岩土工程测试技术课件-第五章.ppt

5 桩基测试技术桩基测试技术 本章提要：介绍桩基各类测试技术，包括静力载荷试验、高低应变动力检测与低应变动力测试等。其中静载试验，介绍竖向抗压静载试验、水平静载试验与竖向抗拔静载试验；低应变动力测试，介绍反射波法与机械阻抗法；高应变动力测试，介绍锤击贯入法、Case法的基本理论与测试技术；此外介绍了当前较为流行的Osterberg试桩法。5.1 概概 述述基桩测试工作的目的：1、为桩基设计提供合理参数的依据，由现场试桩来实现；2、检验工程桩的施工质量，是否满足设计或建（构）筑物对 桩基承载力的要求，由现场工程桩抽样检测实现。基桩检测的基本要求：1、桩的平面位置与几何尺寸；2、桩的完整性与承载力。本章主要介绍基桩的完整性与承载力的检测技术与方法。检测项目检测方法桩身材质基桩完整性基桩承载力静力载荷试验法低应变动测法反射波法机械阻抗法动力参数法高应变动测法锤击贯入法Case法Smith波动方程法钻探取芯法混凝土强度试验超声波透射检测法Osterberg试桩静动试桩法表5-1基桩检测方法及项目注：表中带“”符号表示能检测该项目，但有限制条件。检测项目检测方法次级单桩承载力静载试验一级高应变动力测试（包括静动法）二级低应变动力测试（机械阻抗法、动力参数法）三级其它类比或经验法四级单桩完整性直视法（如开挖、钻孔取芯等）一级超声波透射、层析成像、井下电视等二级反射波法三级其它低应变法四级说明次级方法检定基桩存在缺陷的疑问时，应由高一级方法来确定或证实表5-2 基桩检测方法级别5.2 桩基静力测试技术桩基静力测试技术5.2.1 基桩竖向抗压静力载荷试验基桩竖向抗压静力载荷试验5.2.1.1 概述5.2.1.2 试验设备（1）加载装置 1）锚桩横梁反力装置 (如图5-1所示)2）压重平台反力装置 (如图5-2所示)3）锚桩压重联合反力装置（2）测试仪表（3）桩身测量元件 图5-1 锚桩横梁反力装置示意图 1厚钢板；2硬木包钢皮；3千斤顶；4、9百分表；5锚筋；6基准桩；7主梁；8次梁 图5-2 压重平台反力装置示意图 1堆载；2堆载平台；3连接螺杆；4木垫块；5加筋板；6通用梁；7十字撑；8测力环；9支架；10千分表；11槽钢；12最小距离；13空隙；14液压千斤顶；15桩帽；16土垛；17试桩；18千分表支架5.2.1.3 试验方法与要求（1）抽检数量要求（2）测试开始时间的确定（3）试桩要求（4）加卸载要求（5）慢速法载荷试验步骤及加卸载要求（6）慢速法载荷试验的试验终止条件（7）快速法载荷试验的程序与慢速法载荷试验基本相同，只是每级荷载维持时间相对较短，一般至少为1h，是否延长维持荷载时间应根据桩顶沉降收敛情况确定；在实际应用时可参照有关规范执行。5.2.1.4 试验资料整理绘制试验成果曲线（1）填写试验记录表工程名称地点试验单位试桩编号桩型试验起止时间成桩工艺桩截面尺寸桩长混凝土强度等级设计灌注桩沉渣厚度配筋情况规格长度配筋率实际灌注桩充盈系数综合柱状图试验平面布置示意图层次土层名称土层描述相对标高桩身剖面12表5-3 单桩竖向抗压静载试验概况表 表5-4 单桩竖向抗压静载试验记录表工程名称桩号日期加载级油压（MPa）荷载（kN）测读时间位移计（百分表）读数本级沉降（mm）累计沉降（mm）备注1号2号3号4号12检测单位：校核：记录：（2）绘制有关试验成果曲线5.2.1.5 单桩竖向抗压承载力的确定（1）单桩竖向抗压极限承载力Qu的确定（2）单桩竖向抗压极限承载力统计值的确定（3）单桩竖向抗压承载力特征值的确定5.2.2 单桩竖向抗拔静力载荷试验单桩竖向抗拔静力载荷试验5.2.2.1 概 述 高耸建（构）筑物往往要承受较大的上拔荷载，而桩基础是建（构）筑物抵抗上拔荷载的重要基础形式。迄今为止，桩基础上拔承载力的计算还是一个没有从理论上解决的问题；这种情况下，现场原位试验在确定单桩竖向抗拔承载力中的作用就更显得尤为重要。单桩竖向抗拔静载荷试验就是采用接近于竖向抗拔桩实际工作条件的试验方法，确定单桩的竖向抗拔极限承载力。