桩基动力检测技术是土动力学领域的重大课题,是保证基础工程质量的重要手段之一。20世纪80年代以来,随着我国工程建设的迅速发展,桩基础作为土木工程中一种常用的基础形式在高层建筑、铁路、公路、港口码头、电力、海上石油钻井平台、水利工程等领域得到了广泛的应用,尤其是一桩一柱大直径灌注桩的采用,对成桩质量的可靠性提出了更高的要求,因此引起了科研、设计、施工、质检和政府管理部门的高度重视,促进了对桩基检测技术原理、方法和可靠性的试验研究,使桩基检测在各方面都得到了飞速发展。

桩的动力测试最初是利用能量守恒定律和牛顿定律,根据打桩时测得的贯入度与打桩所消耗的能量建立关系式,推算桩的极限承载力,这种关系称为动力打桩公式。而近代桩的动测技术是以应力波理论为基础发展起来的。1931年伊萨克斯(D.V.I2saacs)首先提出桩顶受到冲击后,冲击能量是以波动形式传至桩底,因此可用一维波动方程来描述。1938年福克斯(E.N.Fox)作了许多简化假定后,对打桩过程进行了粗略的分析,得出了用于打桩分析的波动方程解答。1960年史密斯(E.A.Smith)发表了“打桩分析的波动方程”这一著名论文,从而使波动方程分析方法进入实用阶段。随后在1970年高贝尔(G.G.Goble)等发表了“关于桩承载力的动测研究”一文。1975年发表了“根据动测确定桩的承载力”的研究报告。桩基动测技术研究在我国始于20世纪70年代。1972年,湖南大学的周光龙提出了桩基参数动测法,对开创我国桩的动测方法的研究,起了积极的推动作用。1978年东南大学的唐念慈应用波动方程法进行了渤海12号平台钢管桩的动力测试获得成功。自20世纪80年代以来,机械阻抗法、水电效应法、共振法、锤击贯入法等10余种方法相继问世,并在各地纷纷进行试验研究和应用。

桩基动力检测技术包括高应变法和低应变法。采用足够大的重锤敲击桩顶,使桩顶产生足够大的沉降量(通常桩身的应变量级为10^-3),以使桩周土的极限阻力充分发挥,这便是高应变法;而作用在桩顶上的能量较小,仅能使桩土间产生微小扰动,这类方法称为低应变法。目前高应变法主要有动力打桩公式法、波动方程法、Case法、曲线拟合法、锤击贯入法和动静法等。低应变法主要有机械阻抗法、应力波反射法、球击法、动力参数法和水电效应法等。

总的来说,目前的桩基动测具有费用低、快速、轻便、适用于普查等优点,这大大促进了桩基动测技术的研究和应用。然而,由于桩基动测技术在基础理论、测量分析技术、工程应用等方面有很大难度,因此该技术尚存在着不少问题有待于进一步的研究与探讨:

(1)就高应变来说主要有测试误差、与桩土相互作用机理不符时可能引起的偏差、桩未被“打动”时的误差等问题。

测试误差主要来源于对力的测量。由于混凝土本身的非线性(E=dб/d≠常数)。低应力水平的模量高于高应力水平下的模量,所以冲击应力水平愈高,实测力信号中的非线性成分也愈大,如有时低应变测试得到的波速比高应变测试得到的波速高就属于这种情况。预制桩在测试前经受的锤击数很多,混凝土的非线性在很大程度上得以消除,因而预制桩的测试误差比灌注桩要低。此外,由于灌注桩的混凝土标号低、施工条件影响较大、安装传感器的桩侧表面不平整和锤击偏心等原因,均可产生混凝土的塑性变形而导致测力误差。

而与桩土相互作用机理不符时可能引起的偏差指的是在波形拟合中,桩侧静阻力靠桩与土之间的剪切变形传递,假设桩侧土不随桩一起运动,则桩端与岩土介质的相互作用与刺入破坏模式相近。对嵌岩桩、大直径桩和扩底桩等一些超范围使用的情况,将出现明显不符的情况。如嵌岩桩在嵌固段的岩体可能随桩一起运动,大直径桩特别是扩底桩桩端的破坏模式与刺入破坏模式不同。况且,目前所采用的土模型无非是理想弹塑性模型(CAPWAPC模型)或在其基础上考虑了土的加工硬化或软化效应(FEIPWAPC程序),并不能准确地表征桩土相互作用的复杂机理。

