(内蒙古地质矿产勘查院，内蒙古 呼和浩特 010010)
摘 要：文章针对高应变动力试桩法对端承管桩检测准确性低的问题，结合多年实际检测经验，归纳总结出端承管桩在土中的各种受力特点及其实测曲线特征，进行分类对比及分析，提出了对该类桩的测试要点以及分析解释方法。
关键词：高应变动力试桩；端承管桩；曲线拟合法
中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2008)06—0239—03
在桩基检测工程界，一直以来有这样的观点，高应变动力试桩法对长的、摩擦为主的桩的测试准确性较高，应用效果好，而对于短桩，尤其是端承为主的预应力管桩，则准确性较低，应用效果差。据内蒙古某地区的调查统计，在高应变所测的1 000根预应力管桩中，与静载对比误差较大的桩有20根，占所测桩总数的2%，而其中居然有15根是以端承为主的短桩，占误差较大的桩中的75%。笔者在多年的实际工作中也遇到过类似情况，曾经在一个工地检测了10根以端承为主的短桩(打入式预应力管桩)，经数据处理，分析判断有6根桩的承载力未达到设计要求，但是后来对这6根桩进行静载试验后，却有3根合格。为此，笔者在下文中对端承管桩的高应变动力测试从理论和实践等方面，结合实测曲线波形特征进行系统的归纳总结、分析研究，并提出对该种桩型的高应变动力测试要点以及分析解释方法，供业界同仁参考。
1 端承管桩所处的地层及施工特点
1.1 地层特点
根据桩的承载机理，把地层分为桩侧(周)土摩擦力层与桩端(尖)土特力层。这种端承管桩所处的桩侧(周)土摩擦力层一般由流塑状的淤泥、松散状的砂层或者填土层所组成，其共同的工程地质特性为压缩性高、强度低，桩周土摩擦力标准值qs低，对桩提供的侧摩阻力较小或几乎没有，相反，在某些特定的条件下有可能提供负摩擦力。
桩端(尖)土持力层一般由强风化或中风化岩组成，该层压缩性低、强度较高，桩周土摩擦力标准值qs及桩端土承载力标准值qp较高，是较为良好的桩基础持力层。这种地层的一个较为明显的特点是：桩侧(周)土摩擦力层与桩端(尖)土持力层之间土的强度变化不是一个由弱渐强的渐变过程，而是弱与强之间的突变。
1.2 施工特点
预应力管桩的施工，不外乎重锤打入和静力压桩2种。本文中所讨论的端承管桩在上述地层中施工，一般用重锤打入法，具有以下特点：桩在打入过程中，在到达持力层前的桩侧(周)土摩擦力层阶段，通过桩管自沉或轻打几十锤即可实现。而在桩端(尖)持力层的最后收锤阶段，继续打击几十锤即可很快达到收锤标准(根据不同的单桩承载力设计值由设计人员定，一般规定最后十击贯入度＜2cm或3cm)。整条桩的施工总锤击数相对较少，一般只有一二百锤(正常情况下，每根桩的施工总锤击数在500～1 000锤之间)，用很短的时间就可完成一条桩的施工。我们把这种桩的施工特点简单归纳为“沉桩快，总锤击数少”。
2 桩在土中的受力特性及实测曲线特征
由于地层变化的不确定性，打桩过程的非相关性，每根桩在土中的受力情况都有所不同，在大量试验及对比的基础上，我们把端承管桩根据其在土中的各种受力特性，归纳总结为以下几类，并对每一类桩的实测曲线波形特征分别予以说明。
2.1 桩尖与持力层接触良好，且持力层强度较高
这是桩基施工较为理想的情况，其波形曲线具有如下特征(图1a)。图中0～2L/C(L/C为传感器以下桩长与纵波速度的比值，单位为ms，下同)时间段，F(力，单为kN，图中用实线表示，下同)曲线与v(速度与波阻抗的乘积，单为kN，图中用虚线表示，下同)曲线基本上相互重合，说明该桩基本上没有受到桩周土摩擦力的作用；在2L/C时刻(即桩底位置，下同)，F曲线没有明显的反向反射，对应的v曲线没有明显的反向反射，对应的v曲线也没有明显的正向反射(本文约定，反射波相位同入射波相位相同，则为正向反射，反之，则为反向反射)，显示在桩底未受到明显的拉应力作用，说明该桩与持力层接触良好，且持力层强度较高；在2L/C至F曲线归零时间段(时间长度不应少于3L/C，并在2L/C时刻后延续时间不应小于20ms〔1〕，以下对此时间段简称为“2L/C后时间段”)，F曲线有较大的正向反射，对应的V曲线有较大的反向反射，显示该桩在桩底受到了较大的压应力作用，进一步说明该桩桩底持力层强度较高。
2.2 桩尖与持力层间有间隙存在，持力层强度较高
