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摘要：本文阐述了高应变动力检测应用过程中桩顶反射波、桩头质量、锤击能量、传感器安装情况对采集信号的影响；述说了本方法的检测精度及误差来源；并给出天津地区主要桩基持力层Case阻尼系数Jc值的选取。
关键词：高应变动力；检测；措施
Abstract: This paper describes the application of high strain dynamic testing of pile top reflection wave, influence the quality of pile head, hammering energy ,sensor installation of signal acquisition; describing the measurement precision and the error source of this method; selection of Case damping coefficient J c value bearing main pile and gives the Tianjin area.
Key words: high strain dynamic testing; measures;
中图分类号：K826.16文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）1-0020-03
前言
高应变动力检测法系美国俄亥俄州克利夫兰市Case技术学院G.G.Goble教授等人提出的一套检测计算基桩承载力的方法，本方法采用重锤冲击桩顶产生应力波，在桩顶两侧安装应力及加速度传感器，采集力信号及加速度信号，分析计算桩侧土阻力及桩端土阻力。
由于室内计算的不同又分为Case法和实测曲线拟合法。Case法是根据应力波理论简化出来的一种计算方法，把桩假设为一维连续均质的线弹性体，桩周及桩端土对桩的运动起阻力作用，动阻力全部集中在桩尖，静阻力采用理想刚塑性体模型，没有考虑土的卸载、桩侧动阻力等影响，现场可直接计算承载力。实测曲线拟合法把桩身假设为弹性体，不再要求桩身为均质（截面和阻抗上、下一致），考虑了桩身缺陷、阻尼衰减，动阻力在桩侧、桩尖均有，加入了辐射阻尼，静阻力采用理想的弹塑性模型，模型中引入了卸载、复载、线性硬化、土塞、土隙等模型，将桩和土各自划分为一系列单元，不同于Case法仅分析两条特征线，而是逐单元地进行分析计算。
高应变动力检测法已广泛应用于国内、外桩基工程的检测中，在天津地区也已被工程界所认可，并且应用于工业及民用建筑的基桩承载力检测， 1998年10月至今天津地区共采用高应变检测方法检测基桩1200余根，平均每月进行100根桩左右的高应变动力检测。由于高应变动力检测法在实践应用中，容易造成检测信号失真，分析结果偏离太大，检测技术参数不确定性等问题，给工程检测带来许多困难，因此如何采集到可靠的信号，减少检测误差，选择合理的技术参数是检测人员所面临的问题。本文对高应变动力检测法现场采集中，桩顶反射波、桩头质量、锤击能量、传感器安装对采集信号的影响；高应变检测承载力的精度及误差来源；天津地区主要桩基持力层Case阻尼系数Jc值的选取等问题进行简单的探讨。
2、桩顶反射波、桩头质量、锤击能量、传感器安装情况对采集信号的影响
高应变检测基桩桩顶未进行加固（制作），桩顶质量较
差，混凝土疏松，锤击时易产生塑性变形或开裂，将直接影
响采集信号的质量。如图1所示，我们来阐述应力波在桩顶
部分的传递机理，传感器安装于距桩顶x处，桩顶受到锤击
后，向下运动的压应力波到达检测截面为峰值如图2所示。
压应力波通过截面后，将受到桩身周围侧阻力的作用，产生
