高應變動力試樁的誤差分析
發布時間：2014-02-25 共1頁
摘要：相對靜載試驗而言，高應變動力試樁的誤差來源要豐富得多。本文較系統地對這些誤差進行總結，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、更好地應用和發展高應變動力試樁技術提出建議。
關鍵詞：高應變動力試樁 凱司法 實測曲線擬合法
1、前言
以應力波理論為基礎的高應變動力試樁法在我國的應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、樁身結構完整性、端承力大小和樁側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果來衡量高應變動力試樁方法的準確性，但評述結果都是有爭議性的。原因是復雜的，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估極限荷載的10%，這意味著其所確定的承載力的精度為預估極限荷載的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準五花八門、迥然各異，即使在我國，不同規范中的確定方法也有所區別。因此以不同的標準所確定的承載力顯然也就不盡相同。第三，基準梁的設置，千斤頂和壓力表以及位移量測儀表所產生的系統誤差不可忽略。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準是一件十分困難的事。在這里，筆者僅從高應變試驗本身的誤差來源出發來作分析，認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——動測信號質量
美國人曾說過樁基動測是“垃圾進、垃圾出”的方法，意即在沒有獲得可靠的現場實測數據的情況下，室內分析是沒有意義的，所以動測數據的可靠性直接影響試樁結果。
現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、樁墊選擇不當使得測試信號嚴重畸變；安裝點砼質量欠佳，錘擊后可能導致塑性變形或裂縫，從而產生持續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面不平整導致傳感器自振；錘重選擇不當或落高控制不當導致激勵能量過高或不足。此外，在系統誤差方面，傳感器的標定精度，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據，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，而高應變是一種動態沖擊加載，是在排除動力效應的基礎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，是否完全進入塑性狀態是評價樁承載力的關鍵，確定極限承載力的方法就我國而言，標準相對明確；而高應變試驗則很難定義土體是否進入塑性狀態。傳統的推薦是當貫入度達到或超過土的彈限值時，可認為土阻力充分發揮，其貫入度推薦值是2.54mm.但國內外學者的研究表明，各類土的彈限值各不相同，如對碎卵石混粘土及一部砂，該值可能達十毫米，而對于黃土或一部分淤泥，
土阻力充分發揮，其貫入度推薦值是2.54mm.但國內外學者的研究表明，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。所以將高應變試驗所激發的承載力簡單地與靜載試驗確定的極限承載力相比較，不是一種科學的態度。
其次，樁的試驗時的狀態具有時效性，先動載后靜載，才會使樁的試驗狀態相對接近。此外，巖土也具有時效性，例如硬質巖的松馳效應，風化巖的蠕變效應，軟粘土的軟化，負孔隙水壓力等都可能導致高應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，液化作用等可能導致動力試驗過低判定承載力。
4、深層次的誤差——高應變的分析理論
高應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力波理論基礎上的具有快速的現場實時結果的高應變動力試樁方法。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，砼是非勻質的彈塑性材料并且樁徑越大，與一維彈性體的假定相關愈遠。
其次，動阻力并非只來自于樁尖，尤其是以側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。
4.1.2設定值的選取誤差
①波速的選取
凱斯法求承載力要求樁體內縱波的傳播速度值是已知的，波速是關鍵的，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混凝土強度憑經驗選取。而波速和混凝土強度之間并無很好的相關關系，在樁基動測中，波速除與砼本身因素有關外，還和諸如沖擊產生的應變量級、樁周土性質、樁身缺陷及至樁長等都有關，這使得波速的選取并非輕易而舉。而有些關于動測的資料給出相應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Jc
Jc完全是一個沒有物理含義的經驗系數，Jc的取值不僅和樁尖土的類型有關，還和樁周土情況、樁的材料、樁型等等其他因素有關。Jc的取值是否合理很大程度上依賴于對地質情況的了解和地區性經驗，要想準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的建議值和取值范圍（此處略），但國內外已有多種資料提出各地區的Jc取值范圍，和PDI公司的并不相同。因此，在缺乏地區性經驗條件下盲目地選取或套用Jc值可能將導致很大誤差。
