電子技術論文發表期刊推薦北大核心級期刊《電子設計工程》，《電子設計工程》(半月刊)，中國科技核心期刊（科技論文統計源期刊），創刊于1993年，原名《國外電子元器件》，主要介紹具有較高學術水平的、電子領 域相關的理論、技術、方法的專業性技術期刊。主要欄目有：計算機技術應用、網絡與通信工程、測控與儀器儀表、圖像與多媒體技術、開發與應用、數字處理技 術、嵌入式技術、消費類電子、汽車電子、集成電路應用、新特器件應用、電源技術與應用、信息安全、工業自動化、電力電子等

　　摘要：本文闡述了高應變動力檢測應用過程中樁頂反射波、樁頭質量、錘擊能量、傳感器安裝情況對采集信號的影響；述說了本方法的檢測精度及誤差來源；并給出天津地區主要樁基持力層Case阻尼系數Jc值的選取。

　　關鍵詞：高應變動力,檢測,措施

　　1、前言

　　高應變動力檢測法系美國俄亥俄州克利夫蘭市Case技術學院G.G.Goble教授等人提出的一套檢測計算基樁承載力的方法，本方法采用重錘沖擊樁頂產生應力波，在樁頂兩側安裝應力及加速度傳感器，采集力信號及加速度信號，分析計算樁側土阻力及樁端土阻力。

　　由于室內計算的不同又分為Case法和實測曲線擬合法。Case法是根據應力波理論簡化出來的一種計算方法，把樁假設為一維連續均質的線彈性體，樁周及樁端土對樁的運動起阻力作用，動阻力全部集中在樁尖，靜阻力采用理想剛塑性體模型，沒有考慮土的卸載、樁側動阻力等影響，現場可直接計算承載力。實測曲線擬合法把樁身假設為彈性體，不再要求樁身為均質（截面和阻抗上、下一致），考慮了樁身缺陷、阻尼衰減，動阻力在樁側、樁尖均有，加入了輻射阻尼，靜阻力采用理想的彈塑性模型，模型中引入了卸載、復載、線性硬化、土塞、土隙等模型，將樁和土各自劃分為一系列單元，不同于Case法僅分析兩條特征線，而是逐單元地進行分析計算。

　　高應變動力檢測法已廣泛應用于國內、外樁基工程的檢測中，在天津地區也已被工程界所認可，并且應用于工業及民用建筑的基樁承載力檢測，1998年10月至今天津地區共采用高應變檢測方法檢測基樁1200余根，平均每月進行100根樁左右的高應變動力檢測。由于高應變動力檢測法在實踐應用中，容易造成檢測信號失真，分析結果偏離太大，檢測技術參數不確定性等問題，給工程檢測帶來許多困難，因此如何采集到可靠的信號，減少檢測誤差，選擇合理的技術參數是檢測人員所面臨的問題。本文對高應變動力檢測法現場采集中，樁頂反射波、樁頭質量、錘擊能量、傳感器安裝對采集信號的影響；高應變檢測承載力的精度及誤差來源；天津地區主要樁基持力層Case阻尼系數Jc值的選取等問題進行簡單的探討。

　　2、樁頂反射波、樁頭質量、錘擊能量、傳感器安裝情況對采集信號的影響

　　高應變檢測基樁樁頂未進行加固（制作），樁頂質量較

　　差，混凝土疏松，錘擊時易產生塑性變形或開裂，將直接影

　　響采集信號的質量。如圖1所示，我們來闡述應力波在樁頂

　　部分的傳遞機理，傳感器安裝于距樁頂x處，樁頂受到錘擊

　　后，向下運動的壓應力波到達檢測截面為峰值如圖2所示。

　　壓應力波通過截面后，將受到樁身周圍側阻力的作用，產生

　　上行的壓應力波，通過檢測截面，力曲線上升R/2，速度曲

　　線下降R/2，壓應力波到達樁頂后，產生下行的拉應力波，到達檢測截面后，使上行的壓應力波力曲線下降，速度曲線也下降。根據時程計算可知，在截面下2x距離內曲線不受影響，2x段以下則受到樁頂反射波的影響，如3x段上行壓應力波到達檢測截面后正好與1x段的反射拉應力波疊加如式2.1~2.3：

