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　　一、 引言
　　打入樁的優(yōu)點(diǎn)包括【1】：
　　• 安裝速度快，因已成型、易于保證材料質(zhì)量、橫截面積和樁長(zhǎng)。
　　• 靈活，可選不同的樁型以適用于不同土況和工程條件，如海上，水下，流沙層。
　　• 打樁過程就是測(cè)試。錘擊過程中能感受到土的阻力，所以任何打入樁可認(rèn)為是“試驗(yàn)樁”，便于保證承載力。
　　• 經(jīng)濟(jì)：形狀有保證 （不浪費(fèi)材料）、樁長(zhǎng)可變（可根據(jù)測(cè)試來確定）。土恢復(fù)的利用可降低打樁費(fèi)用。
　　• 打入樁對(duì)土的擠壓不僅減少運(yùn)土和清理費(fèi)用，且可改善土的承載力。
　　因此打入樁在美國(guó)得以廣泛應(yīng)用。根據(jù)美國(guó)俄亥俄（Ohio）州的統(tǒng)計(jì)【2】，2010年，在高速公路橋梁項(xiàng)目上，所有樁（包括打入樁和灌注樁）的花費(fèi)約為3.5千萬(wàn)美元。其中打入樁約占74%。考慮到俄亥俄州大于美國(guó)各州的平均值和用在其他建筑行業(yè)的樁、保守估計(jì)美國(guó)在2010年花在所有樁上的費(fèi)用在$40億數(shù)量級(jí)。俄亥俄州用打入樁比較多、且有增加的趨勢(shì)。故按50%算，美國(guó)在2010年所有打入樁不在20億美元以下。隨著更多的高速公路橋梁需翻修、擴(kuò)建，樁上的花費(fèi)將更多。
　　因此，降低成本、提高效率、保證質(zhì)量是非常重要的。要想達(dá)到這些要求，以下三個(gè)環(huán)節(jié)非常重要：
　　1. 優(yōu)化設(shè)計(jì)：在保證足夠承載力的同時(shí)，盡量減小樁尺寸或在尺寸不變時(shí)，提高允許承載力：
　　a. 通過降低安全系數(shù)（基于傳統(tǒng)的ASD-允許應(yīng)力設(shè)計(jì)法）或增加土抗力系數(shù)（LRFD）以減少極限承載力的要求。很多規(guī)范，如AASHTO規(guī)范【３】【４】，規(guī)定系數(shù)取值與確定極限承載力的確定方法和測(cè)試的數(shù)量有關(guān)。確定打入樁極限承載力的方法有（按準(zhǔn)確性增加的順序）：
　　1) 土工靜力學(xué)分析 （初始設(shè)計(jì)時(shí)用，很少單獨(dú)使用）
　　2) 動(dòng)力公式
　　3) 波動(dòng)方程分析
　　4) 動(dòng)載測(cè)試
　　5) 靜載測(cè)試
　　b. 充分利用土恢復(fù)
　　c. 降低極限承載力將減小樁尺寸。對(duì)打入樁而言，樁尺寸的確定（橫截面）需考慮最大允許打擊應(yīng)力和最大允許設(shè)計(jì)應(yīng)力。所以在設(shè)計(jì)中考慮到選錘有助于優(yōu)化樁尺寸。
　　2. 提高打樁效率、保證成樁質(zhì)量。即加快成樁速度、減少壞樁的修補(bǔ)和替換，降低了將來對(duì)結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)：
　　a. 在打樁施工前、選擇合適的錘并確定打樁操作程序以滿足：
　　1) 提供足夠的錘擊能量將樁貫入到設(shè)計(jì)深度或達(dá)到打樁阻力要求
　　2) 保證打樁過程中、樁身中的應(yīng)力小于最大允許打擊應(yīng)力以保證樁身的完整性
　　b. 在施工或打試驗(yàn)樁時(shí)，實(shí)施實(shí)時(shí)檢測(cè)：
　　1) 錘性能監(jiān)控
　　2) 如按擬定操作程序、應(yīng)力是否能控制在要求范圍內(nèi)。是否需調(diào)整操作程序
　　3) 如最終停錘準(zhǔn)則是根據(jù)是否滿足打樁阻力的要求來制定的，需確定停錘準(zhǔn)則。一般給出對(duì)應(yīng)錘擊能量的錘擊數(shù)或貫入度。要考慮土的恢復(fù)或松弛
　　c. 在打樁施工中，選擇實(shí)時(shí)檢測(cè)以保證質(zhì)量
　　3. 復(fù)打動(dòng)載試驗(yàn)或靜載試驗(yàn)：可用來確定土是有恢復(fù)還是松弛，有多少，以更準(zhǔn)確地確定長(zhǎng)期承載力。特別在不熟悉的土況下，結(jié)果可能會(huì)影響設(shè)計(jì)。如是試驗(yàn)樁，這應(yīng)該是設(shè)計(jì)的一部分。
　　本文就以上幾點(diǎn)，結(jié)合例子和數(shù)據(jù)來，探討美國(guó)打入樁的設(shè)計(jì)和施工現(xiàn)狀，介紹樁基高應(yīng)變動(dòng)載試驗(yàn)及分析的發(fā)展動(dòng)態(tài)，及在美國(guó)打入樁的設(shè)計(jì)和施工中所扮演的重要角色。從而可看出樁基動(dòng)載試驗(yàn)及分析是如何在保證成樁質(zhì)量的同時(shí)，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的。

