影响高应变实测信号质量的分析

一、前言

高应变法是采用重锤冲击桩顶，使桩土之间产生足够的相对位移，充分激发桩周土摩阻力和桩端土支承力，实测桩上部（传感器安装截面处）的速度和力时程曲线，通过一维波理论和对桩-土力学模型作一此化简假定后，计算分析，从而对单桩竖向抗压承载力和桩身质量完整性进行判断的检测方法，检测实测曲线质量好与坏，直接影响到检测结果计算分析，现就影响高应变法实测信号质量的因素进行分析与探讨。

二、影响高应变法实测信号质量的分析

1.准备工作对实测信号质量的影响

试桩桩头处理

(1）预应力混凝土管桩测试时，在条件允许的情况下，尽量选择桩顶带法兰盘的桩进行测试，若桩头受损，可进行切割处理，将受损段切割掉，但要保证切割面水平平整，对于桩顶没有法兰盘的试桩，可以采用环氧树脂粘接稳固钢箍、钢盖，桩芯采用环氧树脂碎石砂浆灌芯填充，制作桩帽后才可测试（如图1预制桩帽处理）。

图1 预制桩帽处理

(2）混凝土灌注桩必须进行桩头处理制作长桩帽，尽可能采用接桩方式，即在原桩顶接长1.5～2.0倍桩径的桩段，制作长桩帽首先要将接头凿毛并清理干净，桩头顶面应水平、平整，桩头中轴线与桩身中轴线应重合，桩头截面积应与原桩身截面积相同，由于广义波阻抗和力帽均与面积成正比，测点面积稍有变化，严重影响信号采集的真实性与分析结果。第二，桩头主筋应全部直通至桩顶混凝土保护层之下，各主筋应在同一高度上，桩帽应多配横向箍筋和纵向钢筋并挠丝，桩头部分析应多加钢筋网加固，在桩顶应设置钢筋网片2～3层，间距60～100mm。第三，桩头混凝土强度等级宜比桩身混凝土提高1～2级，且不得低于C30，为了尽早可以进行检测，不影响施工期，可以采用早强混凝土，确保测试强度符合要求。第四，制作长桩帽，传感器可以安装在原桩上，或与桩身截面尺寸相同处，这样可以采集到质量较好的信号。（如图2混凝土灌注桩桩帽处理）

图2 混凝土灌注桩桩帽处理

2.现场操作对采集信号质量的影响

2.1 传感器安装

传感器必须对称安装在桩顶以下桩身两侧，对实测信号平均时方可消除锤击偏心的影响，安装的传感器与桩顶的距离一般不小于2D（D为试桩的直径或边长），对大直径桩不得小于1D，以避开桩顶附近复杂应力关系影响，安装传感器的桩身表面应平整，且其周围不得有缺损和断面突变，传感器必须牢固安装，安装好的传感器不能在锤击过程中产生相对滑动，力传感器中心与加速度器中心应位于同一水平线上，两者间的距离不应大于80mm。安装好的传感器中心轴应与桩中心轴保持平行，传感器安装过程中应监测传感器初始变形值，安装好的传感器初始变形值不应超过规定值。连续测试过程中，如从测试波形中发现传感器松动，如力曲线中出现振荡信号或力曲线不归零（如图3力传感安装不紧曲线），要及时拧紧。如发现传感器损坏，要及时更换。

图3 力传感安装不紧曲线

2.2 桩垫的选择

桩垫可采用厚度10～30㎜的木板或胶合板等材料，可根据经验来定。锤重较轻或锤击落距较低时，选用较薄的桩垫，锤重较重或锤击落距较高时，选用较厚的桩垫。桩垫厚度也可根据第一锤的波形加以调整。桩垫尺寸可略大于桩顶截面尺寸，对桩垫过厚，加速度测量系统的低频特性所造成的速度信号误差或严重失真（如图4桩垫过厚曲线）。当检测仅为检验桩的结构完整性时，要减轻锤重，降低落距，减少锤垫厚度，但应能测到明显的桩底反射信号。

图4 桩垫过厚曲线

2.3 击锤的选择

当进行承载力检测时，锤的重量与单桩竖向抗压承载力特征值的比值宜为0.02~0.03；当桩径大于500mm或桩长大于25m时，宜取高值。选择击锤应采用重锤低击，最大锤击落距不宜大于2.5m。重锤低击可避免 “ 轻锤高击” 产生的应力集中，而应力集中容易使桩身材料产生塑性甚至破坏，重锤低击荷载脉冲作用时间长，且荷载变化缓慢，桩～土之间产生足够的相对位移从而充分激发岩土对桩的阻力，重锤低击，桩体产生的速度较小，速度变化率也较小，因此动阻力的影响较小，可减少动阻尼参数误差对拟合分析影响，提高拟合分析精度。落锤要稳定，单击贯入度宜在2mm～6mm之间，贯入度小，使检测得到的承载力低于极限值；贯入度过大造成的桩周土挠动大，承载力分析所用力学模型与实际情况相差成的桩周土挠动大，承载力分析所用力学模型与实际情况相差较大，与静载试验对比，统计结果离散性很大。

