基桩动力试验技术ZX进展及发展方向

测试方法

高应变法

低应变法

声波透射法

适用范围

用于各种桩基础承载力测试。

快速、便捷评估钻孔桩及打入桩桩身完整性，主要用于明显缺陷的测试。

确定钻孔桩、螺旋桩、灌注桩、连续墙及其他类型混凝土基础中混凝土的质量和均匀性。

测试设备

PDA-8G打桩分析仪

PIT-QFV型桩身完整性测试仪

CHAMP-Q 声波透射法检测仪

优势

• 无线数据采集

PDA动测是评价基桩承载力的先进技术，近年来借助现代手机和INTERNET远程通讯技术，试验人员坐在办公室如同亲临现场一样实时采集、分析数据及与现场人员保持联络，而无需携带大量电缆，简化了现场布置。传感器采用智能型的具有无线数据传输能力的应力环和加速度计。对于打桩监控试验来讲，避免了吊装过程中损坏电缆和传感器，大大提高了操作的安全性。

• CAPWAP曲线拟合程序

曲线拟合程序CAPWAP是被广泛接受且被规范认可的能够与静载试验结果相比拟的软件。几十年来，具有丰富专业知识的工程师需在现场采集数据，然后返回办公室再进行CAPWAP分析计算，至少需要数天时间才能提供ZZ报告。近来出现的iCAP技术正彻底变革这个过程。iCAP即时信号拟合技术可在没有任何人工干预的情况下从实测曲线中提取土体运动信息并计算试验时刻的承载力和生成模拟的静载试验曲线，所有这些都是随着试验过程实时获得。iCAP提供可靠的即时的承载力结果。全自动的iCAP可满足研究人员对解的要求、工程对快速提供结果的要求以及满足规范的要求。

• 依托专家系统库的土参数优化收敛功能

ZX的CAPWAP软件中提供了大量了自动优化功能，可以对桩侧土和桩端土土阻力以及土模型参数（阻尼、弹限等）进行快速优化，这得益于软件中集成了专家系统，大大提高了分析的准确度和效率。

• 良好的一致性

具有良好的信号一致性，实现检测可重复。

• 双通道测试

双通道模式可以在速度-深度曲线之外再输出一条曲线，可以是由力锤内置传感器输出的力曲线，也可以是另一条速度曲线。

• 数据分析

采用PIT-W数据分析软件，能够对检测信号进一步处理和分析，如滤波、指数放大等，专业版软件还可对桩身阻抗变化进行描述，对缺陷进行量化分析。此外，还可以进行双速度测试信号分析。

• 多通道测试技术

允许一次提拉四个探头, 以方便和GX地采集数据。

• 有效的混凝土评估

评估钻孔桩和其他现浇混凝土结构的混凝土质量和一致性。

• 现场实时分析

现场执行实时（real-time）分析, 以及通过数据传送, 通过CHA-W报告软件进行额外分析

• 三维层析结果

提供三维层析软件PDI-TOMO，得到可疑地区的ZY层析结果。

ZX理论及方法

• 辐射阻尼模型

Smith模型只考虑了桩的运动来计算土阻力，即土体处于刚性支撑作用。当土阻力加大时，如桩侧表面粗糙的钻孔桩置于非粘性土中或嵌岩桩，桩的运动变小，而土的运动加大。此时，应力波能量由桩向外辐射至土体内部，而不是消耗在土的剪切作用中。实测曲线中表现为DY个2L/C前侧摩阻力高而2L/C后总阻力低，且Smith阻尼系数超过1.3 s/m。对此，引入辐射阻尼模型。采用参与运动的土体质量（称为支撑质量）和该块土体的运动变量（称为辐射阻尼系数）来考虑滑移面不在桩土侧表面的情况。