上行的压应力波，通过检测截面，力曲线上升R/2，速度曲
线下降R/2，压应力波到达桩顶后，产生下行的拉应力波，到达检测截面后，使上行的压应力波力曲线下降，速度曲线也下降。根据时程计算可知，在截面下2x距离内曲线不受影响，2x段以下则受到桩顶反射波的影响，如3x段上行压应力波到达检测截面后正好与1x段的反射拉应力波叠加如式2.1~2.3：
R ＝ F－Zv(2.1)
F＝F3x－F’1xZv＝Zv3x－Zv’1x (2.2)
R＝F3x－Zv3x－F’1x＋Zv’1x (2.3)
2.3式后两项相等，相互对消，
即前后叠加作用并没有改变3x截
面上行压应力波的阻力特性，检测
截面离桩顶一段距离，桩顶的反射波对检测信号是不影响的，不管检测截面选择在什么地方，两条实测曲线的分离程度始终将等于R而准确反映所受阻力的大小。因此，传感器安装距离只要保证安装截面在桩顶受击后不产生开裂或塑性变形，传感器安装不附加人为的应力扭曲，锤击时不偏心，采集到的实测力、速度信号将能正确反映桩周的阻力特性。如果锤击偏心，将造成实测力信号一侧严重受拉、一侧严重受压，致使实测的阻力失真，检测失败，如图3所示锤击偏心实测曲线。高应变现场检测时，桩头必须进行预先加固
或制作以保证质量，传感器安装截面距离桩顶面应为1～2倍的桩径，在天津地区一般取距桩顶1.0～1.5m处；锤重应以能足够激发桩的土阻力为准，最好选桩预估承载力的1～2%；锤击落高应不致使桩顶开裂且能有效地保证锤击能量，对于灌注桩桩顶采用干净的湿细砂作锤垫时，落高宜为1.5~2.0m；传感器安装扭曲电压应小于1v，越小越好。檢测时应选择动态平衡及动态性能较好的仪器，如：国产的RS系列、美国的PAL等。较好的高应变动力检测信号如图4所示。
高应变动力检测法的检测精度及误差来源
高应变动力检测法是通过在桩顶施加一瞬态力，并检测分析桩的动态特性来确定单桩承载力，其检测可靠性取决于两方面：一、激振能量是否使桩产生足够大的位移以充分激发土阻力；二、合理消除瞬态作用带来的动阻力影响。桩基极限承载力与桩基的沉降位移大小及加荷速率有关，这是因为土是两相介质，在不同的加荷速率下，其强度及变形特性相差很大。不同的加荷速率和幅度，使桩土体系所表现的特性不同，故其对应的测试结果也不同。对于摩擦桩来说，桩的承载力是和桩顶长期恒载下产生的最终位移量相联系的。目前按规范要求进行静载荷试桩方法，本身存在高达10％的相对误差，快速加荷与慢速加荷之间也存在高达10％的相对误差。高应变动力检测由于本身的计算模型假设不完全符合桩土体系实际情况，以及桩周土的时间效应及触变效应，因此对高应变动力检测法确定承载力的精度要求过高是不现实的，高应变检测桩的承载力精度一般认为应控制为±20％左右。
以上是从高应变动力检测法本身上讨论检测精度问题，以下从检测方法的原理、参数计算方面分析检测误差的来源。式3.1是高应变Case阻尼系数法（RSP）检测桩的极限承载力公式：
RSP ＝ （1－Jc）/2 （Fmt1＋Zvmt1）＋（1－Jc）/2 （Fmt2－Zvmt2） （3.1）
式中：Z为桩身动力学阻抗kN·s/m ，Z＝EA/c ＝ρcA，ρ为混凝土密度，
c混凝土弹性波速 ，A 检测截面面积，Jc为Case阻尼系数，
Fmt1、Fmt2、vmt1、vmt2分别为t1、t2时刻检测截面所测的力和质点振动的速度。
从式中可以看出，高应变动力检测法误差来源于以下几个方面：一、应变传感器常因安装不当产生较大的测试误差，尤其是灌注桩上，要获得准确的应力测试值（Fmt1、Fmt2）很不容易，当加速度与应变测试存在稍大的误差时，F与Zv计算的阻力存在较大的任意性。二、波速的选取问题，由于混凝土的阻抗Z与桩身弹性波速c有关，因桩身长度的误差及检测曲线桩底的不易确定性，致使平均波速的不准确，又因通过计算桩底反射波计算的平均波速Wc往往不等于传感器安装处混凝土的弹性波速c，对灌注桩和有缺陷的桩更是如此，波速的不准确带来桩身阻抗的计算误差严重影响承载力计算结果的可靠性。三、Case阻尼系数Jc值取值的不确定性，实测曲线拟合法各种参数的非唯一性，将导致高应变动力检测法结果存在很大的相对误差。
