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摘要：本文通过对灌注桩高应变实践经验的总结，提出在现场测试中应注重的几个问题，CASE法在灌注桩上的适用性，及CAPWAP分析计算中的若干问题。
关键词：灌注桩高应变锤重落距膨胀螺栓 CASE法土阻力分布阻尼系数异型桩高灵敏度软土
Abstract: This article discussed several questions in high-stress site-testing, and the applicability of CASE method using in drilling shaft pile, and several questions in CAPWAP analysis.
Keywords: Drilling shaft pile High-stress test Drop-distance Bulgy-bolt CASE method Soil resistance distributing Damp Coefficient abnormity pile High sensitivity soft-soil
1前言
高应变承载力动力测试方法在灌注桩上的运用，目前已被多数建筑工程界专家学者接受，通过多年实践经验的积累和总结，已趋于成熟和完善。但高应变是一种测试条件严格、注重计算分析者具备各方面理论知识和经验的测试技术，因此不但要求现场测试工作的每个环节必须严格按要求进行，而且在室内分析中要求能熟练掌握与运用相关的波动理论，土的静、动力学理论，岩土工程学理论，方能提高测试精度，提出合理准确的计算结果。不同地区不同的地质条件不同桩型，对高应变测试的要求不同，注重实践经验积累就尤其重要。笔者在总结了长期工作经验后，提出几个相关的问题，请大家讨论并给予批评指正。
2现场测试中锤重问题
规范规定锤重不应小于1%的单桩竖向极限承载力[3]。但在实践中发现按锤重为1%的单桩竖向极限承载力条件选锤，并无法将土阻力全部激发，而且发现桩型逾大打动的可能性逾小。根据我们的实践经验，在天津市不同桩型的锤重选取见下表。
分析原因其一可能是预估承载力偏小，其二锤重为1%的单桩竖向极限承载力的要求不能满足试验要求。我们的经验是，首先根据本场地单桩静载荷试验结果合理选锤，或者根据勘察报告结合岩土工程实践经验，重新预估承载力后合理选锤。
3落距、锤垫
落距的选取与锤重和锤垫有关。根据我们的经验在上述的锤重下，用稍湿的细砂作锤垫落距不宜大于1.0米，用工业毛毡落距不宜大于1.5米，原则是重锤低落距。
4安装膨胀螺栓
安装工具式应变传感器的膨胀螺栓，首先要垂直桩侧面，间距77㎜±2㎜，若采用内胀式特种螺栓，根据经验锤击胀钉应使其用手无法摇动后才可使传感器紧密按贴在桩身上，才能准确测出桩身应变，经验表明膨胀螺栓安装的好坏是影响整个测试工作的重要环节，其重要性不言而寓。
5钻孔灌注桩上的CASE法与 系数
我们都知道 值与桩端岩性有关[1]。但根据我们大量的实践发现，在钻孔灌注桩上的CAPWAP计算分析结果Jc值与桩端岩性相关不大，甚至同一场地，同一持力层， 值相差很大。而且实践表明，同一场地同种桩型的计算结果中，桩端阻力若相差较大， 值便相差很大。这一点可以通过CASE法承载力公式来说明[3]：