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，目前的國內外軟件均不完善。公認最優秀的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土等這一類加工硬化性的土的本構關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，許多程序在土的靜阻模型上已考慮了土的軟化、硬化性質。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關系，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系，而Smith阻尼模型雖然體現了一種非線性關系，但在應用中，這種模型與實際情況往往相關更遠……
4.2.2擬合分析的非收斂性誤差
擬合程序無論多么優秀，它的解在相當的范圍內是發散的，是否得到合理準確的解完全取決于分析者的技術和經驗。這類完全取決于分析者的誤差往往是人們所最關心的，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，眾多的參數可能令之無法適從，并且這許多參數規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動阻尼系數及幅射阻尼的取值尤為關鍵。
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.測試時貫入度達到4mm/擊。
結果一是在自動擬合的結果上形成的，計算極限承載力為8747kN；結果二是筆者提高了動阻力后形成的，計算極限承載力為5500kN.從擬合結果上看，兩種分析結果曲線均擬合良好（擬合質量數MQ均≤2.0），計算貫入度與實測貫入度均比較一致，樁土模型各參數均在合理的范圍，樁周土阻力分布類似并與地質情況也均基本吻合。從表面上看，結果一提供的樁土靜力指標接近于地質報告，似乎比較合理，結果二則偏低很多。但由于是大貫入度樁，在結果二中筆者選用了較高的樁側Smith阻尼系數，二者的分析結果，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注意可能要用到樁側輻射阻尼模型，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，就能較好地達到分析結果的收斂性。
5、結論
相對靜載試驗而言，高應變動力試樁的誤差來源要豐富得多，本文力爭系統地對這些誤差進行總結，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想。
高應變動力試樁技術是一種綜合性很強的技術，它要求分析者能兼備土力學、振動力學、巖土經驗以及高等數學和電子學方面的基礎。擺在眾多高應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確性（10%或20%），也不能誤解高應變方法的作用，認為其一無是處，而是應該從嚴肅的角度出發，在有效動靜對比資料的基礎上，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。這樣才能更好地應用和發展高應變動力試樁技術。
關鍵詞：高應變動力試樁 凱司法 實測曲線擬合法
1、前言
以應力波理論為基礎的高應變動力試樁法在我國的應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、樁身結構完整性、端承力大小和樁側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果來衡量高應變動力試樁方法的準確性，但評述結果都是有爭議性的。原因是復雜的，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估極限荷載的10%，這意味著其所確定的承載力的精度為預估極限荷載的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準五花八門、迥然各異，即使在我國，不同規范中的確定方法也有所區別。因此以不同的標準所確定的承載力顯然也就不盡相同。第三，基準梁的設置，千斤頂和壓力表以及位移量測儀表所產生的系統誤差不可忽略。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準是一件十分困難的事。在這里，筆者僅從高應變試驗本身的誤差來源出發來作分析，認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——動測信號質量
美國人曾說過樁基動測是“垃圾進、垃圾出”的方法，意即在沒有獲得可靠的現場實測數據的情況下，室內分析是沒有意義的，所以動測數據的可靠性直接影響試樁結果。
現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、樁墊選擇不當使得測試信號嚴重畸變；安裝點砼質量欠佳，錘擊后可能導致塑性變形或裂縫，從而產生持續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面不平整導致傳感器自振；錘重選擇不當或落高控制不當導致激勵能量過高或不足。此外，在系統誤差方面，傳感器的標定精度，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據，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，而高應變是一種動態沖擊加載，是在排除動力效應的基礎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，是否完全進入塑性狀態是評價樁承載力的關鍵，確定極限承載力的方法就我國而言，標準相對明確；而高應變試驗則很難定義土體是否進入塑性狀態。傳統的推薦是當貫入度達到或超過土的彈限值時，可認為土阻力充分發揮，其貫入度推薦值是2.54mm.但國內外學者的研究表明，各類土的彈限值各不相同，如對碎卵石混粘土及一部砂，該值可能達十毫米，而對于黃土或一部分淤泥，
