李雋毅

(上海申元巖土工程有限公司 上海 200021)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，低應(yīng)變反射波法測(cè)樁的依據(jù)都是一維桿理論，認(rèn)為樁中波傳播滿足平截面假定，因此該理論只適用于小直徑樁檢測(cè)分析。對(duì)管樁(直徑超過(guò)800mm)而言，由于敲擊位置局限于樁頂較小區(qū)域，波的傳播表現(xiàn)出顯著的三維特點(diǎn)，會(huì)存在明顯的三維效應(yīng)，此時(shí)已不滿足一維波動(dòng)理論。目前隨著大直徑管樁廣泛應(yīng)用，運(yùn)用三維波動(dòng)理論分析大直徑樁的動(dòng)力學(xué)特性，也就成為當(dāng)前急需解決的課題。

對(duì)于三維條件下樁中彈性波傳播問(wèn)題，由于其復(fù)雜性，無(wú)法求得精確的解析解，目前只能依賴數(shù)值法。

目前，國(guó)內(nèi)外已有一些利用有限元計(jì)算得到結(jié)果：趙振東等[1]用有限元法初步探索了激振力作用面積和樁身缺陷對(duì)樁中應(yīng)力波的影響。Liao等[2]計(jì)算得出軸對(duì)稱條件下樁頂加速度、速度響應(yīng)。陳凡等[3,4]分析了尺寸效應(yīng)對(duì)自由樁低應(yīng)變檢測(cè)的影響。肖蘭喜等[5]根據(jù)有限元法計(jì)算結(jié)果，提出應(yīng)采用三分量傳感器測(cè)試。Chow等人[6]也通過(guò)求解，研究了軸對(duì)稱樁檢測(cè)時(shí)的三維效應(yīng)。黃大治等[7]探討了樁頂面不同測(cè)點(diǎn)的反射波信號(hào)特征及其與樁身裂縫的對(duì)應(yīng)規(guī)律。費(fèi)康等[8]通過(guò)計(jì)算，分析了PCC樁低應(yīng)變檢測(cè)中的三維效應(yīng)。

劉東甲等[9-11]已將差分法用于基樁低應(yīng)變檢測(cè)的研究，由于網(wǎng)格劃分較細(xì)，計(jì)算精度更高，經(jīng)證實(shí)其效果很好。柯宅邦等[12]對(duì)空間軸對(duì)稱條件下樁土振動(dòng)問(wèn)題，采用交錯(cuò)網(wǎng)格差分法得出了精度較高的結(jié)果，并對(duì)樁頂三維效應(yīng)的來(lái)源以及如何避免三維干擾提出了相應(yīng)的對(duì)策。

實(shí)際中，樁是三維體，樁身缺陷的形狀、空間位置也是隨機(jī)分布的，包括各種非圓形樁、管樁等也不斷推廣，因此有必要進(jìn)行真三維條件下樁的低應(yīng)變檢測(cè)研究。但是，目前針對(duì)大直徑管樁的研究成果很少，難以反映三維波動(dòng)的真實(shí)細(xì)節(jié)，對(duì)三維效應(yīng)的探究仍需加強(qiáng)。

本文利用FLAC3D軟件進(jìn)行建模分析，得出樁頂速度響應(yīng)，系統(tǒng)研究三維干擾特征，研究了激振與采樣位置間夾角、樁徑和長(zhǎng)度、土阻力對(duì)三維干擾的影響，并提出了減弱三維干擾的方法，并對(duì)大直徑管樁低應(yīng)變測(cè)試的效果進(jìn)行了探討。

1 計(jì)算模型及邊界條件

在FLAC3D中建立如圖1所示的管樁計(jì)算模型。低應(yīng)變情況下，可將管樁看為線彈性材料。計(jì)算時(shí)，彈性模量E為45GPa，泊松比ν為0.2，樁身密度ρ為2 500kg/m3。管樁長(zhǎng)為l為13m，外徑Do為800 mm，壁厚h為110 mm。

