測試方法

高應變法

低應變法

聲波透射法

適用范圍

用于各種樁基礎承載力測試。

快速、便捷評估鉆孔樁及打入樁樁身完整性，主要用于明顯缺陷的測試。

確定鉆孔樁、螺旋樁、灌注樁、連續(xù)墻及其他類型混凝土基礎中混凝土的質(zhì)量和均勻性。

測試設備

PDA-8G打樁分析儀

PIT-QFV型樁身完整性測試儀

CHAMP-Q 聲波透射法檢測儀

優(yōu)勢

• 無線數(shù)據(jù)采集

PDA動測是評價基樁承載力的先進技術，近年來借助現(xiàn)代手機和INTERNET遠程通訊技術，試驗人員坐在辦公室如同親臨現(xiàn)場一樣實時采集、分析數(shù)據(jù)及與現(xiàn)場人員保持聯(lián)絡，而無需攜帶大量電纜，簡化了現(xiàn)場布置。傳感器采用智能型的具有無線數(shù)據(jù)傳輸能力的應力環(huán)和加速度計。對于打樁監(jiān)控試驗來講，避免了吊裝過程中損壞電纜和傳感器，大大提高了操作的安全性。

• CAPWAP曲線擬合程序

曲線擬合程序CAPWAP是被廣泛接受且被規(guī)范認可的能夠與靜載試驗結果相比擬的軟件。幾十年來，具有豐富專業(yè)知識的工程師需在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，然后返回辦公室再進行CAPWAP分析計算，至少需要數(shù)天時間才能提供ZZ報告。近來出現(xiàn)的iCAP技術正徹底變革這個過程。iCAP即時信號擬合技術可在沒有任何人工干預的情況下從實測曲線中提取土體運動信息并計算試驗時刻的承載力和生成模擬的靜載試驗曲線，所有這些都是隨著試驗過程實時獲得。iCAP提供可靠的即時的承載力結果。全自動的iCAP可滿足研究人員對解的要求、工程對快速提供結果的要求以及滿足規(guī)范的要求。

• 依托專家系統(tǒng)庫的土參數(shù)優(yōu)化收斂功能

ZX的CAPWAP軟件中提供了大量了自動優(yōu)化功能，可以對樁側土和樁端土土阻力以及土模型參數(shù)（阻尼、彈限等）進行快速優(yōu)化，這得益于軟件中集成了專家系統(tǒng)，大大提高了分析的準確度和效率。

• 良好的一致性

具有良好的信號一致性，實現(xiàn)檢測可重復。

• 雙通道測試

雙通道模式可以在速度-深度曲線之外再輸出一條曲線，可以是由力錘內(nèi)置傳感器輸出的力曲線，也可以是另一條速度曲線。

• 數(shù)據(jù)分析

采用PIT-W數(shù)據(jù)分析軟件，能夠對檢測信號進一步處理和分析，如濾波、指數(shù)放大等，專業(yè)版軟件還可對樁身阻抗變化進行描述，對缺陷進行量化分析。此外，還可以進行雙速度測試信號分析。

• 多通道測試技術

允許一次提拉四個探頭, 以方便和GX地采集數(shù)據(jù)。

• 有效的混凝土評估

評估鉆孔樁和其他現(xiàn)澆混凝土結構的混凝土質(zhì)量和一致性。

• 現(xiàn)場實時分析

現(xiàn)場執(zhí)行實時（real-time）分析, 以及通過數(shù)據(jù)傳送, 通過CHA-W報告軟件進行額外分析

• 三維層析結果

提供三維層析軟件PDI-TOMO，得到可疑地區(qū)的ZY層析結果。

ZX理論及方法

• 輻射阻尼模型

Smith模型只考慮了樁的運動來計算土阻力，即土體處于剛性支撐作用。當土阻力加大時，如樁側表面粗糙的鉆孔樁置于非粘性土中或嵌巖樁，樁的運動變小，而土的運動加大。此時，應力波能量由樁向外輻射至土體內(nèi)部，而不是消耗在土的剪切作用中。實測曲線中表現(xiàn)為DY個2L/C前側摩阻力高而2L/C后總阻力低，且Smith阻尼系數(shù)超過1.3 s/m。對此，引入輻射阻尼模型。采用參與運動的土體質(zhì)量（稱為支撐質(zhì)量）和該塊土體的運動變量（稱為輻射阻尼系數(shù)）來考慮滑移面不在樁土側表面的情況。

