波动方程分析法在打入式预制桩施工中作用研究.docVIP

波动方程分析法在打入式预制桩施工中作用研究 　　 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施工中的作用，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（?）；为桩身材质密度（?/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???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（?）； 　　 （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0.4×0.4×13.0m3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，=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0.4×0.4×（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，而施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