最后,对于桩未被“打动”时误差,此情况常出现在以端承桩为主的嵌岩桩、支撑在密实砂卵石层的扩底桩或大直径桩。扩底桩静载试验得到的极限承载力对应的沉降常高达40～60mm甚至更大,而动载试验要使桩顶产生影响10mm的位移就不易了。对于细长桩,土的卸载特性参数由于桩的提前回弹而在土阻力响应区段内和加载参数发生藕合,进而对部分发挥的静阻力的计算产生不利影响。另外,与此对应的还有一个“辐射阻尼”问题,辐射阻尼的使用对那些灌入度不大的桩的承载力的提高幅度是有限的,某种意义上讲是对桩未被打动低估承载力的一种修正;而在场被打动的场合,可能出现高估承载力的危险。

(2)低应变法的主要问题。桩的低应力波反射法是建立在一维弹性波理论基础上的,应用中存在这样或那样的问题,但对桩—土相互作用的问题,它不象高应变那样突出,至少不存在桩—土系统的塑性响应问题。但在实际使用中也有一些问题值得注意,如超范围使用的应力波反射法的尺寸效应问题。另外,应力波反射法还有其它一些局限性,如渐变扩径后的相对缩径容易误判为真实缩径,大扩径处的二次反射容易误判为缩径;渐变缩径或离析且范围较大时,波形缺陷反应不明显;预制桩的裂隙或接头反射的判别尺度很难掌握,有时误判为严重缺陷等。因此在实际应用低应变法检测桩身结构完整性时一定要对这种方法有一个正确的认识。

近年来,速度快、耗资低的动测法作为一项新的检测技术已在全国各地的桩基检测中得到广泛应用,动测技术的普及推广促进了对该技术的原理、方法和可靠性的试验与研究,同时也引起了地基基础工程界的科研、质检、设计和施工人员的高度重视。但是在实际应用中,有时会由于检测方法选择不当、动测人员素质不高、测试设备或被测对象不满足动测的要求、缺乏较为完善的或正确的分析软件以及法规不健全等原因,在工程中产生一些误判。造成人们对各种动测法的使用范围,特别是对它们的可靠性评价褒贬不一。为了更好地为工程建设服务,必须加速高质量动测设备软硬件的研制,提高整个桩基动测行业的技术水平,使我们这个桩基动测技术应用大国真正成为一个桩基动测技术领先的国家。为此,有必要对桩基动测技术研究现状及发展动向作进一步探讨和研究。

1、静力试桩法（静载荷试桩法）

静载荷试桩法是指对桩基进行静力原型测试。其具体做法是按一定要求将荷载分级加到试桩上，每级荷载维持不变直至桩顶的下沉增量达到某一规定的相对稳定标准，然后继续加下一级荷载，当达到规定的终止试验条件时便停止加荷，再分级卸荷直至零载。

优点：真实地反映了桩基础的工作状况，是确定承载力的最直接最可靠方法，为常用的承载力确定方法。

不足：检测周期长，费时、费力、费用昂贵，且为有损检测，因此试桩数量受到限制，抽样率低、试验结果代表性差。另外，在对承载力较高的工程桩检测时，施工前往往要指定静载试验桩位，因而桩基检测不能做到随机抽样，使检测结果的利用价值降低。

2、动力试桩法

原理：利用重锤冲击桩顶产生的瞬时冲击力，使桩周土产生塑性变形，通过安装在桩顶两侧的力传感器和加速度传感器实测桩顶力和速度的时程曲线，并用应力波理论分析确定桩的极限承载力以及检测桩身结构完整性。

（1）高应变法

优点：分为凯斯法和凯普维普法即波形拟合法。其中，凯斯法的优点是可以快速地对单桩极限承载力和桩身结构的完整性作出估计，实现现场的实时分析，同时可用来对打桩过程实行监测和监控，对预制打入桩特别适合，波形拟合法的优点是精度高。同时，采用先进的微电子仪器及信号处理技术,具有设备轻便、快速、费用低廉等优点。

不足：分析计算复杂,需要经过专业工程技术人员进行信号拟合分析。

（2）低应变法

优点：低应变法是通过桩的动刚度和动静对比系数来求得桩的承载力。它的优点是设备简单、检测速度快、费用低廉, 可以大面积检测。

不足：必须依赖静载试验以求出动静对比系数,精度较差。

3、射线法

属于放射性元素能量衰减法中的一种，是根据射线穿过混凝土时，混凝土质量的差异将会产生不同的辐射效应，以此来检验桩基的质量。该法所用仪器设备复杂昂贵，又要在桩中预埋管道，操作时易危及人的安全。

