析方法，属于基桩承载力单桩竖向承载力测试技术领域，适合于混凝土灌注桩，预应力桩，钢桩等桩体材质较高的基桩竖向承载力检测。

背景技术

现有技术中，基桩承载力的主要测试方法是静载法，另外一种测试基桩承载力的方法是“高应变法”，“高应变法”是一种动力测试方法，高应变动力试桩是用重锤冲击桩顶，使桩周土产生塑性变形，实测桩顶力和速度时程曲线。通过波动理论分析，得到桩土体系有关性状的试验方法。

目前我国土地资源日益紧张，建筑趋向高层发展趋势，且很多建筑物由于地质复杂采用桩基础，一般都采用高承载力灌注桩、钢桩或大直街管桩，未来趋向甲级、乙级地基等级，承载力按规范要求都采用静载荷试验法，目前大多静载试验都采用堆载法，堆载量多则仟吨级，一根桩的静载费用多则十几万元人民币，另外一个弊端是运输大量的堆载物的重载汽车运输对城市道路破坏严重;高应变动测虽然快速轻便，但只是一种间接方法，对检测人员的综合素质要求很高，由于我国从事高应变检测人员的综合素质参差不齐，导致不同单位对同一根桩的分析结果差异较大，根据国家检测中心对一次现场考试的统计资料统计，素质较高的检测单位误差能控制在20%以内，有些检测单位的高应变测试结果的误差较大（最大误差120%），因此我国规范也限制了高应变承载力测试的应用范围，甲级以上建筑限制使用，但该方法有其方便快速的优点。

传统的静载荷和高应变承载力检测存在以下问题：

1. 静载荷试验一般采用堆载法或堆锚法，检测成本高、试验周期长、对场地要求高、试验危险性大、重型汽车运输配重会对城市道路造成损害。

2. 高应变承载力检测对试验及分析人员的综合素质要求较高，给出的结果是通过波动理论分析出的间接结果。

发明内容

本发明正是针对现有技术存在的不足，提供一种分级动荷加载法基桩承载力测试方法，满足实际使用要求。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种分级动荷加载法基桩承载力测试方法，对基桩的桩顶轴向分级施加动态载荷，并实时记录基桩的桩身质点受到冲击产生的荷载、位移和加速度，然后根据记录的荷载、位移和加速度数据进行分析以判定基桩竖向抗承载力。

作为上述技术方案的具体优选，所述分级施加动态载荷的方法为等势能递增或等荷载量级递增。

作为上述技术方案的具体优选，实时记录基桩的桩身质点受到冲击后的荷载、位移和加速度的方法为：位移量采用动态位移传感器进行测量，分级施加的动态荷载采用应力计或应变传感器进行测量，桩身质点受到冲击后的实时加速度采用冲击加速度传感器测量。

作为上述技术方案的具体优选，所述实时记录的荷载、位移和加速度数据包括：分级动态载荷下的静动荷载F(i)_stn(kN)～时间t(ms)曲线、位移u(i)(mm)～时间t(ms)曲线、加速度a(i)(kg/m²)～时间t(ms)曲线，以及综合所述静动F(i)_stn(kN)～时间t(ms)曲线和所述位移u(i)(mm)～时间t(ms)曲线而获得的分级动态荷载作用下的静动荷载F(i)_stn(kN)～u(i)位移曲线。

本发明中所使用到的字母符号含义如下：i—对应分级数；m—桩体质量；h—提升高度；u—动位移；F_stn—静动力；t—时间；Q—荷载；S—位移。

在分级动荷载作用下，由于荷载分级加载，桩土体系作用时间加长，减少了桩土体系的动阻力影响。因此，作为上述技术方案的具体优选，所述根据记录的荷载、位移和加速度数据进行分析以判定基桩竖向抗承载力的方法为：根据基桩在动荷载下实测的动静阻力、动位移、加速度、速度，结合基桩的力学特性，得出基桩在每级动荷载下的桩土体系的平均阻力系数，然后计算出在分级动荷载作用下扣除动阻力及惯性力后的静阻力和桩顶沉降的关系，最后综合各级荷载作用下的桩顶静阻力和沉降的关系而得出荷载和沉降关系图，根据所获得的荷载和沉降关系图中荷载及沉降的变化情况确定基桩的最大承载能力。

