波动方程分析法在打入式预制桩施工中作用探究.doc

波动方程分析法在打入式预制桩施工中作用探究内容提要采用波动方程分析法实时定量检测桩身完整性、 桩身内应力及单桩承载力，是控制打入式预制桩施工质量最 先进的手段，本文阐述了波动方程分析法原理，通过对若干 实际工程经验的总结，论述了波动方程分析法在打入式预制 桩滋工中的作用，并提出如何运用波动方程分析法指导、改 进施工关键词 波动方程分析法定量化 实时监控桩身内应 力 桩身完整性 可打性分析 停锤标准 单桩竖向极限承载 力施工指导打入式混凝土预制桩以其强度高、桩身质量可靠、抗腐 蚀性强、施工工艺简便等优点，受到工程建筑界的广泛青睐, 在许多重点工程中得到运用由于不同地区地质条件千变万 化，施工队伍素质参差不齐，因此必须采用行之有效的施工 监控手段，选取适合当地地层条件的施工工艺，才能进一步 确保施工质量波动方程分析法是一种定量化实时施工监控方法在施 工中通过对桩身内各种应力波量化的测量，定量计算桩身内 应力、桩身完整性及任何时刻桩的承载力；它不但可以在现 场实时监控施工质量，同时可以对基桩设计及施工工艺的合 理性包括桩型设计、停锤标准、沉桩可行性、桩锤选取、单 桩竖向极限承载力等进行评价，并可以根据监控结果合理改 进施工工艺。

一、波动方程理论及其计算方法在打桩过程中，桩身因受锤击力作用，不断破坏桩尖土 进入地层，此时桩身受到向下的锤击压应力及向上的地层侧 阻及端阻力的压应力；当在桩尖穿越硬地层进入下部软地层 时，桩身上半部会受到向上的拉应力；若桩身出现缺陷，还 存在因缺陷产生的向上的拉应力若桩身为完全弹性体，则 描述桩身内应力波时空传播的数学方程如下：为桩身质点的位移；为桩身应变；为桩身弹性波速（m/s）；为土阻力波；为桩身截面积（❷）；为桩身材质密 度（❷/m3）；为桩身材质弹性模量（MPa）若在桩身顶部安装一对加速度传感器与一对应变传感 器，应用打桩分析仪（PDA）连续实测记录锤击过程中桩顶 的加速度与应变值（Goble et al.）,通过现场输入各种桩身参数便可计算出桩顶力和速度的时程曲线（图1）,通过对 时程曲线的分析便可得计算出以下施工参数1） 桩身获得的最大打击力（kN）；（2） 桩顶质点最大速度（m/s）；（3） 桩身最大压应力（MPa）；(4) 桩身最大拉应力(MPa)；(5) 桩身完整性系数(%)； 完整性定量评价标准见表1(6) 桩锤实际传递给桩的能量(kJ)(中国建筑科学研究院，1997)；(7) CASE阻尼系数支持估算的极限承载力(kN)；CASE法取值与桩端岩性有关Goble,见表2。

8) 桩顶最大动位移(❷)；(9) 贯入每米锤击数现场实时性是至关重要的，目前的打桩分析仪不但可以 连续记录每一锤的时程曲线，同时自动计算并显示上述各项 参数，使监测工程师随时掌握施工质量，对不良现象随即做 出反应二、事例分析说明1. 选锤打桩中桩身最大拉应力是很重要的参数之一，天津市滨 海地区地下水对混凝土中的钢筋具有不同程度的腐蚀性，桩 身一般不允许出现较大裂缝而混凝土抗拉强度较低，在上 述地区施工时，对拉应力的监控尤为重要图2为该地区某 工程桩现场打桩实测曲线，桩型0.4X0.4X13. 0m3预制方 桩，采用K45柴油锤施打计算结果显示：=3110kN； =3. 6MPa； 桩身在8.8m处出现缺陷，二85%据分析认为锤过重，打击 力偏大导致拉应力过大，建议改为K25或K35柴油锤施打， 后顺利完工图2天津市滨海地区某工程桩现场打桩实测曲线2. 桩身完整性天津大港地区某一工程，桩型0.4X0.4X (12 + 12) m3 预制方桩，采用K25柴油锤施打勘察建议选用顶板深度为 22. 5m的密实粉砂层为基桩持力层，但该层上部分布有平均 厚度为2. 0m的中密粉土层，该层分布不均。

