低應(yīng)變法檢測(cè)端承樁完整性的有限元計(jì)算分析

叢慧敏，王智慧，陳大剛，陳恒大

（1.重慶市萬州區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，重慶 404199；2.內(nèi)蒙古赤峰農(nóng)牧學(xué)校建筑工程系，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；3.長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064）

低應(yīng)變法檢測(cè)端承樁完整性的有限元計(jì)算分析

叢慧敏1，王智慧2，陳大剛1，陳恒大3

（1.重慶市萬州區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，重慶 404199；2.內(nèi)蒙古赤峰農(nóng)牧學(xué)校建筑工程系，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；3.長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064）

通過有限元軟件模擬計(jì)算無樁周土影響的基樁，得出在不同的材質(zhì)激振下正?；鶚都皵U(kuò)徑基樁同一檢測(cè)點(diǎn)的波形曲線，通過計(jì)算說明不同材質(zhì)激振力源對(duì)基樁檢測(cè)的影響。

ansys/ls-dyna；低應(yīng)變法；長細(xì)比；基樁完整性

0 引言

近年來我國土木工程建設(shè)勢(shì)頭發(fā)展迅猛，樁基礎(chǔ)以其優(yōu)越性在實(shí)際中被廣泛應(yīng)用，但樁基礎(chǔ)工程隱蔽，施工工藝復(fù)雜，容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，因此必須對(duì)基樁的完整性進(jìn)行檢測(cè)?；鶚锻暾詸z測(cè)有低應(yīng)變法、聲波透射法、高應(yīng)變法等眾多方法。在實(shí)際應(yīng)用中，低應(yīng)變法以其成本低、檢測(cè)過程快捷、儀器便攜、理論成熟等諸多優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。

1 原理

低應(yīng)變法檢測(cè)基樁完整性的基本原理為振動(dòng)理論和波動(dòng)理論。對(duì)于長細(xì)比≥5的基樁，可視為一維彈性體。當(dāng)在樁頂施加瞬時(shí)作用力后，彈性波會(huì)沿著樁身傳播，其傳播規(guī)律服從波動(dòng)方程，且滿足其基本假定。根據(jù)牛頓第二定律和胡克定律，可得出一維彈性體的波動(dòng)方程[1]：

根據(jù)應(yīng)力波在桿件中的傳播原理，樁身情況發(fā)生變化時(shí)，阻抗也隨之變化。當(dāng)應(yīng)力波由大阻抗傳入小阻抗時(shí)，反射波與入射波同向；當(dāng)應(yīng)力波由小阻抗傳入大阻抗時(shí)，反射波與入射波反向。對(duì)于端承樁通常樁底阻抗大于樁身阻抗，所得反射波與入射波反向。而當(dāng)樁身出現(xiàn)有利或不利的缺陷時(shí)，阻抗也會(huì)發(fā)生變化，利用波阻抗變化差異，可判斷樁身的缺陷位置。

而根據(jù)有限元理論，將樁劃分成N個(gè)單元，每個(gè)單元的截面積、彈性模量和波速均可不等，便可以模擬樁身阻抗不規(guī)則的情況。通過有限元軟件的計(jì)算，可以模擬分析滿足或者不滿足一維彈性理論假設(shè)的基樁。本文采用ansys/ls-dyna程序來模擬計(jì)算。只計(jì)算模擬無樁周土影響的端承樁應(yīng)力反射波，以其對(duì)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果給予提示。

2 有限元模型計(jì)算分析

計(jì)算模型采用ansys/ls-dyna軟件模擬端承樁，僅以擴(kuò)徑代表缺陷，樁體用solid164單元，以ls-dyna進(jìn)行顯示計(jì)算，樁體各項(xiàng)基本參數(shù)見表1。

表1 基樁參數(shù)表

3 激振頻寬對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響

在低應(yīng)變法檢測(cè)基樁時(shí)，需要一個(gè)激振力在基樁中產(chǎn)生應(yīng)力波，而用不同的材料做激振力源，會(huì)產(chǎn)生不同的效果。激振錘參數(shù)見表2。

根據(jù)表2頻寬、力值做激振力源，計(jì)算其對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。對(duì)于無缺陷完整基樁，根據(jù)一維彈性理論計(jì)算，縱波波速c=3 464 m/s，由入射到反射的完整時(shí)間t=9.2 ms，下列各圖的橫軸單位為s，縱軸單位為（mm/s）。

表2 激振錘效果一覽表

通過圖1～3，在同一檢測(cè)點(diǎn)，小鋼管、橡膠錘和RS手錘作為激振源所得有限元計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果較為接近，但小鋼管激振頻寬過窄，產(chǎn)生的波形也并不理想；橡膠錘和RS手錘作為激振源能得到較為理想的波形，但RS手錘所得實(shí)際樁長比小鋼管、橡膠錘長。

圖1 小鋼管激振波形圖

圖2 橡膠錘激振波形圖

圖3 RS手錘激振波形圖

在樁頂下2倍樁徑（800 mm）處設(shè)置直徑為1 000 mm的擴(kuò)徑，長200 mm。在上述激振條件下，其波形見圖4～6。

由圖4～6，在同一檢測(cè)點(diǎn)，橡膠錘和RS手錘作為激振源所得有限元計(jì)算結(jié)果與低應(yīng)變法經(jīng)典波形較為接近[1]，但橡膠錘所得擴(kuò)徑位置比RS手錘要淺一些；而小鋼管作為激振源敲擊樁頂中心，所得波形雖然能清晰的見到擴(kuò)徑及樁底反射，但由于頻寬過窄，波長過短，在擴(kuò)徑處縱波多次反射，雖然歸一性較好，但確定擴(kuò)徑的大致位置時(shí)，要進(jìn)行二次分析，才能確定是否是多次反射。

圖4 小鋼管激振擴(kuò)徑基樁波形圖

圖5 橡膠錘激振擴(kuò)徑基樁波形圖

圖6 RS手錘激振擴(kuò)徑基樁波形圖

因此，在無樁周土作用的基樁計(jì)算模型下，由于激振力源材質(zhì)的不同所得波形圖對(duì)缺陷位置的反應(yīng)也不同。在實(shí)際檢測(cè)過程中，選擇合適材質(zhì)的激振力源才能更好地檢測(cè)出基樁的完整性。

4 結(jié)語

通過分析不同材質(zhì)、力值的激振源敲擊基樁可以得出以下結(jié)論：

1）在實(shí)際檢測(cè)過程中，應(yīng)選擇適宜頻寬和力值敲擊基樁，才能得到理想的波形曲線，以此來判斷基樁的完整性。

2）使用不同頻寬和力值敲擊基樁，對(duì)于基樁缺陷位置的判斷會(huì)產(chǎn)生一定的影響，頻寬過高會(huì)使缺陷位置比實(shí)際位置淺，而頻寬過低會(huì)造成缺陷位置比實(shí)際位置深。

[1]徐凡，徐天平，陳久照，等.基樁質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)[M].第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014：104-105，166-167.

[2]伍允望.應(yīng)力波反射法數(shù)值模擬分析及實(shí)踐研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[3]翟向陽，高紅娟.低應(yīng)變反射波法在樁身質(zhì)量判定中遇到的幾個(gè)問題[J].華北地震科學(xué)，2004（04）：53-55.

[4]邢心魁.反射波法樁基動(dòng)測(cè)技術(shù)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2005.

TU435

A

1673-1093（2015）03-0095-02

叢慧敏（1983），男，工程師，碩士研究生，從事樁基檢測(cè)工作。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.03.025

2014-12-17；

2015-01-02