作为上述技术方案的具体优选，所述等势能递增或等荷载量级递增分级施加动态载荷的方法为：控制锤击设备的落距。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

本发明所述的分级动荷加载法基桩承载力测试方法，本发明所述的分级施加动荷载基桩承载力测试方法，相对于静载法基桩承载力测试方法具有试验周期短，测试效率高的优点；相对于“高应变法”基桩承载力测试方法，由于分级施加荷载，前几级荷载较小，桩顶运动速度较小，动阻力成份较少，随着荷载的加大，由于前几级荷载已将桩的侧阻力发挥，后期桩身反力以桩端阻力为主，使得该试验方法更接近实际的基桩承载力作用效果，测试结果较高应变法更准确的优点。

此外，本发明运用易于现场操作和安装的传感器来测量桩在动荷载作用下的静动力、位移、加速度数据，即采用动态位移传感器测量基桩的桩身质点受到冲击后的位移量，采用应力计或应变传感器测量基桩的桩身质点受到冲击后的荷载，采用冲击加速度传感器测量基桩的桩身质点受到冲击后的实时加速度，桩顶位移通过加速度传感器的前置积分器或动态位移传感器是实测得到，而非通过加速度的数字积分得到，这样能够得到更加准确的荷载和位移测量结果，从而使试验获得数据更加准确。

附图说明

图1为本发明所述的分级动荷加载法基桩承载力测试方法结构示意图；

其中：1为导向轨，2为导向装置，3为锤击设备，4为应变传感器，5为加速度传感器，6为基准梁，7为位移传感器，8为基准桩，9为导向设备基座，10为试桩，11为数据线，12为数据采集设备。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

本发明所述的分级施加动荷载基桩承载力测试方法，通过分级加载荷载施加锤的落距，对基桩的桩顶轴向按照等势能递增或等荷载级别递增的方式分级施加动态载荷。

同时实时记录基桩的桩身质点受到冲击产生的荷载和位移、加速度，具体地，位移量采用动态位移传感器进行测量，分级施加的动态荷载采用应力计或应变传感器进行测量；桩身质点受到冲击后的实时加速度采用冲击加速度传感器测量；所述实时记录的荷载和位移数据包括分级动态载荷下的静动阻力F(i)_stn (kN)～时间t(ms)曲线和u(i)(mm)～时间t(ms)曲线，综合所述静动阻力F(i)_stn (kN)～时间t(ms)曲线和所述u(i)(mm)～时间t(ms)曲线，以获得分级动态荷载作用下的静动阻力F(i)_stn(kN)～u(i)曲线，所获得的静动阻力F(i)_stn(kN)～u(i)曲线与静载试验的荷载Q～位移S曲线具有明显的不同，主要是在动态荷载作用下桩阻力包含动阻力、惯性力等成分采用一定规则算法，扣除该级荷载下基桩运动惯性力及动阻力，得出分级荷载作用下接近静载试验的基桩静阻力及对应的位移。

上述分级施加动荷载基桩承载力测试方法的特点在于：

一、试验采用与静载加载方式类似的分级施加荷载：

基桩承载力最原始的测试方法是静载法，基桩在分级荷载作用下的加速度几乎是0，所得到的承载力也是最为准确的基桩承载力；另外一种快速承载力的方法“高应变法”是一种动力加载法，他是用重锤冲击桩顶，使桩周土产生塑性变形，实测桩顶力和速度时程曲线。通过波动理论分析，得到桩土体系有关性状的试验方法，高应变法一般分2～3击施加荷载，荷载级别为能激发桩的全部阻力情况下一次施加完成，施加锤击力后，基桩的加速度可能达到几个g的加速度，桩收到冲击后的运动速度v也较大，桩测的动阻力成分很大，由于通过波动理论和曲线拟合分析，对分析人员的综合素质要求较高，结果的唯一性难易保证，不同检测单位的测试结果随意性较大，存在较大的误判风险。本发明结合了静载分级施加荷载及高应变施加动荷载便捷的优点，将作用在桩顶的动荷载分级施加，这样分级施加的优点有以下几方面的好处：荷载从低到高，在低吨位情况下，桩在动荷载作用下运动速度及桩的运动加速度较小，所得到的桩顶实测的力（静动力）与中的动阻力成分较小；将桩在高应变情况下冲击荷载下的受力特性由一次施加，分为多级施加，相当于将桩土体系的提供的反力时间延长，桩土体系的的总的动阻力及惯性力的成分得到降低，静阻力成分得到提高；由于荷载分级施加，根据桩的荷载传递机理，根据前几级分析结果得出桩的侧阻力成分情况，根据后几级的分析结果可以得到桩的端阻力成分情况。