在工程桩施工 监控中，当桩入土至21m时，分析仪显示=75%,随后逐步降 低，缺陷位置在12m接桩处，事故出现后，施工单位未采取 任何措施继续施打待桩端沉至设计标高处，分析仪显示 =65%,出现明显缺陷，而此时总锤击数已达1200锤分析 认为，原因有四：其一接桩焊接质量不过关；其二没有对持 力层上部中密粉土层分布变化规律作进一步勘探，导致沉桩 困难；其三施工单位选锤不当，锤过轻，而滋工时又采用高 档施打造成轻锤高打；其四过分追求标高控制停锤标准，导 致锤击数过大，桩身材质疲劳破损通过该事例可以看出， 若没有定量监控，可能该事故就未能发现，而桩身缺陷的出 现，是多种原因造成的，桩锤选取不合理、施工时粗心大意、 过分追求标髙控制停锤标准、勘察精度不够都会给工程带来 损失3. 承载力天津西青区某工程，桩型0.4X0.4X14. 0m3预制方桩, 采用K45柴油锤施打持力层选用第一海相层灰色稍密粉土 /粉砂层，厚9. 0m,设计桩端标高埋深15.5m单桩竖向极 限承载力设计值2000kNo图3为si试桩收锤时实测曲线， 经波形拟合分析此时单桩竖向极限承载力=650kN,初打贯入 度BPM=100锤/m。

休止21天后，进行复打试验，求取长期 单桩竖向极限承载力，经波形拟合分析此时Ru=1640 kN （图 4）,低于设计值建议加大桩长，降低桩端标高，由原来埋 深15.5m,加深至16.5m工程桩现场监控实测曲线见图5, 初打时单桩竖向极限承载力=950kN,休止21天后，单桩竖 向极限承载力=2080 kN （见图6）满足设计要求本事例说 明波动方程法的另一个优势一可以随时监测承载力，可以辅 助确定停锤标准，这种综合优势是其余手段力所不能及的， 在具有相当工程经验的地区，采用波动方程法确定单桩竖向 极限承载力其精度并很接近静载试验结果，但成本和工期却 可大大降低4. 试桩上进行可打性分析天津开发区某一工程，采用0.4X0.4X （13 + 13） m3 打入式预制方桩，场地范围内12.4m〜16. 5m深度之间分布 有一层粉土、粉砂层，静探锥尖阻力分别为10.59MPa、 4. 20MPa,根据工程需要持力层选在深度25.0m处，单桩竖 向极限承载力设计值为1700kN能否穿过上部的粉土粉砂层 是关键，初步选用K45柴油锤施打试桩，桩身强度设计为C40, 要求试打桩监控，监控项目是桩身完整性、桩身内应力、桩 锤能效（选锤）、初打承载力。

由于桩尖在穿透硬层进入软 层时的拉应力最大，施工前要求在12.4m〜16. 5m段采用重 锤轻击的抵挡施打，同时控制锤击速度小于40锤/分钟监 控结果非常好（图 7）,在 12. 4m〜16. 5m 段=2. 0MPa,=23. 5MPa, 沉桩完毕时=1.6MPa, =18. 5MPa, =100%,桩锤效率=0. 27, 初打=990kN, =117锤休止25天后该桩单桩静载荷试验结 果见表3o三、结语波动方程理论早在六十年代就被提出，最早也是运用在 打入桩的动态分析中，七十年代进入我国，开始使用在港口 和海上石油平台等打入桩桩基础单桩承载力评价上，并积累 了丰富的经验随后被推广大量用于工业民用建筑的桩基础 评价上由于目前多数工程设计单位未必真正了解实际施工队 伍的素质状况，现场监理人员一般仅凭肉眼判断施工质量， 无法定量了解正在打入地下的桩的工作状态，待发现问题为 时已晚因此就质量控制来讲，应该采用定量法实时监控施 工过程天津地区属沿海软土分布区，20m深度以上地层以流塑 或软塑状态的粘性土为主，含水量高，强度低，表现出变形 控制沉降的特性，而其间往往分布粉土粉砂透镜体，给打入 桩沉桩带来一定的困难，因此就地质条件来讲，有必要采用 波动方程法来辅助设计选择合理桩型，指导施工单位选择合 理施工工艺。

在试桩上进行了试打桩分析，根据桩身在贯入 过程中内应力变化，根据桩身完整性表现，根据初、复打承 载力情况，改进各项设计和施工方案，包括桩型的合理性、 停锤标准、桩锤选取、特殊地层的特殊施打工艺等等，从而 保证施工质量，提前避免意外发生由于波动方程法检测单桩承载力简便、快捷和廉价，并 在工程中提前发现事故，可以降低工程成本，避免浪费，从而给社会带来可观经济效益随着计算机技术及自动化电子仪表技术的飞速发展，波动方程法的评价计算精度将会大大提高，成为一种成熟的技 术手段写进施工规范中注释Goble, G.G. , Linkins, G.E. , Rausche, F. (1997), CAPWAPC manual, GRL Company,Cleveland, Ohio.George Goble , ( 2000 ) , ” CLASS A” CAPACITYPREDICTIONS, GRL Company,Cleveland, Ohio.Goble, G.G., Linkins, G.E・, Rausche, F. (1975),Bearing Capacity of Piles from Dynamic Measurements Final Report, Case Western Reserve University, Cleveland, Ohio.注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。