5.2.2.2 试验设备图5-3 单桩竖向抗拔静载荷试验示意图1试桩；2锚桩；3液压千斤顶；4表座；5测微表；6基准梁；7球铰；8反力梁；9地面变形测点；1010cm10cm薄铁板（1）加载装置（2）荷载与变形量测装置5.2.2.3 试验方法（1）现场检测（2）终止加载条件5.2.2.4 试验资料整理5.2.2.5 单桩竖向抗拔承载力的确定（1）单桩竖向抗拔极限承载力的确定 1）对于陡变型U曲线（如图5-4所示），可根据U曲线的特征点来确定。2）对于缓变型U曲线（如图5-5所示），根据U曲线的变化情况综合判定。3）当在某级荷载下抗拔钢筋断裂时，取其前一级荷载值。图5-4 根据U曲线确定单桩 抗拔极限承载力 （陡变型U曲线）图5-5 根据lgt曲线确定单桩抗拔极限承载力 （缓变型U曲线）（2）单桩竖向抗拔承载力特征值的确定 1）单桩竖向抗拔极限承载力统计值的确定方法与单桩竖向抗压极限承载力统计值的确定方法相同。2）当作为验收抽样检测的受检桩在最大上拔荷载作用下，未出现（1）中单桩竖向抗拔极限承载力各款时，可按设计要求判定。3）单位工程同一条件下的单桩竖向抗拔承载力特征值应按单桩竖向抗拔极限承载力统计值的一半取值。当工程桩不允许带裂缝工作时，取桩身开裂的前一级荷载作为单桩竖向抗拔承载力特征值，并与按极限承载力一半取值确定的承载力相比取小值。5.2.3 单桩水平静载试验单桩水平静载试验 5.2.3.1 概述 单桩水平静载荷试验一般以桩顶自由的单桩为对象，采用接近于水平受荷桩实际工作条件的试验方法来达到以下目的：（1）确定试桩的水平承载力。（2）确定试桩在各级水平荷载作用下桩身弯矩的分配规律。（3）确定弹性地基系数。（4）推求桩侧土的水平抗力（q）和桩身挠度（y）之间的 关系曲线。5.2.3.2 试验设备 单桩水平静载荷试验装置包括加载装置、反力装置、量测装置三部分，如图5-6所示。（1）加载装置（2）反力装置（3）量测装置 1）桩顶水平位移量测 2）桩身弯矩量测 3）桩身挠曲变形量测图5-6单桩水平静载试验装置示意图1、7百分表；2球铰；3千斤顶；4垫块；5基准梁；6基准桩5.2.3.3 试验方法（1）试桩要求（2）加载与卸载方式（3）终止试验条件5.2.3.4 试验资料整理（1）单桩水平静载荷试验概况的记录（2）整理单桩水平静载荷试验记录表（如表5-5）（3）绘制单桩水平静载荷试验曲线（如图5-7、图5-8）（4）计算地基土水平抗力系数的比例系数 地基土水平抗力系数的比例系数可按下列公式计算：表5-5单桩水平静载荷试验记录表工程名称桩号日期上下表距油压(MPa)荷载(kN)观测时间循环数加载卸载水平位移（mm）加载上下表读数差转角备注上表下表上表下表加载卸载检测单位：校核：记录：图5-7 单桩水平静载荷试验水平力时间位移（HtX）关系曲线 图5-8 单桩水平力位移梯度（H X/H）曲线5.2.3.5 单桩水平临界荷载和极限荷载的确定（1）单桩水平临界荷载确定方法（2）单桩水平极限荷载确定方法（3）单桩水平承载力特征值确定方法5.3 基桩动力测试技术基桩动力测试技术5.3.1 低应变动力测桩法低应变动力测桩法5.3.1.1 概述基桩低应变动测的一般要求：（1）检测前的准备工作；（2）检测仪器；（如图5-10）（3）检测数量确定。图5-10 美国PDI公司的PIT-V型桩身完 整性检测仪 低应变法基桩动测的方法很多，包括反射波法、机械阻抗法、动力参数法、水电效应法等，本节主要介绍在工程中应用比较广泛、效果较好的反射波法与机械阻抗法。5.3.1.2 反射波法 （1）概述 （2）检测设备 用于反射波桩基动测的仪器一般有传感器、放大器、滤波器、数据处理系统以及激振设备和专用附件等。（3）检测方法 反射波检测基桩质量的仪器布置如图5-11所示。图5-11 反射波法检测基桩质量仪器布置图1手锤；2桩；3传感器；4基桩分析仪；5显示器（4）检测结果应用1）确定桩身混凝土的纵波波速桩身混凝土纵波速可按下式计算：2）评价桩身质量反射波形的特征是桩身质量的反应，利用反射波曲线进行桩身完整性判定时，应根据波形、相位、振幅、频率及波至时刻等因素综合考虑，桩身不同缺陷反射波特征如下：完整桩的波形特征。