12桩基高应变法检测检查
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作 业 指 导 书
(桩基高应变法检测/检查)
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目 录
1开展项目 .......................................................................................................................... 3
2依据文件 .......................................................................................................................... 3
3主要仪器设备 .................................................................................................................. 3
4操作规程 .......................................................................................................................... 3
5试验/检测的工作程序 .................................................................................................... 4
6安全注意事项 .................................................................................................................. 8
7数据处理 .......................................................................................................................... 8
8测量不确定度 ................................................................................................................ 11
9原始记录表格 ................................................................................................................ 11
1.开展项目
1.1 检测桩基完整性
适用于检测基桩的竖向抗压承载力和桩身完整性;监测预制桩打入时的桩身应力和锤击能量传递比,为沉桩工艺参数及桩长选择提供依据。
2.依据文件
《公路工程基桩动测技术规程》(JTG /T F81-01-2004)
《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2003)
3.主要仪器设备
3.1 主要检测设备
主 标 准 设 备
3.2配套设备
测力传感器、加速度计、锤击系统等。
4.操作规程
4.1打开电源开关。
4.2高应变参数设置:调整系数、计算通道选择、信号极性、采样时自动计算、采样时自动保存、连击锤记录间隔、幅值显示。
4.3测试分析主屏:采样,分析。速度信号用于评价加速度测试效果,应力信号用于评价应变测试效果。
4.4凯斯:完成CASE法分析。
4.5拷贝屏幕显示结果。
4.6将测试仪电子硬盘中的数据文件传送到外部计算机中保存。
4.7返回测量类型选择菜单,选择新的测量类型。
4.8使用完毕,关掉电源开关。
5.试验/检测的工作程序
5.1.准备工作
5.1.1预制桩处理
预制桩的桩头处理较为简单,使用施工用柴油锤跟打时,只需留出足够深度以备传感器安装;使用自由锤测试时,则应清理场地确保锤击系统的使用及转场空间。预制桩混凝土强度较高,桩头较平整,一般垫上合适的锤垫即可,无需进行桩头处理,但有些桩是在截掉桩头或桩头打烂后才通知测试的,有时也有必要进行处理,或将凸出部分敲掉(割掉,尤其出露的钢筋),或重新涂上一层高强度早强水泥使桩头平整。