二、优化了分级动荷载作用下基桩物理量的测度设备：

基桩承载力检测的两个物理参数测试至关重要，那就是荷载和位移，传统的静载法是用荷载传感器或油压传感器测得力的参数，高应变法是用应力环或应变片测得力的参数，加速度测的桩的运动参数，就位移而言：静载一般采用位移传感器测量，高应变是用加速度传感器测量通过2次积分得到桩的动位移，由于通过数字积分误差较大，本方法不采用通过间接积分方式得到所要求的桩顶动位移，本发明采用动态位移传感器直接测度桩在动荷载下的桩的动位移，用应变力传感器或动态应力计测读基桩的动应力，用冲击加速度传感器测量桩身质点受到冲击后的实时加速度和速度。

三、提出了分级动荷载法基桩承载力测试的具体分析原理：

基桩在动荷载作用下基桩产生的土的阻力由桩的实际静阻力、动阻力和惯性力组成，其中动阻力由土的阻尼力和桩周土空隙水压力组成，根据已有资料，通长情况下桩的孔隙水压力产生的阻力一般小于5%，因此，为简化分析，将空隙水压力产生的阻力作为桩周土的动阻力的一部分来考虑，其中土的动阻力与桩在动荷载下的运动速度与桩土体系的阻尼系数有关，桩运动的惯性力与桩的运动加速度有关，根据桩在动荷载下实测的桩的运动加速度、速度，结合桩在动荷载作用下最大位移和最大荷载的关键时间点的力学特性，得出桩在每级动荷载下的桩土体系的平均阻力系数，根据相关力学平衡方程得到在分级动荷载作用下扣除动阻力及惯性力后的静阻力和桩顶沉降的时程关系曲线，最后综合各级荷载作用下的桩顶接近静载荷试验下的桩顶荷载和沉降关系，综合成桩在不同荷载作用下的荷载和沉降关系图，根据最终的桩顶荷载和位移关系土的变化情况确定桩的最大承载能力。

四、给出了分级动荷载法的荷载施加锤作业方式：

分级动荷载作用下荷载施加锤按不同落距施加不同量级的冲击荷载，分为2种施加方式，即等势能（mgh）和等量级荷载施加方式，等势能亦即等间距递增施加荷载，等量级荷载施加方式是根据锤垫与冲击锤的作用时间长短，采用冲量定律确定的一种近似等量级荷载的一种施加方式，该方式是根据不同桩垫材料及锤重通过大量试验给出的一种不同落锤高度及对应施加的动荷载的一种经验关系表，方便试验时根据锤垫及匹配的大锤现场查阅并确定落锤高度。

五、提出了分级施加动荷载的锤击设备要求：

分级施加动荷载的锤击设备设备与高应变类似，由锤击设备及导向设备组成，为保持分级加载的有效性及多次施加动荷载的要求，试验锤体要求由钢质材料制成，与高应变锤击设备相比，不同的是：分级施加动荷载的锤击设备需要配备具有较精密的落锤导向轨，并且具有自身提升***，使得落距可调并且要求现场操作方便。

六、给出了分级施加动荷载的设备及软件功能要求：

分级动荷加载法基桩承载力测试的【数据采集***】具有高速动态信号采集与存储功能；【数据线及传感器】***由数据线、传感器、其他辅助设备组成；【锤击设备***】由4部分组成（带滑槽重锤，带滑轨导向架，导向架支座，重锤提升***）如图1所示。