天津地区主要桩基持力层Case阻尼系数Jc值的选取
高应变Case法假设桩在锤击作用下桩的动阻尼主要集中在桩尖，并与
桩尖运动速度vb成正比。为了消除动阻力的影响，G.G.Goble教授采用了一个无量纲的阻尼系数Jc，令
Jc＝Rd/（Zvb）4.1
式中：Rd动阻尼，Z桩身动力学阻抗，vb桩端质点振动速度。
Case阻尼系数取值与土质有关，美国PDI公司给出了Case阻尼系数Jc的经验取值如表一：
表一 Case阻尼系数Jc的经验取值（美国PDI公司资料）
目前许多单位在套用表一中的Jc取值，但由于Jc的取值与桩端土层有关，因此机械套用表一显然是不正确的。通过几年来大量工程的动静对比实践，借助CAPWAP、CCWAPC程序的分析，证明Jc值的选取具有地区性，不同桩型、不同深度下的不同土质均有不同的Jc取值。高应变Case法阻尼系数Jc值可通过场地的动静对比试验求得，同一场地对比试验必须选择相同的锤击能量及安装形式，在无静载荷试验的情况，可利用由可靠的实测曲线拟合法提供的Jc值。表二给出天津地区主要桩基持力层主要桩型的Jc取值，并注明部分基桩工程地点、实测极限承载力及静载荷或實测曲线拟合法极限承载力值，表中标注*号值为实测曲线拟合法提供的值。
表二 天津地区主要桩基持力层主要桩型的Jc取值
结语
高应变动力检测法现场采集原始信号是关键，要采集较好的信号，必须保证桩头质量，选择合适的锤重及落高，正确安装好传感器，调试好仪器进行检测。同时在内业计算分析中要掌握本方法的机理，选择合适的计算参数，减少检测结果误差。另外，Case阻尼系数Jc值的选取在高应变Case法中直接关系到承载力的数值大小，应按《基桩高应变动力检测规程》（JGJ106－2003）中的要求确定Jc值。
关键词：高应变动力；检测；措施
Abstract: This paper describes the application of high strain dynamic testing of pile top reflection wave, influence the quality of pile head, hammering energy ,sensor installation of signal acquisition; describing the measurement precision and the error source of this method; selection of Case damping coefficient J c value bearing main pile and gives the Tianjin area.
Key words: high strain dynamic testing; measures;
中图分类号：K826.16文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）1-0020-03
前言
高应变动力检测法系美国俄亥俄州克利夫兰市Case技术学院G.G.Goble教授等人提出的一套检测计算基桩承载力的方法，本方法采用重锤冲击桩顶产生应力波，在桩顶两侧安装应力及加速度传感器，采集力信号及加速度信号，分析计算桩侧土阻力及桩端土阻力。
