混凝土樁缺陷影響域的仿真分析

摘 要 本論文基于聲波透射法檢測(cè)理論，采用ANSYS有限元軟件對(duì)混凝土缺陷樁進(jìn)行仿真分析，通過(guò)聲學(xué)參數(shù)的變化來(lái)分析缺陷的影響域。

關(guān)鍵詞 聲波透射法 有限元 聲學(xué)參數(shù) 缺陷影響域

中圖分類號(hào)：TV331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

灌注樁是高層建筑、橋梁等工程結(jié)構(gòu)常用的基樁形式，其質(zhì)量直接影響上部結(jié)構(gòu)安全，由于灌注樁的特定施工條件，在混凝土灌注過(guò)程中產(chǎn)生夾泥、縮頸、空洞、斷樁等缺陷，這些缺陷造成了樁身的不完整性。①采用基樁聲波透射法檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)分析接受波的首波初至、幅值、頻率和波形特征，可以判斷缺陷范圍的大小和缺陷的性質(zhì)。②實(shí)際工程檢測(cè)中，在缺陷以及缺陷附近處所測(cè)得的波速、波幅值變化異常，③說(shuō)明缺陷對(duì)聲學(xué)參數(shù)的變化有一定的影響范圍。本論文采用ANSYS有限元軟件對(duì)混凝土缺陷樁進(jìn)行仿真分析，通過(guò)缺陷各方向的移動(dòng)來(lái)分析聲學(xué)參數(shù)的變化，從而確定缺陷的影響域。

1 模型驗(yàn)證

1.1 模型材料計(jì)算參數(shù)

本論文在研究過(guò)程中采用了兩種材料模型：混凝土、泥團(tuán)，其中混凝土和泥團(tuán)采用線彈性材料。在有限元軟件中的線彈性材料指所有方向材料特性相同，由密度、彈性模量、泊松比來(lái)定義。④在建模過(guò)程中混凝土及泥團(tuán)的材料參數(shù)分別如表1所示：

1.2 模型的介紹

完整樁模型為一混凝土灌注樁，樁的直徑D=1.6m， 樁長(zhǎng)L=15m，埋設(shè)3跟聲測(cè)管，⑤管距L0=1.0m，缺陷樁模型是在完整樁模型中加一個(gè)橢球體缺陷，橢球體X方向半軸尺寸a=0.20m，Y方向半軸尺寸b=0.15m，Z方向半軸尺寸c=0.15m，橢球體缺陷位置如圖1、2所示 ：

1.3 ANSYS有限元軟件的模擬及驗(yàn)證

采用常規(guī)對(duì)測(cè)，發(fā)射點(diǎn)1 輸入一超聲脈沖波，⑥接收點(diǎn)2接收（如圖1所示），橢球體材料為混凝土?xí)r得到的波形圖與完整樁時(shí)得到的波形圖如圖3所示：

由表2可知，波速誤差和波幅誤差很小，說(shuō)明該橢球體模型建立正確以及該橢球體網(wǎng)格劃分合理，保證了計(jì)算的精確度。

2 缺陷影響域分析

2.1 缺陷水平影響域

橢球在水平面上沿Y方向移動(dòng)（如圖2所示），測(cè)點(diǎn)位置不變。橢球體材料為泥團(tuán)時(shí)得到的波形圖與橢球體材料為混凝土?xí)r得到的波形圖如圖4、5、6、7所示：

=L/L0（L為測(cè)線與橢球體中心的距離，L0為聲測(cè)管管距）；波幅比值=A/A0（A為當(dāng)橢球體材料為泥團(tuán)時(shí)接收波形圖中波幅值，A0為當(dāng)橢球體材料為混凝土?xí)r接收波形圖中波幅值）；波速比值=V/V0（V為橢球體材料為泥團(tuán)時(shí)的波速，V0為橢球體材料為混凝土?xí)r的波速）；根據(jù)實(shí)測(cè)的各組波形圖繪制出的波幅比值、波速比值— 的曲線如圖8、9所示：

由圖8所示的波速比值曲線可以得知： <0.16時(shí)，波速變化異常； >0.16時(shí)，波速大于正常波速的90%，橢球體Y方向半軸尺寸b = 0.15m，說(shuō)明當(dāng)測(cè)線不經(jīng)過(guò)橢球體時(shí)，缺陷對(duì)波速影響很小。

由圖9所示的波幅比值曲線可以得知：橢球體中心在1/2L0處水平移動(dòng)， <0.15時(shí)，測(cè)線通過(guò)缺陷，波幅比值小于0.33；0.15< <0.36時(shí)，測(cè)線不經(jīng)過(guò)缺陷，但是波幅比值小于0.9，缺陷仍對(duì)波幅有影響，以波幅比值為0.9來(lái)確定缺陷的影響域，該橢球體中心在1/2L0處Y方向的影響域?yàn)?= 0.36。

