桩基动测技术研究现状及发展方向综述

工　程　技　术

２０１０　　ＮＯ．１９

科技创新导报

桩基动测技术研究现状及发展方向综述

王丹微

（吉林建筑工程学院岩土工程系　　吉林长春　　１３００２１）

摘　要：本文简要地介绍了国内外桩基动测技术的应用现状，并讨论了其今后的发展方向，通过归纳、总结，得出：桩基动力检测技术是岩土工程检测领域的重大课题，是保证基础工程质量的重要手段之一，同时，具有省时、省力、经济、简便、无损等优点，已在全国各地的桩基检测中得到普及和应用。但是在实际应用中，由于各种原因桩基动测法还存在着一些问题，影响其可靠性，需要进一步的探讨和研究。关键词：岩土工程检测　　桩基础　　动力测试技术中图分类号：ＴＵ４７文献标识码：Ａ文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２０１０）０７（ａ）－０１０５－０２

１　引言

近年来，我国的建设工程发展十分迅速，诸如高层建筑、桥梁、港口、机场等各类新型高标准工程项目日益增多，这不仅对各种工程基础的地质条件提出更高的要求，而且需要提供各种可靠的设计参数。特别是在场地土动力学参数测试方面，有更高的标准要求。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［２，３］。为此，有必要对桩基动测技术研究现状及发展方向做进一步的探讨和研究。

２　桩基动测技术研究现状与存在的主要问题

桩基动测方法虽然已有１００多年的历史，但近代的动测技术则是随着现代电子等技术的发展在近三四十年前诞生的。可以说，它是岩土工程以及土动力学方面发展最快的分支之一，并受到越来越多的重视，无论在国外或国内都得到了迅速的推广和应用［４］。

２．１桩基动测技术现状

桩基动测技术在我国的推广和应用，经历了—段不平凡而且颇有特色的道路。我同许多学者和研究人员近年来在桩的动测方面也进行了大量研究开发工作。例如

［５，６］

韩英才认为，目前美国所采用的大应变波动方程法（包括ＣＡＰＷＡＰ程序）没有考虑土的非线性，显然是个严重不足之处，为此，他提出了用边界层模型来解决土的非线性问题；铁道部科学研究院徐慧、航空工业部勘察院李友鹏、东力噪声和振动研究

［７，８，９］

所应怀憔分别通过改变激振方式、利用ｚ变换方法或利用变时基采样等方法解决如何利用瞬态激振获得稳态激振的频域曲线，特别是获得其可靠的低频段曲线，以求得桩的承载力；冶金工业部建筑研究总院徐攸在、王怡研究了各类土的动、静模量比，从而使小应变动测桩承载力中的静动刚度比β值的取值有了理论和实验的依据；浙江人学梁国钱等利用最小阻尼二乘法和敏度概念，通过拟合频域曲线反演桩土参数，从而提高桩基动测技术的定量化程度；南京航空航天大学袁健则从信息论的观点出发，选择合理的反演参数建立以概率论为基础的考虑观测不确定性的反演方法，通过对实测时域曲线的拟合，反演桩上的参数；大连理工大学李桂华等进行了桩完整性的仿真计算和承载力预测，并提

出了动刚度的修正公式；浙江大学王奎华编制了反射波法动测桩完整性和桩缺陷的定量化拟合程序。

２．２桩基动测领域主要问题

尽管我国在动测桩的应用和研究开发方面取得了很大的成绩，并且在某些方面结合我国国情还有所创新，但也要看到我们在实践中还存在着许多问题，它们是：

①动测技术的方法实施效果［１０］不尽人意，需要改进；②某些测试仪器质量不高，不能满足测试要求；③有的测试单位因经济利益驱动，接受了某种动测方法本应限制使用的测试任务；④测试人员缺乏应有的经验或素质不高，造成测试结果不佳或误判。

总之，我们应看到，桩的动测新技术还将不断地发展。各种动测方法必须以传统的静载试验作为依托，而不是相互排斥。

３　桩基动测技术发展动向

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。今后，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。

３．１桩基动测理论方面

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：

３．１．１桩、土材料力学特性以及它们之间相互作用模型的研究［１１，１２］

大量的研究表明，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。

３．１．２桩土作用阻尼特性的研究［１３］

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，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。

３．１．３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。

３．２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。

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。

信号分析的另一个关键问题是结果的解释，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，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。３．３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。

３．４数学方法在动力分析中的应用

目前动力分析仍以循环荷载为主，对

（下转１０７页）

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气道，由ＥＣＵ控制切换阀的开度大小而进行调整。通常情况下切换阀闭合，废气通过涡轮室排出；一旦发动机大负荷运行将导致废气涡轮转速升高，当时气压力超过限值时，ＥＣＲ便会通过相应机构开启切换阀，使旁通气道导通，废气不经涡轮室而直接由旁通气道排出，增压器停止工作。

当然，增压技术带来的一个不可忽视的负面影响就是燃烧爆震倾向增加了，为此，专门用爆震传感器对点火系统进行反馈控制（即爆震控制），这在前面已有介绍。２．６故障自诊断系统