5.1.2灌注桩处理
灌注桩的桩身处理较为复杂,由于使用的都是自由锤(组合锤、整体锤),现场准备也殊为不易。针对不同桩型,一般可采用下列几种办法:
(1)制作长桩帽(一般不低于两倍桩径),传感器安放在桩帽上。
(2)制作短桩帽,传感器在本桩上安装。
(3)桩头缠绕几圈箍筋,并在桩顶刷上约10cm厚的早强水泥。
5.1.3基坑开挖和桩侧清理
无论预制桩还是灌注桩,如果传感器必须安装在地表以下,那么合理挖出桩上段就很有必要,而且桩头开挖也有一定要求。如果仅在安装传感器的部位挖出一个小洞,将使得选择的余地太小,从而很难找到适合传感器安装的平整面,自然测试效果难如人意。传感器的安装位置以距装顶(1.5~3.0)d为佳,多为2 d,考虑到传感器离坑底必须有20cm以上高度,一般开挖深度以距桩顶(2 d+0.5m)为宜;为便于寻找平整面和安装传感器,必须将离桩侧50cm范围内的土挖掉,总之一般要求开出(1.00+ d)×(1.00+ d)×(2 d+0.5)m3的矩形坑。由于有些锤击系统的锤架坐落在坑中,其尺寸可能会要
求更大;基坑应当堵漏并将渍水抽干,至少应在测试时抽净;坑底也有必要垫上碎石和砂。当使用百分表量测贯入度时,还应根据百分表基准梁的尺寸在基坑的边缘挖出适当台阶。
灌注桩的侧面与桩周土体犬牙交错,因此桩头出露后,有必要清洗或用斧头和钢刷清除桩侧杂土,以利平整面寻找和传感器安装。如果桩的成型较差,清理桩侧时最好利用地质锤和斧头进行敲打,剔除过于出露的骨料和深陷的杂土。
5.1.4传感器的安装
(1)膨胀螺栓和冲击钻的选择。应力环和加速度计都是通过膨胀螺栓与桩相连的,所用膨胀螺栓一般为Φ6mm,安装加速度计的膨胀螺栓可选用60mm长的,安装应力环的膨胀螺栓可为40mm,对应Φ6mm的冲击钻钻头以Φ8mm为宜,有的膨胀螺栓膨胀头和套筒较大,钻头须用Φ10mm。由于膨胀螺栓的选择比较重要,不少单位自己订做了特制膨胀螺栓,效果较好。
(2)安装面的选择与处理。安装面应对称的选在桩两侧相同高度处,选择安装面时应在适合传感器安装高度的桩周围反复用地质锤敲挖,寻找较少凸出物、较少软砂浆而又平整的平面。将传感器的安装面凿平,常用的凿平工具有平口凿子和地质锤。安装面的平整度必须保证加速度计底座紧贴桩壁,应力环四点在同一平面,中间又无导致应力环产生预应变的障碍物。安装面的强度也必须能反映桩身强度。
(3)定位与打孔。用冲击钻打孔时,一定要量好尺寸并在被钻处做好清晰的标记。钻孔位置应按规定设置,即应力环和应力环对称,加速度计和加速度计对称。
(4)传感器的安装与局部调整
加速度计的安装
加速度计和底座系分离体时,二者间必须用扳手拧紧,有可能的话还宜用502胶或硅胶粘牢,如无必要一般不要拆开,计线座合一的可不必考虑二者间的紧密程度。加速度计的底座应紧贴桩侧,但拧紧膨胀螺栓时不可用力过猛,以免底座破碎。加速度计安装后用手应当不能晃动,传感方向必须与桩的轴向一致。
应力环安装
应力环的安装最为讲究,一般现场测试难获成功的主要原因便是因为应力环安装效果不理想。在预制桩的桩帽上应力环较易安装,只要膨胀螺栓孔距合适,表面平整,螺双又生根紧密,即可获得满意的安装效果;而在灌注桩本桩上安装,当强度合理、桩侧平整、螺栓间距合适、生根紧凑时尚可,否则必须进行技术处理。
传感器的固定与检查
传感器安装完毕,联机调试,检查应力环的平衡程度。当仪器不能自平衡时必须重新安装。用板手竖直敲击固定传感器的膨胀螺栓,边检查线路的联通情况,边注意应力环是否装紧。如果一击之下应力环的直流分量变化且不再回复,则需继续拧紧。
贯入度测量装置的安装
高应变测试,最好有测量贯入度的设备或传感器,其所测值一方面可以用来准确记录桩的贯入度,确信阻力是否得到了充分发挥;另一方面可用所测贯入度修正利用加速度信号得来的位移和加速度信号,使测试信号更加可靠、结果分析特别是波形拟合分析更加准确。
5.1.5锤击系统的选择与使用
(1)锤的种类与特点
国内的自由锤大体上可分为两大类,即组合锤和整体锤。整体锤一般为铸铁锻打,多为一长方体或圆柱体,其下方平整或略有凸出圆弧。较大质量的锤,也可由小锤组合而成。所谓组合锤就是为便于装卸和搬运将一数吨重的铁锤分割为一片片的铁片。根据桩的承载力大小选择不同数量的铁片,由铁杆穿过各铁片的孔位相联构成不同质量的锤体进行测试。
(2)起吊装置的选用与安装
常采用吊车配合。除用吊车起吊外,还有两种起吊装置可用于测桩,一为卷扬机,须有门子架、矩形架、等必不可少的承力和支撑工具;二为葫芦钩(电动、手动),采用三脚架支撑。
