基于MATLAB軟件的大直徑樁低應(yīng)變測試數(shù)值研究

倪煌俊 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽 合肥 230031）

1 引言

樁基礎(chǔ)是目前建筑物最主要的基礎(chǔ)型式之一，而灌注樁是目前在工程中應(yīng)用最為廣泛的一種樁型，自20世紀60年代引入至我國后，逐漸應(yīng)用于我國多個城市的高層和大型建筑物。隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，大跨度橋梁、超高層建筑物等的興起對樁基的承載力不斷提出更高的要求。在此背景下，大直徑灌注樁憑借其受力穩(wěn)定及承載力高的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于各類工程中。但大直徑灌注樁在施工過程中常發(fā)生樁位偏移、斷樁、離析等質(zhì)量弊病，對其質(zhì)量造成不利影響[1-3]。

目前對大直徑樁完整性進行檢測的手段主要有低應(yīng)變法、超聲波透射法和鉆芯法，超聲波透射法對大直徑樁進行檢測時需預(yù)埋聲測管，操作繁雜，且存在測試盲區(qū)；鉆芯法可以準確獲得樁身混凝土的強度，但其成本較高，且同樣存在測試盲區(qū)。低應(yīng)變法以其花費低、操作簡便等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于各類樁的完整性檢測中，事實也表明，運用低應(yīng)變檢測大直徑樁的完整性是可行的。但由于大直徑灌注樁自身尺寸的原因，此時的樁長和樁徑比、樁徑和錘徑比都很難再繼續(xù)滿足低應(yīng)變法的一維理論；與此同時，考慮到實際工程中樁土作用較為復(fù)雜，加之三維效應(yīng)的干擾，樁頂信號接收位置的不同同樣會對反射信號的曲線造成影響，由此可知運用低應(yīng)變法檢測樁身完整性存在一定的局限性[4]。鑒于上述原因，本文利用MATLAB軟件引入了交錯網(wǎng)格有限差分法，利用MATLAB軟件編制了數(shù)值模擬計算程序，實現(xiàn)對大直徑灌注樁低應(yīng)變測試的數(shù)值分析，根據(jù)計算得出的結(jié)果探討了不同類型缺陷對大直徑灌注樁樁頂振動速度曲線的影響，可供實際工程參考應(yīng)用。

2 研究方案

MATLAB軟件是基于矩陣理論和積分變化法基礎(chǔ)研制出的一款功能強大的工程計算軟件，使用MATLAB軟件對大直徑灌注樁的樁頂振動速度曲線進行計算首先應(yīng)建立符合工程實際且在三維條件下的大直徑樁土灌注樁振動模型，即將大直徑灌注樁看做線彈性體，考慮樁周土層非線性特性。本文參考劉東甲[5，6]等前期獲得成果，引入交錯網(wǎng)格有限差分法，利用MATLAB軟件語言簡單通用簡單、數(shù)據(jù)處理能力強等優(yōu)勢，編制了數(shù)值模擬計算程序，實現(xiàn)對大直徑灌注樁低應(yīng)變測試的數(shù)值分析。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2014）[7]中對于大直徑樁的定義，當灌注樁直徑≥800mm時，可以稱其為大直徑樁。故本次計算建立的大直徑灌注樁直徑選為800mm，樁長為10m?？紤]到大直徑樁中較容易出現(xiàn)離析等問題，本次數(shù)值計算重點考慮樁身存在的離析現(xiàn)象，綜合考慮后選取以下幾種情況進行數(shù)值模擬計算（陰影部分代表缺陷存在方位），缺陷統(tǒng)一設(shè)置在距離樁頂3.5m處，豎直長度為1m，即缺陷分布在距離樁頭3.5m～4.5m處。

3 數(shù)值模擬計算

3.1 數(shù)值模型的建立

本次計算選取的灌注樁樁長10m，樁徑800mm，在距離樁頂3.5m～4.5m處設(shè)置缺陷，整個模型采用8節(jié)點六面體等參單元進行劃分，共劃分154732個網(wǎng)格單元，149200個網(wǎng)格節(jié)點，具體的計算模型如圖2所示。

3.2 材料的參數(shù)及本構(gòu)模型

由于灌注樁的樁身結(jié)構(gòu)主要為C60混凝土材料，參考相關(guān)文獻后對模擬計算所需的混凝土相關(guān)參數(shù)取值如表1所示。

圖1 計算方案示意圖

圖2 計算模型網(wǎng)格圖

材料物理力學(xué)參數(shù)表 表1

灌注樁樁身為混凝土材料，在外界荷載作用下，其主要處于彈性階段，故本構(gòu)取線彈性本構(gòu)模型。

3.3 模擬結(jié)果分析

使用自編的MATLAB程序按照上述的計算方案對以上模型進行計算，獲得不同條件下的大直徑樁低應(yīng)變檢測結(jié)果，如圖3所示，根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ106-2014）[6]中的相關(guān)要求，本次計算激振位置與拾振的位置與樁點中心位置的連線均為90°。

由圖3可知，工況1及工況2條件下的低應(yīng)變測試曲線可以清晰的判斷出灌注樁在3.5m～4.5m處存在缺陷，工況3大致能看出3.5m～4.5m處存在的缺陷，但是由于灌注樁本身為大直徑樁，不完全符合低應(yīng)變法的基本假設(shè)，故存在較多三維干擾點，會對檢測結(jié)果的判斷帶來不利影響。由此可見，對于缺陷在樁身內(nèi)部的灌注樁，低應(yīng)變法不一定能完全發(fā)現(xiàn)缺陷所在的位置，同時由于三維干擾的存在，使得判斷更加困難。但是對于缺陷較大且分布在樁身外側(cè)的大直徑灌注樁，即便存在三維干擾，也基本能定量判斷缺陷所在的位置。

圖3 不同采樣位置條件下的低應(yīng)變檢測結(jié)果

4 結(jié)論

本文基于MATLAB軟件有限差分法的原理，利用MATLAB軟件編制了數(shù)值模擬計算程序，通過數(shù)值計算得到大直徑灌注樁的樁頂振動速度曲線，探討了不同類型缺陷對樁頂振動速度曲線的影響，得到的結(jié)論主要如下：

①利用低應(yīng)變法對于大直徑灌注樁進行完整性檢測時，三維干擾效應(yīng)是不可忽視的問題；

②利用低應(yīng)變法對缺陷較大且分布在樁身外側(cè)的大直徑灌注樁完整性進行檢測時，基本能定量判斷缺陷所在位置；

③利用低應(yīng)變法對缺陷在樁身內(nèi)側(cè)的大直徑灌注樁完整性進行檢測時，由于三維干擾的存在，低應(yīng)變法很難定量判斷缺陷所在位置。