这是在桩基施工过程中出现的一种最复杂的情况，间隙的大小是决定基桩承载能力的关键因素。其波形曲线具有如下特征，参见图1b。图中(0～2)L/C时间段，F曲线与V曲线基本上相互重合，说明该桩基本上没有受到桩周土摩擦力作用；在2L/C时刻，F曲线有较大的反向反射，对应的V曲线有较大的正向反射，显示在桩底受到了明显的强烈的拉应力作用，说明桩底下有间隙或者较强层的存在(这里我们专指间隙)；在2L/C后时间段，F曲线有较大的正向反射，对应的V曲线有较大的反向反射，显示该桩在桩底下部又受到了较大的压应力作用，说明该桩桩底持力层强度较高。至于间隙大小的判断，我们要把2L/C时刻及2L/C后时间段结合起来考虑。2L/C时刻，F、V曲线反射波的振幅越大，波形越宽，则间隙越大，反之，则间隙越小；2L/C后时间段，反射波尤其是F曲线正向反射波的振幅越大，则间隙越小，反之亦然。这是因为间隙的密度直接影响应力波从桩尖向持力层间的传播，若是间隙太宽，则应力波无法传播到持力层，或只有少部分传播，那么，持力层就无法产生压应力反射波或者产生较少。
2.3 桩尖与持力层间有或无间隙，持力层强度较低
由于桩底持力层强度较低，桩尖与持力层间有无间隙，在高应变动测曲线上的反映都是相似的，无法区分，所以我们把这2种情况归为一类来分析。其波形曲线具有如下特征，参见图1c。图中(0～2)L/C时间段，F曲线与V曲线基本上相互重合，说明该桩基本上没有受到桩周土摩擦力作用：在2L/C时刻，F曲线有较大的反向反射，对应的V曲线有较大的正向反射，显示在桩底受到了明显的强烈的拉应力作用，说明桩底有间隙或软弱层存在；在2L/C后时间段，F曲线有较小的正向反射或没有，对应的V曲线有较小的反向反射，显示该桩在桩底只受到较小的压应力作用，说明该桩桩底持力层强度较低。
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总结以上分类分析，三者之间的区别主要是桩底受力情况之间的差别，反映到实测波形曲线上，即在2L/C时刻和2L/C后时间段，F、V曲线的相位变化及其振幅的强弱变化。2L/C时刻，F曲线反向反射，V曲线正向反射，其振幅越大，则说明桩尖与持力层间间隙越大或者桩尖持力层强度越小；2L/C后时间段，F曲线正向反射，V曲线反向反射，其振幅越大则说明桩底持力层强度越大，反之，则持力层强度越小。F曲线正向反射波振幅的大小是判断桩底持力层强弱的主要指标。当然，还可以结合反射波波形宽度来分析，尤其在2L/C时刻，波形的宽窄，有时可反映间隙的大小。至于我们把曲线分为3个时间段，主要是为便于说明，实际上这几个时间段是不可分隔的，之间互相影响制约，在实际分析判断时，应将其作为一个整体考虑。
3 数据处理及定量计算
在上面的章节中，对端承管桩按其在桩土体系中不同的受力性状以及其实测波形曲线特征进行了分类说明，对其在不同条件下的受力特点进行了定性分析。下面，进行单桩承载力的定量计算，这也是高应变动力试桩的主要目的。高应变动力试桩计算承载力的数据处理方法目前有Case法和实测曲线拟合法2种。
3.1 Case法
Case法主要适用于打入桩的施工检测和监控，在一定的经验基础上，或者在其他可靠方法的支持下，也被广泛用于检测各类型的工程桩的验收〔1〕。实践证明，Case法对摩擦桩的应用效果较好，而对于本研究的端承管桩这种特殊承载类型的桩又如何呢?为了推导简单适用的公式，Case法对桩土体系又做了若干个补充的近似假定：即“桩身是等阻抗的；在计算所涉及的时段内，桩侧没有任何动阻力，而且静阻力始终保持恒定；应力波在传播过程中的能量损耗，包括桩身中的内阻尼损耗和向桩周土的逸散，都忽略不计〔2〕。”结合前面章节的分析可以看出，对于“在计算所涉及的时段内，静阻力始终保持恒定”这一条，本研究的端承管桩无法满足，这样看来，本类桩型不适合用Case法计算承载力，故在此不再赘述。
3.2 实测曲线拟合法
实测曲线拟合法是高应变动力试桩的一种主要算法。国内外近20年的实践已经证明，在绝大多数的场合中，如能正确掌握土的力学性能，根据实测曲线拟合法的分析结果来评定单桩承载力，能够和静载荷试验的结果取得基本一致〔2〕。该方法几乎适用于所有不同成桩方式和承载类型的桩。实践证明，该方法对于本研究的
端承管桩的承载力定量计算效果较好，准确度较高。但是，在实际应用中，还应注意以下几个方面。
现场所采集的曲线，要包含充足的桩底受力信息，那么在现场施测时，要具有足够的锤击能量，使桩底端承力能受到充分激发。如果桩端阻力激发不充分，容易把上述的2.2类归于2.3类，引起较大的计算误差。
在实际拟合过程中，重点在2L/C后时间段的拟合，拟合参数(尤其是桩底部拟合参数Jt、Qt等)的应用要充分体现桩端阻力的大小。本文2.1和2.3所描述类型的桩，在实测曲线拟合法中，一般不会有什么问题，而易引起计算误差较大的是2.2所描述的类型。该种类型由于有间隙存在，但间隙宽度目前还没有有效的计算方法，虽然美国著名