(3)桩垫的选择与使用
一个合适的桩垫既可延缓高频冲击保护桩头,又可降低高频成分的不良影响,还可
以使得测试信号更符合传感器的安装范围。但锤垫太厚时也可能使信号脉冲过于平缓,打击力下降。目前常采用的桩垫有:1~2cm厚传送带或橡胶、三夹板(数块)、毛毡、1~2cm厚木板等,桩垫的下方通常还应铺上一层细砂以弥补桩头的不平影响。桩垫的选用原则以测试质量的好坏为准,无桩垫也可能会测到较好信号。
5.2 数据采样步骤
5.2.1室内准备
在进入现场从事高应变试验以前,应在室内系统地检查仪器各个部位包括传感器的标定值等,检查电锤、螺栓等附件状况,确信无误后方可进场。
5.2.2干扰防治
高应变测量特别用应变片测量时,交流干扰的防治极为重要,与低应变测桩法不同,高应变测量是一种定量测量,因而交流干扰的危害程度很大,不仅会产生一些违背物理现象的信号,而且会使计算结果毫无价值可言。利用应力环时可能伴随交流干扰。排除交流干扰的办法很多,一般均采用接地处理:
(1)在主机处接地;
(2)在电源的输入端接地(地线处);
(3)在力传感器的膨胀螺栓处引一根地线与主机相联;
(4)将电桥盒(应变片)的外壳接地;
(5)各联线悬空;
(6)使用直流电。
接地前应仔细检查线路,防止有裸露体与地面接触,接地时一定要注意单点接地,接地点一定要置于潮湿处,确保其与大地相联是不存在接触电阻。一般来说,反复选用上述方式之一,应能排除掉交流干扰。
5.2.3采样时参数的设置
正常的高应变测试,应变幅值一般为102µε量级,加速度则为102g量级,因此采集时仪器的增益不可太高(浮点仪不用考虑这一点),以恰好能够触发为宜,越低越好。
高应变测试要求采集到桩开始振动至桩完全或几乎不动时的全段振动波形,这就要
求记录时间必须足够长,一般约100ms。考虑到记录长度为1024点,仪器的采样间隔一般设置为100µs,但是这用采样间隔对于特长桩(如50m以上)仍嫌不足,有时需要用更大的采样间隔来满足要求。
仪器的滤波档低频应自5Hz以下,零频开始尤佳,高频则宜超过3000Hz。
6.安全注意事项
6.1传感器装卸时应格外小心,避免生拉硬拽造成接头断线。
6.2现场电缆应接地。
6.3锤击时人员应注意安全,防止意外发生。
7.数据处理
7.1 数据处理
现场测试时应仔细分析桩型以及土层的分布特点,尤其持力层特点,只有这样才能对信号做出恰当解释。
使用柴油锤测试时,除非传感器安装效果差,信号的质量应当有保证。此时如有缺陷,连续记录还可发现缺陷完整性指数的变化。由于柴油锤打击力较大,桩的振动时间较长,测试时更应有足够长的记录时间,一般不应低于100ms。柴油锤信号多能看见清晰的桩底反射,特别是初打和复打的后几锤信号。所测位移曲线亦应合乎物理现象,残余位移出现负值,多因加速度计没有很好安装或加速度计低频响应差或仪器滤波档设置不合理所致,也可能系记录时间偏短或打击力不够造成的。加速度缺乏零频也是原因之
一。速度出现较大负值也属于这种情况,此时应先检查系哪一接收道,然后加以改进,力信号也一样。
正确测试时,F(t)和ZV(t)曲线及结果一般具有如下特征:
(1)信号没有不规则的毛刺或振荡、不削顶、没有各种干扰。
(2)应力和速度尾部归零(表明桩已静止)。
(3)除柴油锤信号的起始平坦段外,F(t)和ZV(t)起始段重合且几乎共同
达到峰值点(说明传感器锤击系统和桩头上部基本正常)。
(4)FMX、FVX、FHM三值接近。由于它们分别为根据力传感器、加速度传
感器、冲量定理所求得的三种最大打击力,前两者在前沿曲线重合的前提下接近,表明两传感器及桩上部无明显缺陷或硬土层出现;而三值最接近则表明锤击系统比较紧凑、内耗少、其所做功大部都转到桩上。当然FHM的准确与否,有赖于锤重和落距的正确输入,对于柴油锤,此值不可信。如果FHM可信度高,FMX、FVX中一值与其相差太远,一值接近,那么相差太远者所对应的传感器及安装很可能存在问题,必须检查传感器(包括灵敏度)和锤击偏心情况。
(5)除个别情况有极小负值(拉应力)出现外,力值不应当出现负值,因
在桩顶附近应力应当为零或受压。当然,传感器离桩顶较远而入射波波长较短时,桩底反射上来的拉应力也能使测试信号出现负值。有时力信号尾部会出现一稳定的正值或负值,表明桩头一侧已经开裂,产生了不可恢复的残余变形,也有可能与传感器安装不紧有关;力信号还应较少毛刺,毛刺大多因传感器安装和锤击系统较差所致,锤击系统造成的,速度信号上亦应出现。这种毛刺可以平滑掉(平滑会使力的幅值降低),但改善锤击系统,加垫或拧紧组合锤才是最好的办法;传感器安装造成的干扰,不仅频率低,而且震荡规则,这种情形只能重新安装传感器。