由于室内计算的不同又分为Case法和实测曲线拟合法。Case法是根据应力波理论简化出来的一种计算方法，把桩假设为一维连续均质的线弹性体，桩周及桩端土对桩的运动起阻力作用，动阻力全部集中在桩尖，静阻力采用理想刚塑性体模型，没有考虑土的卸载、桩侧动阻力等影响，现场可直接计算承载力。实测曲线拟合法把桩身假设为弹性体，不再要求桩身为均质（截面和阻抗上、下一致），考虑了桩身缺陷、阻尼衰减，动阻力在桩侧、桩尖均有，加入了辐射阻尼，静阻力采用理想的弹塑性模型，模型中引入了卸载、复载、线性硬化、土塞、土隙等模型，将桩和土各自划分为一系列单元，不同于Case法仅分析两条特征线，而是逐单元地进行分析计算。
高应变动力检测法已广泛应用于国内、外桩基工程的检测中，在天津地区也已被工程界所认可，并且应用于工业及民用建筑的基桩承载力检测， 1998年10月至今天津地区共采用高应变检测方法检测基桩1200余根，平均每月进行100根桩左右的高应变动力检测。由于高应变动力检测法在实践应用中，容易造成检测信号失真，分析结果偏离太大，检测技术参数不确定性等问题，给工程检测带来许多困难，因此如何采集到可靠的信号，减少检测误差，选择合理的技术参数是检测人员所面临的问题。本文对高应变动力检测法现场采集中，桩顶反射波、桩头质量、锤击能量、传感器安装对采集信号的影响；高应变检测承载力的精度及误差来源；天津地区主要桩基持力层Case阻尼系数Jc值的选取等问题进行简单的探讨。
2、桩顶反射波、桩头质量、锤击能量、传感器安装情况对采集信号的影响
高应变检测基桩桩顶未进行加固（制作），桩顶质量较
差，混凝土疏松，锤击时易产生塑性变形或开裂，将直接影
响采集信号的质量。如图1所示，我们来阐述应力波在桩顶
部分的传递机理，传感器安装于距桩顶x处，桩顶受到锤击
后，向下运动的压应力波到达检测截面为峰值如图2所示。
压应力波通过截面后，将受到桩身周围侧阻力的作用，产生
上行的压应力波，通过检测截面，力曲线上升R/2，速度曲
线下降R/2，压应力波到达桩顶后，产生下行的拉应力波，到达检测截面后，使上行的压应力波力曲线下降，速度曲线也下降。根据时程计算可知，在截面下2x距离内曲线不受影响，2x段以下则受到桩顶反射波的影响，如3x段上行压应力波到达检测截面后正好与1x段的反射拉应力波叠加如式2.1~2.3：
R ＝ F－Zv(2.1)
F＝F3x－F’1xZv＝Zv3x－Zv’1x (2.2)
R＝F3x－Zv3x－F’1x＋Zv’1x (2.3)
2.3式后两项相等，相互对消，
即前后叠加作用并没有改变3x截
面上行压应力波的阻力特性，检测
截面离桩顶一段距离，桩顶的反射波对检测信号是不影响的，不管检测截面选择在什么地方，两条实测曲线的分离程度始终将等于R而准确反映所受阻力的大小。因此，传感器安装距离只要保证安装截面在桩顶受击后不产生开裂或塑性变形，传感器安装不附加人为的应力扭曲，锤击时不偏心，采集到的实测力、速度信号将能正确反映桩周的阻力特性。如果锤击偏心，将造成实测力信号一侧严重受拉、一侧严重受压，致使实测的阻力失真，检测失败，如图3所示锤击偏心实测曲线。高应变现场检测时，桩头必须进行预先加固
或制作以保证质量，传感器安装截面距离桩顶面应为1～2倍的桩径，在天津地区一般取距桩顶1.0～1.5m处；锤重应以能足够激发桩的土阻力为准，最好选桩预估承载力的1～2%；锤击落高应不致使桩顶开裂且能有效地保证锤击能量，对于灌注桩桩顶采用干净的湿细砂作锤垫时，落高宜为1.5~2.0m；传感器安装扭曲电压应小于1v，越小越好。檢测时应选择动态平衡及动态性能较好的仪器，如：国产的RS系列、美国的PAL等。较好的高应变动力检测信号如图4所示。
高应变动力检测法的检测精度及误差来源