　　R＝F－Zv(2.1)

　　F＝F3x－F’1xZv＝Zv3x－Zv’1x(2.2)

　　R＝F3x－Zv3x－F’1x＋Zv’1x(2.3)

　　2.3式后兩項相等，相互對消，

　　即前后疊加作用并沒有改變3x截

　　面上行壓應力波的阻力特性，檢測

　　截面離樁頂一段距離，樁頂的反射波對檢測信號是不影響的，不管檢測截面選擇在什么地方，兩條實測曲線的分離程度始終將等于R而準確反映所受阻力的大小。因此，傳感器安裝距離只要保證安裝截面在樁頂受擊后不產生開裂或塑性變形，傳感器安裝不附加人為的應力扭曲，錘擊時不偏心，采集到的實測力、速度信號將能正確反映樁周的阻力特性。如果錘擊偏心，將造成實測力信號一側嚴重受拉、一側嚴重受壓，致使實測的阻力失真，檢測失敗，如圖3所示錘擊偏心實測曲線。高應變現場檢測時，樁頭必須進行預先加固

　　或制作以保證質量，傳感器安裝截面距離樁頂面應為1～2倍的樁徑，在天津地區一般取距樁頂1.0～1.5m處；錘重應以能足夠激發樁的土阻力為準，最好選樁預估承載力的1～2%；錘擊落高應不致使樁頂開裂且能有效地保證錘擊能量，對于灌注樁樁頂采用干凈的濕細砂作錘墊時，落高宜為1.5~2.0m；傳感器安裝扭曲電壓應小于1v，越小越好。檢測時應選擇動態平衡及動態性能較好的儀器，如：國產的RS系列、美國的PAL等。較好的高應變動力檢測信號如圖4所示。

　　3、高應變動力檢測法的檢測精度及誤差來源

　　高應變動力檢測法是通過在樁頂施加一瞬態力，并檢測分析樁的動態特性來確定單樁承載力，其檢測可靠性取決于兩方面：一、激振能量是否使樁產生足夠大的位移以充分激發土阻力；二、合理消除瞬態作用帶來的動阻力影響。樁基極限承載力與樁基的沉降位移大小及加荷速率有關，這是因為土是兩相介質，在不同的加荷速率下，其強度及變形特性相差很大。不同的加荷速率和幅度，使樁土體系所表現的特性不同，故其對應的測試結果也不同。對于摩擦樁來說，樁的承載力是和樁頂長期恒載下產生的最終位移量相聯系的。目前按規范要求進行靜載荷試樁方法，本身存在高達10％的相對誤差，快速加荷與慢速加荷之間也存在高達10％的相對誤差。高應變動力檢測由于本身的計算模型假設不完全符合樁土體系實際情況，以及樁周土的時間效應及觸變效應，因此對高應變動力檢測法確定承載力的精度要求過高是不現實的，高應變檢測樁的承載力精度一般認為應控制為±20％左右。

　　以上是從高應變動力檢測法本身上討論檢測精度問題，以下從檢測方法的原理、參數計算方面分析檢測誤差的來源。式3.1是高應變Case阻尼系數法（RSP）檢測樁的極限承載力公式：