(6)没有缺陷和负摩阻时,桩底反射信号出现以前,ZV(t)应在F(t)的下方,它们
差值的一半与对应时刻接收到的阻力波值对应。由于少有负摩阻情形,缺陷的反应一般又为一突然起跳的尖峰,容易区别,因此如果速度曲线在力的上方而又没有上述特征,那么测试信号肯定有误,有些试验细节没有正确处理。
(7)速度信号出现负值的时间不能太早,负值亦不能太大,负值太大多为测试系统缺乏高频。速度出现负值一方面表示质点出现震荡,另一方面表示土层开始卸载,较早出现卸载意味着土的极限阻力没有充分发挥。与这种现象相对应的是由于向下的动位移值较小,土层没有进入塑性变形,桩体易于反弹,甚至出现负值位移的反弹(超过原桩面向上反弹跳,当视土为完全弹性体时,很容易证明这种反弹的存在)。打击力不够,
极限阻力未得到充分发挥的另外几个特征是,桩底反射不明显、没有残余位移、最大打击力与预计极限荷载相差甚远,F(t)和ZV(t)差值相对较大等,解决的办法便是增加锤
的落距,加大打击力。
(8)上行波大部分曲线应在轴线的上方且前沿段为零,一般可清晰地反映土层变化、阻力发挥情况、缺陷和桩底反射情况。当上行波与下行波最大值之比较小(真实幅值比未打动时更大)时,意味着桩被打动,土阻力得到充分发挥。阻力的作用,使上行波产生正值,而出现缺陷或桩底反射时,则突然下拐,可以利用光标查找对应的完整性指数。上下行波出现负值表示桩头质点的反向振荡使得传感器截面的入射波(下行波)产生拉应力,但这并不意味着传感器处真实的应力为拉应力。下行波的起始沿与上行波中桩底反射引起的下降沿时差与2L/C对应,下行波的峰值与上行波最小值对应的时差亦与2L/C对应。
(9)正确的位移曲线应当是先急剧上升,后突然下降(反弹),下降到最小值(有时为负值)后又缓缓上升,直至最后出现一固定的平台。其最大值就是最大动位移,而后方平面则是与残余位移(贯入度)对应。由于测量上的原因,残余位移与实测贯入度可能不相等(但亦不应相差太远),可适当调整以使其相等。位移曲线的尾部不是平台,除加速度计缺乏零频的影响外,要么系采样时间不够,要么加速度计安装有误;而位移曲线出现较大负值则可能是因为桩未打动、采样时间不够或加速度计安装不好。位移曲线不合理时,利用海利打桩公式和工程新闻公式所得的承载力将会离奇。一般来说残余位移必须大于2.5mm,最大动位移亦应在5mm以上,初打桩甚至应当更高,达15mm以上。
(10)极限承载力曲线及所对应计算诸值,不仅能反映Jc值得选取及承载力情形,
同时也能反映测试信号的好坏。当极限承载力曲线t1处速度成分偏多时说明Jc值取低了,所得承载力比真正击发出现的静阻力高;而出现负值时,则说明Jc值取高了,只有
当自t1开始有一段较平坦的极限承载力曲线,所对应的Jc值方为合理,提供的承载力也
代表了真正激发出来的值,如果此时的值比预计的极限阻力低而动位移或残余位移又不够,说明桩未被打动,需要加大打击力度再测。当利用几种自动法(RAU、RA1、RA2、RA2’)计算出的承载力值偏小或不合理时,一般也意味着桩未被打动或传感器安装不
作业指导书 桩基高应变完整性检测/检查
良。
(11)信号的重复性也是高应变测试所追求的,但高应变测试中的信号重复与小应变完全不同。由于锤的高低及效率不同,土阻力的发挥与挠动各异,一根桩上不可能出现完全一致的高应变信号。因此这里所说的重复性乃指其主要特性,包括缺陷一致、土层阻力分布情形大体一致等。成果分析时,如系自由锤,一般以最大提升高度测试的曲线为准;如系柴油锤,初打时以收锤前一阵锤中的某击值为准,而复打时则需待锤打热达到最大效率亦即开打后的第二或第三锤值为准。 7.2 桩身完整性判定标准:
依据《公路工程基桩动测技术规程》(JTG /T F81-01-2004): Ⅰ类:0.95<β≤1.0; Ⅱ类:0.8≤β≤0.95; Ⅲ类:0.6≤β<0.8; Ⅳ类:β<0.6。
8.测量不确定度
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9.原始记录表格
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桩基高应变完整性检测/检查
基桩高应变法完整性检测记录表
编号: 序 号:
项目名称: 设计强度: 设备名称及编号: 试验依据标准:
试验: 复核: 监理: 日期: