基于ANSYS/LS-DYNA的PHC-鋼管組合樁低應(yīng)變檢測可行性研究

歐陽峰，王琴芬2，，李 歡，陳 達(dá)

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京210014）

基于ANSYS/LS-DYNA的PHC-鋼管組合樁低應(yīng)變檢測可行性研究

歐陽峰1，王琴芬2，1，李 歡1，陳 達(dá)1

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京210014）

PHC-鋼管組合樁因承載能力高、自重輕、對地質(zhì)適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)在工程中廣泛運(yùn)用，但因其所處地質(zhì)條件復(fù)雜、施工條件等因素，對于PHC-鋼管組合樁這種地下隱蔽工程的檢測不易，傳統(tǒng)的樁基動測法對于其完整性檢測的適用性尚未可知。文章采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對PHC-鋼管組合樁無缺陷狀態(tài)以及上部PHC管樁出現(xiàn)破裂、上部PHC管樁與下部鋼管樁脫開狀態(tài)這兩種典型缺陷狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，探討了低應(yīng)變反射波法對于檢測PHC-鋼管組合樁缺陷的適用性，可為工程實(shí)際提供一定的參考依據(jù)。

PHC-鋼管組合樁；低應(yīng)變；數(shù)值模擬；ANSYS/LS-DYNA

PHC-鋼管組合樁因承載能力高、自重輕、對地質(zhì)適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)在工程中廣泛運(yùn)用［1］，但因其所處地質(zhì)條件復(fù)雜、施工條件等因素，對于PHC-鋼管組合樁這種地下隱蔽工程的檢測不易，傳統(tǒng)的樁基動測法對于其完整性檢測的適用性尚未可知。目前，國內(nèi)外樁基完整性檢測方法有多種，其中低應(yīng)變檢測方法由于其基本原理較為簡單、快速且無損、資料判讀比較直觀、準(zhǔn)確度相對較高等優(yōu)點(diǎn)在樁基檢測中占據(jù)主流地位［2］。迄今為止，應(yīng)用ANSYS、ABAQUS等有限元軟件對PHC管樁、灌注樁等單種材料的基樁結(jié)構(gòu)低應(yīng)變檢測數(shù)值模擬的研究相對較多［3-6］，但PHC-鋼管組合樁質(zhì)量檢測的研究還很少，尚未形成可靠的檢測技術(shù)方案。為了保證建設(shè)工程質(zhì)量，確保建筑物的安全，必須找出存在質(zhì)量問題的管樁，然后根據(jù)缺陷的嚴(yán)重程度，決定是否補(bǔ)強(qiáng)處理［7-8］。從影響施工進(jìn)度和工程安全考慮，如何快速、準(zhǔn)確地檢測組合樁基施工質(zhì)量已經(jīng)成為當(dāng)前樁基行業(yè)所關(guān)心的重要問題。本文對PHC-鋼管組合樁典型的3種狀態(tài)（無缺陷狀態(tài)、PHC管樁與鋼管樁脫開狀態(tài)、PHC管樁斷樁狀態(tài)）進(jìn)行低應(yīng)變數(shù)值模擬及分析，探討低應(yīng)變對于PHC-鋼管組合樁的適用性，為工程實(shí)際提供一定的依據(jù)。

1 低應(yīng)變檢測方法原理及簡介

低應(yīng)變檢測方法是用手錘或力錘、力棒在樁頂施加激勵，樁身質(zhì)點(diǎn)因受迫振動產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波沿樁體向下傳播，當(dāng)此應(yīng)力波遇到樁阻抗發(fā)生變化的界面會產(chǎn)生反射與透射。樁身某處阻抗變大（擴(kuò)頸等），反射波與入射波反向，反之同向［9］。

對測得的樁頂動力響應(yīng)進(jìn)行時域分析即為反射波法，應(yīng)力波在樁中的傳播速度與樁身材料有關(guān)，為c=E ρ（c為波速，E為樁身彈性模量，ρ為樁材料密度）；樁身阻抗與樁材料及截面面積有關(guān)Z=ρcA（Z為阻抗，A為樁截面面積）；阻抗變化界面深度L=ct/2，以此來檢測樁身缺陷。

