巖土工程師輔導(dǎo)：高應(yīng)變動(dòng)力試樁的誤差分析

　　1、前言

　　以應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)的高應(yīng)變動(dòng)力試樁法在我國(guó)的應(yīng)用已有十幾年的歷史。這種方法以其省時(shí)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(diǎn)而得到人們的推崇和喜愛。

　　多年以來，人們往往試圖以靜動(dòng)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果來衡量高應(yīng)變動(dòng)力試樁方法的準(zhǔn)確性，但評(píng)述結(jié)果都是有爭(zhēng)議性的。原因是復(fù)雜的，從靜載試驗(yàn)方面，其得到的極限承載力值并非唯一值。首先，靜載荷試驗(yàn)每級(jí)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(biāo)準(zhǔn)五花八門、迥然各異，即使在我國(guó)，不同規(guī)范中的確定方法也有所區(qū)別。因此以不同的標(biāo)準(zhǔn)所確定的承載力顯然也就不盡相同。第三，基準(zhǔn)梁的設(shè)置，千斤頂和壓力表以及位移量測(cè)儀表所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差不可忽略。此外，非自動(dòng)加荷條件下的人工加載其主觀性誤差更是無法估計(jì)。所以，要得到一個(gè)合理的對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)是一件十分困難的事。在這里，筆者僅從高應(yīng)變?cè)囼?yàn)本身的誤差來源出發(fā)來作分析，認(rèn)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(dòng)測(cè)信號(hào)質(zhì)量

　　美國(guó)人曾說過樁基動(dòng)測(cè)是“垃圾進(jìn)、垃圾出”的方法，意即在沒有獲得可靠的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，室內(nèi)分析是沒有意義的，所以動(dòng)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性直接影響試樁結(jié)果。

　　現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)采集尤其是灌注樁的信號(hào)采集有較大難度，失敗的教訓(xùn)主要有以下：樁頭砼強(qiáng)度不高而被重錘擊碎;偏心錘擊、樁墊選擇不當(dāng)使得測(cè)試信號(hào)嚴(yán)重畸變;安裝點(diǎn)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(hào)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(dāng)或落高控制不當(dāng)導(dǎo)致激勵(lì)能量過高或不足。此外，在系統(tǒng)誤差方面，傳感器的標(biāo)定精度，傳感器自身的靈敏度，壓電式加速度計(jì)的低頻泄漏也都影響著測(cè)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(cè)試條件的不同

　　靜載荷試驗(yàn)是一種慢速的維持荷載試驗(yàn)法，而高應(yīng)變是一種動(dòng)態(tài)沖擊加載，是在排除動(dòng)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(jìn)入塑性狀態(tài)是評(píng)價(jià)樁承載力的關(guān)鍵，確定極限承載力的方法就我國(guó)而言，標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)明確;而高應(yīng)變?cè)囼?yàn)則很難定義土體是否進(jìn)入塑性狀態(tài)。傳統(tǒng)的推薦是當(dāng)貫入度達(dá)到或超過土的彈限值時(shí)，可認(rèn)為土阻力充分發(fā)揮，其貫入度推薦值是2.54mm.但國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究表明，各類土的彈限值各不相同，如對(duì)碎卵石混粘土及一部砂，該值可能達(dá)十毫米，而對(duì)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(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究表明，各類土的彈限值各不相同，如對(duì)碎卵石混粘土及一部砂，該值可能達(dá)十毫米，而對(duì)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?cè)囼?yàn)所激發(fā)的承載力簡(jiǎn)單地與靜載試驗(yàn)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(yàn)時(shí)的狀態(tài)具有時(shí)效性，先動(dòng)載后靜載，才會(huì)使樁的試驗(yàn)狀態(tài)相對(duì)接近。此外，巖土也具有時(shí)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(fù)孔隙水壓力等都可能導(dǎo)致高應(yīng)變?cè)囼?yàn)過高判定承載力，而對(duì)動(dòng)載敏感的粘土，超孔隙水壓力，土體的擾動(dòng)，液化作用等可能導(dǎo)致動(dòng)力試驗(yàn)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(dòng)力試驗(yàn)對(duì)實(shí)測(cè)時(shí)域波形的分析處理，主要提供了兩種方法：凱司法和實(shí)測(cè)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(chǎng)實(shí)時(shí)結(jié)果的高應(yīng)變動(dòng)力試樁方法。其誤差主要有以下幾個(gè)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(yuǎn)。

