叢慧敏，王智慧，陳大剛，陳恒大

（1.重慶市萬州區(qū)建設工程質量監(jiān)督站，重慶 404199；2.內蒙古赤峰農牧學校建筑工程系，內蒙古 赤峰 024000；3.長安大學公路學院，西安 710064）

低應變法檢測端承樁完整性的有限元計算分析

叢慧敏1，王智慧2，陳大剛1，陳恒大3

（1.重慶市萬州區(qū)建設工程質量監(jiān)督站，重慶 404199；2.內蒙古赤峰農牧學校建筑工程系，內蒙古 赤峰 024000；3.長安大學公路學院，西安 710064）

通過有限元軟件模擬計算無樁周土影響的基樁，得出在不同的材質激振下正常基樁及擴徑基樁同一檢測點的波形曲線，通過計算說明不同材質激振力源對基樁檢測的影響。

ansys/ls-dyna；低應變法；長細比；基樁完整性

0 引言

近年來我國土木工程建設勢頭發(fā)展迅猛，樁基礎以其優(yōu)越性在實際中被廣泛應用，但樁基礎工程隱蔽，施工工藝復雜，容易出現(xiàn)質量問題，因此必須對基樁的完整性進行檢測。基樁完整性檢測有低應變法、聲波透射法、高應變法等眾多方法。在實際應用中，低應變法以其成本低、檢測過程快捷、儀器便攜、理論成熟等諸多優(yōu)勢被廣泛應用。

1 原理

低應變法檢測基樁完整性的基本原理為振動理論和波動理論。對于長細比≥5的基樁，可視為一維彈性體。當在樁頂施加瞬時作用力后，彈性波會沿著樁身傳播，其傳播規(guī)律服從波動方程，且滿足其基本假定。根據(jù)牛頓第二定律和胡克定律，可得出一維彈性體的波動方程[1]：

根據(jù)應力波在桿件中的傳播原理，樁身情況發(fā)生變化時，阻抗也隨之變化。當應力波由大阻抗傳入小阻抗時，反射波與入射波同向；當應力波由小阻抗傳入大阻抗時，反射波與入射波反向。對于端承樁通常樁底阻抗大于樁身阻抗，所得反射波與入射波反向。而當樁身出現(xiàn)有利或不利的缺陷時，阻抗也會發(fā)生變化，利用波阻抗變化差異，可判斷樁身的缺陷位置。

而根據(jù)有限元理論，將樁劃分成N個單元，每個單元的截面積、彈性模量和波速均可不等，便可以模擬樁身阻抗不規(guī)則的情況。通過有限元軟件的計算，可以模擬分析滿足或者不滿足一維彈性理論假設的基樁。本文采用ansys/ls-dyna程序來模擬計算。只計算模擬無樁周土影響的端承樁應力反射波，以其對實際檢測結果給予提示。

2 有限元模型計算分析

計算模型采用ansys/ls-dyna軟件模擬端承樁，僅以擴徑代表缺陷，樁體用solid164單元，以ls-dyna進行顯示計算，樁體各項基本參數(shù)見表1。

表1 基樁參數(shù)表

3 激振頻寬對檢測數(shù)據(jù)的影響

在低應變法檢測基樁時，需要一個激振力在基樁中產生應力波，而用不同的材料做激振力源，會產生不同的效果。激振錘參數(shù)見表2。

根據(jù)表2頻寬、力值做激振力源，計算其對檢測結果的影響。對于無缺陷完整基樁，根據(jù)一維彈性理論計算，縱波波速c=3 464 m/s，由入射到反射的完整時間t=9.2 ms，下列各圖的橫軸單位為s，縱軸單位為（mm/s）。

表2 激振錘效果一覽表

通過圖1～3，在同一檢測點，小鋼管、橡膠錘和RS手錘作為激振源所得有限元計算結果與理論計算結果較為接近，但小鋼管激振頻寬過窄，產生的波形也并不理想；橡膠錘和RS手錘作為激振源能得到較為理想的波形，但RS手錘所得實際樁長比小鋼管、橡膠錘長。

圖1 小鋼管激振波形圖

圖2 橡膠錘激振波形圖

圖3 RS手錘激振波形圖

在樁頂下2倍樁徑（800 mm）處設置直徑為1 000 mm的擴徑，長200 mm。在上述激振條件下，其波形見圖4～6。

由圖4～6，在同一檢測點，橡膠錘和RS手錘作為激振源所得有限元計算結果與低應變法經典波形較為接近[1]，但橡膠錘所得擴徑位置比RS手錘要淺一些；而小鋼管作為激振源敲擊樁頂中心，所得波形雖然能清晰的見到擴徑及樁底反射，但由于頻寬過窄，波長過短，在擴徑處縱波多次反射，雖然歸一性較好，但確定擴徑的大致位置時，要進行二次分析，才能確定是否是多次反射。

圖4 小鋼管激振擴徑基樁波形圖

圖5 橡膠錘激振擴徑基樁波形圖

圖6 RS手錘激振擴徑基樁波形圖

因此，在無樁周土作用的基樁計算模型下，由于激振力源材質的不同所得波形圖對缺陷位置的反應也不同。在實際檢測過程中，選擇合適材質的激振力源才能更好地檢測出基樁的完整性。

4 結語

通過分析不同材質、力值的激振源敲擊基樁可以得出以下結論：

1）在實際檢測過程中，應選擇適宜頻寬和力值敲擊基樁，才能得到理想的波形曲線，以此來判斷基樁的完整性。

2）使用不同頻寬和力值敲擊基樁，對于基樁缺陷位置的判斷會產生一定的影響，頻寬過高會使缺陷位置比實際位置淺，而頻寬過低會造成缺陷位置比實際位置深。

[1]徐凡，徐天平，陳久照，等.基樁質量檢測技術[M].第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014：104-105，166-167.

[2]伍允望.應力波反射法數(shù)值模擬分析及實踐研究[D].上海：同濟大學，2007.

[3]翟向陽，高紅娟.低應變反射波法在樁身質量判定中遇到的幾個問題[J].華北地震科學，2004（04）：53-55.

[4]邢心魁.反射波法樁基動測技術研究[D].西安：西安建筑科技大學，2005.

TU435

A

1673-1093（2015）03-0095-02

叢慧敏（1983），男，工程師，碩士研究生，從事樁基檢測工作。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.03.025

2014-12-17；

2015-01-02