现在轿车发动机的电控系统中，ＥＣＵ一般都带有故障自诊断系统，自行监测、诊断发动机控制系统各部分的故障。具体对于传感器，可通过检查其信号是否超出规定范围来直接进行判断；对于执行器，则在其初始电路中增设专门回路来实现监测；至于ＥＣＵ本身，也有专用程序进行诊断。

自诊断系统时刻监测各控制系统的工作情况，一般轿车仪表盘上的故障指示灯可闪烁报警，同时将故障信息以闪烁来显示，也可以通过专用的检测仪器以数字的开式显示故障代码，以便进一步过通过手册查出故障原因。自诊断系统很好地解决了复杂电控系统难以判断故障的问题。２．７故障保险系统及故障备用控制系统

当自诊断系统检测出传感器及其电路出现故障后，ＥＣＵ中的故障保险系统随之自动启动发挥作用。故障保险系统一般通过软件编程来实现。

而当微机或主要传感器（如进气歧压力传感器）出现故障时，ＥＣＵ立即将主控权由微机切换至故障备用系统中，由其代替微机工作。故障备用系统作为ＥＣＵ的一个集成电路模块，根据起动信号和怠速状态信

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号，一般只能确定维持汽车动行的最简单的控制方案，保证轿车“缓慢回家”以便修理，而不能达到微机控制时的最佳性能。２．８其他电控系统

２．８．１进气涡电控系统

进气涡流可以促进汽油蒸以及与空气的均匀混合，提高燃烧效率。电控进气涡流在某些轿车（特别是采用烯燃技术的轿车）上应用效多。其结构是在进气口附近增设一涡流控制阀，通过ＥＣＵ采集转速、节气们开度、冷却水温等信号，并加以理后控制其旋转角度，引导气流偏转产生涡流，调节涡流比，实现涡流控制。

２．８．２可变进气控制系统

可变进气控系统是从增加进气量、提高进气效率的角度出发来改善发动机动力性能的。该系统有两种类型：一种是可变流通面积控制试，它通过ＥＣＵ控制安装在进气歧管管道中的控制阀的旋转角度来改变其进气流通截面，满足不同工况对进气量的需求；另一种是可变流通长度控制方式，由ＥＣＵ控制进气歧管管道中的控制阀来调整进气管的长度。实践证明，可变进气控制系统可增强发动机动力性和经济性。

２．８．３进气温度预热控制系统

进气温度预热控制系统通过调节低温起动时的进气温度来促进汽油蒸发，改善排放性能。预热方式主要有排气管预热、水温预热和正温度元件（ＰＣＴ）预热３种方式。

２．８．４燃油蒸发电控制系统

燃油蒸发电控制系统用来降低燃油箱中汽油蒸汽排向大气所造成的污染。目前，活性炭罐蒸发电控装置得到广泛的应用。停车期间，利用活性炭罐吸收汽油蒸汽，防止向大气扩散；发动机运行后，ＥＣＵ控制活性炭罐与进气歧管之间的导通，并利用进

气真空度将活性炭罐中吸附的汽油蒸汽吸入进气歧管，这样可有效防止汽油蒸汽的外逸，降低ＨＣ的排放污染。

２．８．５曲轴箱强制通风电控系统

该控制系统的目的是将汽缸中经活塞环间隙渗入曲轴箱内的气体再次循环入进气歧管中，以减少该部分气体直接排向大气造成的污染。现代电控系统中，由ＥＣＵ根据节气门位置信号、转速信号等控制强制通风阀，从而通过曲轴箱内气体与进气歧管之间的导通，实现再利用曲轴箱内气体。

２．８．６二次空气喷射系统

二次空气喷射作为早期控制污染物排放的措施之一，目前与催化转换器配合使用。它同样由ＥＣＵ控制二次空气喷射气道的导道，将空气引入催化转换器，实现对ＮＯＸ、ＣＯ、ＨＣ的转变。在将空气引入排气管的方式中，除了空气泵控制外，还可利用排气脉冲波来实现。

另外，随着研究的进一步深入，又出现了许多新技术。如断缸控制，它可根据负荷的不同要求，停止部分汽缸的燃油供给与点火控制，减少浪费，提高发动机效率；再如加速踏板电控系统，可避免机械式加速踏板因磨损而产生的误差，增强控制精度。

从上述发动机电控系统的应用技术中不难看出，轿车汽油发动机的微机控制时代已经来临。并且随着微机、电子技术的日臻完善技术有望取得更大的突破。因此，可以确切地讲。发动机电控技术的开发研究仍将是２１世纪汽车工业的重要课题。

（上接１０５页）

不规则动荷载虽有了一定的探讨，但仍较少，同时由于地震荷载的随机性及不确定性，概率方法和模糊数学理论在分析中的应用也是今后研究的一个方向。

［２］

［３］［４］［５］

４　结语

桩基动测技术具有省时、省力、经济、简便、无损等优点。虽然在实际的检测中还存在着这样那样的问题，但相信随着桩基检测理论、实践的不断发展和测试人员素质的不断提高以及软硬件设备的不断更新改进桩基动测的整体水平必将迈上一个新的台阶，在保证桩基工程质量、加快施工进度等方面起到更为积极的作用，实现高质量、规范化、标准化以更好地服务于工程建设。

随着科学技术和生产的高速发展，桩基动测技术的研究也愈来愈深入，本文仅是初步探讨，不到之处望不吝指正。

［６］［７］

［８］

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