土阻力充分發揮，其貫入度推薦值是2.54mm.但國內外學者的研究表明，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。所以將高應變試驗所激發的承載力簡單地與靜載試驗確定的極限承載力相比較，不是一種科學的態度。
其次，樁的試驗時的狀態具有時效性，先動載后靜載，才會使樁的試驗狀態相對接近。此外，巖土也具有時效性，例如硬質巖的松馳效應，風化巖的蠕變效應，軟粘土的軟化，負孔隙水壓力等都可能導致高應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，液化作用等可能導致動力試驗過低判定承載力。
4、深層次的誤差——高應變的分析理論
高應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力波理論基礎上的具有快速的現場實時結果的高應變動力試樁方法。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，砼是非勻質的彈塑性材料并且樁徑越大，與一維彈性體的假定相關愈遠。
其次，動阻力并非只來自于樁尖，尤其是以側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。
4.1.2設定值的選取誤差
①波速的選取
凱斯法求承載力要求樁體內縱波的傳播速度值是已知的，波速是關鍵的，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混凝土強度憑經驗選取。而波速和混凝土強度之間并無很好的相關關系，在樁基動測中，波速除與砼本身因素有關外，還和諸如沖擊產生的應變量級、樁周土性質、樁身缺陷及至樁長等都有關，這使得波速的選取并非輕易而舉。而有些關于動測的資料給出相應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Jc
Jc完全是一個沒有物理含義的經驗系數，Jc的取值不僅和樁尖土的類型有關，還和樁周土情況、樁的材料、樁型等等其他因素有關。Jc的取值是否合理很大程度上依賴于對地質情況的了解和地區性經驗，要想準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的建議值和取值范圍（此處略），但國內外已有多種資料提出各地區的Jc取值范圍，和PDI公司的并不相同。因此，在缺乏地區性經驗條件下盲目地選取或套用Jc值可能將導致很大誤差。
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，目前的國內外軟件均不完善。公認最優秀的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土等這一類加工硬化性的土的本構關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，許多程序在土的靜阻模型上已考慮了土的軟化、硬化性質。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關系，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系，而Smith阻尼模型雖然體現了一種非線性關系，但在應用中，這種模型與實際情況往往相關更遠……
4.2.2擬合分析的非收斂性誤差
擬合程序無論多么優秀，它的解在相當的范圍內是發散的，是否得到合理準確的解完全取決于分析者的技術和經驗。這類完全取決于分析者的誤差往往是人們所最關心的，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，眾多的參數可能令之無法適從，并且這許多參數規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動阻尼系數及幅射阻尼的取值尤為關鍵。
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.測試時貫入度達到4mm/擊。
結果一是在自動擬合的結果上形成的，計算極限承載力為8747kN；結果二是筆者提高了動阻力后形成的，計算極限承載力為5500kN.從擬合結果上看，兩種分析結果曲線均擬合良好（擬合質量數MQ均≤2.0），計算貫入度與實測貫入度均比較一致，樁土模型各參數均在合理的范圍，樁周土阻力分布類似并與地質情況也均基本吻合。從表面上看，結果一提供的樁土靜力指標接近于地質報告，似乎比較合理，結果二則偏低很多。但由于是大貫入度樁，在結果二中筆者選用了較高的樁側Smith阻尼系數，二者的分析結果，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注意可能要用到樁側輻射阻尼模型，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，就能較好地達到分析結果的收斂性。
5、結論
相對靜載試驗而言，高應變動力試樁的誤差來源要豐富得多，本文力爭系統地對這些誤差進行總結，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想。
高應變動力試樁技術是一種綜合性很強的技術，它要求分析者能兼備土力學、振動力學、巖土經驗以及高等數學和電子學方面的基礎。擺在眾多高應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確性（10%或20%），也不能誤解高應變方法的作用，認為其一無是處，而是應該從嚴肅的角度出發，在有效動靜對比資料的基礎上，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。這樣才能更好地應用和發展高應變動力試樁技術。
