大直徑管樁低應(yīng)變檢測的模擬與分析

李雋毅

(上海申元巖土工程有限公司 上海 200021)

0 引言

長期以來，低應(yīng)變反射波法測樁的依據(jù)都是一維桿理論，認(rèn)為樁中波傳播滿足平截面假定，因此該理論只適用于小直徑樁檢測分析。對管樁(直徑超過800mm)而言，由于敲擊位置局限于樁頂較小區(qū)域，波的傳播表現(xiàn)出顯著的三維特點，會存在明顯的三維效應(yīng)，此時已不滿足一維波動理論。目前隨著大直徑管樁廣泛應(yīng)用，運用三維波動理論分析大直徑樁的動力學(xué)特性，也就成為當(dāng)前急需解決的課題。

對于三維條件下樁中彈性波傳播問題，由于其復(fù)雜性，無法求得精確的解析解，目前只能依賴數(shù)值法。

目前，國內(nèi)外已有一些利用有限元計算得到結(jié)果：趙振東等[1]用有限元法初步探索了激振力作用面積和樁身缺陷對樁中應(yīng)力波的影響。Liao等[2]計算得出軸對稱條件下樁頂加速度、速度響應(yīng)。陳凡等[3,4]分析了尺寸效應(yīng)對自由樁低應(yīng)變檢測的影響。肖蘭喜等[5]根據(jù)有限元法計算結(jié)果，提出應(yīng)采用三分量傳感器測試。Chow等人[6]也通過求解，研究了軸對稱樁檢測時的三維效應(yīng)。黃大治等[7]探討了樁頂面不同測點的反射波信號特征及其與樁身裂縫的對應(yīng)規(guī)律。費康等[8]通過計算，分析了PCC樁低應(yīng)變檢測中的三維效應(yīng)。

劉東甲等[9-11]已將差分法用于基樁低應(yīng)變檢測的研究，由于網(wǎng)格劃分較細(xì)，計算精度更高，經(jīng)證實其效果很好。柯宅邦等[12]對空間軸對稱條件下樁土振動問題，采用交錯網(wǎng)格差分法得出了精度較高的結(jié)果，并對樁頂三維效應(yīng)的來源以及如何避免三維干擾提出了相應(yīng)的對策。

實際中，樁是三維體，樁身缺陷的形狀、空間位置也是隨機分布的，包括各種非圓形樁、管樁等也不斷推廣，因此有必要進行真三維條件下樁的低應(yīng)變檢測研究。但是，目前針對大直徑管樁的研究成果很少，難以反映三維波動的真實細(xì)節(jié)，對三維效應(yīng)的探究仍需加強。

本文利用FLAC3D軟件進行建模分析，得出樁頂速度響應(yīng)，系統(tǒng)研究三維干擾特征，研究了激振與采樣位置間夾角、樁徑和長度、土阻力對三維干擾的影響，并提出了減弱三維干擾的方法，并對大直徑管樁低應(yīng)變測試的效果進行了探討。

1 計算模型及邊界條件

在FLAC3D中建立如圖1所示的管樁計算模型。低應(yīng)變情況下，可將管樁看為線彈性材料。計算時，彈性模量E為45GPa，泊松比ν為0.2，樁身密度ρ為2 500kg/m3。管樁長為l為13m，外徑Do為800 mm，壁厚h為110 mm。

樁頂受縱向敲擊力p(t)的作用，其作用區(qū)域為以r0為半徑，以(rc, 0, 0)為圓心的圓，在柱坐標(biāo)系內(nèi)，應(yīng)力邊界條件可由下式給出：

(1)

式中，rc= (Do-h)/2，p(t)表達式為

(2)

式中，I和t0分別是激振力沖量和作用時間。

2 計算結(jié)果分析

對管樁進行網(wǎng)格剖分，最終將徑向分為5份，環(huán)向劃分80份，豎向劃分300份，就能得到可靠的計算結(jié)果。具體的空間離散情況如圖1所示。其中激振力p(t)參數(shù)：t0= 1.2ms，I= 1N·s，激振力作用區(qū)域見圖2所示，其半徑r0=2.5cm。計算網(wǎng)格參數(shù)：Δr=2.2cm，Δz=4.3cm，Δφ= 4.5°。

