基于低應變檢測法的缺陷樁基動力響應研究

中圖分類號：TQ178;TP391.9 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）07-0064-04

Abstract：Relying on a reconstruction project in Chengde High-tech Zone，the dynamic response of the defective pile foundation（necking）underlow straindynamic load was studied byusing the methodofcombining field measurementand three-dimensional dynamic finite element numerical simulation，and the results showed thatthedynamicresponseof themissng pile foundation（necking）changed significantlyunder theactionof the low-strain dynamic detection wave，and the amplitude of the reflected wave increased by about 25% for every O.4 m increase in the necking thickness，and there was no significant change in the reflected wave atthe botom of the pile.For every 0. ^2m increase in pile diameter in the necking area，the amplitude of the reflected wave in the necking area increased by about 10% . The amplitude of the reflected wave at the bottom of the pile increased by about 8% .For every2 m increase in the distance between the necking areaand the topof the pile，the amplitude ofthe reflected wave increased byabout 13% ，and there was no significant change in the reflected wave at the bottom of the pile.When detecting pile foundation defects with low strain dynamics，underthecondition of ensuring thattheexcitation force and action area remain unchanged，attention should bepaid toobservingthe changes inthe necking area and theamplitude of the emission wave at the botom of the pile，so as to beter determine the defects ofthe pile foundation and provide guarantee for the safety and stability of the superstructure structure.

Key words ：low strain； pile foundation defect；on-site measurement；digital simulation； power response

當前，國內(nèi)外眾多學者開展了許多關于樁基缺陷檢測的研究，例如，張云鵬修正了Rayleigh-Love桿件理論，采用理論推導的方法得出了低應變動力測樁的三維傳播解析解，認為信號疊加法可以很好的消除高頻橫波的干擾[1]。邸同宇等采用Biot多孔介質(zhì)連續(xù)方程考慮樁體的橫向變形，得出結論認為管樁泊松比與樁底反射信號幅值成反比，與管樁壁厚成正比[2]。王奎華等采用數(shù)值模擬和模型試驗相結合的技術手段研究了不對稱缺陷樁基的樁頂動力響應規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，樁頂測點的動力響應曲線呈雙閉環(huán)，最明顯的對稱測點在缺陷截面對稱軸上[3]?？椎掠聦嶋H工程為例，研究了聲波檢測法測量樁長的實施過程，并與施工現(xiàn)場實際樁長數(shù)據(jù)及抽芯檢測法樁長檢測數(shù)據(jù)進行了對比研究[4]。李建樹基于巖溶地區(qū)的鉆孔灌注樁施工對反射波檢測法的計算原理進行了相關研究，并結合實際工程探討了該方法在巖溶地區(qū)樁基質(zhì)量檢測中的應用[5]趙爽等采用模型試驗和數(shù)值模擬相結合的方法研究了高承臺樁不同尺寸缺陷的樁身質(zhì)點動力響應，研究發(fā)現(xiàn)，低應變檢測方法可用于檢測高承臺樁樁身缺陷，且缺陷位置處截面直徑越小，樁身動力響應中

缺陷處反射越明顯[6]。此外，還有一些學者也對樁基質(zhì)量檢測展開過相關研究[7-8]；但目前較少有針對缺陷樁基的動力響應展開相關研究。

基于此，依托承德高新區(qū)某改造工程，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結合的方法，對低應變動力荷載作用下缺陷樁基的動力響應規(guī)律進行研究，為缺陷樁基的識別、判定提供更為確切的依據(jù)，進而為建筑結構的安全性穩(wěn)定性提供保障。

1 工程概況

承德高新區(qū)某改造項目總用地面積約為105535m² ，總建筑面積約為 255955m² ，整體建筑有25棟二類高層住宅樓，總建筑面積約為152 890m² 。項目基礎采用鉆孔灌注樁基礎，樁徑0.8m ，總量達921根，樁基規(guī)模較大。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

