高应变凯斯法检测桩基承载力有关问题分析

吴哲宇

1 前言

高应变试桩法是一种给桩顶施加较高能量的冲击脉冲，冲击脉冲在沿桩身向下传播过程中使桩与土之间产生一定的相对位移，从而自上而下以此激发桩侧及桩端的岩土阻力的一种动力检测基桩承载力的方法。凯斯法是高应变试桩法的其中一种，它是从行波理论出发，推导出一系列简便的分析计算公式，并改善了相应的测试设备，形成了一套通过监测现场打桩过程实时分析计算桩的承载力、打桩系统的效率、桩身应力、桩身完整性系数的方法。

高应变凯斯法具有公式简洁、实时分析功能强等许多优点，但因其在推导过程中对桩-土力学模型作出了许多桩-土体系实际的力学性状有差异的简化假定，不够严谨，因此高应变凯斯法又称为一维波动房产的准封闭解（或半解析解）。

2 凯斯法的几个基本假定及计算承载力的标准公式

2.1 几个基本假定

（1）桩身阻抗均匀恒定，即除了截面面积不变外，桩身材质均匀，无明显缺陷。

（2）只考虑桩端土阻尼，忽略桩侧土阻尼的影响。

（3）锤击产生的应力波在沿着桩身传播过程中，除土阻力影响外，再没有其他因素造成应力波能量的耗散和波形畸变。

（4）土的本构关系为理想刚塑性，即土体对桩的静阻力大小与桩土之间的位移大小无关，仅与桩-土之间存在相对位移有关。

2.2 凯斯法计算桩的承载力标准公式

  (1-1)

                                         (1-2)

    式中：—由凯斯法判定的单桩竖向抗压承载力（KN）；

      —凯斯法阻尼系数；

          —速度第一峰对应的时刻(ms)；

          —t1时刻的锤击力(kN)；

          —t1时刻的质点运动速度(m/s)；

          —桩身截面力学阻抗(kN·s/m)；

—桩身横截面面积(㎡)；

—测点下桩长(m)。

3 凯斯法的几种子方法及适用条件

承载力公式1-1的推导过程对桩-土力学模型作了较多假定，而这些假定在某些情况下与桩-土实际力学性状存在较明显的差别，为了减小因这种偏差对凯斯法计算桩承载力的影响，在工程实践中人们进一步对凯斯法的承载力计算公式做了一些修正，从而衍生了一些特定情况下使用凯斯法的几种子方法。

3.1 阻尼系数法（RSP法）

阻尼系数法承载力计算公式即为式1-1，从式1-1可以看出，此时检测桩的承载力取决于阻尼系数Jc的取值，一般认为阻尼系数Jc与桩端土层的性质有关，它是通过静、动对比试验得到的。在新的行业标准中，建议积累地区性相近条件的静-动对比资料，结合高应变波形拟合法校核，来综合确定阻尼系数Jc的合理取值。

3.2 最大阻力修正法（RMX法）

对于端承型桩，假设应力波在桩身中传播时（包括桩端反射）只引起波形幅值的变化，而不改变波形的形状，则桩端最大位移出现的时刻也要滞后t2时刻tuo（即t2+tuo )，按t1-t2时段确定的承载力也不可能包含全部端阻力充分发挥的信息。因此按照RSP法计算承载力偏于保守。为了弥补上述两种情况造成的对桩承载力的低估，可采取最大阻力修正法（RMX法）进行修正：

将t1时刻向右移动（保持t2-t1=2L/C不变，即在[t1+△,t1+△+2L/C］时段内寻求Rc的最大值 Rc,max 如果毗邻速度第一峰t1，还有明显的第二峰，且F与ZV 曲线仍成比例，则将t1移至第二峰，求得Rc,max。

 

            

最大阻力修正法（RMX法）

最大阻力修正法（RMX法）主要适用于端承桩且端阻力发挥所需位移较大的情况，对于侧阻力先于端阻发挥，桩端阻力滞后发挥时，在高应变实测波形上有明显的特征，即在桩端反射后，土阻力效应（使F,ZV曲线分离）才明显表现出来。而桩侧摩阻力滞后发挥时，在实测波形曲线上的特征就不明显。RMX法对承载力有放大效应，在工程上是不安全的，只有实测波形曲线呈现明显的土阻力滞后发挥，采用RMX法才是可靠的，因此该法也较适合端承型桩。

