鄭文貞

（廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司廣州510500）

0 引言

在地震、臺風等自然災害下，以及長時間的交通行進循環(huán)荷載的作用下，對已建成的建筑結(jié)構(gòu)容易造成損傷破壞，特別是年代較早的樁基礎(chǔ)和橋梁基礎(chǔ)，由于建筑資料的遺失，一旦受到損傷，無法確定樁基基礎(chǔ)的材料類型和長度信息，為此我們需要對上述建筑物基礎(chǔ)的質(zhì)量狀況作出評估［1，2］。通常在用可視化的方法檢測不可見結(jié)構(gòu)如地基的損傷時，需要開挖周圍的地基。對于大多數(shù)既有樁基基礎(chǔ)和橋梁基礎(chǔ)來說，這種挖掘是不現(xiàn)實的。

當對既有建筑地基采用超聲波檢測和X 射線等主動無損檢測方法（nondestructive inspection，NDI）時，輸入的功率應足夠大，以克服由于大體積混凝土和地基周圍土壤的高阻尼效應而產(chǎn)生的衰減，在現(xiàn)實生活中，這種高強輸入波的產(chǎn)生比較困難，而且有害的輻射可能會威脅到工人及工程師的安全，另外對環(huán)境也會造成破壞，因此，這種主動的NDI 方法實用性有限。當對既有建筑樁基進行檢測的時候，由于地基與上部結(jié)構(gòu)已澆筑成一體，反射波法無法正常使用，為此旁孔透射法隨之誕生。

1 旁孔透射法原理

旁孔透射法是一種在樁附近鉆孔埋管進行檢測的方法，可用于檢測樁頭隱蔽、樁體無法開挖、樁周附近可鉆孔的基樁樁長，也可以檢測樁身的嚴重缺陷。該方法較早大規(guī)模的使用是在日本阪神地震（Kobe Earthquake）震后的災害調(diào)查之中［3］。

旁孔透射法的儀器設(shè)備組成包括：激振源、拾振器和信號采集分析儀，如圖1 所示。其中激振器與基樁反射波法比較相似［4］，由激振錘敲擊樁頂面或者樁頂面的承臺產(chǎn)生壓縮波（或者剪切波），壓縮波（或者剪切波）沿著樁身進行傳播，這一點與低應變法比較類似，不同的是，沿著樁身傳播的壓縮波遇到四周的土層會發(fā)生透射，透射的信號通過埋設(shè)在樁側(cè)埋管中的拾振器進行采集。通過上下提升拾振器的深度來采集基樁不同部位的壓縮波信息，并將不同深度的測試信號繪制在一張時間-深度的表格中，通過擬合深度-時間直線，并識別擬合直線的拐點的方法來確定樁長，如圖2所示。

圖2 中，橫坐標即為從開始錘擊到壓縮波被拾振器采集的時間歷程，縱坐標表示傳感器所在預埋管中的深度（從地表開始計算）。對于完整性較高的基樁，該圖識別直線后一般呈兩折線段，靠近地表直線段的斜率即為壓縮波在基樁中的傳播速度，遠離基樁的直線段即為樁底土的壓縮波波速。兩段直線的交點對應的深度就是基樁的表觀樁長。部分研究人員認為由于基樁與測孔之間一段水平距離的存在，應扣掉壓縮波在該段水平距離中的傳播時間（即所謂的持時矯正）。筆者認為由于激振能量較小，鉆孔與被檢測基樁之間的水平距離一般較小，《既有建筑地基基礎(chǔ)檢測技術(shù)標準：JGJ/T 422-2018》6.5.5條規(guī)定水平距離不應大于1.5 m，實際操作過程中，由于激振能量較小及環(huán)境噪聲的存在，該距離一般在0.5～1.0 m 之間檢測效果較好，若按照1.0 m 的間距計算，樁身波速取3 800 m/s，時間t為2.63×10-4s，相對于激振作用的時間而言，該段時間可以忽略不計，因而不需要做時程修正。

圖1 旁孔透射法示意圖Fig.1 Sketch Map of Parallel Seismic Tests

圖2 時間-深度曲線Fig.2 Time-depth Curve

2 基于ABAQUS軟件的旁孔透射法的三維仿真分析

2.1 計算參數(shù)選取

有限元數(shù)值計算中所取的參數(shù)為：樁取圓形截面樁，樁徑D=0.5 m，樁長Lp=8 m，整個土層厚Ltotal=24 m，樁側(cè)到土層邊界的距離取10×D=5 m，樁和土的P波波速分別由式⑴和式⑵計算得到：

式中：E為彈性模量；μ為泊松比；ρ為質(zhì)量密度；Vp為樁的P 波波速；Vs為土的P波波速。模型參數(shù)選取如表1所示。

表1 模型參數(shù)選取Tab.1 Parameter of Materials for Analysis

采用有限元軟件ABAQUS 建立模型，地基土為各向同性的彈性體，采用三維 8 節(jié)點等參元［5，6］，模型建立及網(wǎng)格劃分如圖3所示。網(wǎng)格大小、模型尺寸、邊界條件均為多次試算后確定，即計算模型中測孔處得到的動力時程曲線，不隨邊界條件的改變發(fā)生明顯變化?？紤]到壓縮波在土中的傳播速度較慢，而在混凝土樁中的傳播速度較快，當樁底附近的壓縮波到達測孔的時候（8/3 800=2.11×10-3s），樁頂面的壓縮波經(jīng)過土層還未到達邊界處（5/1 400=3.57×10-3s），通過合理設(shè)置計算模型的尺寸及材料參數(shù)，巧妙地避免了邊界產(chǎn)生的反射波對測試結(jié)果的影響［7，8］。基于此，文中將樁身區(qū)域的網(wǎng)格劃分較密，地基土在由樁身延續(xù)到邊界的網(wǎng)格劃分得由密變疏，如圖3所示。