　　二、美國(guó)打入樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工現(xiàn)狀
　　美國(guó)現(xiàn)在常用樁包括打入樁和現(xiàn)場(chǎng)灌注樁。常用的灌注樁包括鉆孔樁、螺旋鉆孔樁等。常用的打入樁包括：H型鋼樁、直體鋼管樁（螺旋焊接、底開口、底閉口等）、錐體鋼管樁（封底、成樁后常灌注混凝土）、混凝土管樁、混凝土樁（多為方形、部分中空，多為預(yù)應(yīng)力）、木樁等。打入樁在高速公路項(xiàng)目上用的較多，特別是中小型橋梁。根據(jù)美國(guó)俄亥俄（Ohio）州2010年的統(tǒng)計(jì)【２】，在高速公路項(xiàng)目上打入樁的投入占70%以上。海上項(xiàng)目（如天然氣、油田和風(fēng)電場(chǎng)）和海河岸項(xiàng)目（如碼頭、橋梁等）基本上用的都是打入樁。大型鋼管常用于海上項(xiàng)目。
　　常用設(shè)計(jì)規(guī)范有：AASHTO^【４】, IBC^【５】，API^【６】，UFC 3-220-01A 深基礎(chǔ)規(guī)范和PDCA規(guī)范【７】等。
　　AASHTO 主要用于公路和運(yùn)輸項(xiàng)目。各州的運(yùn)輸部門（Department of Transportation 或簡(jiǎn)稱DOT）根據(jù)自身的特殊情況在AASHTO規(guī)范上修訂出各州的規(guī)范。
　　海上項(xiàng)目多基于API規(guī)范。IBC 多用于民用商用建筑。
　　2.1 允許應(yīng)力設(shè)計(jì)法（ASD）
　　允許應(yīng)力設(shè)計(jì)法是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法，為下面討論方便，簡(jiǎn)單介紹一下概念和術(shù)語(yǔ)。公式如下： 　　式中：f_s-安全系數(shù)
　　Q_u-單樁豎向抗壓極限承載力
　　R_a -單樁豎向抗壓允許承載力
　　多數(shù)情況下為滿足允許沉降要求，f_s 應(yīng)大于或等于1.5?？紤]到土阻力和荷載的不確定性，需要更大的安全系數(shù)。表1是2007年以前AASHTO的規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)。
　　2.3 FHWA 的打入樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工手冊(cè)【８】
　　FHWA (Federal Highway Administration, 美國(guó)聯(lián)邦高速公路管理局)正在更新其2006年版打入樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工手冊(cè)，估計(jì)2015年下半年能完成。該更新的主要目的是使用LRFD設(shè)計(jì)理念。該手冊(cè)非常全面地包括了打入樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工的各個(gè)方面，從地質(zhì)勘察、各種靜力學(xué)承載力設(shè)計(jì)方法、施工質(zhì)量控制到各種軟件的使用等。不僅廣泛用于高速公路有關(guān)的項(xiàng)目、亦被其他打入樁項(xiàng)目使用。
　　2.4 PDCA 打入樁安裝規(guī)范【７】
　　PDCA（美國(guó)打樁承包商協(xié)會(huì)）亦制定了打入樁安裝規(guī)范，包括不同樁的處理、設(shè)備選擇和要求及承載力確定的方法。
　　2.5 打入樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工步驟及動(dòng)測(cè)應(yīng)用
　　小項(xiàng)目，如中小型高速公路橋梁，常只用動(dòng)載試驗(yàn)加信號(hào)擬合。測(cè)試數(shù)量在每一基礎(chǔ)１到２根樁，比如在每個(gè)橋頭、橋墩，各測(cè)兩根樁。一般同時(shí)進(jìn)行復(fù)打測(cè)試來確定長(zhǎng)期承載力（考慮恢復(fù)和松弛）。初打結(jié)束時(shí)的測(cè)試結(jié)果可用來作為其他樁的停錘準(zhǔn)則。
　　大型項(xiàng)目，常有設(shè)計(jì)階段的試驗(yàn)方案，會(huì)包括靜載測(cè)試。以下是在美國(guó)常用的打入樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工步驟，不一定每個(gè)項(xiàng)目都包含所有步驟【８】【９】【１０】：
