低應(yīng)變反射波樁基檢測(cè)仿真分析

谷學(xué)倩

（大連金普新區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展服務(wù)中心，遼寧大連 116000）

0 引言

樁基缺陷是目前影響其性能的重要因素，由于施工、操作差異、成型環(huán)境及材料質(zhì)量的不同，常常導(dǎo)致樁基內(nèi)部出現(xiàn)斷樁、擴(kuò)頸、縮徑等缺陷，將嚴(yán)重影響建筑物的安全及使用。低應(yīng)變反射波法是工程上使用較為頻繁的檢測(cè)方法，如何準(zhǔn)確獲取復(fù)雜地質(zhì)條件下，樁基缺陷的聲波特征，成為提高樁基檢測(cè)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵問(wèn)題；因此，建立合理的仿真模型，準(zhǔn)確模擬不同的地址條件下樁基缺陷的聲波特征，獲取激振頻率、基樁參數(shù)、地質(zhì)狀況等對(duì)低應(yīng)變反射波的傳輸效果，建立低應(yīng)變反射波樁基檢測(cè)的數(shù)值模型十分必要。

本文為建立樁基—錘碰撞低應(yīng)變反射波的波形特性，基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)合ANSYS 仿真方法，建立LS-DYNA 的數(shù)值理論模型，研究不同擊錘材質(zhì)，不同缺陷等對(duì)樁基聲波特性（頻率、波速、波形）的影響規(guī)律，通過(guò)數(shù)值和試驗(yàn)結(jié)合。建立準(zhǔn)確的樁基檢測(cè)模型，為工程中獲取樁基缺陷，保證建筑工程的安全，提供試驗(yàn)及理論支撐。

1 仿真模型分析

1.1 模型建立

數(shù)值模型中擊錘與樁基材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 ANSYS 模擬中錘與樁材料參數(shù)

1.2 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

模型樁長(zhǎng)2.1，樁徑0.4m，樁周土層厚度2.0m，樁底土層厚度取4.0m；手錘直徑0.05m，高0.1m 的圓柱。低應(yīng)變反射波法檢測(cè)時(shí)，在樁頂施加激振力，樁處于線彈性變形階段，所以可以將材料模型定義為線彈性。通常混凝土為C30，彈性模量為E=3.0e10Pa，泊松比D=0.17，密度ρ=2400kg/m3。在后文中將會(huì)對(duì)手錘的材料參數(shù)作具體介紹。當(dāng)不計(jì)土對(duì)測(cè)試效果的作用時(shí)，取其壓縮模量E=6.0e6Pa，泊松比=0.3，密度ρ=1900kg/m3。

圖1為表征4 種不同材質(zhì)小錘敲擊的激振波，圖2為各種錘的波形在樁底的反射及衰減。由圖1、圖2中可以看出，脈沖寬度按尼龍錘→鋁錘→鋼錘→木錘的順序依次增寬；入射波振幅按鋼錘→鋁錘→尼龍錘→木錘的順序依次減小?？傮w上，在使用不同材料擊錘時(shí)，隨著波脈沖寬度的增加幅值逐漸減小，頻譜幅值按照鋼錘→鋁錘→尼龍錘→聚乙烯塑料錘的順序依次減小。

圖1 不同材質(zhì)錘敲擊樁產(chǎn)生的時(shí)-速曲線

圖2 不同材質(zhì)錘敲擊樁產(chǎn)生的頻譜

2 結(jié)果分析及討論

2.1 激振力脈沖寬度對(duì)應(yīng)力波的影響

在樁頂通過(guò)不同材質(zhì)的擊錘施加激振應(yīng)力，從而形成低應(yīng)變反射波；不同材質(zhì)擊錘形成的激振波形有一定差異，激振錘的材質(zhì)硬度與所產(chǎn)生的激振脈沖頻率成正比，當(dāng)錘的硬度越大，越易激發(fā)出高頻，脈沖寬度、頻率表征不同的錘擊情況。本文采用工程樁基檢測(cè)中常用的鋼錘、聚乙烯塑料錘、鋁錘、木錘進(jìn)行仿真分析，確定激振頻率與樁基缺陷的關(guān)系。表2為不同擊錘的反射波參數(shù)。

表2 ANSYS 模擬錘與樁參數(shù)

由表2可以看出錘的硬度越大，波在樁中傳播時(shí)衰減的越多，首波時(shí)間與反射波間的時(shí)間差差別較大，由于錘的硬度不同，波在樁中傳播的時(shí)間基本上隨著材質(zhì)硬度的增加而呈遞減趨勢(shì)。不同材質(zhì)擊錘表現(xiàn)的聲波時(shí)域曲線見(jiàn)圖3。

圖3 15μs 時(shí)域曲線

由圖3以看出，鋼錘、鋁錘、木錘能呈現(xiàn)較為清晰的衰減波形。激振力脈沖寬度越大，入射波信號(hào)的幅值越小，樁底反射信號(hào)也越弱，但是脈沖寬度越大，信號(hào)衰減絕對(duì)值越小，也就是衰減速度變慢。需要說(shuō)明的是敲擊力脈沖寬度不是越寬越好，也不是越窄越好，應(yīng)根據(jù)樁長(zhǎng)、樁徑及不同的測(cè)試目的采用不同的脈沖寬度。

2.2 斷樁缺陷樁頻率分析

本文針對(duì)斷樁缺陷的仿真模型進(jìn)行分析，選取樁基1.4m 處斷樁，通過(guò)ANSYS 數(shù)值計(jì)算，得到斷樁處低應(yīng)變反射波的頻域圖，模擬結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 樁基1.4m 處斷樁處反射波頻域仿真結(jié)果

表3為1.4m 斷樁處頻域曲線，由表3可見(jiàn)，橡膠錘敲擊產(chǎn)生的頻率圖頻譜不清晰，不適合1.4m 斷樁使用，基本看不出頻率變化，鋼錘與鋁錘敲擊會(huì)產(chǎn)生較多高頻成分，頻域圖中清晰地給出基頻、缺陷頻率等頻率值，可準(zhǔn)確確定缺陷位置。

3 結(jié)論

（1）隨著波脈沖寬度的增加幅值逐漸減小。從頻譜圖來(lái)看，頻譜幅值按照鋼錘→鋁錘→尼龍錘→聚乙烯塑料錘→木錘→橡膠錘的順序依次減小。

（2）隨著激振頻率的減小，入射波的幅值會(huì)逐漸減小，反射波的幅值會(huì)逐漸增大，衰減也變慢，樁底反射也越來(lái)越明顯。

（3）由于激振力的脈沖寬度越大，頻率就越低，接近樁底的擴(kuò)徑界面反射波與樁底反射波相互疊加干擾所造成的。