樁頂受縱向敲擊力p(t)的作用，其作用區(qū)域?yàn)橐詒0為半徑，以(rc, 0, 0)為圓心的圓，在柱坐標(biāo)系內(nèi)，應(yīng)力邊界條件可由下式給出：

(1)

式中，rc= (Do-h)/2，p(t)表達(dá)式為

(2)

式中，I和t0分別是激振力沖量和作用時(shí)間。

2 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)管樁進(jìn)行網(wǎng)格剖分，最終將徑向分為5份，環(huán)向劃分80份，豎向劃分300份，就能得到可靠的計(jì)算結(jié)果。具體的空間離散情況如圖1所示。其中激振力p(t)參數(shù)：t0= 1.2ms，I= 1N·s，激振力作用區(qū)域見(jiàn)圖2所示，其半徑r0=2.5cm。計(jì)算網(wǎng)格參數(shù)：Δr=2.2cm，Δz=4.3cm，Δφ= 4.5°。

圖1 計(jì)算模型

圖2 激振區(qū)域與采樣布置

不同采樣位置會(huì)得到不同的測(cè)試曲線，選取三維干擾最小的曲線對(duì)低應(yīng)變反射波測(cè)試具有重要意義。圖2給出了4個(gè)采樣位置，與激振區(qū)域依次相差45°，90°，135°和180°，得到的豎向速度時(shí)程曲線如圖3(a)所示。

(a)800 (110) mm

(b)400 (95) mm圖3 樁頂各點(diǎn)豎向速度時(shí)程曲線

根據(jù)圖3(a)可以看出，當(dāng)采樣位置距激振力位置角度越大，入射脈沖到達(dá)的時(shí)間越來(lái)越遲，但樁底反射波到達(dá)的時(shí)間基本相同。說(shuō)明靠近樁頂，彈性波明顯表現(xiàn)出球面波的特點(diǎn)，越靠近振源，球面半徑越小，三維效應(yīng)更明顯。隨著傳播距離的增加，波近似以平面波的形式傳播，然后經(jīng)過(guò)樁底反射到達(dá)樁頂，到時(shí)與峰值幾乎一致。按照?qǐng)D3的結(jié)果，根據(jù)峰峰值判斷波速時(shí)，不同采樣點(diǎn)得到的傳播速度有差別。

一般認(rèn)為入射波及反射波的之間的波形越平緩，表明該樁的樁身完整性越好，而從圖3(a)中看出，三維條件下，曲線1-4中入射波及反射波間存在較明顯的振蕩，這也是三維效應(yīng)的表現(xiàn)，而振蕩越劇烈，表明三維干擾越強(qiáng)。

為說(shuō)明小直徑樁情況，這里給出管樁長(zhǎng)為l為7m，外徑Do為400mm，壁厚h為95mm的管樁測(cè)試結(jié)果，以便于與大直徑樁對(duì)比分析，如圖3(b)所示，其中t0=1.2ms。從圖中可以看出，該樁90°位置的速度時(shí)程曲線無(wú)明顯干擾波，從而表明，三維干擾是大直徑樁所面臨的特殊問(wèn)題。

圖4為樁頂各點(diǎn)的豎向速度波場(chǎng)快照?qǐng)D，包含0.2ms，0.5ms，0.8ms和1.0ms 4個(gè)時(shí)刻。圖4(a)表示激振力作用瞬間，樁頂敲擊點(diǎn)附近開(kāi)始振動(dòng)。圖4(b)到(c)表明波從敲擊點(diǎn)位置開(kāi)始向?qū)?cè)傳播，同時(shí)樁頂?shù)牟ɡ^續(xù)向下傳播，由圖4(d)所示，到t= 1.0ms時(shí)，此時(shí)樁頂振動(dòng)能量變小。