摩擦端承桩-适合应用RMX法 

   

摩擦桩-不适合应用RMX法

3.2 卸荷修正法（Run法）

对于长摩擦桩，当激励脉冲有效持续时间明显小于2L/C时，冲击脉冲尚未传播到桩底，而桩的中上部已经出现回弹使得桩-土之间相对位移减小，导致桩中上部土阻力卸荷。这种情况会使公式1-1低估桩的承载力。为了对上述情况低估的承载力进行补偿，可采用荷载修正法（Run法）对承载力进行修正。

卸荷修正法波形曲线示意图

 

                     

卸荷修正法适用于长摩擦桩，其波形特征为桩的上部在2L/C时间段之前出现反向运动速度（回弹）。

3.3 最小阻力法（RMN法）

在用式1-1计算桩的承载力Rc时，在高应变波形曲线中固定t1(速度峰）不变，变动2L/C的大小为2L/C+△，在t1至t1+2L/C+△时间段内寻找承载力的最小值，作为桩的承载力。

最小阻力法（RMN法）主要用于桩底反射不明显，桩身存在缺陷使桩底反射滞后（桩身反射难辨识）或桩极易被打动等情况，避免式1-1高估桩的承载力。

3.4 考虑桩侧阻尼的修正法（Rsw法）

公式1-1没有考虑桩侧土阻尼的影响，对于承载力以侧摩阻力为主的桩，不考虑桩侧土阻尼可能会高估桩的承载力，在工程上并不安全。有人提出了一种在公式1-1中扣除桩侧土阻尼的方法，扣除桩侧土阻尼后承载力计算公式为：

式中：—扣除桩侧阻尼后桩的承载力（KN）；

      —公式1-1计算的桩的承载力（KN）；

          —桩侧土阻尼系数；

          —桩侧土摩阻力(kN)；

对于以摩阻力为主的桩，上式的计算结果更接近实际。

3.5 自动法（RAU法和RA2法）

在桩端质点运动速度为零时，动阻力也为零，此时有两种与JC取值无关的承载力计算方法，即RAU法和RA2法。RAU法适用于桩侧阻力较小的情况，在RMX法中已指出，桩顶位移的最大值滞后于速度的最大值的时间为tu,0,同理桩端位移最大值也会滞后于桩端最大速度，在桩端速度为零的时刻，RAU法计算的土阻力显然包含了端阻力的全部信息，因此RAU法适用于端承型桩，而对于摩擦型桩RAU法则是偏保守的。对于具有一定摩阻力的端承型桩，RA2法则采用桩端动阻力来补偿侧摩阻力卸荷，即让自动发计算承载力的时间从Vt=0处移至

对应的时刻（把Vt=0时已卸载的部分侧摩阻力用时刻的桩端动阻力来补偿），相应的总阻力则为桩的承载力。

3.5 适用条件

（1）RSP法：单击贯入度为约6.7～7.7mm。

（2）RMX法：上升沿时间短，土的弹性变形极限大，端阻力滞后发挥。

（3）RMN法:桩身存在缺陷，桩底反射滞后，单击贯入度较大约。

（4）RSU法:摩阻力较大的长桩，在2L/C之间出现方向速度，使桩中上部土阻力卸荷。

（5）RAU法:摩阻力小的端承桩。

（6）RA2法:摩阻力适中的端承桩。

4 高应变凯斯法工程实例

该工程实例为端承为主的管桩，RSP=4853KN，RMX=5020KN。

5 结语

高应变法属于半经验法，工程实际中在详细了解了解土层分布、桩的类型、施工工艺、入岩情况等信息后对高质量的实测信号进行分析，当满足凯斯法计算桩的承载力条件时，根据不同适用条件选择不同的凯斯法子方法计算承载力才能满足工程实际需要。

参考文献：

1、行业标准《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2014）

2、广东省标准《建筑地基基础检测规范》（DBJ/T 15-60-2019）

3、广东省建设工程质量安全检测和鉴定协会《基桩承载力与完整性检测（高应变）课程材料》