上式中 大小取决于 、 时刻的 和 及 值，若打击力一定，即 时刻的 和 值一定， 值一定， 仅与 时刻的 和 值有关了，而影响 时刻的 和 大小的根本因素是桩端阻力的大小（桩端土层的强度越低，速度曲线幅值越大，力曲线幅值越低，反之）。这里出现了一个问题：对于天津地区以桩侧摩阻力为主的钻孔灌注桩，运用CASE法来评价是否合理？通过上述对CASE法承载力公式的分析，若坚持采用CASE法，最终导致桩端阻力成为决定整桩承载力唯一因素的错误结论，若不降低或提高 值，必定使结果偏低或偏高，这就很容易产生凑数的数学游戏现象。根据钻孔灌注桩的施工特点，桩端下面难免存在不同厚度的孔底沉渣，使桩端混凝土与正常地层隔离。测试中一般桩顶沉降量在2～5㎜，下行波不足于使桩身克服沉渣作用于下部正常地层，使真正的（预计的）端阻力激发出来。而实测的端阻力仅为孔底沉渣物质给予桩端的阻力大小。在CAPWAP分析中，桩端阻力与桩侧阻力在一定的程度上是分开计算的[2]，由于土力学模型的差异（桩侧土为剪切效应，桩端土为冲压效应），实际土阻力大小的差异（若桩端沉渣物质过厚，实际端阻力会很小），可以使桩端与桩侧土的阻尼系数相差较大，这种理论模型至少在目前是符合实际情况的。事实上，桩端阻力大小并非决定了该桩承载力的大小，施工中超灌、扩径都可使承载力大大提高，而无须端阻力的贡献，而高应变试验应反映实际桩的承载情况。拟合法支持下的CASE法是否合理？这也是有条件的，前提是至少桩身情况和施工工艺是一致的（桩身材质、外形一致，孔底沉渣物质厚度、力学性质一致），其次地层条件相近。笔者亲自参与过钻孔灌注桩的施工管理，事实上，在同一场地中，能符合上述条件的桩几乎很少，每一根桩都有其特殊的形态，这可以通过我院的超声波成孔检测结果来证明。所以，我们认为，钻孔灌注桩的高应变测试应该仅采用波形拟合法来计算评价，而且不应该过分追求同一场地 值的离散度，否则会使拟合结果出现偏差。
6灌注桩拟合结果中土阻力的分布问题
目前判定拟合结果是否合理的一个依据是桩侧土阻力大小与分布是否和实际地层参数相吻合，即单位侧摩阻力不应超过规范的取值范围，有的拟合方法在决定土阻力分布时，将目前的规范取值在旁侧列出，作为限制。但在实际拟合中我们发现，局部单元的土阻力无论如何也将不下来，调试桩身阻抗也无济于事，该现象一般出现在扩径区，我们不得不认可了该现象的存在。经过反思和分析，我们认为，在紧接桩身扩径区的下部，桩身由扩径最大处回归至原桩身尺寸段，土阻力不再以纯剪切形式作用于桩身，而是以压剪形式作用于桩身，而土的抗压强度要远大于抗剪強度，故上行波必然增大，单位面积土阻力在计算结果中也必然增大，这种解释可能较为合理。这里又引发出另一个问题，如何准确计算分离出扩径和这种压剪力对上行波的贡献？
7灌注桩中扩径的拟合
如6所述，灌注桩的实测曲线中，上行波的大小不但受土阻力的影响，还受扩径的影响。我们再把问题说一边如何准确计算分离出扩径和这种压剪力对上行波的贡献？这是个纯理论问题，如果桩身是均质等截面的，上行波100%是土阻力的因素，反之是土阻力和阻抗的双重因素表现，可惜我们无法定量了解桩身阻抗的变化，比如5＋5等于10，而4＋6也等于10，阻抗可以是5，土阻力可以是5，阻抗也可以是4，土阻力也可以是6，而上行波大小是同样的10。要说明的是这在扩径不是十分强烈的前提下讨论的。这是目前困扰高应变理论界的一个重要问题，因为这直接影响到高应变测试精度。我们的做法是把上行波多分给阻抗，少分给土阻力，使承载力趋于保守。
8拟合中桩周土的阻尼系数
在CAPWAP分析中桩侧土阻尼系数采用传统的Smith阻尼 ，表示为 ，其中 为动阻力， 为该单元质点的运动速度， 为该单元实际被激发的土阻力。当土阻力被充分激发时， 即为常数，此时Smith阻尼 仅仅表示动阻力与质点运动速度的比值。当 时，土阻力未被充分激发，Smith阻尼 值不但与动阻力和质点运动速度的比值有关，而且还与静阻力有关。静阻力 ， 。
因此桩身质点运动速度实测后，只要调整Smith阻尼 ，便可调整桩侧动阻力大小。我们定义桩侧土Smith阻尼系数为 ，桩端土Smith阻尼系数为 ，CAPWAP发明者认为 和 的计算结果不应大于1.0，否者应采用辐射阻尼[2]。