(a)t=0.2ms (b)t=0.5ms

(c)t=0.8ms (d)t=1.0 ms圖4 樁頂波場(chǎng)快照

根據(jù)波動(dòng)理論可知，受敲擊作用后，樁頂會(huì)產(chǎn)生縱波、橫波和面波，而面波的成分最多。從圖4來(lái)看，面波在樁頂從敲擊點(diǎn)往對(duì)側(cè)傳播，然后再傳播回來(lái)，如此往復(fù)，從而形成干擾波。因此，三維干擾波就是面波沿樁頂圓環(huán)傳播引起的。當(dāng)直徑越大，這種三維干擾就越強(qiáng)。因此，在大直徑樁檢測(cè)時(shí)，需要適當(dāng)慎重判別，防止因?yàn)槿S干擾導(dǎo)致誤判。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為驗(yàn)證本文分析的可靠性，對(duì)平躺于地面上的PHC管樁進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。測(cè)試使用的儀器為武漢巖海公司的RS-1616K(s)基樁動(dòng)測(cè)儀，傳感器為恒流源加速度計(jì)，手錘采用尼龍錘，分析曲線時(shí)選擇的低通濾波截止頻率為2 000Hz。首先對(duì)平躺于地面上1根大直徑PHC管樁進(jìn)行測(cè)試，該管樁長(zhǎng)為l為13m，外徑Do為800mm，壁厚h為110mm，混凝土標(biāo)號(hào)為C80。與數(shù)值模擬相對(duì)應(yīng)，測(cè)得的曲線如圖5所示。

圖5 實(shí)測(cè)樁頂不同角度位置豎向速度曲線

為進(jìn)一步說(shuō)明大直徑樁的特殊性，這里給出1根小直徑PHC管樁的實(shí)測(cè)曲線，其中該樁平躺于地面之上，樁長(zhǎng)為7m，外徑和壁厚分別為400mm和95mm，測(cè)試曲線如圖6所示。從圖中可以看出，該樁90°位置的速度時(shí)程曲線也無(wú)明顯干擾波，與圖3(b)的中模擬結(jié)果相吻合，這表明三維干擾是大直徑樁低應(yīng)變反射波法測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)。

從圖5～圖6測(cè)試曲線對(duì)比來(lái)看，大直徑管樁測(cè)試時(shí)，三維干擾比較突出，此時(shí)與傳統(tǒng)一維波理論有較大差別，從三維角度解釋測(cè)試曲線，顯得尤為重要。同時(shí)，由于樁體越來(lái)越大，很難只靠樁頂一點(diǎn)拾振的信號(hào)來(lái)檢測(cè)樁身完整性，需要發(fā)展與更新現(xiàn)有的理論與測(cè)試技術(shù)。

4 樁周土參數(shù)影響

預(yù)應(yīng)力管樁作為一種擠土樁，樁周土對(duì)檢測(cè)結(jié)果有重要的影響。下面利FLAC3D分析土層變化對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，如圖7所示。

圖7 實(shí)測(cè)樁頂不同角度位置豎向速度曲線

5 結(jié)論

本文建立了利用FLAC3D模擬大直徑管樁低應(yīng)變測(cè)試模型，給出了樁頂速度響應(yīng)。通過(guò)模擬分析，得到如下結(jié)論：

(1)大直徑管樁檢測(cè)，應(yīng)該保證激振與拾振位置成90°，此時(shí)接收的信號(hào)最佳。需要注意，即便該點(diǎn)拾振測(cè)得的信號(hào)仍具有一定三維干擾，仍然會(huì)對(duì)檢測(cè)造成干擾。

(2)三維干擾是大直徑樁低應(yīng)變反射波測(cè)試所面臨的特殊問(wèn)題。發(fā)展三維理論，更新現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)，對(duì)推動(dòng)低應(yīng)變反射波法檢測(cè)大直徑管樁質(zhì)量具有重要意義。

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