劉 軍 原 方 張 健 徐志軍
(河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院,河南 鄭州 450001)
樁基礎(chǔ)是建筑工程、橋梁工程、港口工程和海洋工程中的主要基礎(chǔ)形式之一,在我國有著廣泛的應(yīng)用[1]。樁基礎(chǔ)工程的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)建筑物的安危,而基樁又是樁基礎(chǔ)的主要組成部分。因此,為保證基樁的質(zhì)量,對(duì)基樁完整性檢測至關(guān)重要。
低應(yīng)變反射波法基樁完整性檢測是目前基樁完整性檢測應(yīng)用最為廣泛且經(jīng)濟(jì)的檢測方法。郭慶清等[2]對(duì)人工挖孔樁低應(yīng)變反射波法完整性檢測的局限性進(jìn)行了研究;丁宣明等[3]研究了低應(yīng)變反射波在管樁完整性檢測中的應(yīng)用;吳興邦[4]采用低應(yīng)變反射波法對(duì)橋梁基樁檢測進(jìn)行了數(shù)值仿真分析研究。目前對(duì)缺陷樁的研究重點(diǎn)主要集中在如何判斷缺陷的位置。事實(shí)上,不同激振力作用下樁身不同深度處不同缺陷長度對(duì)低應(yīng)變反射波曲線都存在一定的影響。因此,考慮不同激振力下缺陷樁不同缺陷長度對(duì)低應(yīng)變反射波曲線的影響必不可少。
本文以20 m混凝土樁為研究對(duì)象,在三種不同激振力作用下考慮樁身不同位置處較長和較短缺陷的影響,運(yùn)用ABAQUS軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬研究。監(jiān)測樁頂位置處所得速度時(shí)程曲線受不同缺陷組合的影響,研究結(jié)果為低應(yīng)變反射波基樁完整性檢測應(yīng)用的精確性提供一定的理論參考。
樁基低應(yīng)變反射波檢測問題其本質(zhì)是一個(gè)動(dòng)力問題,本文中所有計(jì)算均采用ABAQUS直接積分法中的ABAQUS/Explicit中的Explicit(顯式)方法[4],顯式方法適合求解高速動(dòng)力荷載作用問題。
建模過程考慮模型的對(duì)稱性,為便于計(jì)算,樁身模型取其樁身一半進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算單元采用C3D8R(八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元,減縮積分,沙漏控制)以保證計(jì)算結(jié)果收斂[5]。忽略樁身阻尼,樁身為線彈性,小變形,近似為彈性桿件;樁身缺陷徑向?qū)ΨQ;荷載均布于樁頂面。
樁身模型各參數(shù)見圖1,參考JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[6]相關(guān)要求取值,其中樁徑r=0.3 m,樁長L=20 m,缺陷尺寸底部距樁頂距離H依次取為6 m,10 m和16 m并分別定義為淺部缺陷,中部缺陷和深部缺陷。取具有代表性的兩種不同缺陷長度Ld為1 m和0.05 m,缺陷徑向半徑rd取為0.18 m。用沖擊荷載P(t)近似模擬為正弦壓力波,見式(1)。
(1)
其中,P(t)為錘擊荷載;P0為錘擊峰值壓力,分別取為1 000 Pa,3 000 Pa和5 000 Pa;Td為錘擊時(shí)間,取為0.001 s。取樁身密度為2 500 kg/m3、彈性模量3.25 GPa、泊松比0.3,為線彈性樁身。
樁身長度L=20 m,樁身缺陷處缺陷半徑rd=0.18 m,將不同缺陷長度的缺陷分別布置為淺部、中部和深部缺陷,在三種錘擊峰值下進(jìn)行模擬仿真計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見圖2~圖7。
從圖2和圖3可看出,對(duì)于樁身淺部缺陷,隨錘擊峰值的增大缺陷位置處反射信號(hào)愈加明顯。相對(duì)于淺部較短缺陷,較長缺陷在不同錘擊峰值下缺陷處反射信號(hào)在峰值逐漸加大時(shí)幅值增大程度更加明顯。兩種缺陷在錘擊峰值為1 000 Pa時(shí)均不易觀測到缺陷位置,且樁底反射信號(hào)較弱。
從圖4和圖5可看出,兩種曲線表現(xiàn)出與圖2和圖3相似的趨勢。相對(duì)于淺部缺陷,中部缺陷在錘擊峰值為1 000 Pa時(shí)仍可清晰辨別缺陷處位置及樁底位置。
從圖6和圖7可看出,對(duì)于樁身深部缺陷其整體變化趨勢仍和淺部缺陷隨錘擊峰值變化的趨勢形似。相對(duì)于淺部較長缺陷,在錘擊峰值較小時(shí)缺陷處和樁底處反射信號(hào)仍可清晰辨別;相對(duì)中部較短缺陷,在錘擊峰值較小時(shí)缺陷處則很難辨別。
根據(jù)對(duì)不同激振力下缺陷樁不同位置處不同長度缺陷的數(shù)值模擬計(jì)算分析,得到如下結(jié)論:
1)三種位置處的兩種長度缺陷的缺陷處和樁底反射信號(hào)均隨錘擊峰值的增大而愈加明顯,檢測中應(yīng)盡量選擇較大的錘擊峰值進(jìn)行檢測。
2)相對(duì)于淺部和深部缺陷,淺部缺陷更容易檢測。
3)樁身不同深度處的較短缺陷對(duì)錘擊峰值大小敏感度較低,檢測中對(duì)疑似的較短缺陷應(yīng)加大錘擊峰值進(jìn)行測試。