单桩承载力的动静试验对比分析
解振和1陈永军2
1、河北中核岩土工程有限责任公司050021
2、湖南省工程勘察院417000
摘要：确定桩基承载力的方法主要包括静载试验及大应变，本文通过实际工程实例，对动静试验进行对比分析，并评价两者的相关关系。关键词：桩基检测高应变载荷试验动静对比
中图分类号：TU473文献标识码：A
1前言桩基是各类建筑基础的一种常用型式。随着我国工程建设事业的蓬勃发展，铁路、公路、港口码头及城市建设得到了迅速发展，桩基础往往成为了最基本的基础形式。目前我国常用的基本成桩方法达到20多种，如何检测成桩质量及各种桩型的承载力往往是设计者与建设业主所关心的问题。
桩基检测技术应明确分为两大类，即成桩质量检测与桩基承载力检测。目前桩基承载力检测上主要有载荷试验及大应变法，即动、静试验方法。
2桩承载力的动静对比试验方法对比
2.1静载试验与大应变的试验原理
2.1.1静载试验原理
通过反力装置分级对桩顶施加垂直荷载，在每级荷载作用下按规定时间间隔测读桩顶沉降量，获得可供分析判定桩顶荷载与桩顶沉降关系的Q～s曲线，当桩顶沉降量达到某条件或某数值时，可认为岩
土阻力已充分发挥，或桩已破坏，从而求得桩的极限承载力。
2.1.2大应变试验原理
在桩顶以下1.5D(桩径)处的桩身两侧对称安装应变式力传感器和加速度计，通过重锤冲击桩顶，对桩顶施加较高能量的冲击脉冲，该脉冲在沿桩身向下传播过程中使桩－土之间产生一定的相对位移，量测桩在瞬态激发力下产生的应力波和速度波。采用一维纵波理论分析桩－土体系确定承载力，还可判断桩身结构完整性和桩尖、桩侧土阻力分布等，并获得模拟静载荷试验的Q～s曲线。
2.2动静检测试验的基本计算原理
2.2.1高应变动力检测的基本计算原理
假设桩为一维线弹性杆，测点下桩长为L，横截面积为A,桩材弹性模量为E，桩材质量密度为ρ，桩身内应力波传播速度（俗称弹性波速）为C（C2=E/ρ）,广义波阻抗或桩身截面力学阻抗为Z=AρC；其桩身应力应变关系可写为：
σ=E⋅ε
F=A⋅E⋅ε
假设土阻力是由静阻力和动阻力两部分组成：
R=Rs+Rd
2∂2uR2∂u=c−∂t2∂x2ρ⋅A
推导可得桩的一维波动方程：2.2.2高应变确定地基承载力及桩完整性的方法
目前工程中主要应用的是Case法和实测曲线拟合法，Case法计算公式为：
（承载力）冲击速度峰对应时间为t1，t2=t1+2为桩底反射对应时
Rc=(1−Jc)F(t1)+Z⋅V(t1)F(t2)−Z⋅V(t2)+(1+Jc)22
间。（见图3）
（桩的第一缺陷完整性系数）
F(t1)+Z⋅V(t1)
2
F(tx)−Z⋅V(tx)F↑(tx)=2F↓(t1)=β=F↓(t1)−Rx+F↑(tx)
F↓(t1)−F↑(tx)
Rx---缺陷点X以上的桩周土阻力；
Lx=ctx−t1
2
（缺陷位置）
图3大应变实测结果
2.2.3单桩竖向抗压承载力的确定
（1）基本的确定方法图4Q-s曲线
依据实测结果绘制Q－s曲线（图4），极限承载力依据规范确定。单位工程同一条件下的单桩竖向抗压承载力特征值Ra，应按单桩竖向抗压极限承载力统计值的一半取值。
（2）极限承载力的外推
在许多情况下，桩的静载试验加载往往达不到极限荷载而终止试验，对工程桩的试验也不允许将权压至极限破坏状态，因此，给判定桩的极限承载力造成困难。下面简单介绍几种外推极限承载力的估算方法。
双曲线法：（斜率倒数法）
Q=s+CM•s式中M，C为待定参数
指数方程法：
Q=Qu(1−e−ar)
3.3单桩承载力的动静试验对比分析
3.3.1工程实例分析
某工程地质情况：杂填土（0～3m），粉质粘土（3～11m），砂质粉土（11～14m），粉细砂（14～17m），粘质粉土（17～26m），砂质粉土。
此工程采用预应力管桩、长30m，单桩承载力设计值1200kN。静载荷试验采用慢速维持荷载法。
高应变动测法使用4t重锤，落距约1.5m，单桩承载力计算方法采用Case法。动静对比试验计算结果（见表2），可以看出两者的对比误差均在20％以内，且离散性不大，说明当载荷试验结果可靠时，动测结果亦十分可靠。工程中高应变检测亦以静载试验为对比标准。
动静对比试验计算结果表
桩号设计桩长(m)130动测结果(kN)2495
3135
3270
3164
