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高应变打桩监控在试桩项目中的应用
发布时间:2023-10-27 浏览次数:4466 来源:欧美大地

众所周知,在大面积沉桩作业之前,都要进行试桩项目。那么什么是试桩?简而言之,就是根据地勘报告或者当地类似项目的施工经验,通过试桩测试来选定桩型、确定打桩设备及单桩的竖向承载力,从而指导下一步施工。


试桩的目的是为了避免全面动工之后,发现桩型、打桩设备不匹配,或者承载力不满足设计要求造成的经济损失。一般来讲,试桩项目要解决或者回答以下几个问题:

(1)锤的性能判定,利用现有打桩设备,能不能将桩打到设计标高?

(2)在打桩过程中,桩身应力在不在可控范围内?通俗来说,就是打桩过程中桩会不会被打坏掉?

(3)停锤标准是什么?打到设计标高后,单桩竖向承载力满不满足设计要求?


打桩监控是高应变测试的一项重要功能,将传感器预先安装在桩身上,从起锤到终锤的每一次锤击相当于做一次高应变,由于在整个打桩过程中持续的进行测试,那么得出的样本数据多,岩土工程师获得的信息也比常规的承载力复核更丰富。再结合PDI公司的GRLWEAP模拟打桩过程软件,可以很好的回答以上几个问题。



一、锤的性能判定

桩作为连接上部结构与下部持力层的构件,它是需要满足一定的尺寸要求,也就是说我这个桩要打到设计标高,否则上部结构施工就无法开展。


在打桩前,我们可以通过GRLWEAP软件试算一下,在现有的锤击设备下,桩能不能打到设计标高。


在锤模型界面(图1),选好锤的编号,输入实际的锤垫与桩垫等装配件参数,锤模型即刻建立好,简单快捷。在输入好土模型、桩模型后,经过试算就能模拟出详细的打桩过程。我们观察每米的锤击数,就能得知桩是否能打到设计标高。如图1所以,在30米处每米锤击数就有1200击,32米1900击,34米直接为9999,可见在此锤击设备下,桩是不能打到标高的,需要更换。


当然,GRLWEAP软件是一个建模软件,其模拟的准确程度取决与土模型、桩模型、锤模型建立的是否正确,所以,准确的地勘报告与锤参数资料是必不可少的资料。经过大量实际工程案例的应用支撑,只要地勘报告详实准确,锤参数可靠,GRLWEAP软件模拟结果与实际打桩过程非常的匹配。

GRLWEAP14打桩模拟分析软件

图1:GRLWEAP软件锤模型建立界面与报告输出界面


在实际的打桩过程中,我们可以利用PDA-S软件直接读出每次锤击作用下,实际传输到桩身中的能量EMX以及锤的实际效率ETR,获取这些参数可以帮助我们更好的了解锤的实际工作状况。


由于冲程可变,以及桩垫、锤垫在打桩过程中厚度变化,加上设备使用周期问题,所以即使同一台桩机,他每一锤的实际效率也是不一样的。


EMX,含义为传输到桩身中的最大能量。这个参数非常的重要,是评价锤性能最直观的指标,其物理意义其实就是锤对桩实际做的功。需要注意的是,这个EMX并不是指锤的额定能量,由于碰撞、机械损耗,锤在作业时实际做的功是要小于锤的额定能量ER的。那么EMX/ER的比值就是ETR,意义为能量传输比。举个例子见图2,EMX为212.3KN-m,即212千焦,该锤在1米的冲程下的额定能量为350KJ,故能量传输比ETR为:212/350=60.6%。

桩身中的能量EMX以及锤的实际效率ETR

图2

在数据采集前或过程中,我们可以打开数据限制设置框,对能量进行实时观察,选中Display Line选项,如果超限了,就会在采集屏幕上发出警告,提醒更改锤击能量,能量限制见图3。

能量限制

图3



二、桩身应力观察与控制

上一节我们讲到锤击能量问题,也就是说桩机提供的能量要足够,以确保桩能克服土阻力沉到设计标高,那么是不是锤击能量越高越好呢?显然不是的,越高的锤击能量,打击力就会越大,桩身的应力也会增大,如果桩身应力超过桩身材质的屈服强度,桩就会被打坏掉。如混凝土桩比较关注桩身的拉应力,我们就可以在PDA-S软件中实时观察TSX参数(图4)。