• 樁身裂隙模型

樁身模型可包括拉或壓裂隙模型，用來模擬接樁或裂縫。若裂縫張開，會使得壓縮波全反射；若裂縫閉合，則傳遞壓縮波。當裂縫完全張開后將傳播拉伸波。該模型不但可以模擬完全張開裂縫，而且可以模擬部分裂縫的情況，如樁身中有鋼筋連接沒有完全拉開或則裂縫只占部分截面積等，允許一部分力波穿過裂縫或接樁部位。

• 廣義土塞模型

傳統(tǒng)理論將沉樁過程中的土體涌入到樁體（砼管樁、鋼管樁）內(nèi)部的現(xiàn)象稱為土塞效應。土塞與樁管內(nèi)壁相互作用非常復雜，對于端部開口打入樁的沉樁性狀以及承載力影響很大。土塞有不完全閉塞和完全閉塞兩種效應。對于大直徑樁，土塞高度一般小于貫入土層深度，產(chǎn)生土塞完全閉塞效應的可能性比較小。近年來，對于土塞有了新的看法，即將土塞看作是是在樁周土體涌入樁身或黏貼在樁外側的一塊附加土體質(zhì)量，在打樁過程中形成慣性力與樁身一起運動，稱為廣義土塞。土塞的作用將使土阻力滯后發(fā)揮。

• 殘余應力模型

在常規(guī)的波動方程分析中，樁土單元采用理想的Smith模型。錘擊數(shù)是由樁端土ZD位移減去平均彈限計算而得。在樁側土阻力小及樁身強度較高，所需的彈性壓縮土體彈限小時，計算錘擊數(shù)是基本正確的。但是隨著樁身加長，沉樁過程中需要穿越很多土層，樁側土阻力及樁端土阻力不斷變化，即土體彈限變化很大，計算錘擊數(shù)誤差很大。將殘余應力計算方法引入到基樁波動方程分析中，大大提高了計算錘擊數(shù)的準確度。殘余應力分析的基本概念就是當樁完全進入靜止狀態(tài)即系統(tǒng)達到靜力平衡狀態(tài)時找出位移和靜土阻力值。即當樁側土單元向上運動時，其土阻力先減少到零，再變成負，直到樁身下部向上的土阻力和樁側向下的土阻力取得平衡時，樁處于靜止狀態(tài)且壓縮力即殘余應力保存在樁身和土體中。

• 快速荷載法試驗

在常規(guī)高應變法試驗的基礎上，增加錘重和特制錘墊，使得樁身中的波動現(xiàn)象可以忽略不計；試驗狀態(tài)下，樁周土體在長達200ms時間內(nèi)始終處于壓應力，樁體受到的壓力與靜載試驗十分接近，這種方法稱為快速荷載法試驗。近年來，該方法已經(jīng)進入美國ASTM標準和日本巖土規(guī)范。與傳統(tǒng)方法相比，通過高速攝像機[6]記錄樁頂在荷載作用下的運動過程，結合多循環(huán)試驗卸載點法分析，現(xiàn)場獲得充分激發(fā)的土阻力信息，進而推定單樁豎向極限承載力。

• 在整體錘上安裝加速度傳感器測量樁頂錘擊力

考慮到灌注樁高應變試驗測時，往往需要制作較長的樁帽或開挖一段樁身，使得力傳感器滿足1.5倍樁徑的安裝要求，以克服淺部復雜應力波干擾對測試信號的影響。近年來國內(nèi)外有些工程師提出將加速度傳感器安裝到自由落錘中，實測樁頂?shù)腻N擊力，而無需安裝力傳感器。但這種方法目前也存在不少爭議，如實測的錘擊力不能直接表示包含土阻力信息的響應力、實測速度與實測錘擊力不在同一截面上等問題。

• 雙速度測試

對于既有基礎下的基樁，其樁身完整性的測試是公認的難題。采用雙速度測試和分析技術為解決在既有基礎下基樁的完整性、平均波速以及提取上行波提供了新的思路。雙速度測試即沿樁側安裝兩個加速度傳感器，同時采集兩個加速度曲線，通過公式計算可以確定兩個傳感器間樁身平均速度以及從實測波形中分離出上行應力波，進而判斷樁身完整性。不過，既有基礎形式各異，工況條件非常復雜，敲擊點選擇很困難，對實測曲線質(zhì)量影響較大，尤其是下方的傳感器更容易受到各種因素干擾；傳感器間距、標定系數(shù)、采樣頻率等也會影響測試精度。