受篇幅所限，辐射阻尼的理论不详细讨论，仅说明其原理。当桩端坐于基岩或密实砂土上时，桩身所受的打击力不能使桩端产生激发真实土阻力的位移，为此认为桩土界面的剪切破坏不完全或激发的土阻力并不能代表真正的极限土阻力，而且部分桩侧和桩端的土体会随着桩身一起向下运动，这部分土体与外界土体间会产生阻尼力，形象理解为总阻力部分会分配至桩土界面以外的土体中[2]。这种现象的确是存在的，笔者在先前的有关预制桩承载力时间效应的文章中已论述了因为桩周土紧密帖附在预制桩身周围，使承载力大大提高的原因[4]。问题并不是理论模型的对错（其实桩土界面的相对位移是很小的，以至于可以忽略不计），如何真正知道桩周土体参振质量的大小及土体与土体间的阻尼参数是关键，笔者曾经做过试验，同样一个信号，采用不同辐射阻尼系数，承载力可以相差一倍多。笔者曾就该方面的问题向Linkins教授请教，教授认为从只有动静对比中寻找答案。
有一种情况可以排除，如果现场因人为原因（选锤过小、落距过小）未将桩周土阻力充分激发，再人为增加辐射阻尼提高承载力，无异于做数学游戏，永远无法得到真正的承载力。
9异型桩的高应变测试
随着桩基础技术的发展，异型桩日趋见多，异型桩的动力检测问题急待解决。这里仅对枝盘桩做一个探讨。枝盘桩是利用在合理地层中人为制造扩径方法来提高单桩承载力，枝盘桩是否可以采用高应变的方法来检测承载力？笔者认为在一定的条件下是可以的。从桩身理论模型上，枝盘桩与直杆桩的差异仅在于几个盘上，通过拟合程序中非均质桩的模型完全可以概化；从行波理论上，应使下行波波长足够宽，使打击力波源源不断地作用于桩身，压抑或消除桩身内因扩径造成的派生波的影响；更主要的是让桩身产生足够的位移，充分激发包括桩端、桩侧、盘下土体阻力。有人担心盘与盘之间的土体的阻力是否是按完全剪切形式作用与桩身，笔者认为，对于盘下的软、可塑土体，受盘压力作用的范围不会很大，而在此范围以外的土体其对桩身的摩擦阻力作用形式应与直杆桩相同。除此之外还有一个根本条件，测试前必须定量了解桩身阻抗变化情况，目前来讲，这以不再是问题，可以利用超声波成孔检测法提前对钻孔情况进行造影，详细测算桩身的截面积的变化，在拟合中概化成与实际相符合的桩身模型。其实，利用超声波成孔检测法了解桩身阻抗情况，可以推广至直杆式钻孔灌注桩的高应变检测中，此时阻抗问题不再是困扰我们的理论问题。
10高灵敏度软土的高应变测试
淤泥及淤泥质土在岩土工程中也称其为高灵敏度土[5]，在天津沿海地区广为分布，其工程地质特性表现为受扰动（如振动）后强度会大大丧失。高应变测试中有时需要多次锤击，但在高灵敏度土中，会因多次锤击使承载力降低，若采用后几锤信号分析，承载力会偏低。
Fig.1及Fig.2为天津开发区一根钻孔桩的第一锤和第三锤信号的拟合结果，桩长29.0m，截面积为2826㎝2，单桩竖向极限承载力预估值1600kN，选用3.5吨重锤，落距均为0.8m。具体拟合结果详见下表。分析认为15m以上的淤泥在两次受振動后其强度降低了50.8%，承载力降低了11.5%，极限侧摩阻力降低了12.2%，端阻略有降低，桩端阻尼略有提高。
在高灵敏度软土中的高应变测试，根据我们的经验，应该减少锤击次数，最好一锤定音。第一锤建议就采用高落距大能量打击，使土阻力充分激发出来。
11结语
我们强调高应变测试的复杂性和经验性，是避免对其认识的简单化。事实是，在同一场地、同种桩型，桩与桩的具体差异仍然存在，这是灌注桩的特点。具体问题具体分析，是解决问题的根本。另外，发展综合检测手段，辅助高应变理论的完善，仍然是今后的重要的思路，可以并不仅仅局限于静载试验。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：灌注桩高应变锤重落距膨胀螺栓 CASE法土阻力分布阻尼系数异型桩高灵敏度软土
Abstract: This article discussed several questions in high-stress site-testing, and the applicability of CASE method using in drilling shaft pile, and several questions in CAPWAP analysis.
