魏明強(qiáng)，張樂婷

（1.西北民族大學(xué)，甘肅蘭州 730124；2.甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

0 引言

在眾多的基礎(chǔ)形式中，樁基礎(chǔ)以承載力較大、沉降量較小的特點(diǎn)尤為突出。又由于樁基礎(chǔ)能夠把荷載從覆蓋層傳遞至穩(wěn)定層，從而達(dá)到了安全可靠的要求，所以隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，樁基礎(chǔ)己被廣泛運(yùn)用于交通、民用和工業(yè)建筑、港口、橋梁等眾多工程領(lǐng)域。但由于樁基礎(chǔ)的施工是一個(gè)隱蔽性很高的過程，難免在施工階段甚至于使用當(dāng)中出現(xiàn)各種問題而難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。因此，為了保證工程的施工質(zhì)量，必須對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)，以便準(zhǔn)確的判斷出樁基礎(chǔ)是否存在缺陷，檢測出缺陷的程度和具體位置，并采取經(jīng)濟(jì)合理、有效且容易操作的補(bǔ)救方法，防止事故的進(jìn)一步發(fā)生。由此可見，只有提高了樁基礎(chǔ)檢測的可靠性，才能保證整個(gè)樁基礎(chǔ)工程的施工質(zhì)量與安全。所以，隨著人類科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，樁基礎(chǔ)檢測的理論方法和工程應(yīng)用成為眾多學(xué)者研究的領(lǐng)域，長期以來國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)總結(jié)出一些比較有效的研究方法，如回傳射線矩陣法[1-3]、以波動(dòng)理論為基礎(chǔ)的動(dòng)力檢測技術(shù)等等。

本文利用ANSYS/LS-DYNA的非線性顯示求解分析程序?qū)痘A(chǔ)的應(yīng)力波進(jìn)行了初步的數(shù)值模擬，建立了一定參數(shù)的完整樁模型，并通過lsprepostd后處理程序繪制了完整樁的波形曲線圖，使之與回傳射線矩陣法[1-3]得到的理論曲線進(jìn)行對(duì)比，說明ANSYS/LS-DYNA在樁基完整性檢測的應(yīng)用中是可行的，并進(jìn)一步研究了應(yīng)力波在樁身中的傳播特點(diǎn)。

1 ANSYS簡介

ANSYS有限元分析軟件是一個(gè)具有多種用途的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，它能夠?qū)⒏鞣N結(jié)構(gòu)、流體、熱、聲學(xué)、電磁學(xué)及碰撞運(yùn)動(dòng)等問題融于一體，近年來也被廣泛運(yùn)用于各工程領(lǐng)域。其有限元法（也稱有限單元法），是一種數(shù)值計(jì)算方法，在目前工程分析中的應(yīng)用最為廣泛。它在工程技術(shù)界能夠受到高度重視，是因?yàn)榫哂休^高的通用性和有效性等特點(diǎn)。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和科學(xué)的飛速發(fā)展，ANSYS有限元分析軟件如今已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造不可或缺的部分。本文所提到的ANSYS/LS-DYNA中，ANSYS僅僅為LS-DYNA提供必要的前處理和后處理，而具體的求解過程則是由LS-DYNA版求解器來完成的。

LS-DYNA是通用性很高的顯示動(dòng)力分析程序包，功能非常齊全，可以模擬現(xiàn)實(shí)情況中的各種復(fù)雜問題，尤其適合于求解各種二維、三維幾何非線性、材料非線性、接觸非線性、爆炸等問題。LS-DYNA以顯示算法求解為主，特別適合分析各種非線性結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)問題[4]。

2 單樁計(jì)算模型

2.1 基本假設(shè)

對(duì)于樁基礎(chǔ)而言，樁身長度一般遠(yuǎn)大于樁身橫斷面直徑或邊長，從而可當(dāng)作一維彈性體來對(duì)待。當(dāng)在樁頂部施加一個(gè)瞬間激振作用力后，就會(huì)出現(xiàn)沿著樁身傳遞的彈性波，根據(jù)應(yīng)力波反射法的基本原理，此彈性波的傳播規(guī)律服從一維波動(dòng)理論方程，且滿足以下基本假設(shè):

（1）樁頂部承受瞬間激振作用力是在彈性范圍內(nèi)；

（2）樁身材料是均質(zhì)的或分段均質(zhì)且各向同性的；

（3）當(dāng)發(fā)生縱向振動(dòng)時(shí)其橫截面始終保持為平面，并且每個(gè)橫截面上的應(yīng)力分布是均勻的，且均為軸向應(yīng)力，所有其它方向的應(yīng)力分量均等于零；

（4）縱向波的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樁身的橫截面尺寸，因此不用考慮橫向發(fā)生位移對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的效應(yīng)。

2.2 計(jì)算模型

選用單根完整樁，樁—土關(guān)系為樁周有土樁底架空，樁長為8m，樁身橫截面正方形，邊長為0.5m，樁身周圍土體截面邊長為0.6 m，土體深度為9 m，樁頂部用“1”表示，樁底部用“2”表示。按照上述參數(shù)利用ANSYS/LS-DYNA建立完整樁有限元模型，見圖1。選取樁頂部49號(hào)節(jié)點(diǎn)作為研究對(duì)象，記錄ID工具條上所顯示的坐標(biāo)值，分別為x=-0.08333333582,y=-0.08333333582,z=0。波形曲線見圖2。