　　1. 根據(jù)荷載要求、地質(zhì)條件及施工環(huán)境等因素來確定基礎(chǔ)類型，如是否要用深基礎(chǔ)、是否要用打入樁；
　　2. 如確定用打入樁，要選擇樁型。這要考慮單樁承載力，一般考慮2-5種樁型；
　　3. 用與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件相符合的土工靜力學(xué)分析法來算出對(duì)應(yīng)不同樁型、不同截面尺寸承載力沿深度的分布；
　　4. 確定最經(jīng)濟(jì)的樁型和尺寸；
　　5. 進(jìn)行可打性分析以進(jìn)一步篩選樁型
　　6. 考慮群樁和樁帽，及成本和其他要求
　　7. 準(zhǔn)備計(jì)劃、項(xiàng)目規(guī)范，并選定現(xiàn)場(chǎng)承載力的確定方法
　　8. 根據(jù)承包商提交的打樁設(shè)備進(jìn)行波動(dòng)方程分析、以確定:
　　• 設(shè)備是否合適
　　• 所需打樁阻力和貫入深度能達(dá)到要求的承載力
　　• 打樁應(yīng)力滿足規(guī)定
　　• 制定打樁準(zhǔn)則；其形式可以是貫入深度、打樁阻力（單位錘擊數(shù)）、動(dòng)測(cè)結(jié)果或其組合
　　9. 按制定的打樁準(zhǔn)則打試驗(yàn)樁或直接打工程樁，然后用以下方法來確定承載力：
　　• 波動(dòng)方程分析
　　• 動(dòng)載試驗(yàn)
　　• 靜載試驗(yàn)
　　• 動(dòng)力公式
　　• 以上方法的組合
　　動(dòng)載試驗(yàn)可用于復(fù)打以考慮恢復(fù)或松弛。靜荷載試驗(yàn)需準(zhǔn)備工作，一般要等一段時(shí)間，相當(dāng)于動(dòng)測(cè)的復(fù)打試驗(yàn)。波動(dòng)方程分析可考慮恢復(fù)或松弛。動(dòng)力公式只用于初打結(jié)束時(shí)的土阻力估算。
　　10. 調(diào)整打樁準(zhǔn)則或設(shè)計(jì)：如承載力不滿足要求、需調(diào)整打樁準(zhǔn)則。有時(shí)需調(diào)整設(shè)計(jì)，即回到第3步以調(diào)整尺寸，甚至重選樁型。對(duì)大項(xiàng)目并且地質(zhì)條件不好，增加試驗(yàn)方案（即在設(shè)計(jì)階段加入第8、9步驟）會(huì)有利于降低成本。
　　11. （選項(xiàng)）精化波動(dòng)方程分析，即調(diào)整波動(dòng)方程分析所用土模型和錘擊參數(shù)以擬合觀測(cè)結(jié)果。所得土模型錘參數(shù)可用于計(jì)算不滿足打樁準(zhǔn)則時(shí)的承載力，或錘擊能量有變化時(shí)的情況。
　　12. 打樁監(jiān)控：要保證成樁質(zhì)量就要監(jiān)督打樁以保證打樁準(zhǔn)則的滿足。如打樁準(zhǔn)則不能滿足，進(jìn)一步的測(cè)試如靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)可用來確定承載力。正式施工后、常用動(dòng)載試驗(yàn)來確定承載力（復(fù)打），監(jiān)控打樁應(yīng)力以保證樁身完整性。
　　2.6 UFC 3-220-01A 深基礎(chǔ)規(guī)范
　　這是美國(guó)國(guó)防部屬下美國(guó)工程師軍團(tuán)（U.S. Army Corps of Engineers）制定的有關(guān)深基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工的規(guī)范。其中有關(guān)打樁準(zhǔn)則的建議有一定的代表性：
　　• 打樁施工前，進(jìn)行初始的波動(dòng)方程分析
　　• 打觀察樁，一般2%到5%的工程樁
　　• 用實(shí)際記錄的錘性能，調(diào)整土強(qiáng)度再次進(jìn)行波動(dòng)方程分析
　　• 打樁到不同深度、用PDA（打樁分析儀）和CASE方法來估計(jì)對(duì)應(yīng)不同深度的承載力
　　• 等一段時(shí)間，一般為一天，復(fù)打測(cè)試
　　• 對(duì)動(dòng)測(cè)結(jié)果進(jìn)行CAPWAP分析，并和波動(dòng)方程分析結(jié)果比較以驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果
　　• 進(jìn)行靜載試驗(yàn)以驗(yàn)證動(dòng)測(cè)結(jié)果，一般只用于大項(xiàng)目