如图5-12(a)所示。图5-12(a)完整桩的波形特征 离析和缩颈桩波形特征。断裂桩的波形特征。图5-12(b)离析和缩颈桩的波形特征图5-12(c)断裂桩的波形特征 3）确定桩身缺陷的位置与范围 桩身缺陷离开桩顶的位置L由下式计算：桩身缺陷范围是指桩身缺陷沿轴向的经历长度，如图5-13所示。桩身缺陷范围可按下面的方法计算：图5-13 指桩身缺陷的位置和范围表5-6 桩身缺陷段纵波速度缺陷类别离析断层夹泥裂缝空间缩颈纵波速度（m/s）1500270080010004100C3525003500C2037004100C302700C2035003700C25 5.3.1.4 各类低应变动力检测对桩身完整性的判定 桩身完整性类别的具体判定，应结合缺陷出现的深度、测试信号衰减特性以及设计桩型、成桩工艺、地质条件、施工情况，按基桩检测技术规范中的有关条款所列实测时域或幅频信号特征进行综合判定，详见表5-8与5-9。表5-8 桩身完整性分类表桩身完整性类别分类原则I类桩桩身完整II类桩III类桩桩身有轻微缺陷，不会影响桩身结构承载力的正常发挥桩身有明显缺陷，对桩身结构承载力有影响IV类桩桩身存在严重缺陷表5-9 桩身完整性判定类别时域信号特征幅频信号特征I类桩2L/c时刻前无缺陷反射波，有桩底反射波桩底谐振峰基本等间距，其相邻频差fc/2LII类桩2L/c时刻前出现轻微缺陷反射波，有桩底反射波桩底谐振峰基本等间距，其相邻频差fc/2L，轻微缺陷产生的谐振峰与桩底谐振峰之间的频差fc/2LIII类桩有明显缺陷反射波，其它特征介于II类和IV类之间。IV类桩2L/c时刻前出现严重缺陷反射波或周期性反射波，无桩底反射波；或因桩身浅部严重缺陷使波形呈现低频大振幅衰减振动，无桩底反射波缺陷谐振峰排列基本等间距，相邻频差fc/2L，无桩底谐振峰；或因桩身浅部严重缺陷只出现单一谐振峰，无桩底谐振峰注：对同一场地、地质条件相近、桩型与成桩工艺相同的基桩，因桩端部分桩身阻抗与持力层阻抗相匹配导致实测信号无桩底反射波时，可按本场地同条件下有桩底反射波的其它桩实测信号判定完整性类别。5.3.2 高应变动力测桩法高应变动力测桩法5.3.2.1 概述5.3.2.2 锤击贯入法（1）概述（2）检测设备 锤贯法试验仪器和设备由锤击装置、锤击力量测和记录设备、贯入度量测设备三部分组成，如图5-16所示。图5-16 锤击贯入法试验装置示意图1自动脱钩器；2锤；3锤垫；4力传感器；5桩帽；6桩；7百分表；8动态应变仪；9记录仪（3）检测方法 1）收集资料 2）试桩要求 3）设备安装 4）锤击力和贯入度量测（4）检测结果应用 1）确定单桩极限承载力 Qde曲线法。首先根据试验原始记录表的计算结果作出锤击力与桩顶累计贯入度Qde曲线图，如图5-17所示。Qde曲线上第二拐点或 lgQde曲线起始点所对应的荷载即为试桩的动极限承载力Qdu，该桩的静极限承载力 Qsu 可按下面的方法确定：其中的动静对比系数Cdsc与桩周土的性质、桩型、桩长等因素有关，可由桩的静荷载试验与动力试验的结果的对比得到。经验公式法。单击贯入度不小于2.0mm时，各击次的静极限承载力Qfsul可按下面公式计算：确定经验公式法的静极限承载力Qfsul值时，参加统计的单击贯入度不小于2.0mm的击次不得少于3击，并取其中级差不超过平均值20%的数值按下面公式计算：锤击贯入法和静载荷试验对比曲线如图5-18所示。2）判定桩身缺陷图5-17 锤击贯入法的Qde曲线 图5-18 锤击贯入法和静载荷试验对比曲线5.4 工程实例混凝土管桩静动力测试实例工程实例混凝土管桩静动力测试实例5.4.1 工程概况 某拟建工程场地位于沿海城市填海区港前3号路D14号工地。该工程为国际物流中心流通加工车间，地上4层，高30m，无地下室，框架结构，室内设计标高为8.10m。