分级动荷加载法基桩承载力测试软件由数据采集软件、分析软件组成。

其中采集软件包括桩参数设置、传感器参数设置、分级施加荷载类型设置、试验锤重、对应荷载级锤落距等参数设置功能，数据存储功能。

数据分析软件包括测试数据导入，原始数据图形显示，工程资料数据库建立，计算，分析结果显示、打印，输出报告等功能。

综上所述可知，本发明的分级施加动荷载基桩承载力测试和分析方法（简称：分级动荷加载法基桩承载力测试方法）的创新之处在于：现有技术中还未有的分级施加动荷载测试基桩承载力的方法，本发明将静载荷试验分级施加荷载和高应变法使用重锤冲击施加荷载相结合，结合桩在动态力作用下的力学平衡方程，并运用现代技术的动态位移及应变、加速度数据实时测量记录设备，结合分级动荷情况的计算分析理论，从而得出较为接近实际的基桩承载力值。该方法具有测试周期短、数据可靠、节省费用、对场地要求不高等特点。本发明的方法试验可测得分级动荷下静动阻力F(i)_stn (kN)～时间t(ms)曲线和u(i)(mm)～时间t(ms)曲线，综合所述静动阻力F(i)_stn (kN)～时间t(ms)曲线和所述u(i)(mm)～时间t(ms)曲线，以获得分级动态荷载作用下的静动阻力F(i)_stn(kN)～u(i)曲线，所获得的静动阻力F(i)_stn(kN)～u(i)曲线与静载试验的荷载Q～位移S曲线具有明显的不同，主要是在动态荷载作用下桩阻力包含动阻力、惯性力等成分采用一定规则算法，扣除该级荷载下基桩运动惯性力及动阻力，得出分级荷载作用下接近静载试验的基桩静阻力及对应的位移。试验结果的解析是根据现场实测物理量成果，结合桩在动荷载下运动的关键时间点的动力学特性，运用桩在动荷载作用下的力平衡方程对测试成果进行必要的分析得出的。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种分级施加动荷载基桩承载力测试方法，其特征是，对基桩的桩顶轴向分级施加动态载荷，并实时记录基桩的桩身质点受到冲击产生的荷载、位移和加速度，然后根据记录的荷载、位移和加速度数据进行分析以判定基桩竖向抗承载力。

2.如权利要求1所述的分级施加动荷载基桩承载力测试方法，其特征是，所述分级施加动态载荷的方法为等势能递增或等荷载量级递增。

3.如权利要求2所述的分级施加动荷载基桩承载力测试方法，其特征是，实时记录基桩的桩身质点受到冲击后的荷载、位移和加速度的方法为：位移量采用动态位移传感器进行测量，分级施加的动态荷载采用应力计或应变传感器进行测量，桩身质点受到冲击后的实时加速度采用冲击加速度传感器测量。

4.如权利要求3所述的分级施加动荷载基桩承载力测试方法，其特征是，所述实时记录的荷载、位移和加速度数据包括：分级动态载荷下的静动荷载F(i)_stn(kN)～时间t(ms)曲线、位移u(i)(mm)～时间t(ms)曲线、加速度a(i)(kg/m²)～时间t(ms)曲线，以及综合所述静动F(i)_stn(kN)～时间t(ms)曲线和所述位移u(i)(mm)～时间t(ms)曲线而获得的分级动态荷载作用下的静动荷载F(i)_stn(kN)～u(i)位移曲线。

5.如权利要求4所述的分级施加动荷载基桩承载力测试方法，其特征是，所述根据记录的荷载、位移和加速度数据进行分析以判定基桩竖向抗承载力的方法为：根据基桩在动荷载下实测的动静阻力、动位移、加速度、速度，结合基桩的力学特性，得出基桩在每级动荷载下的桩土体系的平均阻力系数，然后计算出在分级动荷载作用下扣除动阻力及惯性力后的静阻力和桩顶沉降的关系，最后综合各级荷载作用下的桩顶静阻力和沉降的关系而得出荷载和沉降关系图，根据所获得的荷载和沉降关系图中荷载及沉降的变化情况确定基桩的最大承载能力。

6.如权利要求2至5中任一所述的分级施加动荷载基桩承载力测试方法，其特征是，所述等势能递增或等荷载量级递增分级施加动态载荷的方法为：控制锤击设备的落距。