Keywords: Drilling shaft pile High-stress test Drop-distance Bulgy-bolt CASE method Soil resistance distributing Damp Coefficient abnormity pile High sensitivity soft-soil
1前言
高应变承载力动力测试方法在灌注桩上的运用，目前已被多数建筑工程界专家学者接受，通过多年实践经验的积累和总结，已趋于成熟和完善。但高应变是一种测试条件严格、注重计算分析者具备各方面理论知识和经验的测试技术，因此不但要求现场测试工作的每个环节必须严格按要求进行，而且在室内分析中要求能熟练掌握与运用相关的波动理论，土的静、动力学理论，岩土工程学理论，方能提高测试精度，提出合理准确的计算结果。不同地区不同的地质条件不同桩型，对高应变测试的要求不同，注重实践经验积累就尤其重要。笔者在总结了长期工作经验后，提出几个相关的问题，请大家讨论并给予批评指正。
2现场测试中锤重问题
规范规定锤重不应小于1%的单桩竖向极限承载力[3]。但在实践中发现按锤重为1%的单桩竖向极限承载力条件选锤，并无法将土阻力全部激发，而且发现桩型逾大打动的可能性逾小。根据我们的实践经验，在天津市不同桩型的锤重选取见下表。
分析原因其一可能是预估承载力偏小，其二锤重为1%的单桩竖向极限承载力的要求不能满足试验要求。我们的经验是，首先根据本场地单桩静载荷试验结果合理选锤，或者根据勘察报告结合岩土工程实践经验，重新预估承载力后合理选锤。
3落距、锤垫
落距的选取与锤重和锤垫有关。根据我们的经验在上述的锤重下，用稍湿的细砂作锤垫落距不宜大于1.0米，用工业毛毡落距不宜大于1.5米，原则是重锤低落距。
4安装膨胀螺栓
安装工具式应变传感器的膨胀螺栓，首先要垂直桩侧面，间距77㎜±2㎜，若采用内胀式特种螺栓，根据经验锤击胀钉应使其用手无法摇动后才可使传感器紧密按贴在桩身上，才能准确测出桩身应变，经验表明膨胀螺栓安装的好坏是影响整个测试工作的重要环节，其重要性不言而寓。
5钻孔灌注桩上的CASE法与 系数
我们都知道 值与桩端岩性有关[1]。但根据我们大量的实践发现，在钻孔灌注桩上的CAPWAP计算分析结果Jc值与桩端岩性相关不大，甚至同一场地，同一持力层， 值相差很大。而且实践表明，同一场地同种桩型的计算结果中，桩端阻力若相差较大， 值便相差很大。这一点可以通过CASE法承载力公式来说明[3]：
上式中 大小取决于 、 时刻的 和 及 值，若打击力一定，即 时刻的 和 值一定， 值一定， 仅与 时刻的 和 值有关了，而影响 时刻的 和 大小的根本因素是桩端阻力的大小（桩端土层的强度越低，速度曲线幅值越大，力曲线幅值越低，反之）。这里出现了一个问题：对于天津地区以桩侧摩阻力为主的钻孔灌注桩，运用CASE法来评价是否合理？通过上述对CASE法承载力公式的分析，若坚持采用CASE法，最终导致桩端阻力成为决定整桩承载力唯一因素的错误结论，若不降低或提高 值，必定使结果偏低或偏高，这就很容易产生凑数的数学游戏现象。根据钻孔灌注桩的施工特点，桩端下面难免存在不同厚度的孔底沉渣，使桩端混凝土与正常地层隔离。测试中一般桩顶沉降量在2～5㎜，下行波不足于使桩身克服沉渣作用于下部正常地层，使真正的（预计的）端阻力激发出来。而实测的端阻力仅为孔底沉渣物质给予桩端的阻力大小。