　　• 如地質(zhì)條件變化、荷載要求不同、樁型改變及打樁行為變化，可要求對(duì)余下的樁進(jìn)行打樁監(jiān)控或復(fù)打測(cè)試
　　2.7 美國(guó)高速公路根據(jù)試驗(yàn)樁來確定打入樁準(zhǔn)則的現(xiàn)狀
　　NCHRP （National Cooperative Highway Research Program）【11】針對(duì)課題“通過試驗(yàn)樁數(shù)據(jù)來確定工程樁的打樁準(zhǔn)則”對(duì)美國(guó)50州、華盛頓特區(qū)和波多黎各的州運(yùn)輸局進(jìn)行調(diào)查。所收集的信息顯示以下幾種實(shí)踐：
　　• 基礎(chǔ)施工沒用試驗(yàn)樁，打樁準(zhǔn)則由動(dòng)力公式或波動(dòng)方程分析確定。此法常用于簡(jiǎn)單情況，如打鋼樁到巖層或到堅(jiān)硬的土層。建議用波動(dòng)方程分析，因?yàn)榭煽紤]更實(shí)際的樁土模型以及土恢復(fù)。
　　• 用試驗(yàn)樁，其數(shù)量和樁型與主要選擇樁型、地質(zhì)條件、項(xiàng)目大小及各管理局的習(xí)慣有關(guān)。
　　• 用試驗(yàn)樁和高應(yīng)變動(dòng)載試驗(yàn)來確定打樁準(zhǔn)則的辦法常用于用試驗(yàn)樁作為工程樁的情況。結(jié)果常用來精化波動(dòng)方程分析。
　　• 正式施工前的試驗(yàn)樁和高應(yīng)變動(dòng)載試驗(yàn)或靜荷載試驗(yàn)來確定打樁準(zhǔn)則的辦法可更可靠地確定承載力。
　　由于各州不一樣，以下僅就幾個(gè)大一點(diǎn)的州列舉部分調(diào)查結(jié)果：
　　• 用波動(dòng)方程確認(rèn)所選打樁錘和系統(tǒng)是否合適的項(xiàng)目占百分比：
　　o 加利福尼亞州（California）為 10%
　　o 科羅拉多州（Colorado）為 20%
　　o 路易斯安娜州（Louisiana）為 70%
　　o 新澤西州（New Jersey）為 100%
　　• 進(jìn)行復(fù)打測(cè)試的項(xiàng)目百分比：
　　o 各州不同，1%-95%，選擇一部分樁，不一定在每一處進(jìn)行復(fù)打測(cè)試：科羅拉多州為90%,路易斯安娜州為50%,伊利諾伊州（Illinois）為 50%
　　o 5%-95% 至少在每一處一根進(jìn)行復(fù)打測(cè)試：加利福尼亞州為90%,路易斯安娜州為25%,伊利諾伊州為10%
　　• 荷載試驗(yàn)方法
　　o 僅用高應(yīng)變動(dòng)載試驗(yàn): 1% - 100%;科羅拉多州為100％; 加利福尼亞州為1％; 俄亥俄為Ohio 89％
　　o 高應(yīng)變動(dòng)載試驗(yàn)加CAPWAP®分析: 5%-100%;科羅拉多州為20%；加利福尼亞州為5%; 佛羅里達(dá)州（Florida）為 99%; 俄亥俄為45%
　　o 只進(jìn)行靜荷載試驗(yàn): 1% - 10%;科羅拉多州為<1%;加利福尼亞州為1%
　　o 快速荷載法: < 1%
　　2.8 美國(guó)高速公路大直徑開口打入管樁設(shè)計(jì)和荷載試驗(yàn)的現(xiàn)狀
　　NCHRP （National Cooperative Highway Research Program）【12】針對(duì)課題“高速公路大直徑開口打入管樁設(shè)計(jì)和荷載試驗(yàn)的現(xiàn)狀”對(duì)美國(guó)50州、華盛頓特區(qū)和波多黎各的州運(yùn)輸局進(jìn)行調(diào)查,包括混凝土管樁和鋼管樁。所收集的信息顯示（作出答復(fù)的機(jī)構(gòu)的百分比）：
　　• 41%考慮用大直徑開口打入樁
　　• 44% 用波動(dòng)方程來確定打樁準(zhǔn)則 （即打樁阻力、錘擊數(shù)）
　　• 75% 在試驗(yàn)樁或選擇的工程樁上進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)來確定打樁阻力作為打樁準(zhǔn)則
　　• 44% 在試驗(yàn)樁或選擇的工程樁上進(jìn)行靜載試驗(yàn)或快速荷載試驗(yàn)、加上信號(hào)擬合來確定打樁阻力作為打樁準(zhǔn)則
　　• 63% 用復(fù)打來確定阻力的變化

　　三、 樁基高應(yīng)變動(dòng)載試驗(yàn)及分析的新發(fā)展