• 側剖面分析

為了定量化解釋實測低應變曲線，將實測速度曲線中的入射波和土阻力波的影響去除掉，只剩下來源于樁身阻抗變化的應力波，這樣通過積分計算并相對于樁頂截面進行歸一化處理獲得整個樁身截面變化，進而可以獲得實際的灌注體積。該方法不僅考慮速度的幅值，還考慮反射持續(xù)的時間，要求樁底反射清晰且主要反射應歸結為樁身截面變化或材料性質(zhì)變化。該方法只能用于中短樁長的低應變法速度反射曲線的近似量化，而對于長樁或處于高阻力土層中的樁以及無可靠樁底反射的樁無意義。

• 以扭轉波維理論基礎的低應變測試法

對樁頂作用一沖擊扭矩，獲得樁頂瞬態(tài)扭轉動力響應。劉東甲[7]等人研究了層狀土中多缺陷樁在樁頂沖擊扭矩作用下樁頂扭轉響應解。考慮了樁土相互作用。應用Laplace變換和傳遞矩陣，解滿足初始條件和邊界條件的一組偏微分方程，導出樁土系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，得到樁頂某點扭轉振動速度的頻率響應函數(shù)和頻率域表達式。該點扭轉振動速度時程由快速Fourier逆變換計算。使用扭轉波進行低應變試樁，適用于樁周土較松軟的短樁或針對淺部缺陷的測試。因扭轉波對各種缺陷反射識別理論上有優(yōu)于縱波之處，可以將扭轉波測試作為縱波測試的一種重要輔助手段，這對提高低應變動力數(shù)據(jù)解釋可靠性有很大意義。

• 以無線數(shù)據(jù)傳輸方式的ZX測試儀器

電子工業(yè)的技術進步使得低應變儀器越來越小型化，無線傳輸技術使得傳感器與主機之間無需電纜連接。ZX型的低應變測試儀PIT-X，它的主機可放在手掌中，使用一個無線加速度傳感器采集數(shù)據(jù)。這也標志著低應變測試儀器迎來了新時代。

• 相對能量法

國內(nèi)在反映實測信號強度時采用的是波幅指標，由于噪音干擾等因素使得波幅難于準確拾取。相對能量法是對指定的時段內(nèi)實測信號峰值的電壓沿時間軸進行積分計算，不僅使用了首波的幅值，而且也使用了首波之后若干個點的幅值，更加充分地運用了實測信號，更能真實有效地反映信號的強度。

• 層析成像技術

應用層析成像技術對有限實測斷面數(shù)據(jù)進行數(shù)學計算，建立二維和三維圖像，可定量確定缺陷形狀、位置和大小。層析成像可分為射線層析成像和波動方程層析成像。波動方程層析成像存在散射數(shù)據(jù)的提取、各種干擾因素的消除（聲源信號、介質(zhì)吸收、換能器耦合）等一系列難題而難于實用化。目前主要應用的是射線層析成像，它假定超聲波按射線傳播，使用首波初至時間進行反演近似運算。美國已經(jīng)編制出實用的三維成像分析軟件并推薦給ASTM標準，希望將該技術納入大直徑灌注樁樁身質(zhì)量檢測中，以補充當前只使用XY圖作為判缺標準。這將是聲波透射法今后發(fā)展的方向之一。

• 多通道測試技術

多通道自發(fā)自收功能實現(xiàn)了一次提升即完成對預埋3管或4管混凝土樁的全組合測試。大幅提高檢測效率，極大的減輕了現(xiàn)場檢測人員的工作強度。

動力荷載作用下樁土受力性狀和

破壞模式與靜載作用的關系

應力波脈沖輸入和反射的控制和提取

完整性判別的定量化技術也是今后的發(fā)展方向

在動力荷載作用時，樁土體系受力狀況和破壞模式與靜力荷載作用有所不同，如何滿足或接近靜載試驗時的樁土性狀而必須考慮動測中的動阻力和彈限的影響。高應變法擬合中主要采用的是Smith阻尼，然而Smith阻尼系數(shù)實際代表的不僅是樁土界面上的粘滯阻尼，而且還間接代表了由于土體慣性、輻射阻尼等因素產(chǎn)生的能量損失。充分激發(fā)土阻力需要每個土單元超過其相應的彈限，針對不同性質(zhì)的樁側和樁端土彈限仍然依靠經(jīng)驗。對于靜載試驗Q-s曲線呈現(xiàn)緩變型的大直徑灌注樁或擴底樁來講，樁端土阻力充分發(fā)揮需要很大的彈限，很難使用現(xiàn)有的數(shù)理模型進行模擬。