本文采用有限元數(shù)值模擬軟件建立樁-土三維數(shù)值模型，對低應變測樁法進行模擬分析，考慮到動力分析時邊界效應的影響，本文依據(jù)詳勘報告及工程設計，確定模型尺寸橫向?qū)挾葹?12m ，縱向長度為 12m 高度為 12m ，樁基直徑為 0.8m ，樁長10m ；有限元計算模型如圖1所示。

數(shù)值計算中地層參數(shù)根據(jù)選地勘報告及地質(zhì)條件等方面的影響因素進行適當簡化，將土層分為2層，考慮到樁基的彈性模量一般較大，在低應變動力波作用下產(chǎn)生的形變較小[9]，故在有限元模擬中采用彈性本構，周圍地層的彈模較小，動力計算中需要考慮其塑性特性，故采用計摩爾－庫倫彈塑性本構進行模擬分析。具體參數(shù)統(tǒng)計如表1所示。

2.2樁土接觸模擬

有限元模擬時，樁基采用實體單元加界面的方法進行模擬，由于地基土體各方面性質(zhì)差異較小，因此，將在考慮界面參數(shù)時，沿樁長均等考慮，按照式（1）、式式（2）進行計算：

式中： E₀ 表示地基土體彈性模量； Ξ_t 表示界面的虛擬厚度，取值為1.0。

2.3邊界條件的設置

為保證數(shù)值計算的可靠性和計算結果的精度，本文采用應用方便且能保證計算精度的三維人工粘彈性邊界條件[10]，計算所需的等效彈簧切向、法向剛度及等效阻尼器切向、法向阻尼系數(shù)。按式（3）計算求得[14]

式中： K_T 為等效彈簧切向剛度； C_T 為等效阻尼器切向阻尼系數(shù)； K_N 為等效彈簧法向剛度； C_N 為等效阻尼器法向阻尼系數(shù)； α_T 為切向修正系數(shù)，根據(jù)文獻[11]取推薦值 0.67：α_N 為法向修正系數(shù)，根據(jù)文獻[11]取推薦值1.33；G為傳播介質(zhì)的剪切模量： _;ρ 為傳播介質(zhì)的密度； R 為振源到人工邊界的距離； C_s 為S波波速； C_P 表示 P 波波速。

2.4 施加激振荷載

工程中，采用低應變檢測法進行樁基檢測時，會在樁頂通過力錘施加瞬時的激振荷載，數(shù)值模擬時通過在樁頂施加點荷載的方式來模擬工程中的實際情況，該荷載的時程函數(shù)如式（4）所示。

式中： P₀ 表示可能在樁頂產(chǎn)生荷載的最大值，其值設定為 100kPa;T_d 為正弦波周期，加載的半周期波形如圖2所示。

3計算可靠性分析

為驗證有限元計算模型的可靠性，結合承德高新區(qū)某改造項自現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行模型驗證，有限元計算模型和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比如圖3所示。

4缺陷樁基計算結果分析

4.1不同縮頸厚樁基度動力響應分析

為探究不同縮頸厚度影響下低應變測樁的動力響應規(guī)律，以承德高新區(qū)某改造項目為例，樁基半徑取 0.8m ，樁長取 10m ，按照上述過程進行三維動力有限元數(shù)值模擬分析，激振力大小及其他影響因素保持不變，分別選取縮頸厚度為 0.4，0.8，1.2m 進行計算，有限元模擬不同縮頸厚度樁基對比，不同縮頸厚度樁基動力響應曲線如圖4所示。

由圖4可知，0s時樁基動力響應曲線達到峰值，這是由于激振力作用下測試波傳播未經(jīng)衰減所致；0.7s左右發(fā)生了一次反射，這是由于測試波傳播至縮頸處，由于樁基缺陷造成的反射現(xiàn)象；2.8s左右激振波傳播至樁底發(fā)生了一次反射。

對比3條樁基動力響應曲線可以發(fā)現(xiàn)，樁頂反射信號近乎相同，這是由于測試波未經(jīng)傳播前，信號未衰減，當傳播至縮頸區(qū)域時，由于縮頸厚度的不同，動力響應發(fā)生了明細變化，隨著縮頸厚度的增加，反射波幅值逐漸增大，每增加 0.4m ，反射波幅值約增加 25% 。