2.2 缺陷豎向影響域

缺陷豎向影響域的分析方法同2.1節(jié)，結(jié)果如下：

橢球體沿Z方向移動(dòng)（如圖1所示），得到的波幅比值、波速比值— 的曲線如圖8、9所示；對(duì)比圖9所示橢球體在1/2L0處水平移動(dòng)和豎向移動(dòng)得到的波幅比值曲線可以得知：橢球體中心在1/2L0處時(shí)，水平影響域與豎向影響域相差不大。該處橢球體在Y方向和Z方向的影響域?yàn)?=0.36。

討論橢球體中心偏移后的缺陷影響域時(shí)可以只分析缺陷在豎直方向的移動(dòng)。

2.3 討論橢球中心左右移動(dòng)后缺陷的影響域

（1）橢球體中心在1/3L0處豎向移動(dòng)分析方法和步驟同23.1節(jié)，得到的波幅比值、波速比值— 的曲線如圖8、9所示；

（2）橢球體中心在1/5L0處豎向移動(dòng)波幅比值、波速比值— 的曲線如圖8、9所示；

對(duì)比橢球體中心在1/3L0和1/5L0處的波幅比值曲線可以得知：橢球體中心左右移動(dòng)后缺陷的影響域減小。

3 缺陷影響域的應(yīng)用

3.1 判斷缺陷的位置

改變橢球的X方向半軸尺寸分別為a = 0.03m，a = 0.05m，0.10m，0.15m，0.20m，0.25m，Y方向半軸b = 0.05m，Z方向半軸c = 0.05m，繪制出的波幅比值— 的曲線如圖12所示：

對(duì)圖12所示a = 0.15m時(shí)的波幅比值曲線進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合，得到的多項(xiàng)式為：

Y=-1.00772+5.32835X8.18X2+4.292X3 （2）

其中Y代表 ，X代表波幅比值。通過(guò)實(shí)測(cè)的波幅比值，由式（2）可以計(jì)算 值，從而判斷缺陷的位置。

3.2 估算缺陷X方向的尺寸

在常規(guī)對(duì)測(cè)中，假設(shè)缺陷在AB剖面之間時(shí)，根據(jù)波速變化規(guī)律可以估算缺陷Z方向尺寸，根據(jù)實(shí)測(cè)的 和波幅比值查表4，采用線性內(nèi)插法可以估算缺陷在X方向的尺寸a。

3.3 檢測(cè)盲區(qū)

建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范JGJ 106-2003規(guī)定發(fā)射與接收聲波換能器應(yīng)以相同標(biāo)高或保持固定高差同步升降，測(cè)點(diǎn)間距不宜大于250mm；由圖12可以看出缺陷尺寸越小，缺陷的影響域越小。當(dāng)缺陷小到一定程度時(shí)，缺陷對(duì)測(cè)點(diǎn)無(wú)影響。取測(cè)點(diǎn)距離250mm，橢球體位于測(cè)點(diǎn)中間，圖12中當(dāng)a=0.03m（橢球體X方向尺寸約為管距的1/20）時(shí)，該橢球體的影響域 =0.125，即測(cè)線距離缺陷中心距離l=12.5cm，此時(shí)缺陷對(duì)測(cè)點(diǎn)無(wú)影響；所以當(dāng)測(cè)點(diǎn)間距為250mm時(shí)，無(wú)法檢測(cè)到尺寸小于管距1/20的缺陷。

4 結(jié)論

（1）利用有限元軟件數(shù)值仿真時(shí)，合理的網(wǎng)格劃分，可以保證計(jì)算結(jié)果的精確度；（2）通過(guò)波速比值、波幅比值的變化規(guī)律可以確定缺陷的影響范圍；（3）根據(jù)實(shí)測(cè)的波幅比值，通過(guò)三次多項(xiàng)式擬合曲線可以大致判斷缺陷的位置；（4）在確定缺陷位置的后，可以通過(guò)波幅比值、測(cè)線與缺陷的距離來(lái)估算缺陷的尺寸。（5）通過(guò)對(duì)缺陷影響域的分析可以知道當(dāng)缺陷小到一定程度時(shí)，測(cè)點(diǎn)無(wú)法檢測(cè)到缺陷的存在。

注釋

① 羅騏先.樁基工程檢測(cè)手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2003.

② 張宏.灌注樁檢測(cè)和處理[M].北京：人民交通出版社，2001.

③ 劉屠梅，趙竹占，吳彗明.基樁檢測(cè)技術(shù)與實(shí)例[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

④ 王雪峰，吳世明.基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

⑤ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ 106-2003.建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].2003.

⑥ 陳欣.波速判讀和缺陷程度對(duì)聲學(xué)參數(shù)影響的仿真分析[D].武漢：華中科技大學(xué)，2010.