• 桩身裂隙模型

桩身模型可包括拉或压裂隙模型，用来模拟接桩或裂缝。若裂缝张开，会使得压缩波全反射；若裂缝闭合，则传递压缩波。当裂缝完全张开后将传播拉伸波。该模型不但可以模拟完全张开裂缝，而且可以模拟部分裂缝的情况，如桩身中有钢筋连接没有完全拉开或则裂缝只占部分截面积等，允许一部分力波穿过裂缝或接桩部位。

• 广义土塞模型

传统理论将沉桩过程中的土体涌入到桩体（砼管桩、钢管桩）内部的现象称为土塞效应。土塞与桩管内壁相互作用非常复杂，对于端部开口打入桩的沉桩性状以及承载力影响很大。土塞有不完全闭塞和完全闭塞两种效应。对于大直径桩，土塞高度一般小于贯入土层深度，产生土塞完全闭塞效应的可能性比较小。近年来，对于土塞有了新的看法，即将土塞看作是是在桩周土体涌入桩身或黏贴在桩外侧的一块附加土体质量，在打桩过程中形成惯性力与桩身一起运动，称为广义土塞。土塞的作用将使土阻力滞后发挥。

• 残余应力模型

在常规的波动方程分析中，桩土单元采用理想的Smith模型。锤击数是由桩端土ZD位移减去平均弹限计算而得。在桩侧土阻力小及桩身强度较高，所需的弹性压缩土体弹限小时，计算锤击数是基本正确的。但是随着桩身加长，沉桩过程中需要穿越很多土层，桩侧土阻力及桩端土阻力不断变化，即土体弹限变化很大，计算锤击数误差很大。将残余应力计算方法引入到基桩波动方程分析中，大大提高了计算锤击数的准确度。残余应力分析的基本概念就是当桩完全进入静止状态即系统达到静力平衡状态时找出位移和静土阻力值。即当桩侧土单元向上运动时，其土阻力先减少到零，再变成负，直到桩身下部向上的土阻力和桩侧向下的土阻力取得平衡时，桩处于静止状态且压缩力即残余应力保存在桩身和土体中。

• 快速荷载法试验

在常规高应变法试验的基础上，增加锤重和特制锤垫，使得桩身中的波动现象可以忽略不计；试验状态下，桩周土体在长达200ms时间内始终处于压应力，桩体受到的压力与静载试验十分接近，这种方法称为快速荷载法试验。近年来，该方法已经进入美国ASTM标准和日本岩土规范。与传统方法相比，通过高速摄像机[6]记录桩顶在荷载作用下的运动过程，结合多循环试验卸载点法分析，现场获得充分激发的土阻力信息，进而推定单桩竖向极限承载力。

• 在整体锤上安装加速度传感器测量桩顶锤击力

考虑到灌注桩高应变试验测时，往往需要制作较长的桩帽或开挖一段桩身，使得力传感器满足1.5倍桩径的安装要求，以克服浅部复杂应力波干扰对测试信号的影响。近年来国内外有些工程师提出将加速度传感器安装到自由落锤中，实测桩顶的锤击力，而无需安装力传感器。但这种方法目前也存在不少争议，如实测的锤击力不能直接表示包含土阻力信息的响应力、实测速度与实测锤击力不在同一截面上等问题。

• 双速度测试

对于既有基础下的基桩，其桩身完整性的测试是公认的难题。采用双速度测试和分析技术为解决在既有基础下基桩的完整性、平均波速以及提取上行波提供了新的思路。双速度测试即沿桩侧安装两个加速度传感器，同时采集两个加速度曲线，通过公式计算可以确定两个传感器间桩身平均速度以及从实测波形中分离出上行应力波，进而判断桩身完整性。不过，既有基础形式各异，工况条件非常复杂，敲击点选择很困难，对实测曲线质量影响较大，尤其是下方的传感器更容易受到各种因素干扰；传感器间距、标定系数、采样频率等也会影响测试精度。