　　其次，動(dòng)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(shí)驗(yàn)室研究表明：動(dòng)阻力和樁端運(yùn)動(dòng)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(duì)于工程樁(鋼樁除外)，通常情況下無法預(yù)先實(shí)測(cè)波速值，在樁底反射不明顯的情況下，只能靠動(dòng)測(cè)人員根據(jù)混凝土強(qiáng)度憑經(jīng)驗(yàn)選取。而波速和混凝土強(qiáng)度之間并無很好的相關(guān)關(guān)系，在樁基動(dòng)測(cè)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(jí)、樁周土性質(zhì)、樁身缺陷及至樁長(zhǎng)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(dòng)測(cè)的資料給出相應(yīng)于各種強(qiáng)度等級(jí)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(diǎn)一上升點(diǎn)”或“峰一峰”方法判定波速，也可能有10%左右的誤差，波速值對(duì)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(gè)沒有物理含義的經(jīng)驗(yàn)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(duì)地質(zhì)情況的了解和地區(qū)性經(jīng)驗(yàn)，要想準(zhǔn)確取得必須通過動(dòng)靜對(duì)比分析。美國(guó)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(guó)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(yàn)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(shí)測(cè)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(duì)實(shí)測(cè)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(guó)內(nèi)外軟件均不完善。公認(rèn)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(shí)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(duì)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(guó)編制的曲線擬合程序在靜阻模型上已比CAPWAPC有所改進(jìn)，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(dòng)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(shí)驗(yàn)室研究表明，阻尼的最大值和速度隨時(shí)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(shí)際情況往往相關(guān)更遠(yuǎn)……

　　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(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)是發(fā)散的，是否得到合理準(zhǔn)確的解完全取決于分析者的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。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(yàn)的精確度。對(duì)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(cè)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(dòng)阻力取值大小，其中Smith動(dòng)阻尼系數(shù)及幅射阻尼的取值尤為關(guān)鍵。

　　4.2.3工程實(shí)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(qiáng)度等級(jí)為C25，樁徑為1500mm，樁周土層從上到下依次為雜填土?中細(xì)砂?圓礫，樁端持力層為粘土，測(cè)點(diǎn)以下樁長(zhǎng)31.40m.測(cè)試時(shí)貫入度達(dá)到4mm/擊

　　結(jié)果一是在自動(dòng)擬合的結(jié)果上形成的，計(jì)算極限承載力為8747kN;結(jié)果二是筆者提高了動(dòng)阻力后形成的，計(jì)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(jì)算貫入度與實(shí)測(cè)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(biāo)接近于地質(zhì)報(bào)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(duì)誤差為59

　　該樁后來做靜荷載試驗(yàn)，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(dòng)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(duì)比略去)

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

　?、儇炄攵群艽?貫入度大于10mm/擊)的樁不應(yīng)考慮幅射阻尼模型，因?yàn)樵谟懈叩乃俣群痛筘炄攵鹊那闆r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(yùn)動(dòng)很小，對(duì)土體形不成剪切破壞的情況下產(chǎn)生。

　　②在小貫入度的情況下，對(duì)于樁周土較好(比如樁周為密實(shí)度較好的碎石土、砂土或粉土)的排土樁，初步計(jì)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(qiáng)度不高的摩擦樁時(shí)尤其如此。

　?、蹚膭?dòng)位移曲線上動(dòng)位移與靜位移的比例大致預(yù)估動(dòng)靜阻力的相對(duì)大小，并在實(shí)測(cè)貫入度清晰無誤的情況下，加強(qiáng)貫入度的校核，就能較好地達(dá)到分析結(jié)果的收斂性。

　　5、結(jié)論

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

　　高應(yīng)變動(dòng)力試樁技術(shù)是一種綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，它要求分析者能兼?zhèn)渫亮W(xué)、振動(dòng)力學(xué)、巖土經(jīng)驗(yàn)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(dòng)力試驗(yàn)工作者面前的道路，是即不能神話這種方法的作用，不顧對(duì)比條件的不同而高談動(dòng)靜對(duì)比的準(zhǔn)確性(10%或20%)，也不能誤解高應(yīng)變方法的作用，認(rèn)為其一無是處，而是應(yīng)該從嚴(yán)肅的角度出發(fā)，在有效動(dòng)靜對(duì)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(dòng)力試樁技術(shù)。

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