4.2 不同縮頸大小樁基動力響應分析

為探究不同縮頸大小影響下低應變測樁的動力響應規(guī)律，在前文研究的基礎上，保持縮頸厚度為

0.4m 不變，依次設定縮頸區(qū)樁徑大小分別為0.2、0.4，0.6m 建立三維有限元動力數(shù)值計算模型，繼續(xù)保持激振力大小及其他影響因素不變進行數(shù)值計算。不同縮頸大小樁基對比樁基動力響應曲線如圖5所示。

由圖5可知，當激振波傳播至縮頸區(qū)時，縮頸區(qū)出現(xiàn)了明顯的反射波，樁身有連續(xù)的動力響應信號，縮頸區(qū)反射波與激振波及樁底反射波同向。對比3條不同縮頸大小的樁基動力響應曲線可以發(fā)現(xiàn)，當動力波傳播至縮頸區(qū)域時，由于縮頸大小的不同，動力響應發(fā)變化顯著，隨著縮頸區(qū)樁徑的增加，縮頸區(qū)反射波幅值逐漸減小，縮頸區(qū)樁徑每增加 0.2m ，反射波幅值約增加 10% 。隨著縮頸區(qū)樁徑的增加，樁底反射波幅值逐漸增大，縮頸區(qū)樁徑每增加 0.2m ，反射波幅值約增加 8% 。

4.3不同縮頸位置樁基動力響應分析

為探究不同縮頸位置影響下低應變測樁的動力響應規(guī)律，在前文研究的基礎上，保持縮頸厚度為0.4m 不變，依次設定縮頸區(qū)距離樁頂距離分別為2，4，6m 建立三維有限元動力數(shù)值計算模型，繼續(xù)保持激振力大小及其他影響因素不變進行數(shù)值計算。不同縮頸位置樁基對比樁基動力響應曲線如圖6所示。

由圖6可知，當激振波分別傳播至不同位置處的縮頸區(qū)時，縮頸區(qū)出現(xiàn)了明顯的反射波且樁身有連續(xù)的動力響應信號，反射波與激振波及樁底反射波同向。對比3條不同縮頸位置的樁基動力響應曲線可以發(fā)現(xiàn)，當動力波傳播至縮頸區(qū)域時，由于縮頸區(qū)距樁頂位置的不同，動力響應發(fā)變化顯著，隨著縮頸區(qū)距樁頂距離的增加，縮頸區(qū)反射波幅值逐漸減小，縮頸區(qū)距樁頂距離每增加 2m ，反射波幅值約增加 13% 。樁底反射波幅值無明顯變化。

5 結語

（1）低應變動力檢測波作用下，缺項樁基（縮頸）動力響應發(fā)生明顯變化，隨著縮頸厚度的增加，縮頸區(qū)反射波幅值逐漸增大，縮頸厚度每增加0.4m ，反射波幅值約增加 25% ：

（2）低應變動力測樁模擬時，隨著縮頸區(qū)樁徑的增加，縮頸區(qū)反射波幅值逐漸減小，縮頸區(qū)樁徑每增加 10.2m ，反射波幅值約增加 10% 。隨著縮頸區(qū)樁徑的增加，樁底反射波幅值逐漸增大，縮頸區(qū)樁徑每增加 |0.2m ，反射波幅值約增加 8% 。在樁基檢測中保證激振力及作用面積不變的條件下，應注意縮頸區(qū)及樁底發(fā)射波幅值的變化，以更好的確定樁基缺陷情況;

（3）不同縮頸位置樁基動力響應存在差別，隨著縮頸區(qū)距樁頂距離的增加，縮頸區(qū)反射波幅值逐漸減小，縮頸區(qū)距樁頂距離每增加 2m ，反射波幅值約增加 13% 。樁底反射波幅值無明顯變化。

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