• 侧剖面分析

为了定量化解释实测低应变曲线，将实测速度曲线中的入射波和土阻力波的影响去除掉，只剩下来源于桩身阻抗变化的应力波，这样通过积分计算并相对于桩顶截面进行归一化处理获得整个桩身截面变化，进而可以获得实际的灌注体积。该方法不仅考虑速度的幅值，还考虑反射持续的时间，要求桩底反射清晰且主要反射应归结为桩身截面变化或材料性质变化。该方法只能用于中短桩长的低应变法速度反射曲线的近似量化，而对于长桩或处于高阻力土层中的桩以及无可靠桩底反射的桩无意义。

• 以扭转波维理论基础的低应变测试法

对桩顶作用一冲击扭矩，获得桩顶瞬态扭转动力响应。刘东甲[7]等人研究了层状土中多缺陷桩在桩顶冲击扭矩作用下桩顶扭转响应解。考虑了桩土相互作用。应用Laplace变换和传递矩阵，解满足初始条件和边界条件的一组偏微分方程，导出桩土系统的传递函数，得到桩顶某点扭转振动速度的频率响应函数和频率域表达式。该点扭转振动速度时程由快速Fourier逆变换计算。使用扭转波进行低应变试桩，适用于桩周土较松软的短桩或针对浅部缺陷的测试。因扭转波对各种缺陷反射识别理论上有优于纵波之处，可以将扭转波测试作为纵波测试的一种重要辅助手段，这对提高低应变动力数据解释可靠性有很大意义。

• 以无线数据传输方式的ZX测试仪器

电子工业的技术进步使得低应变仪器越来越小型化，无线传输技术使得传感器与主机之间无需电缆连接。ZX型的低应变测试仪PIT-X，它的主机可放在手掌中，使用一个无线加速度传感器采集数据。这也标志着低应变测试仪器迎来了新时代。

• 相对能量法

国内在反映实测信号强度时采用的是波幅指标，由于噪音干扰等因素使得波幅难于准确拾取。相对能量法是对指定的时段内实测信号峰值的电压沿时间轴进行积分计算，不仅使用了首波的幅值，而且也使用了首波之后若干个点的幅值，更加充分地运用了实测信号，更能真实有效地反映信号的强度。

• 层析成像技术

应用层析成像技术对有限实测断面数据进行数学计算，建立二维和三维图像，可定量确定缺陷形状、位置和大小。层析成像可分为射线层析成像和波动方程层析成像。波动方程层析成像存在散射数据的提取、各种干扰因素的消除（声源信号、介质吸收、换能器耦合）等一系列难题而难于实用化。目前主要应用的是射线层析成像，它假定超声波按射线传播，使用首波初至时间进行反演近似运算。美国已经编制出实用的三维成像分析软件并推荐给ASTM标准，希望将该技术纳入大直径灌注桩桩身质量检测中，以补充当前只使用XY图作为判缺标准。这将是声波透射法今后发展的方向之一。

• 多通道测试技术

多通道自发自收功能实现了一次提升即完成对预埋3管或4管混凝土桩的全组合测试。大幅提高检测效率，极大的减轻了现场检测人员的工作强度。

动力荷载作用下桩土受力性状和

破坏模式与静载作用的关系

应力波脉冲输入和反射的控制和提取

完整性判别的定量化技术也是今后的发展方向

在动力荷载作用时，桩土体系受力状况和破坏模式与静力荷载作用有所不同，如何满足或接近静载试验时的桩土性状而必须考虑动测中的动阻力和弹限的影响。高应变法拟合中主要采用的是Smith阻尼，然而Smith阻尼系数实际代表的不仅是桩土界面上的粘滞阻尼，而且还间接代表了由于土体惯性、辐射阻尼等因素产生的能量损失。充分激发土阻力需要每个土单元超过其相应的弹限，针对不同性质的桩侧和桩端土弹限仍然依靠经验。对于静载试验Q-s曲线呈现缓变型的大直径灌注桩或扩底桩来讲，桩端土阻力充分发挥需要很大的弹限，很难使用现有的数理模型进行模拟。