　　發(fā)明于70年代初期的凱斯西儲(chǔ)大學(xué)（Case Western Reserve University），樁基高應(yīng)變動(dòng)載試驗(yàn)方法由ASTM D4945【13】規(guī)范化。其著名的凱斯法（CASEMethod）即由該校的名字命名。如今，實(shí)際的應(yīng)用、設(shè)備已有很大發(fā)展，該方法現(xiàn)已成為打入樁和灌注樁的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在世界范圍，成為各種規(guī)范規(guī)章指定的質(zhì)量控制和保障的手段【14】。下面是現(xiàn)在常用的應(yīng)用動(dòng)載試驗(yàn)來驗(yàn)收樁的步驟：
1. 通常使用連接到樁身上的應(yīng)變儀和加速度傳感器來采集錘擊下樁身（常在樁頂）軸向力和速度數(shù)據(jù)，測(cè)試可以在打樁過程中或等一段時(shí)間后的復(fù)打中進(jìn)行。對(duì)于均勻樁，可用應(yīng)力波的傳播理論和凱斯方法來計(jì)算樁身中的應(yīng)力，評(píng)估樁身完整性，評(píng)估錘性能，并通過假定的阻尼系數(shù)來實(shí)時(shí)計(jì)算打樁時(shí)的土阻力（SRD）。
　　2. 然后使用信號(hào)擬合軟件如CAPWAP作進(jìn)一步分析以得到更準(zhǔn)確的總阻力和阻力沿樁身和在樁底的分布。信號(hào)擬合軟件通常采用更完善的樁土模型，不僅能更精確地計(jì)算承載力，而且能計(jì)算沿樁身各點(diǎn)的壓縮和拉伸應(yīng)力。對(duì)非均勻樁和/或復(fù)雜的土條件，這一步是必要的。
　　大量的研究比較動(dòng)載試驗(yàn)與靜載試驗(yàn)【15】。結(jié)果顯示復(fù)打時(shí)動(dòng)載試驗(yàn)的CAPWAP結(jié)果比較可靠。靜載試驗(yàn)的結(jié)果與采用的破壞準(zhǔn)則有關(guān)。通過比較303案例得出【15】，CAPWAP與基于Davisson準(zhǔn)則的靜載試驗(yàn)結(jié)果比的平均值是0.98，協(xié)方差為0.169?？紤]到常用的Davisson準(zhǔn)則結(jié)果低于所有準(zhǔn)則的平均值，故CAPWAP結(jié)果可認(rèn)為是偏保守的。
　　為適應(yīng)現(xiàn)代動(dòng)載試驗(yàn)的需求，其方法、運(yùn)用和設(shè)備有很多更新。下面列舉一些近來的新發(fā)展：
　　3.1 遠(yuǎn)程試驗(yàn)
　　遠(yuǎn)程測(cè)試的概念在2000年前出現(xiàn)。開始是通過電話系統(tǒng)，將打樁分析儀與手機(jī)通過串聯(lián)接口相連，測(cè)試時(shí)通過電話連到另一端的電話或電話數(shù)據(jù)機(jī)，再通過串聯(lián)接口連到計(jì)算機(jī)，該端一般是在辦公室或旅館。新的打樁分析儀運(yùn)用常用的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，如微軟（Microsoft）的視窗（Windows），可像計(jì)算機(jī)一樣操作，使通過網(wǎng)卡或WIFI直接聯(lián)網(wǎng)成為可能。通過因特網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制軟件可在辦公室直接操作現(xiàn)場(chǎng)的打樁分析儀。其優(yōu)點(diǎn)如下：
　　• 節(jié)省旅行費(fèi)用
　　• 省去旅行時(shí)間，既有利于安排測(cè)試以便測(cè)試更多的樁、亦能加快數(shù)據(jù)分析出報(bào)告
　　• 有利于防偽
　　該方法已被很多國(guó)家接受并利用。
　　3.2 快速自動(dòng)信號(hào)擬合- iCAP®
　　傳統(tǒng)動(dòng)測(cè)的實(shí)時(shí)分析用的是基于閉合解的CASE方法，所得承載力的準(zhǔn)確性取決于假設(shè)的土阻尼系數(shù)。正確的阻尼系數(shù)必須通過和靜載試驗(yàn)或動(dòng)測(cè)信號(hào)擬合分析結(jié)果比較來得到。因此好的規(guī)范（如AASHTO，2010）會(huì)要求作信號(hào)擬合分析。傳統(tǒng)的信號(hào)擬合分析需較多時(shí)間，常常需回到辦公室進(jìn)行。另外由具有不同經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的工程師來分析，結(jié)果也會(huì)不同，這是因?yàn)槭欠蔷€性問題、反分析解不是唯一的，為此發(fā)展出快速自動(dòng)信號(hào)擬合程序iCAP【16】來自動(dòng)進(jìn)行快速信號(hào)擬合。其優(yōu)點(diǎn)為：
　　• 快速：如樁不長(zhǎng)（30m內(nèi)）每錘分析在1-2分鐘內(nèi)，這使得多錘分析變得可能
　　• 無(wú)人干涉，可減少人為因素的影響
　　• 能求阻力分布
　　• 能求應(yīng)力分布，更準(zhǔn)確地確定拉應(yīng)力