3.3.2两者之间的联系静载极限荷载(kN)27003000动静对比误差(%)-7.64.59.05.5表2
高应变与静载试验都是确定桩基承载力的方法，且两者之间存在着差异。国内外一些学者依据68根作用在不同土层的桩，总结出了高应变检测值RU和载荷试验检测值PU之间的关系。
海利公式：Pu*=76.98Ru0.596（kN）
格氏公式：Pu*=168.44Ru0.489（kN）
波动理论：Pu*=59.15Ru0.635（kN）
三种经验公式对比见表3。
三种经验公式对比表
统计项目方差σ
相关系数r
平均误差∆
（％）海利公式301.40.381＋26.77－22.31格氏公式223.50.702＋21.26－18.88波动公式208.60.732＋18.21－18.87表3依据表3可以看出，波动公式计算两者之间的关系的离散性更小，且平均误差也偏小，因此精确性更高。
4结论与建议众所周知，静载试验检测桩即费时又费工，与之相比高应变有其高效、快捷的优点。而且随着桩基技术的发展，在工程中采用承载力达数千吨以上的大型桩已屡见不鲜。古老的静载荷试验检测方法已难以满足桩承载力和质量检测等方面的需要，因此对于动力检测法的研究、应用与推广具有重要意义。动静方法确定的承载力值之间存在着一定的相关关系，并且两者之间存在的误差均在30%以下，因此如果静载试验满足要求，那么高应变检测结果亦满足要求。波动理论计算两者之间的精度更高。
高应变动测试验涉及到多种学科，技术难度较大，且影响结果精度的因素也很多，同时在很大程度上受现场环境条件和试验人员的经
验和水平制约，而静载试验则相对来说技术难度较低，且试验可靠度高，可作为对比的标准，因此必须进行动静对比试验和两种对比试验的分析，以便在应用高应变动测法对工程桩检测时，提供准确的参数，提高其单桩承载力检测精度。
参考文献：
1王幼青，张朝祥桩承载力动、静载检查结果对比分析哈尔滨建筑大学学报，1997，30（2）：54～56；
2温庆敬，袁继雄桩基检测方法的适用性和验证检测的探讨广东土木及建筑，2004，10：57～58；
3徐攸在，桩基检测手册北京：中国水利水电出版社，1999
单桩承载力的动静试验对比分析
解振和1陈永军2
1、河北中核岩土工程有限责任公司050021
2、湖南省工程勘察院417000
摘要：确定桩基承载力的方法主要包括静载试验及大应变，本文通过实际工程实例，对动静试验进行对比分析，并评价两者的相关关系。关键词：桩基检测高应变载荷试验动静对比
中图分类号：TU473文献标识码：A
1前言桩基是各类建筑基础的一种常用型式。随着我国工程建设事业的蓬勃发展，铁路、公路、港口码头及城市建设得到了迅速发展，桩基础往往成为了最基本的基础形式。目前我国常用的基本成桩方法达到20多种，如何检测成桩质量及各种桩型的承载力往往是设计者与建设业主所关心的问题。
桩基检测技术应明确分为两大类，即成桩质量检测与桩基承载力检测。目前桩基承载力检测上主要有载荷试验及大应变法，即动、静试验方法。
2桩承载力的动静对比试验方法对比
2.1静载试验与大应变的试验原理
2.1.1静载试验原理
通过反力装置分级对桩顶施加垂直荷载，在每级荷载作用下按规定时间间隔测读桩顶沉降量，获得可供分析判定桩顶荷载与桩顶沉降关系的Q～s曲线，当桩顶沉降量达到某条件或某数值时，可认为岩
土阻力已充分发挥，或桩已破坏，从而求得桩的极限承载力。
2.1.2大应变试验原理
在桩顶以下1.5D(桩径)处的桩身两侧对称安装应变式力传感器和加速度计，通过重锤冲击桩顶，对桩顶施加较高能量的冲击脉冲，该脉冲在沿桩身向下传播过程中使桩－土之间产生一定的相对位移，量测桩在瞬态激发力下产生的应力波和速度波。采用一维纵波理论分析桩－土体系确定承载力，还可判断桩身结构完整性和桩尖、桩侧土阻力分布等，并获得模拟静载荷试验的Q～s曲线。
2.2动静检测试验的基本计算原理
2.2.1高应变动力检测的基本计算原理
假设桩为一维线弹性杆，测点下桩长为L，横截面积为A,桩材弹性模量为E，桩材质量密度为ρ，桩身内应力波传播速度（俗称弹性波速）为C（C2=E/ρ）,广义波阻抗或桩身截面力学阻抗为Z=AρC；其桩身应力应变关系可写为：
σ=E⋅ε
F=A⋅E⋅ε
假设土阻力是由静阻力和动阻力两部分组成：
R=Rs+Rd
2∂2uR2∂u=c−∂t2∂x2ρ⋅A