对于低应变法测试来讲，控制输入桩身中应力波的能量，以使缺陷反射、桩底反射等在能量上得到控制和ZJ匹配，这是成功判断完整性的DY步。针对不同桩型、桩周土状况以及缺陷性质，采用针对性的可控制的输入能量尚缺乏研究。在获取的实测速度曲线中，提取行波在桩身中传播的阻抗变化信息是分析计算技术的关键。当前应用的各种软件，其数据处理以及提取有效信息的能力都是有限的。上述问题集中体现在多节打入桩的接桩质量、灌注桩多截面变化（如支盘桩、扩底桩、人工挖孔桩）、浅部缺陷、渐变缺陷或多个缺陷判别以及诸如既有基础下基桩或斜桩完整性状况等方面。

深入研究土阻力对应力波速度的影响、应力波在桩身中的衰减特征以及多阻抗变化的行波变化，是定量化平均波速、缺陷位置以及缺陷大小的关键。声波透射法测试也需进一步开展缺陷定量化方面的研究；在现有层析成像技术的基础上，寻求更好反演算法，以提高缺陷定量化的精度。

国外发展

现代基桩动测技术的广泛应用无疑与电子计算机的发展密切相关。早在1932年以前科学家St.Venant、D.V.Isaacs、E.N.Fox等人就明确指出打桩作用是应力波在桩身内的传播过程，并将桩周土体阻力参数引入到经典的一维波动方程中求解[1]。直到上世纪60年代，E.A.L.Smith借助计算机采用差分法求解波动方程，获到解析解，解决了应力波理论在打桩过程中的桩土性状。这被称为Smith法或波动方程分析法[2]，用于计算桩身应力、单桩竖向承载力和可打性分析。1964年美国CASE 西储大学的Goble G.G教授领导的科研小组受联邦公路局委托，开发了一种实用的监控打桩过程的全新方法。它是采集桩顶附近某个截面的力和加速度等动力响应，然后在一系列的假定条件下利用一维波动方程的闭合解推算桩的实际静态承载力。这就是著名的CASE法，它将现场量测技术与波动方程求解有机地结合起来。基桩动测技术真正投入工程应用还是在上世纪70年代Goble等人创立了桩基动力学公司（简称PDI公司）以后，在政府的资助下和借助计算机技术迅猛发展，开发了动力试验仪器以及以实测桩顶力和速度为边界条件的曲线拟合数值解法CAPWAP程序，不但可以获得桩承载力，而且可以获得土阻力沿桩身分布和模拟静载试验曲线[3]。荷兰应用科学建筑材料与结构研究院（简称TNO）也先后推出了以反射波法为理论基础的基桩低应变测试仪和波动方程拟合计算程序TNOWAVE。

国内发展

我国自上世纪七、八十年代开始引进基桩动测技术。最初只是极少数资金雄厚的大科研单位采购了打桩分析仪PDA和桩身完整性测试仪PIT，开创了我国基桩动测技术的应用。80年代末期我国的一些科研院所和仪器生产商也着手开展了基桩动测软硬件的研制。直到1994年我国颁布了桩基领域的DY本规范《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-94）以及随后出台了《基桩低应变动力检测规程》（JGJ/T 93-95）和《基桩高应变动力检测规程》（JGJ 106-97）。这一时期是我国桩基动测技术应用和讨论最为活跃的年代，可以说是百家争鸣、百花齐放。各种动测试验方法不断涌现，如反射波法、机械阻抗法（瞬态、稳态）、频率-初速法、水电效应法、球贯法等。至2000年前后，经过大量工程实践和激烈讨论，以反射波法为理论基础的高应变法[4]、低应变法以及声波透射法得到工程界的普遍接受，并纷纷进入各个省部级规范。