　　當(dāng)前版本的局限為：
　　• 限于均勻樁，木樁例外；假設(shè)直徑減小率為1/120.不考慮銜接、間隙或裂縫
　　• 不適用于復(fù)雜的土模型，如輻射阻尼
　　• 不能進(jìn)行殘余應(yīng)力分析
　　3.3 多通道及萬(wàn)能連接
　　傳統(tǒng)打樁分析儀一般有四個(gè)通道能接兩個(gè)加速度傳感器和兩個(gè)應(yīng)變傳感器，這滿足大多規(guī)范的最低要求。很多情況下需安裝四個(gè)以上應(yīng)變傳感器以保證試驗(yàn)的成功率，如測(cè)試灌注樁、大型管樁、螺旋焊接鋼管樁及非常規(guī)使用截面形狀的樁。為此而生產(chǎn)出八通道的打樁分析儀，四個(gè)加速度（兩個(gè)壓阻式，兩個(gè)壓電式）和四個(gè)應(yīng)變傳感器。最新的產(chǎn)品是八通道的打樁分析儀、每個(gè)通道均為萬(wàn)能連接，即可連接任何傳感器。這就更靈活了，如：
　　• 6個(gè)加速度（樁上、樁墊上和錘上各兩個(gè)）
　　• 6個(gè)應(yīng)變傳感器 （樁頂、中間和樁底各兩個(gè)或樁頂四個(gè)、樁底兩個(gè)）
　　3.4 無(wú)線傳感器和智能傳感器
　　無(wú)線傳感器減少傳感器和數(shù)據(jù)采集分析儀之間的連線，方便測(cè)試和運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)亦更安全。
　　智能傳感器儲(chǔ)存?zhèn)鞲衅鞯男畔?，如?biāo)定參數(shù)、傳感器類型。當(dāng)連接到打樁分析儀（有線或無(wú)線）時(shí)，分析儀可讀出傳感器中的信息，從而自動(dòng)辨識(shí)傳感器類型和輸入標(biāo)定參數(shù)。這不僅加快打樁分析儀的準(zhǔn)備工作、減少錯(cuò)誤，亦能防偽。
　　3.5 提供高能量的錘擊設(shè)備
　　打入樁施工時(shí)用的打樁錘可直接用來進(jìn)行高應(yīng)變動(dòng)載試驗(yàn)。這對(duì)用高應(yīng)變動(dòng)測(cè)監(jiān)控打樁過程或確定初打結(jié)束時(shí)的承載力是沒有問題的。如設(shè)計(jì)中考慮到土恢復(fù)，此時(shí)的承載力往往是達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的。需等一段時(shí)間后復(fù)打試驗(yàn)來確定最終承載力。由于土恢復(fù)，土阻力增大，施工用的打樁錘有可能不足以激發(fā)所有承載力，特別是高承載力的大樁。此時(shí)需用更大錘芯的錘以提供更大的能量。當(dāng)前已有80噸錘芯的自由落錘，可激發(fā)8000噸的承載力。如配上厚的樁墊，就可進(jìn)行快速荷載試驗(yàn)。這種錘常用來測(cè)試灌注樁。
　　3.6 樁頂力傳感器的利用
　　為避開應(yīng)力集中影響區(qū)，一般要求傳感器安裝在距樁頂兩倍直徑以下的位置。很多情況下很難滿足，如灌注樁、大直徑樁、樁頂接近水面、無(wú)法開挖等。對(duì)灌注樁、樁頂周圍的準(zhǔn)備工作和樁頂?shù)谋Ｗo(hù)不容易。為此而研制出樁頂力傳感器。測(cè)試時(shí)直接將力傳感器放置在樁頂，略加固定以防止錘擊時(shí)掉落。將加速度傳感器安裝在樁頂附近，就可進(jìn)行試驗(yàn)。
　　3.7 水下試驗(yàn)
　　隨著近年來能源工業(yè)的大力發(fā)展，海上項(xiàng)目如油田、天然氣（中國(guó)南海）及風(fēng)電場(chǎng)的開發(fā)前所未有。近來很多越來越大的鉆進(jìn)平臺(tái)要安裝在深海處，鋼管柱常被用來固定這些平臺(tái)。由于水深，合理的安裝方法是水下打樁。因此對(duì)進(jìn)行水下高應(yīng)變?cè)囼?yàn)來監(jiān)控打樁過程（控制應(yīng)力）和計(jì)算承載力的需求越來越多【17】。

　　四、 高應(yīng)變動(dòng)載試驗(yàn)及分析在美國(guó)打入樁基礎(chǔ)中的作用
　　4.1 應(yīng)用
　　涉及打入樁的現(xiàn)代高應(yīng)變樁基動(dòng)載試驗(yàn)及分析一般包含以下內(nèi)容：
　　• 波動(dòng)方程分析，在美國(guó)基本上用的是GRLWEAP。
　　• 用打樁分析儀采集數(shù)據(jù)和用CASE法實(shí)時(shí)計(jì)算打樁阻力及應(yīng)力的信息。
　　• 用信號(hào)擬合分析得到更為精確的土阻力分布及應(yīng)力分布。美國(guó)基本上用的是被廣泛認(rèn)可和使用的CAPWAP軟件。
　　波動(dòng)方程分析常用來：
　　• 確定打樁準(zhǔn)則，一般只是初步。
　　• 選擇打樁設(shè)備和確認(rèn)其合適性。