圖1 計算模型

圖2 激振區(qū)域與采樣布置

不同采樣位置會得到不同的測試曲線，選取三維干擾最小的曲線對低應(yīng)變反射波測試具有重要意義。圖2給出了4個采樣位置，與激振區(qū)域依次相差45°，90°，135°和180°，得到的豎向速度時程曲線如圖3(a)所示。

(a)800 (110) mm

(b)400 (95) mm圖3 樁頂各點豎向速度時程曲線

根據(jù)圖3(a)可以看出，當(dāng)采樣位置距激振力位置角度越大，入射脈沖到達的時間越來越遲，但樁底反射波到達的時間基本相同。說明靠近樁頂，彈性波明顯表現(xiàn)出球面波的特點，越靠近振源，球面半徑越小，三維效應(yīng)更明顯。隨著傳播距離的增加，波近似以平面波的形式傳播，然后經(jīng)過樁底反射到達樁頂，到時與峰值幾乎一致。按照圖3的結(jié)果，根據(jù)峰峰值判斷波速時，不同采樣點得到的傳播速度有差別。

一般認(rèn)為入射波及反射波的之間的波形越平緩，表明該樁的樁身完整性越好，而從圖3(a)中看出，三維條件下，曲線1-4中入射波及反射波間存在較明顯的振蕩，這也是三維效應(yīng)的表現(xiàn)，而振蕩越劇烈，表明三維干擾越強。

為說明小直徑樁情況，這里給出管樁長為l為7m，外徑Do為400mm，壁厚h為95mm的管樁測試結(jié)果，以便于與大直徑樁對比分析，如圖3(b)所示，其中t0=1.2ms。從圖中可以看出，該樁90°位置的速度時程曲線無明顯干擾波，從而表明，三維干擾是大直徑樁所面臨的特殊問題。

圖4為樁頂各點的豎向速度波場快照圖，包含0.2ms，0.5ms，0.8ms和1.0ms 4個時刻。圖4(a)表示激振力作用瞬間，樁頂敲擊點附近開始振動。圖4(b)到(c)表明波從敲擊點位置開始向?qū)?cè)傳播，同時樁頂?shù)牟ɡ^續(xù)向下傳播，由圖4(d)所示，到t= 1.0ms時，此時樁頂振動能量變小。

(a)t=0.2ms (b)t=0.5ms

(c)t=0.8ms (d)t=1.0 ms圖4 樁頂波場快照

根據(jù)波動理論可知，受敲擊作用后，樁頂會產(chǎn)生縱波、橫波和面波，而面波的成分最多。從圖4來看，面波在樁頂從敲擊點往對側(cè)傳播，然后再傳播回來，如此往復(fù)，從而形成干擾波。因此，三維干擾波就是面波沿樁頂圓環(huán)傳播引起的。當(dāng)直徑越大，這種三維干擾就越強。因此，在大直徑樁檢測時，需要適當(dāng)慎重判別，防止因為三維干擾導(dǎo)致誤判。

3 實驗對比

為驗證本文分析的可靠性，對平躺于地面上的PHC管樁進行了實驗分析。測試使用的儀器為武漢巖海公司的RS-1616K(s)基樁動測儀，傳感器為恒流源加速度計，手錘采用尼龍錘，分析曲線時選擇的低通濾波截止頻率為2 000Hz。首先對平躺于地面上1根大直徑PHC管樁進行測試，該管樁長為l為13m，外徑Do為800mm，壁厚h為110mm，混凝土標(biāo)號為C80。與數(shù)值模擬相對應(yīng)，測得的曲線如圖5所示。