设计基础采用预应力混凝土管桩-03SG409标准中高强预制应力混凝土管桩，型号为PHC-B600(130)-La。设计要求单桩竖向抗压极限承载力不小于7000kN。根据地勘报告，桩端持力层为强风化或中风化泥灰岩，当砾石混土厚度较大时，可根据试桩结果按贯入度控制，且桩端进入砾石混土层深度不小于25m；桩端进入中风化岩层的最小深度为0.6m。根据地勘报告，场地地层自上而下为素填土、砾砂夹淤泥、砾石混土、强风化泥灰岩、中风化泥灰岩。5.4.2 竖向抗压静载试验结果分析 荷载级别0123456789荷载/kN0140021002800350042004900560063007000沉降量mmA34-407.6112.7018.9528.6662.16A19-204.847.0010.6814.6318.9323.1828.0333.2638.77A34-4(2)04.036.989.2612.0915.8727.00A57-104.606.689.2112.2115.3419.6728.82A33-5加载03.315.447.8410.0413.0115.9919.6627.2740.88卸载19.7830.4535.3938.4940.73A44-1加载03.185.237.5810.012.7116.3419.8524.2627.67卸载5.6815.8821.4025.1527.19A56-4加载02.864.446.378.5510.5712.3515.8719.6824.05卸载8.5714.6918.0521.0723.15A105-203.656.389.2315.3528.4685.10A165-203.315.377.379.4711.8414.6018.6124.2081.77A158-504.907.6210.5313.4716.8925.3885.28A96-604.817.7910.6613.9817.5722.4930.6983.50A63-4加载05.068.4911.8215.2318.9625.1569.79卸载58.8969.6373.8275.20A38-1加载04.357.1410.0912.8415.4919.2123.0879.39卸载61.4968.4273.7577.6180.30A392-2加载05.729.7013.5717.2320.8729.8370.17卸载46.7664.0468.8069.39A369-3加载05.199.4214.2818.9023.6228.9478.14卸载64.9074.9077.4979.04表5-10 15根管桩现场静力载荷试验实测结果 (a)A56-4号桩 (b)A38-1号桩 图5-27 典型管桩静载试验荷载沉降关系曲线5.4.3 高应变动力检测结果分析 5.4.3.1 管桩高应变测试 5.4.3.2 管桩高应变测试结果分析 采用高应变动测技术实测预应力混凝土管桩83根，抽检结果见表5-11，典型实测波形如图5-28，桩身结构基本完整。经统计分析，该工程实测83根预应力混凝土管桩单桩竖向抗压极限承载力平均值为5739 kN，不能满足设计上不小于7000kN的要求。序号桩号入土深度(m)检测日期桩身完整性极限承载力(kN)1A18-221.82008.3.9基本完整桩56142A2-223.32008.3.9基本完整桩56323A33-518.62008.3.9基本完整桩66214A58-220.62008.3.9接桩明显56215A47-5232008.3.9基本完整桩58696A46-318.62008.3.9接桩明显56907A45-524.72008.3.9基本完整桩60248A1-1272008.3.9基本完整桩55759A5-227.62008.3.12基本完整桩560410A18-1302008.3.12基本完整桩555011A17-132.72008.3.12基本完整桩575812A33-122.42008.3.12接桩明显578213A3-224.12008.3.12基本完整桩560514A20-526.12008.3.12基本完整桩601315A44-131.82008.3.12基本完整桩6687（其它高应变基桩检测结果略）表5-11 