圖1 完整樁樁-土關(guān)系及有限元模擬圖

圖2 完整樁樁頂49號(hào)節(jié)點(diǎn)z方向速度波形曲線

2.3 計(jì)算結(jié)果分析[5]

（1）模型曲線與理論曲線擬合

利用回傳射線矩陣法原理編制MATLAB程序，得到完整樁樁頂部節(jié)點(diǎn)Z方向的速度波形曲線，即理論曲線。圖3為模型曲線與理論曲線的對(duì)比圖。

從圖3中的曲線對(duì)比可以看出，模型曲線與理論曲線擬合較好，說明能夠利用ANSYS/LS-DYNA建立完整樁模型，并且得到的數(shù)據(jù)可用。

圖3 完整樁模型曲線與理論曲線對(duì)比圖

（2）反向推算模型參數(shù)

根據(jù)完整樁樁頂部49號(hào)節(jié)點(diǎn)z方向速度波形曲線反向推算模型參數(shù)。樁身彈性模量E=2.7×1010N/m2，密度 ρ=2500 kg/m3。

計(jì)算過程如下：

a.求得應(yīng)力波在樁身中傳播的速度c0=3286.34 m/s。

b.入射波波峰時(shí)間為0.5 ms。

c.第一個(gè)反射波波峰時(shí)間為5.393 ms，傳播路徑為121，總共傳播長度為16 m。由于應(yīng)力波傳播從樁頂?shù)竭_(dá)樁底，樁底架空，彈性模量變小即波阻抗變小，所以反射波與入射波同向，時(shí)間差Δt=4.893，求得 L=Δtc0/2=8.04 m，與樁身的模擬長度L=8 m非常接近。

（3）波形曲線特征分析

a.對(duì)于完整樁，只有樁頂和樁底兩個(gè)界面，當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)樁頂或者樁底時(shí)，由于彈性模量變小，波阻抗隨之變小，因此都會(huì)出現(xiàn)與入射波同相的反射波，并且到達(dá)樁身界面的任意兩個(gè)反射波之間都有一段較平滑的過渡，整個(gè)波形曲線沒有明顯的毛刺現(xiàn)象，這是完整樁區(qū)別于缺陷樁的典型特征。

b.到達(dá)樁底的反射波位置正確，波峰峰值大約為入射波峰值的兩倍。

c.所有反射波波峰呈自然衰減的現(xiàn)象，說明樁與樁周土之間產(chǎn)生的摩擦力對(duì)應(yīng)力波信號(hào)有消耗作用。

（4）波形曲線計(jì)算值與模擬值對(duì)比見表1。

表1 完整樁波形曲線計(jì)算值與模擬值對(duì)比

圖4為完整樁樁身不同樁長處的波形曲線對(duì)比，其中，A曲線 2296號(hào)節(jié)點(diǎn)，x，y，z=0，0，-0.200000003；B曲線 2301號(hào)節(jié)點(diǎn)，x，y，z=0，0，-0.6999999881；C曲線 2353號(hào)節(jié)點(diǎn)，x，y，z=0，0，-5.900000095；D曲線 2324號(hào)節(jié)點(diǎn)，x，y，z=0，0，-3。

圖4 完整樁-不同樁長處的波形曲線對(duì)比

3 結(jié)論

本文利用ANSYS/LS-DYNAD建立了樁基礎(chǔ)反射法動(dòng)力檢測的有限元模型，通過最終結(jié)果的分析，可以看出:該數(shù)值模擬能有效的表明應(yīng)力波在樁身內(nèi)部的傳播過程、傳播規(guī)律與特點(diǎn)。但運(yùn)用ANSYS/LS-DYNAD分析樁基礎(chǔ)應(yīng)力波反射的方法仍然處于初級(jí)階段，今后有待進(jìn)一步開發(fā)，使其能夠研究和檢測各種存在各類缺陷的樁基礎(chǔ)。

ANSYS/LS-DYNAD軟件的動(dòng)態(tài)顯示求解器可以較好的模擬瞬態(tài)荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力波，能夠清楚的看到樁身各個(gè)位置處的波形曲線，能夠了解到樁身各單元的應(yīng)力狀態(tài)，以及整個(gè)樁身的動(dòng)態(tài)應(yīng)力情況，說明其具有強(qiáng)大的非線性仿真計(jì)算求解的能力。

總之，樁基礎(chǔ)完整性的檢測是個(gè)復(fù)雜的問題，希望通過本文的研究分析為其他工程人員提供一定的理論參考。

[1]余云燕,鮑亦興,陳云敏.有損傷框架結(jié)構(gòu)中的波動(dòng)分析[J].震動(dòng)工程學(xué)報(bào),2004,17(1):20-24.

[2]余云燕.回傳射線矩陣法分析埋置框架的瞬態(tài)動(dòng)力響應(yīng)[D].浙江杭州:浙江大學(xué),2004.

[3]余云燕,鮑亦興,陳云敏.埋置框架的質(zhì)量檢測的探討[J].力學(xué)學(xué)報(bào),2006,38(3):339-346.

[4]程翠.應(yīng)力波反射法基樁完整性檢測結(jié)果影響因素及對(duì)策[D].遼寧大連:大連海事大學(xué),2008.

[5]張樂婷,余云燕.基于ANSYS/LS-DYNA的應(yīng)力波反射法的數(shù)值模擬[J].山西建筑,2010(32):1-2.