2.4 检测参数设定

(1）传感器参数设定值按计量检定结果设定传感器灵敏度系数。

(2）测点面积、桩底面积的确定。 测点面积、桩底面积按桩截面尺寸按实际测量确定，实心桩（钻孔灌注桩、预制方桩）桩身截面积实心部分的面积；管桩（钢管桩、预应力钢筋混凝土管桩）桩身截面积就是其壁的面积, 有些管桩桩底封闭应计算外直径面积。

(3）桩长设定。 仪器（RS-1616KS）中桩长不是试桩的施工桩长，应为测点桩长，测点桩长指桩头传感器安装点至桩底的桩长，一般不包括桩尖部分，测点桩长和截面积按设计或施工记录提供的数据设定。入土桩长指嵌入土中的桩长，是地面或基坑底面至桩底的桩长，采样时间间隔宜为50～200 µ s，信号采样点数不少于1024点，采样时间间隔一般为根据桩长和波速自动计算，有些仪器也可以人为设定。

(4）弹性波速设定。 弹性波速（Wspd）用于弹性模量E=ρC2的计算,为测点横截面处的波速值。此值应当高于整桩平均波速波速。弹性波速如选取不准,因F=AρC2∙ε,即便应变测量再可靠,得到力值的误差也很大(2倍波速误差),但目前对于弹性波速的确定仍缺乏较有说服力的手段,仅有以下几点可作参考：

①低应变获得的平均波速一般要高于高应变法的平均波速,可以利用低应变法测试的整桩波速作为弹性波速，高应变法的平均波速一般可取弹性波速减100m/S。

②结合桩身砼强度设计值和高应变实测平均波速人为地根据经验给定一弹性波速。

③也可利用实测的εmax和Vmax,根据信号的正比性求取弹性波速：Wspd=Vmax/εmax。

平均波速高应变计算出来的波速。一般比弹性波速小。

(5）JC阻尼系数取值

桩尖土的塑性指数越大， Jc 值越大。参考美国PDI公司JC阻尼系数取值如下表。

(6）桩身密度取值。混凝土桩身密度取值2400 kg/m3~2600 kg/m3之间。

桩的密度

3.实测信号判断与选择

理想高应变波形信号特点力和速度的时程一致，上升峰值前二者重合，峰值后二者协调，力曲线应在速度曲线之上（除非桩身有缺陷），两曲线间距离随桩侧土阻力增加而增大，其差值等于相应深度的总阻力值，能真实反映桩周土阻力的实际情况。高应变采集信号有以下四种情况之一时，不得作为承载力分析计算的依据：

(1）传感器安装处混凝土开裂或出现严重塑性变形使力曲线最终未归零（如图5混凝土开裂或严重塑性变形曲线）， 这时必须选择适当的位置重新安装传感器或换桩检测。

图5 混凝土开裂或严重塑性变形曲线

(2）严重锤击偏心，两侧力信号幅值相差超过1倍（如图6严重锤击偏心曲线）， 主要造成锤击偏心的原因有以下几种情况，a、无导向装置的情况下，锤击锤击偏心 ,应加装锤架导向装置；b、在锤架底存有淤泥或软弱层，锤架不垂直，极易造成偏心，应先垫实架底，调整锤架垂直度，使击锤纵轴线与桩身轴线基本重合；c、桩顶无法兰盘、不平整的情况下，造成偏心。整平桩头处理，再放上桩垫板，在锤击过程中调整桩垫，在锤击过程中调整桩垫板高度。

图6 严重锤击偏心曲线

(3）触变效应的影响，预制桩在多次锤击下承载力下降。

(4）四通道测试数据不全（图7）。

图7 四通道测试数据不全曲线

现场检测信号判断与选择是十分重要的，正确选择质量好的的高应变波形信号，实际反映桩身质量情况，为下一步检测数据的分析计算提供了精确依据。

三、结束语

高应变检测采集信号质量好坏，直接影响工程桩质量检测结果的准确与否，检测技术人员通过现场的实践，认真分析影响高应变检测采集数据信号质量，只有不断提高高应变检测水平，才能获得高质量的高应变实测数据信号。

（注：部分数据内容参照检测规范与厂商设备使用说明）

(来源：广东惠和工程检测有限公司 林超群 副总经理)