　　RSP＝（1－Jc）/2（Fmt1＋Zvmt1）＋（1－Jc）/2（Fmt2－Zvmt2）（3.1）

　　式中：Z為樁身動力學阻抗kN·s/m，Z＝EA/c＝ρcA，ρ為混凝土密度，

　　c混凝土彈性波速，A檢測截面面積，Jc為Case阻尼系數，

　　Fmt1、Fmt2、vmt1、vmt2分別為t1、t2時刻檢測截面所測的力和質點振動的速度。

　　從式中可以看出，高應變動力檢測法誤差來源于以下幾個方面：一、應變傳感器常因安裝不當產生較大的測試誤差，尤其是灌注樁上，要獲得準確的應力測試值（Fmt1、Fmt2）很不容易，當加速度與應變測試存在稍大的誤差時，F與Zv計算的阻力存在較大的任意性。二、波速的選取問題，由于混凝土的阻抗Z與樁身彈性波速c有關，因樁身長度的誤差及檢測曲線樁底的不易確定性，致使平均波速的不準確，又因通過計算樁底反射波計算的平均波速Wc往往不等于傳感器安裝處混凝土的彈性波速c，對灌注樁和有缺陷的樁更是如此，波速的不準確帶來樁身阻抗的計算誤差嚴重影響承載力計算結果的可靠性。三、Case阻尼系數Jc值取值的不確定性，實測曲線擬合法各種參數的非唯一性，將導致高應變動力檢測法結果存在很大的相對誤差。

　　4、天津地區主要樁基持力層Case阻尼系數Jc值的選取

　　高應變Case法假設樁在錘擊作用下樁的動阻尼主要集中在樁尖，并與

　　樁尖運動速度vb成正比。為了消除動阻力的影響，G.G.Goble教授采用了一個無量綱的阻尼系數Jc，令

　　Jc＝Rd/（Zvb）4.1

　　式中：Rd動阻尼，Z樁身動力學阻抗，vb樁端質點振動速度。

　　Case阻尼系數取值與土質有關，美國PDI公司給出了Case阻尼系數Jc的經驗取值如表一：

　　表一Case阻尼系數Jc的經驗取值（美國PDI公司資料）

　　土質純砂粉砂粉土亞粘土粘土

　　Jc0.10~0.150.15~0.250.25~0.400.40~0.700.70~1.00

　　目前許多單位在套用表一中的Jc取值，但由于Jc的取值與樁端土層有關，因此機械套用表一顯然是不正確的。通過幾年來大量工程的動靜對比實踐，借助CAPWAP、CCWAPC程序的分析，證明Jc值的選取具有地區性，不同樁型、不同深度下的不同土質均有不同的Jc取值。高應變Case法阻尼系數Jc值可通過場地的動靜對比試驗求得，同一場地對比試驗必須選擇相同的錘擊能量及安裝形式，在無靜載荷試驗的情況，可利用由可靠的實測曲線擬合法提供的Jc值。表二給出天津地區主要樁基持力層主要樁型的Jc取值，并注明部分基樁工程地點、實測極限承載力及靜載荷或實測曲線擬合法極限承載力值，表中標注*號值為實測曲線擬合法提供的值。

　　表二天津地區主要樁基持力層主要樁型的Jc取值

　　層號代號埋深

　　(m)樁端土性Jc值工程

　　地點樁型（m）動測極限承載力（kN）靜測極限承載力（kN）

　　第Ⅱ

　　陸相層Q41h14～18粉質粘土0.50南樓0.35×0.35×14750700*

　　水產前街0.35×0.35×14540570

　　Q41al粉粘夾砂0.35大直沽ф0.55×21.019502100

　　第Ⅲ

　　陸相層Q3eal18～30粉土0.35東馬路ф0.6×25.024002600

　　粉土夾砂0.30師范學校ф0.5×19.515001600*

　　粉砂0.20引水河橋ф0.5×19.015501500*

　　第Ⅳ

　　陸相層Q3cal33～47粉質粘土0.40津靜立交ф0.8×38.055005200

　　粉土0.30西南角ф0.8×34.554005500

　　粉砂0.20西琉城ф0.8×39.052505200

　　5、結語

　　高應變動力檢測法現場采集原始信號是關鍵，要采集較好的信號，必須保證樁頭質量，選擇合適的錘重及落高，正確安裝好傳感器，調試好儀器進行檢測。同時在內業計算分析中要掌握本方法的機理，選擇合適的計算參數，減少檢測結果誤差。另外，Case阻尼系數Jc值的選取在高應變Case法中直接關系到承載力的數值大小，應按《基樁高應變動力檢測規程》（JGJ106－2003）中的要求確定Jc值。