在CAPWAP分析中，桩端阻力与桩侧阻力在一定的程度上是分开计算的[2]，由于土力学模型的差异（桩侧土为剪切效应，桩端土为冲压效应），实际土阻力大小的差异（若桩端沉渣物质过厚，实际端阻力会很小），可以使桩端与桩侧土的阻尼系数相差较大，这种理论模型至少在目前是符合实际情况的。事实上，桩端阻力大小并非决定了该桩承载力的大小，施工中超灌、扩径都可使承载力大大提高，而无须端阻力的贡献，而高应变试验应反映实际桩的承载情况。拟合法支持下的CASE法是否合理？这也是有条件的，前提是至少桩身情况和施工工艺是一致的（桩身材质、外形一致，孔底沉渣物质厚度、力学性质一致），其次地层条件相近。笔者亲自参与过钻孔灌注桩的施工管理，事实上，在同一场地中，能符合上述条件的桩几乎很少，每一根桩都有其特殊的形态，这可以通过我院的超声波成孔检测结果来证明。所以，我们认为，钻孔灌注桩的高应变测试应该仅采用波形拟合法来计算评价，而且不应该过分追求同一场地 值的离散度，否则会使拟合结果出现偏差。
6灌注桩拟合结果中土阻力的分布问题
目前判定拟合结果是否合理的一个依据是桩侧土阻力大小与分布是否和实际地层参数相吻合，即单位侧摩阻力不应超过规范的取值范围，有的拟合方法在决定土阻力分布时，将目前的规范取值在旁侧列出，作为限制。但在实际拟合中我们发现，局部单元的土阻力无论如何也将不下来，调试桩身阻抗也无济于事，该现象一般出现在扩径区，我们不得不认可了该现象的存在。经过反思和分析，我们认为，在紧接桩身扩径区的下部，桩身由扩径最大处回归至原桩身尺寸段，土阻力不再以纯剪切形式作用于桩身，而是以压剪形式作用于桩身，而土的抗压强度要远大于抗剪強度，故上行波必然增大，单位面积土阻力在计算结果中也必然增大，这种解释可能较为合理。这里又引发出另一个问题，如何准确计算分离出扩径和这种压剪力对上行波的贡献？
7灌注桩中扩径的拟合
如6所述，灌注桩的实测曲线中，上行波的大小不但受土阻力的影响，还受扩径的影响。我们再把问题说一边如何准确计算分离出扩径和这种压剪力对上行波的贡献？这是个纯理论问题，如果桩身是均质等截面的，上行波100%是土阻力的因素，反之是土阻力和阻抗的双重因素表现，可惜我们无法定量了解桩身阻抗的变化，比如5＋5等于10，而4＋6也等于10，阻抗可以是5，土阻力可以是5，阻抗也可以是4，土阻力也可以是6，而上行波大小是同样的10。要说明的是这在扩径不是十分强烈的前提下讨论的。这是目前困扰高应变理论界的一个重要问题，因为这直接影响到高应变测试精度。我们的做法是把上行波多分给阻抗，少分给土阻力，使承载力趋于保守。
8拟合中桩周土的阻尼系数
在CAPWAP分析中桩侧土阻尼系数采用传统的Smith阻尼 ，表示为 ，其中 为动阻力， 为该单元质点的运动速度， 为该单元实际被激发的土阻力。当土阻力被充分激发时， 即为常数，此时Smith阻尼 仅仅表示动阻力与质点运动速度的比值。当 时，土阻力未被充分激发，Smith阻尼 值不但与动阻力和质点运动速度的比值有关，而且还与静阻力有关。静阻力 ， 。
因此桩身质点运动速度实测后，只要调整Smith阻尼 ，便可调整桩侧动阻力大小。我们定义桩侧土Smith阻尼系数为 ，桩端土Smith阻尼系数为 ，CAPWAP发明者认为 和 的计算结果不应大于1.0，否者应采用辐射阻尼[2]。