高应变动力检测法是通过在桩顶施加一瞬态力，并检测分析桩的动态特性来确定单桩承载力，其检测可靠性取决于两方面：一、激振能量是否使桩产生足够大的位移以充分激发土阻力；二、合理消除瞬态作用带来的动阻力影响。桩基极限承载力与桩基的沉降位移大小及加荷速率有关，这是因为土是两相介质，在不同的加荷速率下，其强度及变形特性相差很大。不同的加荷速率和幅度，使桩土体系所表现的特性不同，故其对应的测试结果也不同。对于摩擦桩来说，桩的承载力是和桩顶长期恒载下产生的最终位移量相联系的。目前按规范要求进行静载荷试桩方法，本身存在高达10％的相对误差，快速加荷与慢速加荷之间也存在高达10％的相对误差。高应变动力检测由于本身的计算模型假设不完全符合桩土体系实际情况，以及桩周土的时间效应及触变效应，因此对高应变动力检测法确定承载力的精度要求过高是不现实的，高应变检测桩的承载力精度一般认为应控制为±20％左右。
以上是从高应变动力检测法本身上讨论检测精度问题，以下从检测方法的原理、参数计算方面分析检测误差的来源。式3.1是高应变Case阻尼系数法（RSP）检测桩的极限承载力公式：
RSP ＝ （1－Jc）/2 （Fmt1＋Zvmt1）＋（1－Jc）/2 （Fmt2－Zvmt2） （3.1）
式中：Z为桩身动力学阻抗kN·s/m ，Z＝EA/c ＝ρcA，ρ为混凝土密度，
c混凝土弹性波速 ，A 检测截面面积，Jc为Case阻尼系数，
Fmt1、Fmt2、vmt1、vmt2分别为t1、t2时刻检测截面所测的力和质点振动的速度。
从式中可以看出，高应变动力检测法误差来源于以下几个方面：一、应变传感器常因安装不当产生较大的测试误差，尤其是灌注桩上，要获得准确的应力测试值（Fmt1、Fmt2）很不容易，当加速度与应变测试存在稍大的误差时，F与Zv计算的阻力存在较大的任意性。二、波速的选取问题，由于混凝土的阻抗Z与桩身弹性波速c有关，因桩身长度的误差及检测曲线桩底的不易确定性，致使平均波速的不准确，又因通过计算桩底反射波计算的平均波速Wc往往不等于传感器安装处混凝土的弹性波速c，对灌注桩和有缺陷的桩更是如此，波速的不准确带来桩身阻抗的计算误差严重影响承载力计算结果的可靠性。三、Case阻尼系数Jc值取值的不确定性，实测曲线拟合法各种参数的非唯一性，将导致高应变动力检测法结果存在很大的相对误差。
天津地区主要桩基持力层Case阻尼系数Jc值的选取
高应变Case法假设桩在锤击作用下桩的动阻尼主要集中在桩尖，并与
桩尖运动速度vb成正比。为了消除动阻力的影响，G.G.Goble教授采用了一个无量纲的阻尼系数Jc，令
Jc＝Rd/（Zvb）4.1
式中：Rd动阻尼，Z桩身动力学阻抗，vb桩端质点振动速度。
Case阻尼系数取值与土质有关，美国PDI公司给出了Case阻尼系数Jc的经验取值如表一：
表一 Case阻尼系数Jc的经验取值（美国PDI公司资料）
目前许多单位在套用表一中的Jc取值，但由于Jc的取值与桩端土层有关，因此机械套用表一显然是不正确的。通过几年来大量工程的动静对比实践，借助CAPWAP、CCWAPC程序的分析，证明Jc值的选取具有地区性，不同桩型、不同深度下的不同土质均有不同的Jc取值。高应变Case法阻尼系数Jc值可通过场地的动静对比试验求得，同一场地对比试验必须选择相同的锤击能量及安装形式，在无静载荷试验的情况，可利用由可靠的实测曲线拟合法提供的Jc值。表二给出天津地区主要桩基持力层主要桩型的Jc取值，并注明部分基桩工程地点、实测极限承载力及静载荷或實测曲线拟合法极限承载力值，表中标注*号值为实测曲线拟合法提供的值。
表二 天津地区主要桩基持力层主要桩型的Jc取值
结语
高应变动力检测法现场采集原始信号是关键，要采集较好的信号，必须保证桩头质量，选择合适的锤重及落高，正确安装好传感器，调试好仪器进行检测。同时在内业计算分析中要掌握本方法的机理，选择合适的计算参数，减少检测结果误差。另外，Case阻尼系数Jc值的选取在高应变Case法中直接关系到承载力的数值大小，应按《基桩高应变动力检测规程》（JGJ106－2003）中的要求确定Jc值。