表1 C60~C80混凝土的轴心抗拉强度(28d)MPa

轴心抗拉强度


桩身最大拉应力

图4


如果在打桩监控中发现压拉应力一直超限,那么就要采取一定的措施来减小这种趋势,压力应力限制见图5,如更改设计桩型,增大桩身截面积,或者在保证顺利沉桩的前提下,减小锤的打击能量。同样,为了方便观察数据,我们也可以在数据限制栏里输入相应的压拉应力限值,如果打桩过程中应力超限,就会在屏幕上发出警告信息。

压拉应力限值

图5



三、停锤标准及承载力监控

根据各个项目的实际情况,设计方案的不同要求,停锤标准也是多种多样,有的以控制标高为主,有的以进入持力层深度为主,有的以最终贯入度为主,有的以最后1米的锤击数为主,甚至在某些特殊情况下,还要考虑总锤击数不超过多少锤。由于贯入度与锤击数在施工现场容易获取,也比较直观,所以一般以它两作为停锤标准的情况比较多。


那么这里面就有一些细节问题需要讨论:

(1)如果以贯入度或锤击数作为停锤标准,必须有一个前提,就是锤的输入能量要一定。很多设计方案里只给出了锤击数,并没有给出输入能量,其实这是不严谨的。比如说以最后1米总锤击数超过300击作为停锤标准,那么这个1米300击是在液压锤的哪个冲程或者柴油锤的几档下的300击呢?假设用液压锤1米冲程符合停锤标准,1.5的冲程下锤击数又低于300击了,这时候该不该停锤呢?所以我们做打桩监控的时候也要注意这一点,最好提前与设计单位进行确认。

(2)符合停锤标准后,我们就可以做承载力验收了。一般情况下,我们挑选终锤前的1-2锤PDA测试信号进行CAPWAP拟合,得出初打承载力值即短期承载力。经过一定时间的休止期后,桩周土重新固结,再进行高应变测试,此时得出我们的复打承载力值即长期承载力。


那么设计单位会采用哪个承载力作为设计承载力呢?这里面就有一个经济性与安全性的考量了。


①如果业主更关注项目的经济性,而且结构设计等级低,那么通常情况下,可以用长期承载力作为最终的设计承载力。也就是说我们的初打承载力不需一定要满足设计值,只需要经过一定休止期后的长期承载力满足即可。比如说,设计极限值1000吨,经过试桩后,测得初打承载力为500吨,复打承载力可以达到1000吨,那么我们就可以以初打承载力500吨作为工程桩承载力的验收标准。 长期承载力与短期承载力的比值,我们称为恢复系数,或称时间效应。


②如果业主更关注项目的可靠性,而且结构设计等级高,可以使用短期承载力作为最终的设计承载力值。这种情况下,初打承载力就要满足设计要求。比如说,设计极限值为1000吨,测得初打承载力为500吨,那么此时承载力验收就不合格。设计单位就要修改设计方案,重新选择桩型。


(3)当然,试桩结果只能从宏观上指导下一步施工,在实际的工程桩施工中,有很多特殊情况发生。比如说,桩没到标高已经打不下去了,如果承载力复核符合设计要求,一般会截桩,承载力不符合设计要求,那要么重新选择合适的打桩设备,要么就要更改设计方案了。还有更特殊的,桩打到标号了,但是承载力验收不合格,这时候就要进行补救了,如加一节或多节桩。



四、PDI-PLOT软件的应用

一般来说,将桩打到设计标高,所需的锤击数都在几千锤左右,这么庞大的数据量整理起来非常困难。为了解决这个难题,PDI公司推出了PLOT软件,可以将每一锤的详细数据整理并绘制图形,让岩土工程师可以更直观的观察各项数据在打桩过程的变化情况。


PLOT操作非常简单,只需要导入PDA文件,软件就会自动生成表格并绘制趋势图。图6纵坐标为锤击数,上下横坐标为打桩监控中的各项参数,非常的直观。图6中左起第3幅图,蓝色曲线为最大拉应力随锤击数的变化关系,从1156锤(编号○1)到1658锤(编号○2)拉应力一直在升高,这就提醒我们要注意在此土层中打桩拉应力增大的问题。

此土层中打桩拉应力增大

图6



五、打桩监控报告内容

综上所述,岩土工程师在出具打桩监控报告里应体现以下几点内容:

(1)停锤贯入度或每米锤击数,可现场观测得出

(2)恢复系数关系(或时间效应系数),可通过初打与复打PDA测试整理得出

(3)拉、压应力与锤击能量,可通过PDI-PLOT软件整理得出

(4)单桩竖向极限承载力,可通过CAPWAP拟合得出


所以,利用我们的CAPWAP软件与PLOT软件可以非常轻松的生成数据表格和绘制趋势图。当然,你也可以制成以下简明表格形式方便业主与设计查阅。

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