樁基動測

樁基動測是根據瞬態衝擊或穩態振動荷載作用下樁頂動力響應的特性來分析樁身介質的均勻性，估算樁的承載力以及評價打樁效率等問題的。它僅是相對於以往採用靜載試驗來檢測樁基礎工程質量和確定單樁承載力而言的，實質上它並不是某種方法的名稱，而是一類方法的統稱。

總的來説,目前的樁基動測具有費用低、快速、輕便、適用於普查等優點,這大大促進了樁基動測技術的研究和應用。然而,由於樁基動測技術在基礎理論、測量分析技術、工程應用等方面有很大難度,因此該技術尚存在着不少問題有待於進一步的研究與探討:

(1)就高應變來説主要有測試誤差、與樁土相互作用機理不符時可能引起的偏差、樁未被“打動”時的誤差等問題。

測試誤差主要來源於對力的測量。由於混凝土本身的非線性(E=dб/d≠常數)。低應力水平的模量高於高應力水平下的模量,所以衝擊應力水平愈高,實測力信號中的非線性成分也愈大,如有時低應變測試得到的波速比高應變測試得到的波速高就屬於這種情況。預製樁在測試前經受的錘擊數很多,混凝土的非線性在很大程度上得以消除,因而預製樁的測試誤差比灌注樁要低。此外,由於灌注樁的混凝土標號低、施工條件影響較大、安裝傳感器的樁側表面不平整和錘擊偏心等原因,均可產生混凝土的塑性變形而導致測力誤差。

而與樁土相互作用機理不符時可能引起的偏差指的是在波形擬閤中,樁側靜阻力靠樁與土之間的剪切變形傳遞,假設樁側土不隨樁一起運動,則樁端與岩土介質的相互作用與刺入破壞模式相近。對嵌巖樁、大直徑樁和擴底樁等一些超範圍使用的情況,將出現明顯不符的情況。如嵌巖樁在嵌固段的巖體可能隨樁一起運動,大直徑樁特別是擴底樁樁端的破壞模式與刺入破壞模式不同。況且,目前所採用的土模型無非是理想彈塑性模型(CAPWAPC模型)或在其基礎上考慮了土的加工硬化或軟化效應(FEIPWAPC程序),並不能準確地表徵樁土相互作用的複雜機理。

最後,對於樁未被“打動”時誤差,此情況常出現在以端承樁為主的嵌巖樁、支撐在密實砂卵石層的擴底樁或大直徑樁。擴底樁靜載試驗得到的極限承載力對應的沉降常高達40～60mm甚至更大,而動載試驗要使樁頂產生影響10mm的位移就不易了。對於細長樁,土的卸載特性參數由於樁的提前回彈而在土阻力響應區段內和加載參數發生藕合,進而對部分發揮的靜阻力的計算產生不利影響。另外,與此對應的還有一個“輻射阻尼”問題,輻射阻尼的使用對那些灌入度不大的樁的承載力的提高幅度是有限的,某種意義上講是對樁未被打動低估承載力的一種修正;而在場被打動的場合,可能出現高估承載力的危險。

(2)低應變法的主要問題。樁的低應力波反射法是建立在一維彈性波理論基礎上的,應用中存在這樣或那樣的問題,但對樁—土相互作用的問題,它不象高應變那樣突出,至少不存在樁—土系統的塑性響應問題。但在實際使用中也有一些問題值得注意,如超範圍使用的應力波反射法的尺寸效應問題。另外,應力波反射法還有其它一些侷限性,如漸變擴徑後的相對縮徑容易誤判為真實縮徑,大擴徑處的二次反射容易誤判為縮徑;漸變縮徑或離析且範圍較大時,波形缺陷反應不明顯;預製樁的裂隙或接頭反射的判別尺度很難掌握,有時誤判為嚴重缺陷等。因此在實際應用低應變法檢測樁身結構完整性時一定要對這種方法有一個正確的認識。 ^[1] 

新的世紀,樁基動測技術應向高質量、規範化、標準化的方向發展。除了不斷開發和改善動測分析的硬件設備外,更應不斷完善軟件分析和理論研究等。具體來説,應在以下幾方面取得突破:

1、樁基動測理論

目前樁基動測的理論模型依然是波動理論和動力參數理論,隨着人們對樁土作用機理研究的不斷深入,以下三方面可能成為樁基振動理論研究的突破點:

（1）樁、土材料力學特性以及它們之間相互作用

模型的研究 樁土材料的本構關係及樁土界面相互作用的力學機理是樁基動測法的基本依據。大量的研究表明,因為現有的動測理論對樁周土模型考慮過於簡單化,不能真實揭示樁與土的相互作用規律,得到的結論有侷限性。實際上,樁周土阻力以及樁土之間的相對位移為非線性關係。如今,在混凝土材料和

土的本構關係方面已經取得較大發展,可以考慮在分析中引入一些先進的模型對樁基動測進行理論模擬,如土的(粘)彈塑性模型(劍橋模型、邊界面模型、結構性模型、顆粒流模型等),可以考慮土的應變硬化、軟化及結構性破壞的影響,這符合土的實際本構關係。在分析中可以把樁、界面和樁周土視為一個系統,採用有限元的方法分析,這比常規的一些分析模型有很大的進步。當然由於有限元方法比較複雜,分析計算成本較高,在實際推廣應用中,可以首先考慮在一些大型的工程項目中應用。

（2）樁土作用阻尼特性的研究

由於樁埋置於岩土中,樁和岩土間的相互作用是樁基承載力得以發揮的重要因素;且樁與岩土系統的動力響應是大阻尼動力響應,而在波動方程中沒有有效地考慮樁與岩土介質間的阻尼效應,這是波動理論的最大缺陷,由此造成測試結果的準確度不高。實際上樁與岩土組成的系統是一個多自由度、摩擦阻尼材料等組成的一個複雜系統。用等效粘性阻尼來模擬樁與岩土阻尼特性已不符合該系統的動力特性,用此阻尼特性來模擬描述樁土的動力響應已難以真正把握岩土體系的動力響應。因此,對樁土作用阻尼特性的研究已成為研究樁土系統動力響應理論模型的關鍵。

（3）樁周土成層特性和各向異性的振動研究

樁的振動問題的解析理論還很不成熟,很多問題有待於進一步的研究。其中一個很重要的方向就是發展合理考慮樁周土的成層特性和各向異性的振動理論,土的各向異性包括微觀結構的變化引起的各向異性和由應力體系引起的各向異性,土的各向異性對土的強度影響較大,這一點對於高應變動測法尤為重要。

2、分析方法

國內外已有人開始將神經網絡系統用於樁基動測,有些單位甚至已編制了相應的應用程序;也有單位將邊界元、無限元、三維有限元,甚至邊界層理論用於樁基動測之中,但是這種分析目前仍停留在分析探索狀態,尚不能步入成熟應用階段。

3、樁基動測結果的信號分析處理

信號分析包括兩個內容:一是信號處理技術,二是信號分析結果的正確解釋,兩者密切相關。

(1)由於樁土系統的複雜性和外界噪聲的影響,從而使有用信號難以直觀把握,因此採用良好性能的信號分析技術,提取有用信號是最終正確判斷樁身特性的基礎之一。在經典譜分析中主要採用了FFT變換、倒頻譜分析及希爾伯特變換。對於不同特性的信號,分別選用不同的分析技術,就會改變信號分析的難易。因此,進一步改善信號分析技術是樁基信號分析的重點研究方向。目前,人們已意識到經典譜分析技術難以完全適應信號分析的要求,從而提出了時序分析技術的應用問題。時序分析法系指現代的、非傳統的時間序列方法。同傳統的時序法不同,該方法不是直接利用觀測數據來獲得數據的統計特性,而是對觀測數據擬合一個參數模型,再利用這個參數模型對觀測數據及產生這一數據的系統進行分析、研究與處理。在目前普遍使用的儀器設備中,並沒有時序分析技術的應用程序,有待進行研究開發。

(2)信號分析的另一個關鍵問題是結果的解釋,這和採用的理論模型密切相關,不同的理論模型對相同的測試結果可能產生完全不同的解釋。即使採用相同的理論,在不同的地質條件、不同的樁土系統下,相似信號分析結果的解釋也不一致。問題主要存在於不完整樁上。這樣使人們對樁基動測的結果產生懷疑,因此,如何智能化地解釋動測樁信號是還沒有解決的問題。對於儀器使用者而言,信號分析技術知之甚少,如何使使用者方便地使用和掌握動態測樁技術,分析時減少人工干擾,也是人們關心的一個問題。因此設計出智能化分析系統也是研究的一個課題。

4、建立專家系統

由於樁土系統複雜,特別是土性變異非常大,使人們不得不積累大量的土參數測試經驗,才能較好的描述樁土系統,較準確地測出樁基質量。再好的測試和分析方法,如果不與現場樁土的實際情況和實際經驗相結合,也很難得出正確的判斷結果。樁土特性的描述、表達和利用必須採用專家系統的方法。在建立專家系統時應注意以下內容:

(1)在建立專家系統時應注意經驗的積累不是一家或一個人的經驗,而應集思廣益,薈集並具體分析各家經驗、多人經驗,否則,那樣的“專家系統”無論在理論上還是在工程應用中均是不完善的。在建立專家系統的過程中,也可以採用在INTERNET上開展論壇的形式,各抒己見,以利信息的共享和迅速傳遞。另外需強調的是專家系統的特殊性,不同地區的專家系統具有不同的知識和經驗的積累。某一地區的專家系統,拿到另一地區去應用,應特別小心,否則專家系統的知識是無效的,對檢測數據的解釋是不正確的。

(2)由於專家系統的複雜性和特殊性,同一地

區應廣泛蒐集樁基靜載試驗的完整資料、地質分佈情況及土的物理力學指標等資料。資料的完整性是專家系統好壞的先決條件,如果資料不完整,則專家系統就會有先天性的缺陷。因此,專家系統的適用條件應詳細給出。

(3)由於樁土系統的複雜性,其系統工作的機制是非線性多參數共同作用,故參數的確定及表述具有一定的模式。不同條件具有不同的模式,多參數的非線性模式識別是不可缺少的,對此採用人工神經網絡將是一個較好的辦法。

5、提高動測人員素質,規範動測市場

樁基動測是土動力學、波動理論、振動理論、動態力學測試、數值分析、計算機、結構動力學、高等土力學、土力學與地基基礎等學科交叉的一項技術,並且要與樁基工程實踐密切結合。因此,對於每一個動測人員,僅掌握動測儀器的操作是遠遠不夠的,必須具備較高的理論水平和豐富的實踐經驗。故未來的動測人員必須進行深層次的技術培訓。為了確保動測法檢測樁基的高質量,減少誤判帶來的不必要損失,動測檢測者們一方面應增進學術交流,使廣大工程技術人員就目前的理論和應用水平取得共識,另一方面要建立、健全動測技術標準、規程和嚴格的人員考核制度,規範動測市場,確保動測技術的發展步入健康、有序的軌道。 ^[1] 

樁基動測的方法主要有以下幾種：

◎高應變法：動力打樁公式法、波動方程打樁分析法、Case法、波形擬合法；

◎低應變法：應力波反射法、機械阻抗法（穩態激振法、瞬態激振法）、動參數法、水電效應法、球擊法、火箭激振法；

◎聲波透射法：單孔反射法、雙孔反射法。

動測法與靜荷載法的根本區別是荷載性質和加荷速率的不同。

◆靜荷載法加荷過程緩慢，以致樁由此產生的加速度和慣性效應可以忽略不計，加荷過程樁土各部分都處於靜力平衡狀態，對給定的荷載（Q），其響應沉降（S）具有單一解答，也就是求解靜力響應只需考慮加載前後變形狀態之間的差異。

◆動測法試樁時，樁頂作用動荷載（擾動源）並不能立即引起遠離擾動源較遠部分的響應，而且樁中每處的響應也隨時間在變化，必須建立某一時間過程的一系列解答，其動力響應不僅和樁、土固有動力特性有關，還和擾動源的強度、頻譜成分和持續時間有關。

樁基動測法和靜荷載試樁法比較有下列優點：

◇儀器設備輕便、檢測速度快和費用較低；

◇具有靜荷載試樁不具備的功能，如隨時監測打樁應力、測試墊層特性、合理選擇樁錘好墊層等；

◇可區分破壞模式是土的破壞還是樁身結構破壞；

◇可對工程樁進行普查；

◇波形擬合不僅可得到單樁總承載力，還可進行側阻力分佈和端阻力值的估計。