淺析ANSYS/LS-DYNAD在樁基缺陷檢測中的應(yīng)用

魏明強(qiáng)

（西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730124）

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。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)到安全可靠的要求，所以隨著社會經(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發(fā)現(xiàn)。因此，為了保證工程的施工質(zhì)量，必須對樁基礎(chǔ)進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)，以便準(zhǔn)確判斷出樁基礎(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]、以波動理論為基礎(chǔ)的動力檢測技術(shù)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)行了初步數(shù)值模擬，建立了一定參數(shù)的離析樁模型，并通過Lsprepostd后處理程序繪制了離析樁的波形曲線圖，使之與回傳射線矩陣法[1-3]得到的理論曲線進(jìn)行對比，說明ANSYS/LS-DYNA能夠檢測樁基是否存在缺陷，以及能夠判斷缺陷的類型，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)沖擊動力學(xué)問題[4]。

2 缺陷原因分析

離析樁的表面是完整的，造成樁身內(nèi)部離析的原因有很多，比如做樁的材料不符合要求，混合料配合比選擇不當(dāng)，打樁的過程中攪拌不夠均勻或者振搗沒有達(dá)到規(guī)定的密實(shí)度，或者施工過程中某些地區(qū)的石、砂含量過多等等，從而導(dǎo)致混合料之間的黏聚力太小，粗集料出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，混合料之間相互分離，造成樁身內(nèi)部的組成和結(jié)構(gòu)不均勻，比如常見的蜂窩現(xiàn)象，因此樁身內(nèi)局部呈松散狀態(tài)。也就是說，在樁身離析的部分彈性模量變小，波速也隨之變小，樁身截面面積不變。

樁基礎(chǔ)的離析會造成其強(qiáng)度下降，并且很大程度上影響了樁基的承載能力，整個結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性、抗凍性等等耐久性能與安全性能也遭到破壞，嚴(yán)重離析會導(dǎo)致基礎(chǔ)返工，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

3 單樁計(jì)算模型

3.1 計(jì)算模型

樁-土關(guān)系為樁周圍有土樁底架空，樁長為8 m，樁身截面邊長為0.5 m，樁周圍土體截面邊長為0.6 m，土體深度為9 m，樁頂部距離離析部分起始點(diǎn)的距離為4 m，離析部分長度為1 m，樁頂用1表示，樁底用2表示，離析部分起始點(diǎn)和終止點(diǎn)分別用3、4表示。按照上述參數(shù)利用ANSYS/LS-DYNA建立完整樁有限元模型，如圖1所示。選取樁頂部49號節(jié)點(diǎn)作為研究對象，記錄ID工具條上所顯示的坐標(biāo)值，分別為x=-0.083 333 335 82，y=-0.083 333 335 82，z=0。波形曲線如圖2所示。

圖1 離析樁樁-土關(guān)系及有限元模擬圖

圖2 離析樁樁頂49號節(jié)點(diǎn)z方向速度波形曲線

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 與理論曲線對比

利用回傳射線矩陣法[1]原理編制MATLAB程序，得到離析樁樁頂節(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比圖。

圖3 離析樁模型曲線與理論曲線對比圖

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

3.2.2 反向推算模型參數(shù)

根據(jù)離析樁樁頂49號節(jié)點(diǎn)z方向速度波形曲線反向推算模型參數(shù)，如圖2所示。樁身完好部分彈性模量E=2.7×1010N/m2，密度 ρ=25 000 kg/m3，離析部分 E′=1.8×1010N/m2，密度 ρ′=2 300 kg/m3。

計(jì)算過程如下：

（1）求得應(yīng)力波在樁身中傳播的速度c0=3 286.34 m/s，c0′=2 797.5 m/s。

（2）入射波波峰時間為0.479 ms。

（3）第一個反射波波峰時間為2.957 ms。由于應(yīng)力波傳播到達(dá)離析部位時遇到波阻抗分界面，樁身密度變小即波阻抗變小，因此出現(xiàn)了與入射波同向的反射波，時間差 Δt=2.478 ms，求得L=Δtc0/2=4.07 m，為離析部分的起始點(diǎn)位置，與離析缺陷的模擬設(shè)計(jì)位置L=4 m非常接近。

（4）第二個反射波波峰時間為3.599 ms。由于應(yīng)力波傳播經(jīng)過離析部位之后遇到波阻抗分界面，樁身密度變大即波阻抗變大，因此出現(xiàn)了與入射波反向的反射波，時間差Δt=0.642 ms，求得L=Δtc0′/2=0.9 m，為離析部分的長度，與離析缺陷的模擬設(shè)計(jì)長度L=4 m非常接近。

（5）第三個反射波波峰時間為5.475 ms，且與入射波是同向反射，時間差Δt=1.876 ms，求得L=Δtc0/2=3.08 m，為離析部分以下的樁身長度，與模擬設(shè)計(jì)長度L=3 m非常接近。

（6）離析部分的終止點(diǎn)位置為 4.07+0.9=4.97（m），與樁身離析部分終止點(diǎn)的模擬設(shè)計(jì)位置5 m非常接近。

（7）總樁長為4.97+3.08=8.05（m），與樁身的模擬設(shè)計(jì)長度8 m非常接近。

表1為離析樁波形曲線計(jì)算值與模擬值對比。

表1 離析樁波形曲線計(jì)算值與模擬值對比

3.2.3 波形曲線特征分析[5]

（1）在離析部分的起始界面和終止界面處會出現(xiàn)和入射波同向、反向的反射波，這是由樁身彈性模量即波阻抗發(fā)生變化而引起的，并且材料的彈性模量變化越大，波阻抗變化也會越大，同向或者反向的反射波波峰就會越加凸顯。

（2）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。

（3）離析樁到達(dá)樁底的反射波與完整樁到達(dá)樁底的反射波時間相比，具有一個時間差為5.475-4.893=0.582（ms），這是離析樁區(qū)別于其他缺陷樁的典型特征，因?yàn)殡x析部分的彈性模量變小，到達(dá)樁底的反射波所需時間就越長，因此存在延遲現(xiàn)象，這表示應(yīng)力波在離析樁中傳播要比在完整樁中傳播得慢。

（4）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)生的摩擦力對波形曲線有消耗作用。

4 結(jié)語

本文針對離析樁利用ANSYS/LS-DYNAD建立了反射法動力檢測的有限元模型，通過最終結(jié)果的分析，可以看出:該模型對于離析樁的模擬效果較好，也反映了離析樁波形曲線的規(guī)律和特點(diǎn)。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)。

[1]余云燕，鮑亦興，陳云敏.有損傷框架結(jié)構(gòu)中的波動分析[J].震動工程學(xué)報，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)動力響應(yīng)[D].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，2006，38（3）：339-346.

[4]程翠.應(yīng)力波反射法基樁完整性檢測結(jié)果影響因素及對策[D].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.