對于低應變法測試來講，控制輸入樁身中應力波的能量，以使缺陷反射、樁底反射等在能量上得到控制和ZJ匹配，這是成功判斷完整性的DY步。針對不同樁型、樁周土狀況以及缺陷性質(zhì)，采用針對性的可控制的輸入能量尚缺乏研究。在獲取的實測速度曲線中，提取行波在樁身中傳播的阻抗變化信息是分析計算技術的關鍵。當前應用的各種軟件，其數(shù)據(jù)處理以及提取有效信息的能力都是有限的。上述問題集中體現(xiàn)在多節(jié)打入樁的接樁質(zhì)量、灌注樁多截面變化（如支盤樁、擴底樁、人工挖孔樁）、淺部缺陷、漸變?nèi)毕莼蚨鄠€缺陷判別以及諸如既有基礎下基樁或斜樁完整性狀況等方面。

深入研究土阻力對應力波速度的影響、應力波在樁身中的衰減特征以及多阻抗變化的行波變化，是定量化平均波速、缺陷位置以及缺陷大小的關鍵。聲波透射法測試也需進一步開展缺陷定量化方面的研究；在現(xiàn)有層析成像技術的基礎上，尋求更好反演算法，以提高缺陷定量化的精度。

國外發(fā)展

現(xiàn)代基樁動測技術的廣泛應用無疑與電子計算機的發(fā)展密切相關。早在1932年以前科學家St.Venant、D.V.Isaacs、E.N.Fox等人就明確指出打樁作用是應力波在樁身內(nèi)的傳播過程，并將樁周土體阻力參數(shù)引入到經(jīng)典的一維波動方程中求解[1]。直到上世紀60年代，E.A.L.Smith借助計算機采用差分法求解波動方程，獲到解析解，解決了應力波理論在打樁過程中的樁土性狀。這被稱為Smith法或波動方程分析法[2]，用于計算樁身應力、單樁豎向承載力和可打性分析。1964年美國CASE 西儲大學的Goble G.G教授領導的科研小組受聯(lián)邦公路局委托，開發(fā)了一種實用的監(jiān)控打樁過程的全新方法。它是采集樁頂附近某個截面的力和加速度等動力響應，然后在一系列的假定條件下利用一維波動方程的閉合解推算樁的實際靜態(tài)承載力。這就是著名的CASE法，它將現(xiàn)場量測技術與波動方程求解有機地結合起來。基樁動測技術真正投入工程應用還是在上世紀70年代Goble等人創(chuàng)立了樁基動力學公司（簡稱PDI公司）以后，在政府的資助下和借助計算機技術迅猛發(fā)展，開發(fā)了動力試驗儀器以及以實測樁頂力和速度為邊界條件的曲線擬合數(shù)值解法CAPWAP程序，不但可以獲得樁承載力，而且可以獲得土阻力沿樁身分布和模擬靜載試驗曲線[3]。荷蘭應用科學建筑材料與結構研究院（簡稱TNO）也先后推出了以反射波法為理論基礎的基樁低應變測試儀和波動方程擬合計算程序TNOWAVE。

國內(nèi)發(fā)展

我國自上世紀七、八十年代開始引進基樁動測技術。Z初只是極少數(shù)資金雄厚的大科研單位采購了打樁分析儀PDA和樁身完整性測試儀PIT，開創(chuàng)了我國基樁動測技術的應用。80年代末期我國的一些科研院所和儀器生產(chǎn)商也著手開展了基樁動測軟硬件的研制。直到1994年我國頒布了樁基領域的DY本規(guī)范《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ 94-94）以及隨后出臺了《基樁低應變動力檢測規(guī)程》（JGJ/T 93-95）和《基樁高應變動力檢測規(guī)程》（JGJ 106-97）。這一時期是我國樁基動測技術應用和討論Z為活躍的年代，可以說是百家爭鳴、百花齊放。各種動測試驗方法不斷涌現(xiàn)，如反射波法、機械阻抗法（瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)）、頻率-初速法、水電效應法、球貫法等。至2000年前后，經(jīng)過大量工程實踐和激烈討論，以反射波法為理論基礎的高應變法[4]、低應變法以及聲波透射法得到工程界的普遍接受，并紛紛進入各個省部級規(guī)范。