推导可得桩的一维波动方程：2.2.2高应变确定地基承载力及桩完整性的方法
目前工程中主要应用的是Case法和实测曲线拟合法，Case法计算公式为：
（承载力）冲击速度峰对应时间为t1，t2=t1+2为桩底反射对应时
Rc=(1−Jc)F(t1)+Z⋅V(t1)F(t2)−Z⋅V(t2)+(1+Jc)22
间。（见图3）
（桩的第一缺陷完整性系数）
F(t1)+Z⋅V(t1)
2
F(tx)−Z⋅V(tx)F↑(tx)=2F↓(t1)=β=F↓(t1)−Rx+F↑(tx)
F↓(t1)−F↑(tx)
Rx---缺陷点X以上的桩周土阻力；
Lx=ctx−t1
2
（缺陷位置）
图3大应变实测结果
2.2.3单桩竖向抗压承载力的确定
（1）基本的确定方法图4Q-s曲线
依据实测结果绘制Q－s曲线（图4），极限承载力依据规范确定。单位工程同一条件下的单桩竖向抗压承载力特征值Ra，应按单桩竖向抗压极限承载力统计值的一半取值。
（2）极限承载力的外推
在许多情况下，桩的静载试验加载往往达不到极限荷载而终止试验，对工程桩的试验也不允许将权压至极限破坏状态，因此，给判定桩的极限承载力造成困难。下面简单介绍几种外推极限承载力的估算方法。
双曲线法：（斜率倒数法）
Q=s+CM•s式中M，C为待定参数
指数方程法：
Q=Qu(1−e−ar)
3.3单桩承载力的动静试验对比分析
3.3.1工程实例分析
某工程地质情况：杂填土（0～3m），粉质粘土（3～11m），砂质粉土（11～14m），粉细砂（14～17m），粘质粉土（17～26m），砂质粉土。
此工程采用预应力管桩、长30m，单桩承载力设计值1200kN。静载荷试验采用慢速维持荷载法。
高应变动测法使用4t重锤，落距约1.5m，单桩承载力计算方法采用Case法。动静对比试验计算结果（见表2），可以看出两者的对比误差均在20％以内，且离散性不大，说明当载荷试验结果可靠时，动测结果亦十分可靠。工程中高应变检测亦以静载试验为对比标准。
动静对比试验计算结果表
桩号设计桩长(m)130动测结果(kN)2495
3135
3270
3164
3.3.2两者之间的联系静载极限荷载(kN)27003000动静对比误差(%)-7.64.59.05.5表2
高应变与静载试验都是确定桩基承载力的方法，且两者之间存在着差异。国内外一些学者依据68根作用在不同土层的桩，总结出了高应变检测值RU和载荷试验检测值PU之间的关系。
海利公式：Pu*=76.98Ru0.596（kN）
格氏公式：Pu*=168.44Ru0.489（kN）
波动理论：Pu*=59.15Ru0.635（kN）
三种经验公式对比见表3。
三种经验公式对比表
统计项目方差σ
相关系数r
平均误差∆
（％）海利公式301.40.381＋26.77－22.31格氏公式223.50.702＋21.26－18.88波动公式208.60.732＋18.21－18.87表3依据表3可以看出，波动公式计算两者之间的关系的离散性更小，且平均误差也偏小，因此精确性更高。
4结论与建议众所周知，静载试验检测桩即费时又费工，与之相比高应变有其高效、快捷的优点。而且随着桩基技术的发展，在工程中采用承载力达数千吨以上的大型桩已屡见不鲜。古老的静载荷试验检测方法已难以满足桩承载力和质量检测等方面的需要，因此对于动力检测法的研究、应用与推广具有重要意义。动静方法确定的承载力值之间存在着一定的相关关系，并且两者之间存在的误差均在30%以下，因此如果静载试验满足要求，那么高应变检测结果亦满足要求。波动理论计算两者之间的精度更高。
高应变动测试验涉及到多种学科，技术难度较大，且影响结果精度的因素也很多，同时在很大程度上受现场环境条件和试验人员的经
验和水平制约，而静载试验则相对来说技术难度较低，且试验可靠度高，可作为对比的标准，因此必须进行动静对比试验和两种对比试验的分析，以便在应用高应变动测法对工程桩检测时，提供准确的参数，提高其单桩承载力检测精度。
参考文献：
1王幼青，张朝祥桩承载力动、静载检查结果对比分析哈尔滨建筑大学学报，1997，30（2）：54～56；
2温庆敬，袁继雄桩基检测方法的适用性和验证检测的探讨广东土木及建筑，2004，10：57～58；
3徐攸在，桩基检测手册北京：中国水利水电出版社，1999