圖3 模型示意圖Fig.3 Model Sketch Map

激振方式采用均布激振力，常用錘擊產(chǎn)生均布瞬態(tài)激振，激振力脈沖為半正弦脈沖［9］，大小為：P=P0sinω t，0＜t＜tc，P0為激振力峰值，取10 N，t為激振力作用時間，取1×e-3s，脈沖力的形式為均布力，如圖4 所示。豎向激振力作用點位于樁頂面中心位置，測孔布置在距離樁邊緣0.5 m處。

圖4 激振力時程曲線Fig.4 Time History Curve of Elastic Impact Force

樁土之間選擇動態(tài)面面接觸（STS），接觸算法為對稱罰函數(shù)法［5］，即為在每一個分析步，首先檢查從節(jié)點是否有穿透主界面，沒有的話進行正常計算（不作處理），如果存在穿透的話，則在主界面和節(jié)點之間施加數(shù)值較大的接觸力（力的大小由主面的剛度和穿透深度決定），轉(zhuǎn)換成物理關(guān)系，即在主從界面之間加入一個剛度較大的彈簧，來減輕從面節(jié)點為主面的穿透程度。

2.2 完整樁的三維有限元仿真

選取ABAQUS/Explicit 中的顯示積分算法進行計算，并將計算結(jié)果的數(shù)據(jù)導出至Excel 文件，再將Excel文件導入到Matlab軟件，通過在Matlab軟件中編寫M文件進行首波截取以及峰值點自動識別。

經(jīng)過仿真分析計算，離樁周0.5 m 測孔內(nèi)不同深度處的壓縮波信號如圖5a所示，初始首波波形清晰可見，隨著深度的增加，在圖5a上反映出兩點：一為首波波峰到達的時間滯后，二為首波波峰幅值逐漸降低。圖5b 由2 條直線組成，通過求解直線段斜率，上半段直線斜率為3 580，與表1中樁的P波波速3 800 m/s相差5.7%，下半段直線的斜率為1 477，與表1 中土的壓縮波波速1 400 m/s 相差5.5%，分析誤差原因，一方面是由于有限元計算過程中積分點的跳躍不連續(xù)性造成，另一方面由于模型中樁是圓柱形分布的，而計算中采用的是樁身一維壓縮波速，因此計算波速大小與壓縮波波速大小存在一定偏差。同時可見在樁底（約8 m）附近直線段發(fā)生彎折，此為樁的表觀深度，即為壓縮波在樁底處不同傳播介質(zhì)交界面處發(fā)生透射。整個旁孔不同深度處接受到的壓縮波均是由樁身透射到土中，根據(jù)Snell 定律，透射的θ角度應滿足sinθ=1/n，n=Vp/Vs，Vp、Vs分別為樁身的一維壓縮波波速和地基土三維壓縮波波速，考慮到土和樁中壓縮波的傳播速度變化范圍較小，故本文不需要考慮n的變化。

圖5 完整樁數(shù)值仿真結(jié)果Fig.5 Simulation Results of Intact Pile

2.3 缺陷樁的三維有限元仿真

在樁身4～5 m 設(shè)置1 m 的缺陷段［10］，密度泊松比、彈性模量、P波波速等如表1 所示，其余樁身部分和地基土部分的取值如文中前述。根據(jù)計算結(jié)果所繪制的圖形如圖6 所示，與圖5 不同的是，在超過4 m 深度后，首波波幅發(fā)生了一定程度上的下降，且時間滯后現(xiàn)象更為明顯，圖7 即為在時間為4.9×e-3s 計算模型沿樁身方向的速度云圖，圖7a 為完整樁，圖7b 為缺陷樁，可見在同一時刻缺陷樁中沿樁身段速度減小極為明顯。這一深度與樁身缺陷段相對應，此后在5 m 深度后首波波形又恢復正常。反應在峰值點擬合直線圖上即為在缺陷段直線發(fā)生彎折，隨后直線段又恢復平行?？紤]到能量在缺陷段傳播后的耗散較快，在樁底以下波幅的急劇衰減變得極其微弱，因此本文在對缺陷段的圖形繪制上僅僅取0～8 m的計算結(jié)果。

圖6 缺陷樁樁數(shù)值仿真結(jié)果Fig.6 Simulation Results of Anomalous Pile

圖7 4.9×e-3 s 計算模型沿樁身方向的速度云圖Fig.7 4.9×e-3 s Velocity Nephogram along the Direction of Pile Body

3 結(jié)論

通過建立不同的樁-土模型并進行有限元數(shù)值仿真計算，對既有建筑物采用旁孔透射法檢測樁長及樁身缺陷段進行了初步檢驗和探討，得到如下結(jié)論：

⑴離樁身較近的旁孔中能夠接受到由樁頂外力釋放經(jīng)樁身傳播，再在一定深度處的樁-土界面發(fā)生透射后傳播到旁孔的透射波信號。在整個過程中，可以將峰值點對應的時間-測點深度擬合成直線，樁的表觀深度可以由兩段直線的交點確定，樁身的局部缺陷在圖形上可以明顯看出。

⑵ 旁孔透射法對現(xiàn)場條件要求較低、操作方便，能夠較好地滿足對既有建筑樁基檢測的要求，即能夠克服上部結(jié)構(gòu)對樁基檢測的影響，方法可靠，值得推廣。