摘要：相對靜載試驗而言，高應(yīng)變動力試樁的誤差來源要豐富得多。本文較系統(tǒng)地對這些誤差進(jìn)行總結(jié)，提出了淺層次、中層次和高層次的誤差的概念，并通過工程實踐分析說明。對如何減小誤差、更好地應(yīng)用和發(fā)展高應(yīng)變動力試樁技術(shù)提出建議。

　　關(guān)鍵詞：高應(yīng)變動力試樁 凱司法 實測曲線擬合法

　　1、前言

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

　　多年以來，人們往往試圖以靜動對比試驗結(jié)果來衡量高應(yīng)變動力試樁方法的準(zhǔn)確性，但評述結(jié)果都是有爭議性的。原因是復(fù)雜的，從靜載試驗方面，其得到的極限承載力值并非唯一值。首先，靜載荷試驗每級加荷量為預(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，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儀表所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差不可忽略。此外，非自動加荷條件下的人工加載其主觀性誤差更是無法估計。所以，要得到一個合理的對比標(biāo)準(zhǔn)是一件十分困難的事。在這里，筆者僅從高應(yīng)變試驗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——動測信號質(zhì)量

　　美國人曾說過樁基動測是“垃圾進(jìn)、垃圾出”的方法，意即在沒有獲得可靠的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的情況下，室內(nèi)分析是沒有意義的，所以動測數(shù)據(jù)的可靠性直接影響試樁結(jié)果。

　　現(xiàn)場的信號采集尤其是灌注樁的信號采集有較大難度，失敗的教訓(xùn)主要有以下：樁頭砼強度不高而被重錘擊碎；偏心錘擊、樁墊選擇不當(dāng)使得測試信號嚴(yán)重畸變；安裝點砼質(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，壓電式加速度計的低頻泄漏也都影響著測試數(shù)據(jù)，盡管這種影響是微乎其微的。

　　3、中層次的誤差——測試條件的不同

　　靜載荷試驗是一種慢速的維持荷載試驗法，而高應(yīng)變是一種動態(tài)沖擊加載，是在排除動力效應(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)是評價樁承載力的關(guān)鍵，確定極限承載力的方法就我國而言，標(biāo)準(zhǔn)相對明確；而高應(yīng)變試驗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，可認(rèn)為土阻力充分發(fā)揮，其貫入度推薦值是2.54mm.但國內(nèi)外學(xué)者的研究表明，各類土的彈限值各不相同，如對碎卵石混粘土及一部砂，該值可能達(dá)十毫米，而對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.但國內(nèi)外學(xué)者的研究表明，各類土的彈限值各不相同，如對碎卵石混粘土及一部砂，該值可能達(dá)十毫米，而對于黃土或一部分淤泥，該值可靠只有一毫米。所以將高應(yīng)變試驗所激發(fā)的承載力簡單地與靜載試驗確定的極限承載力相比較，不是一種科學(xué)的態(tài)度。

　　其次，樁的試驗時的狀態(tài)具有時效性，先動載后靜載，才會使樁的試驗狀態(tài)相對接近。此外，巖土也具有時效性，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)變試驗過高判定承載力，而對動載敏感的粘土，超孔隙水壓力，土體的擾動，液化作用等可能導(dǎo)致動力試驗過低判定承載力。

　　4、深層次的誤差——高應(yīng)變的分析理論

　　高應(yīng)變動力試驗對實測時域波形的分析處理，主要提供了兩種方法：凱司法和實測曲線擬合法，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)場實時結(jié)果的高應(yīng)變動力試樁方法。其誤差主要有以下幾個方面：

　　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，實驗室研究表明：動阻力和樁端運動速度也并非線性相關(guān)。

　　4.1.2設(shè)定值的選取誤差

　　①波速的選取

　　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，對于工程樁（鋼樁除外），通常情況下無法預(yù)先實測波速值，在樁底反射不明顯的情況下，只能靠動測人員根據(jù)混凝土強度憑經(jīng)驗選取。而波速和混凝土強度之間并無很好的相關(guān)關(guān)系，在樁基動測中，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、樁周土性質(zhì)、樁身缺陷及至樁長等都有關(guān)，這使得波速的選取并非輕易而舉。而有些關(guān)于動測的資料給出相應(yīng)于各種強度等級的混凝土波速，一般范圍較大。

　　而即使樁身反射明顯，用“上升點一上升點”或“峰一峰”方法判定波速，也可能有10%左右的誤差，波速值對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。

　　②凱斯阻尼系數(shù)Jc

　　Jc完全是一個沒有物理含義的經(jīng)驗系數(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地質(zhì)情況的了解和地區(qū)性經(jīng)驗，要想準(zhǔn)確取得必須通過動靜對比分析。美國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實測曲線擬合法

　　除了上述凱司法中所述的波速誤差的影響外，對實測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，但實驗室研究表明，阻尼的最大值和速度隨時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。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的精確度。對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阻力取值大小，其中Smith動阻尼系數(shù)及幅射阻尼的取值尤為關(guān)鍵。

　　4.2.3工程實例

　　福建某高速公路一高架橋的基樁，為沖孔灌注樁，樁身混凝土強度等級為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，測點以下樁長31.40m.測試時貫入度達(dá)到4mm/擊。

　　結(jié)果一是在自動擬合的結(jié)果上形成的，計算極限承載力為8747kN；結(jié)果二是筆者提高了動阻力后形成的，計算極限承載力為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），計算貫入度與實測貫入度均比較一致，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，靜極限承載力相對誤差為59

　　該樁后來做靜荷載試驗，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)果的擬合曲線圖對比略去）

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

　　①貫入度很大（貫入度大于10mm/擊）的樁不應(yīng)考慮幅射阻尼模型，因為在有高的速度和大貫入度的情況下，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動很小，對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，對于樁周土較好（比如樁周為密實度較好的碎石土、砂土或粉土）的排土樁，初步計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，在其為樁身強度不高的摩擦樁時尤其如此。

　　③從動位移曲線上動位移與靜位移的比例大致預(yù)估動靜阻力的相對大小，并在實測貫入度清晰無誤的情況下，加強貫入度的校核，就能較好地達(dá)到分析結(jié)果的收斂性。

　　5、結(jié)論

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

　　高應(yīng)變動力試樁技術(shù)是一種綜合性很強的技術(shù)，它要求分析者能兼?zhèn)渫亮�學(xué)、振動力學(xué)、巖土經(jīng)驗以及高等數(shù)學(xué)和電子學(xué)方面的基礎(chǔ)。擺在眾多高應(yīng)變動力試驗工作者面前的道路，是即不能神話這種方法的作用，不顧對比條件的不同而高談動靜對比的準(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)，在有效動靜對比資料的基礎(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)變動力試樁技術(shù)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] CAPWAP Manual，November 1997，Gobel Rausche Likins and Associates，Inc.

　　[2] 國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《基樁高應(yīng)變動力檢測規(guī)程》（JGJ106-97），1997，北京