基桩高应变动力检测结果总表（a）高应变法实测曲线（b）F-V模拟计算拟合结果（c）模拟拟合静载P-S曲线 （d）模拟拟合摩阻力分布图5-28 A2-2基桩高应变实测波形及分析 5.4.4 低应变动力检测结果分析低应变动力检测结果分析 采用低应变测试技术检测部分基桩的完整性，并与高应变测试结果进行对比，在高应变检测基桩前进行了12根基桩的桩身完整性检测。桩身完整性检测结果列与表5-12，典型测试曲线如图5-29所示，其中类与类桩共11根，III桩1根。桩号桩径(mm)配装长度(m)入土深度（m）波速（m/s）桩身完整性综合评价A1-180028274100完整桩A16-48002625.74200接桩明显IIIA5-28003427.64320基本完整桩A18-180031304300基本完整桩A17-18003332.74200完整桩A33-18003422.44180基本完整桩A3-28002524.14300基本完整桩A20-58002726.14200基本完整桩A44-18004231.84300基本完整桩A44-280034334350基本完整桩A44-38004741.54180完整桩A19-28002828.14200完整桩表5-12 低应变桩身完整性检测成果汇总表图5-29 基桩低应变动力检测波形（A16-4号与A17-1号基桩）5.4.5 钻芯取样测试结果分析 针对现场未打入的2根PHC-AB600-130离心混凝土管桩进行钻芯取样和混凝土强度测试，每根桩钻取2个芯样，共钻取混凝土芯样4个。将混凝土芯样制作成高径比为1:1的圆柱体试件，对其补强、磨平后进行试压检测，按照钻芯检测离心混凝土强度试验方法（CB/T19496-2004）中的有关规定计算其抗压强度，混凝土芯样抗压检测结果见表5-13。该管桩混凝土设计强度等级为C80。由表5-13可见，其混凝土抗压强度不能满足设计要求。表5-13 管桩混凝土强度钻芯法测试结果混凝土管桩编号芯样编号芯样直径(mm)芯样高度(mm)芯样混凝土抗压强度值(MPa)设计强度等级GP-1175.075.062.3C80275.075.038.5GP-2374.075.046.0475.075.052.55.4.6 原因分析原因分析 各种检测方法的测试结果分析表明，其桩身结构基本完整，个别基桩存在明显缺陷；基桩竖向抗压极限承载力不能满足设计上不小于7000kN的要求；混凝土芯样的抗压强度不能达到设计上C80要求。综合分析与对比研究表明，高强预应力混凝土管桩的质量不能满足设计及工程要求，其原因可归结为以下几点：（1）混凝土管桩的混凝土强度不能满足设计要求；（2）管桩打入施工过程中高频次锤击对管桩桩身质量的影响；（3）场地岩溶地质条件复杂，勘探不明，桩端底部坚硬岩层厚度较薄，致使静载试验穿透薄岩层进入溶洞区；（4）管桩施工过程中跑偏，未沿预钻孔位置行进，致使出现断桩、挠曲、接桩处断裂等现象，导致基桩承载力偏低。思考题1、基桩测试目的与测试项目包括哪些？2、单桩静载荷试验试桩应满足哪些基本要求？3、单桩静载荷试验对试桩的抽检数量、加载量、加卸载标准与终止加载有何具体要求？4、单桩竖向抗压极限承载力、单桩竖向抗压极限承载力统计值、单桩竖向抗压承载力特征值有何联系与区别？具体是如何确定的？5、单桩竖向抗拔极限承载力、单桩竖向抗拔极限承载力统计值、单桩竖向抗拔承载力特征值是如何确定的？6、单桩水平静载试验的基本要求与加卸载过程如何？如何确定单桩水平承载力特征值？7、简述基桩低应变动测常用的方法及原理？并采用某一方法进行具体波形分析与完整性判别？8、简述基桩高应变动测常用的方法及原理？并采用某一方法进行具体波形分析与完整性判别？9、简述Osterberg试桩法和动静试桩法？10、简述钻芯法检测要求及桩身完整性判定要点。