4、超声波法

是以弹性波理论为基础，采用由压电材料制成的声-电换能器在不同位置发射和接收声波，测量并记录声波穿透介质所需要的时间和波形，计算声波的传播速度，结合声波幅度、频率等特征来分析介质的性质。声波透射法分辨能力很高，可以从微观角度分析介质的声学性质和结构。并具有检测仪器轻便、测试结果准确、可靠等优点。但该法要在桩中预埋两根以上的管道，不能随机抽样实验，做不到普查，并且检验被限定在两侧管间的一定范围内，这些使超声波法的使用范围受到限制（见示意图常用声管样式）。

5、电探法

电探法是根据物探中的点法勘探原理提出来的，作为桩基检测还只是初步探索性的实验，和实际应用还有很大距离。

新的世纪,桩基动测技术应向高质量、规范化、标准化的方向发展。除了不断开发和改善动测分析的硬件设备外,更应不断完善软件分析和理论研究等。具体来说,应在以下几方面取得突破:

1、桩基动测理论

目前桩基动测的理论模型依然是波动理论和动力参数理论,随着人们对桩土作用机理研究的不断深入,以下三方面可能成为桩基振动理论研究的突破点:

（1）桩、土材料力学特性以及它们之间相互作用

模型的研究 桩土材料的本构关系及桩土界面相互作用的力学机理是桩基动测法的基本依据。大量的研究表明,因为现有的动测理论对桩周土模型考虑过于简单化,不能真实揭示桩与土的相互作用规律,得到的结论有局限性。实际上,桩周土阻力以及桩土之间的相对位移为非线性关系。如今,在混凝土材料和

土的本构关系方面已经取得较大发展,可以考虑在分析中引入一些先进的模型对桩基动测进行理论模拟,如土的(粘)弹塑性模型(剑桥模型、边界面模型、结构性模型、颗粒流模型等),可以考虑土的应变硬化、软化及结构性破坏的影响,这符合土的实际本构关系。在分析中可以把桩、界面和桩周土视为一个系统,采用有限元的方法分析,这比常规的一些分析模型有很大的进步。当然由于有限元方法比较复杂,分析计算成本较高,在实际推广应用中,可以首先考虑在一些大型的工程项目中应用。

（2）桩土作用阻尼特性的研究

由于桩埋置于岩土中,桩和岩土间的相互作用是桩基承载力得以发挥的重要因素;且桩与岩土系统的动力响应是大阻尼动力响应,而在波动方程中没有有效地考虑桩与岩土介质间的阻尼效应,这是波动理论的最大缺陷,由此造成测试结果的准确度不高。实际上桩与岩土组成的系统是一个多自由度、摩擦阻尼材料等组成的一个复杂系统。用等效粘性阻尼来模拟桩与岩土阻尼特性已不符合该系统的动力特性,用此阻尼特性来模拟描述桩土的动力响应已难以真正把握岩土体系的动力响应。因此,对桩土作用阻尼特性的研究已成为研究桩土系统动力响应理论模型的关键。

（3）桩周土成层特性和各向异性的振动研究

桩的振动问题的解析理论还很不成熟,很多问题有待于进一步的研究。其中一个很重要的方向就是发展合理考虑桩周土的成层特性和各向异性的振动理论,土的各向异性包括微观结构的变化引起的各向异性和由应力体系引起的各向异性,土的各向异性对土的强度影响较大,这一点对于高应变动测法尤为重要。

2、分析方法

国内外已有人开始将神经网络系统用于桩基动测,有些单位甚至已编制了相应的应用程序;也有单位将边界元、无限元、三维有限元,甚至边界层理论用于桩基动测之中,但是这种分析目前仍停留在分析探索状态,尚不能步入成熟应用阶段。