　　• 確認(rèn)承載力，一般要用精化分析后的模型。精化分析可基于現(xiàn)場(chǎng)記錄的打樁記錄或測(cè)試結(jié)果。
　　對(duì)于小項(xiàng)目，一般沒有專門的試驗(yàn)方案，常直接用動(dòng)力公式或波動(dòng)方程分析來確定打樁準(zhǔn)則。部分會(huì)加動(dòng)載試驗(yàn)來驗(yàn)證。在確定打樁準(zhǔn)則方面，波動(dòng)方程分析比動(dòng)力公式有優(yōu)勢(shì)【11】。根據(jù)ASSHTO LRFD規(guī)范（表 2），使用波動(dòng)方程分析有助于提高抗力系數(shù) ( = 0.5。如僅用動(dòng)力公式， = 0.4或更小)。
　　根據(jù)NCHRP【11】的結(jié)論，大多數(shù)美國(guó)州運(yùn)輸部門認(rèn)為高應(yīng)變?cè)囼?yàn)是有用的測(cè)試手段。具體的做法是：對(duì)每一組結(jié)構(gòu)至少測(cè)一根樁，信號(hào)擬合常用來估計(jì)承載力。用這種辦法來確定打樁準(zhǔn)則的好處包括：
　　• 錘效率能得到不斷監(jiān)控。問題（如對(duì)中）能及時(shí)糾正
　　• 能控制打樁應(yīng)力
　　• 能及時(shí)發(fā)現(xiàn)樁身?yè)p壞
　　• 與靜載試驗(yàn)比，速度快、成本低
　　• 與波動(dòng)方程分析比，估計(jì)承載力更可靠
　　• AASHTO和其他機(jī)構(gòu)允許用更高的抗力系數(shù)，如 = 0.65-0.75, 與測(cè)樁數(shù)量有關(guān)
　　• 復(fù)打測(cè)試很容易進(jìn)行，有利于考慮土恢復(fù)或松弛
　　后兩條可降低成本或通過更準(zhǔn)確地確定長(zhǎng)期承載力來提高結(jié)構(gòu)的安全性。
　　4.2 經(jīng)濟(jì)效應(yīng)
　　為研究利用測(cè)試的經(jīng)濟(jì)效益，Komurka 和Arndorfer【9】對(duì)威斯康星（Wisconsin）州運(yùn)輸局管轄的兩個(gè)橋梁大項(xiàng)目進(jìn)行比較。項(xiàng)目#1是Marquette立交橋南部腿，跨度在46m和78m之間，建筑成本為4.6千萬(wàn)美元。項(xiàng)目#2是運(yùn)河街高架橋，跨度在24m和47m之間，建筑成本為1.86千萬(wàn)美元。
　　項(xiàng)目#1：設(shè)計(jì)和施工階段都進(jìn)行了試驗(yàn)。
　　設(shè)計(jì)階段：5個(gè)觀察區(qū)約10根鋼管樁進(jìn)行了試驗(yàn)，包括2個(gè)靜載。為確定土恢復(fù)量和速度，進(jìn)行了4次復(fù)打試驗(yàn)，等待時(shí)間為2.4小時(shí)、24小時(shí)、10 天和28天以上。打樁分析儀（Pile Driving Analyzer®）用于打樁監(jiān)控和復(fù)打試驗(yàn)。選擇初打結(jié)束時(shí)和復(fù)打開始時(shí)的記錄進(jìn)行CAPWAP分析。花費(fèi)為24.5萬(wàn)美元。如此全面的試驗(yàn)工作除了考慮該項(xiàng)目的規(guī)模和復(fù)雜性，還帶有對(duì)土的恢復(fù)特征的研究性質(zhì)，所以花費(fèi)不具代表性。
　　施工階段：對(duì)每一組結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，選1到2根樁進(jìn)行高應(yīng)變動(dòng)測(cè)打樁監(jiān)控。然后在42小時(shí)、96小時(shí)進(jìn)行復(fù)打測(cè)試。從而得到土恢復(fù)的量、速度及通過CAPWAP分析得到土阻力分布。將此結(jié)果和設(shè)計(jì)階段的鄰近處試驗(yàn)樁的結(jié)果比較，以找出不同基礎(chǔ)處樁身摩擦阻力恢復(fù)特征與貫入深度的關(guān)系。由測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行精化波動(dòng)方程分析以得到更準(zhǔn)確的波動(dòng)方程樁土模型和錘擊參數(shù)。然后可由波動(dòng)方程分析確定其他樁在不同貫入深度處的打樁準(zhǔn)則。土恢復(fù)可減小打樁阻力，如用同樣的錘和樁（橫截面不變），樁可打的更深。深樁有更多的摩擦阻力，可得到更多的恢復(fù)（土恢復(fù)基本上沿樁身）。最后采用的安全系數(shù)為2.25。施工階段的試驗(yàn)費(fèi)用為19.2萬(wàn)美元。
　　項(xiàng)目#2：用的是H型鋼樁，沒做試驗(yàn)，打樁準(zhǔn)則是根據(jù)威斯康星州運(yùn)輸局修正的工程新聞動(dòng)力公式來確定。該公式所含的安全系數(shù)在3到5之間。