圖5 實測樁頂不同角度位置豎向速度曲線

為進一步說明大直徑樁的特殊性，這里給出1根小直徑PHC管樁的實測曲線，其中該樁平躺于地面之上，樁長為7m，外徑和壁厚分別為400mm和95mm，測試曲線如圖6所示。從圖中可以看出，該樁90°位置的速度時程曲線也無明顯干擾波，與圖3(b)的中模擬結(jié)果相吻合，這表明三維干擾是大直徑樁低應(yīng)變反射波法測試面臨的挑戰(zhàn)。

從圖5～圖6測試曲線對比來看，大直徑管樁測試時，三維干擾比較突出，此時與傳統(tǒng)一維波理論有較大差別，從三維角度解釋測試曲線，顯得尤為重要。同時，由于樁體越來越大，很難只靠樁頂一點拾振的信號來檢測樁身完整性，需要發(fā)展與更新現(xiàn)有的理論與測試技術(shù)。

4 樁周土參數(shù)影響

預(yù)應(yīng)力管樁作為一種擠土樁，樁周土對檢測結(jié)果有重要的影響。下面利FLAC3D分析土層變化對測試結(jié)果的影響，如圖7所示。

圖7 實測樁頂不同角度位置豎向速度曲線

5 結(jié)論

本文建立了利用FLAC3D模擬大直徑管樁低應(yīng)變測試模型，給出了樁頂速度響應(yīng)。通過模擬分析，得到如下結(jié)論：

(1)大直徑管樁檢測，應(yīng)該保證激振與拾振位置成90°，此時接收的信號最佳。需要注意，即便該點拾振測得的信號仍具有一定三維干擾，仍然會對檢測造成干擾。

(2)三維干擾是大直徑樁低應(yīng)變反射波測試所面臨的特殊問題。發(fā)展三維理論，更新現(xiàn)有測試技術(shù)，對推動低應(yīng)變反射波法檢測大直徑管樁質(zhì)量具有重要意義。

[1] 趙振東，杉本三千雄，鈴木善雄.樁基低應(yīng)變完整性檢測的分析研究[J].地震工程與工程振動，1995，15(4)：104-111.

[2] Liao S T, Roesset J M.Dynamic response of intact piles to impulse loads[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 1997, 21(4), 255-275.

[3] 陳凡，王仁軍.尺寸效應(yīng)對基樁低應(yīng)變完整性檢測的影響[J].巖土工程學(xué)報，1998，20(5)：92-96.

[4] 陳凡，羅文章.預(yù)應(yīng)力管樁低應(yīng)變反射波法檢測時的尺寸效應(yīng)研究[J].巖土工程學(xué)報，2004，26(3)：353-356.

[5] 肖蘭喜，朱元清，郝愛民.彈性波反射法在樁基檢測應(yīng)用中的三維有限元模擬[J].土工基礎(chǔ)，1999：13(4)：16-24.

[6] Chow Y K, Phoon K K, Chow W F, et al.Low strain integrity testing of piles: three-dimensional effects[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2003, 129(11): 1057-1062.

[7] 黃大治，陳龍珠.鋼筋混凝土管樁反射波法的三維有限元分析[J].巖土力學(xué)，2005，26(5)：803-808.

[8] 費康，劉漢龍，張霆.PCC樁低應(yīng)變檢測中的三維效應(yīng)[J].巖土力學(xué)，2007，28(6)：1095-1102.

[9] 劉東甲.完整樁瞬態(tài)縱向振動的模擬計算[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2000，23(5)：683-687.

[10] 陳義全，任志國，劉東甲.非完整樁瞬態(tài)縱向振動的模擬計算[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，27(10)：1210-1214.

[11] 柯宅邦，劉東甲，廖旭濤.非完整樁扭轉(zhuǎn)振動問題的數(shù)值計算[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2005，28(11)：1446-1448.

[12] 柯宅邦，劉東甲.低應(yīng)變反射波法測樁的軸對稱問題數(shù)值計算[J].巖土工程學(xué)報，2006，28(12)：2111-2115.