3、桩基动测结果的信号分析处理

信号分析包括两个内容:一是信号处理技术,二是信号分析结果的正确解释,两者密切相关。

(1)由于桩土系统的复杂性和外界噪声的影响,从而使有用信号难以直观把握,因此采用良好性能的信号分析技术,提取有用信号是最终正确判断桩身特性的基础之一。在经典谱分析中主要采用了FFT变换、倒频谱分析及希尔伯特变换。对于不同特性的信号,分别选用不同的分析技术,就会改变信号分析的难易。因此,进一步改善信号分析技术是桩基信号分析的重点研究方向。目前,人们已意识到经典谱分析技术难以完全适应信号分析的要求,从而提出了时序分析技术的应用问题。时序分析法系指现代的、非传统的时间序列方法。同传统的时序法不同,该方法不是直接利用观测数据来获得数据的统计特性,而是对观测数据拟合一个参数模型,再利用这个参数模型对观测数据及产生这一数据的系统进行分析、研究与处理。在目前普遍使用的仪器设备中,并没有时序分析技术的应用程序,有待进行研究开发。

(2)信号分析的另一个关键问题是结果的解释,这和采用的理论模型密切相关,不同的理论模型对相同的测试结果可能产生完全不同的解释。即使采用相同的理论,在不同的地质条件、不同的桩土系统下,相似信号分析结果的解释也不一致。问题主要存在于不完整桩上。这样使人们对桩基动测的结果产生怀疑,因此,如何智能化地解释动测桩信号是还没有解决的问题。对于仪器使用者而言,信号分析技术知之甚少,如何使使用者方便地使用和掌握动态测桩技术,分析时减少人工干扰,也是人们关心的一个问题。因此设计出智能化分析系统也是研究的一个课题。

4、建立专家系统

由于桩土系统复杂,特别是土性变异非常大,使人们不得不积累大量的土参数测试经验,才能较好的描述桩土系统,较准确地测出桩基质量。再好的测试和分析方法,如果不与现场桩土的实际情况和实际经验相结合,也很难得出正确的判断结果。桩土特性的描述、表达和利用必须采用专家系统的方法。在建立专家系统时应注意以下内容:

(1)在建立专家系统时应注意经验的积累不是一家或一个人的经验,而应集思广益,荟集并具体分析各家经验、多人经验,否则,那样的“专家系统”无论在理论上还是在工程应用中均是不完善的。在建立专家系统的过程中,也可以采用在INTERNET上开展论坛的形式,各抒己见,以利信息的共享和迅速传递。另外需强调的是专家系统的特殊性,不同地区的专家系统具有不同的知识和经验的积累。某一地区的专家系统,拿到另一地区去应用,应特别小心,否则专家系统的知识是无效的,对检测数据的解释是不正确的。

(2)由于专家系统的复杂性和特殊性,同一地

区应广泛搜集桩基静载试验的完整资料、地质分布情况及土的物理力学指标等资料。资料的完整性是专家系统好坏的先决条件,如果资料不完整,则专家系统就会有先天性的缺陷。因此,专家系统的适用条件应详细给出。

(3)由于桩土系统的复杂性,其系统工作的机制是非线性多参数共同作用,故参数的确定及表述具有一定的模式。不同条件具有不同的模式,多参数的非线性模式识别是不可缺少的,对此采用人工神经网络将是一个较好的办法。

5、提高动测人员素质,规范动测市场

桩基动测是土动力学、波动理论、振动理论、动态力学测试、数值分析、计算机、结构动力学、高等土力学、土力学与地基基础等学科交叉的一项技术,并且要与桩基工程实践密切结合。因此,对于每一个动测人员,仅掌握动测仪器的操作是远远不够的,必须具备较高的理论水平和丰富的实践经验。故未来的动测人员必须进行深层次的技术培训。为了确保动测法检测桩基的高质量,减少误判带来的不必要损失,动测检测者们一方面应增进学术交流,使广大工程技术人员就目前的理论和应用水平取得共识,另一方面要建立、健全动测技术标准、规程和严格的人员考核制度,规范动测市场,确保动测技术的发展步入健康、有序的轨道。

《土木工程试验与检测》是在浙江大学本科生课程“结构试验”与研究生学位课程“土木工程试验与检测”的教学内容基础上，参考同类书目，结合作者教学、科研、工程技术服务的经验编写而成。主要介绍土木工程研究性试验、工程质量检测与监测、既有建筑鉴定的仪器设备、方法、原理，包括：土木工程结构试验的仪器与设备、荷静试验、模型试验、结构检测技术、动态测试与分析、岩土工程试验、桩基动测技术、既有建筑鉴定、抗震试验、风洞试验、施工监测。

《土木工程试验与检测》可作为本科生、研究生的教材或教学参考书，也可供相关科研人员和工程技术人员使用。