受篇幅所限，辐射阻尼的理论不详细讨论，仅说明其原理。当桩端坐于基岩或密实砂土上时，桩身所受的打击力不能使桩端产生激发真实土阻力的位移，为此认为桩土界面的剪切破坏不完全或激发的土阻力并不能代表真正的极限土阻力，而且部分桩侧和桩端的土体会随着桩身一起向下运动，这部分土体与外界土体间会产生阻尼力，形象理解为总阻力部分会分配至桩土界面以外的土体中[2]。这种现象的确是存在的，笔者在先前的有关预制桩承载力时间效应的文章中已论述了因为桩周土紧密帖附在预制桩身周围，使承载力大大提高的原因[4]。问题并不是理论模型的对错（其实桩土界面的相对位移是很小的，以至于可以忽略不计），如何真正知道桩周土体参振质量的大小及土体与土体间的阻尼参数是关键，笔者曾经做过试验，同样一个信号，采用不同辐射阻尼系数，承载力可以相差一倍多。笔者曾就该方面的问题向Linkins教授请教，教授认为从只有动静对比中寻找答案。
有一种情况可以排除，如果现场因人为原因（选锤过小、落距过小）未将桩周土阻力充分激发，再人为增加辐射阻尼提高承载力，无异于做数学游戏，永远无法得到真正的承载力。
9异型桩的高应变测试
随着桩基础技术的发展，异型桩日趋见多，异型桩的动力检测问题急待解决。这里仅对枝盘桩做一个探讨。枝盘桩是利用在合理地层中人为制造扩径方法来提高单桩承载力，枝盘桩是否可以采用高应变的方法来检测承载力？笔者认为在一定的条件下是可以的。从桩身理论模型上，枝盘桩与直杆桩的差异仅在于几个盘上，通过拟合程序中非均质桩的模型完全可以概化；从行波理论上，应使下行波波长足够宽，使打击力波源源不断地作用于桩身，压抑或消除桩身内因扩径造成的派生波的影响；更主要的是让桩身产生足够的位移，充分激发包括桩端、桩侧、盘下土体阻力。有人担心盘与盘之间的土体的阻力是否是按完全剪切形式作用与桩身，笔者认为，对于盘下的软、可塑土体，受盘压力作用的范围不会很大，而在此范围以外的土体其对桩身的摩擦阻力作用形式应与直杆桩相同。除此之外还有一个根本条件，测试前必须定量了解桩身阻抗变化情况，目前来讲，这以不再是问题，可以利用超声波成孔检测法提前对钻孔情况进行造影，详细测算桩身的截面积的变化，在拟合中概化成与实际相符合的桩身模型。其实，利用超声波成孔检测法了解桩身阻抗情况，可以推广至直杆式钻孔灌注桩的高应变检测中，此时阻抗问题不再是困扰我们的理论问题。
10高灵敏度软土的高应变测试
淤泥及淤泥质土在岩土工程中也称其为高灵敏度土[5]，在天津沿海地区广为分布，其工程地质特性表现为受扰动（如振动）后强度会大大丧失。高应变测试中有时需要多次锤击，但在高灵敏度土中，会因多次锤击使承载力降低，若采用后几锤信号分析，承载力会偏低。
Fig.1及Fig.2为天津开发区一根钻孔桩的第一锤和第三锤信号的拟合结果，桩长29.0m，截面积为2826㎝2，单桩竖向极限承载力预估值1600kN，选用3.5吨重锤，落距均为0.8m。具体拟合结果详见下表。分析认为15m以上的淤泥在两次受振動后其强度降低了50.8%，承载力降低了11.5%，极限侧摩阻力降低了12.2%，端阻略有降低，桩端阻尼略有提高。
在高灵敏度软土中的高应变测试，根据我们的经验，应该减少锤击次数，最好一锤定音。第一锤建议就采用高落距大能量打击，使土阻力充分激发出来。
11结语
我们强调高应变测试的复杂性和经验性，是避免对其认识的简单化。事实是，在同一场地、同种桩型，桩与桩的具体差异仍然存在，这是灌注桩的特点。具体问题具体分析，是解决问题的根本。另外，发展综合检测手段，辅助高应变理论的完善，仍然是今后的重要的思路，可以并不仅仅局限于静载试验。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。