　　支持成本定義為在深基礎(chǔ)上所有花費(fèi)除以允許荷載，即單位荷載的深基礎(chǔ)費(fèi)用。Komurka 和Arndorfer【9】用的英制噸。換算成公制噸需乘以0.9。項(xiàng)目#1 的支持成本為30.63美元，包括試驗(yàn)費(fèi)用；項(xiàng)目#2的支持費(fèi)用為42.36美元。所以項(xiàng)目#1 省了約28%。其原因除了樁型和結(jié)構(gòu)的不同，與測(cè)試有關(guān)的因素如下：
　　• 打樁準(zhǔn)則的確定利用了土恢復(fù)。打樁土阻力減小使打樁容易，可打更深，優(yōu)化了樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)。
　　• 通過試驗(yàn)降低了安全系數(shù)。
　　• 因而，提高了單樁的允許承載力。
　　美國(guó)俄亥俄州在2002年后對(duì)每個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)【2】。在2005和2010年之間在試驗(yàn)上的花費(fèi)是打入樁總費(fèi)用的2%。動(dòng)測(cè)花費(fèi)占總試驗(yàn)花費(fèi)的91%以上?？紤]到動(dòng)載試驗(yàn)的成本更低、動(dòng)載試驗(yàn)的數(shù)量應(yīng)遠(yuǎn)超91%。通過試驗(yàn)不僅可降低安全系數(shù)，而且可利用土恢復(fù)。在Tuscarawas大街的3跨橋項(xiàng)目上，通過高應(yīng)變動(dòng)載試驗(yàn)加信號(hào)擬合達(dá)到：
　　• 將安全系數(shù)從2.0降低到1.53
　　• 由得到土阻力分布可更準(zhǔn)確地估計(jì)流沙層需考慮的阻力損失
　　• 得到不同地段的不同土阻力恢復(fù)特征
　　在馬薩諸塞州(Massachusetts) Brayton Point發(fā)電廠，建閉路循環(huán)冷卻塔【18】。選擇了500mm 方形預(yù)應(yīng)力混凝土樁。為驗(yàn)證此樁型能否提供足夠承載力，加入全面的試驗(yàn)法案，包括：
　　• 預(yù)打樁波動(dòng)方程分析：選錘、應(yīng)力控制
　　• 對(duì)12根樁進(jìn)行動(dòng)測(cè)進(jìn)一步監(jiān)測(cè)應(yīng)力、用CAPWAP來驗(yàn)證承載力
　　• 進(jìn)行了一個(gè)軸向抗壓靜載試驗(yàn)以驗(yàn)證設(shè)計(jì)承載力要求
　　• 對(duì)多樁進(jìn)行了軸向抗拉靜載試驗(yàn)和水平靜載試驗(yàn)
　　通過試驗(yàn)，大大提高了單樁承載力，由此減少176根樁，改變了原來的設(shè)計(jì)，省了約9%（約1百萬(wàn)美元）的成本。該項(xiàng)目用了低應(yīng)變?cè)囼?yàn)來確定樁身完整性。

　　五、結(jié)語(yǔ)
　　由于其特有的優(yōu)點(diǎn)，打入樁在美國(guó)被廣泛使用。
　　高應(yīng)變動(dòng)測(cè)、信號(hào)擬合和波動(dòng)方程分析能確定打樁應(yīng)力、土恢復(fù)或松弛及承載力。與靜載試驗(yàn)相比，具有速度快、成本低、靈活等優(yōu)點(diǎn)。
　　成樁后等一定時(shí)間進(jìn)行復(fù)打測(cè)試是唯一能確定長(zhǎng)期承載力（考慮了恢復(fù)和松弛）的方法。不僅更準(zhǔn)確地確定長(zhǎng)期承載力、保證結(jié)構(gòu)的安全性，亦能利用土恢復(fù)特征確定打樁準(zhǔn)則以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。
　　影響打樁應(yīng)力的因素有：
　　• 樁尺寸，特別是橫截面
　　• 錘擊能量，與選用的錘和錘擊過程有關(guān)
　　• 打樁時(shí)的阻力與土恢復(fù)有關(guān)
　　如已知打樁時(shí)應(yīng)力，可優(yōu)化樁截面以減少單樁成本，或優(yōu)化單樁承載力以減少總的樁數(shù)。
　　測(cè)試可提高LRFD設(shè)計(jì)方法中的土抗力系數(shù)。如荷載不變，所需土阻力減少。
　　因此高應(yīng)變動(dòng)測(cè)、信號(hào)擬合和波動(dòng)方程分析在美國(guó)被廣泛的應(yīng)用于打入樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及施工各個(gè)階段。為打入樁更安全、更經(jīng)濟(jì)起到很大作用，已是打入樁設(shè)計(jì)及施工不可缺少的一部分。

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