2 工程概況

2.1 基樁結(jié)構(gòu)

某高樁碼頭基樁結(jié)構(gòu)采用Φ1 000 mmPHC-鋼管組合樁，樁長45 m，其中上部35 m范圍采用C型Φ1 000 mmPHC管樁，混凝土材料等級為C80，壁厚130 mm；下部10 m范圍內(nèi)采用Φ800 mm鋼管樁，壁厚12 mm。

一般而言，工廠流水化生產(chǎn)的預(yù)制PHC-鋼管組合樁，質(zhì)量基本上是有保證的。但由于預(yù)制樁原材料質(zhì)量差，制作工藝不符合規(guī)范要求，配合比不當(dāng)、水灰比控制不嚴(yán)、混凝土強(qiáng)度達(dá)不到要求；貯運(yùn)、吊樁不當(dāng)造成樁身隱性損傷；錘型選取不當(dāng)及操作不規(guī)范等原因，在施工中常會出現(xiàn)PHC管樁樁頭破裂、樁身破壞、PHC管樁與鋼管樁連接處破壞等現(xiàn)象。因此，本文選取PHC-鋼管組合樁無缺陷時、PHC管樁與鋼管樁脫開時以及上部PHC管樁出現(xiàn)斷樁時3種狀態(tài)進(jìn)行模擬分析。

表1 樁模型參數(shù)Tab.1 Pile model parameters

2.2 地質(zhì)條件

選取具有代表性的某高樁碼頭所在地的地質(zhì)條件作為研究的地基情況。該地域以泥質(zhì)沉積為主，水道底部多為濱海相沉積，以淤泥、粉質(zhì)黏土為主；呈軟塑至流塑狀態(tài)，中部多為砂礫、碎石及卵石，交錯層理發(fā)育；下部多為凝灰層，有埋深適中的樁基持力層。

計(jì)算土層主要為四層，每層厚10 m，自上而下分述如下：

（1）淤泥?；疑?，飽和，流塑，含有有機(jī)質(zhì)及植物腐爛物，表層含貝殼，具層理，黏塑性較好。

（2）粉砂。黃褐色，以長石石英為主，粉粒含量稍高，多黑色鐵錳質(zhì)氧化物，中密～密實(shí)，稍濕～濕。（3）粉質(zhì)黏土。灰褐色，飽和，軟塑，含細(xì)砂及貝殼，黏塑性一般，底部夾砂。

（4）黏質(zhì)粉土。黃褐色～灰褐色，濕，密實(shí)，無光澤，干強(qiáng)度低，韌性低，含有黑色鐵錳質(zhì)氧化物。

3 有限元數(shù)值模型

本文有限元計(jì)算模型采用ANSYS/LS-DYNA分析軟件進(jìn)行模擬，PHC-鋼管組合樁和土均采用SOL?ID164單元，即六面體八節(jié)點(diǎn)單元。PHC管樁部分采用C80混凝土、線彈性材料模擬，鋼管樁部分采用rigid單元。采用有限單元法對低應(yīng)變進(jìn)行模擬［10］。兩部分樁的主要參數(shù)見表1。

為解決土體大變形導(dǎo)致模型計(jì)算不收斂，將樁周圍2.5倍樁徑范圍內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行切割，增加2.5倍樁徑區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格密度，以使網(wǎng)格具有良好的適應(yīng)性從而增加模擬的準(zhǔn)確性。土體采用LS-DYNA中特有的彈塑性本構(gòu)模型模擬，其材料參數(shù)見表2。將基樁沉至泥面以下35 m，泥面以上基樁長10 m。采用AN?SYS/LS-DYNA程序中關(guān)于定義接觸的關(guān)鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_SUR?FACE_TO_SURFACE定義樁土模型自動面面接觸，動摩擦系數(shù)取0.2，靜摩擦系數(shù)取0.3。樁-土有限元模型見圖1。

3.1 PHC-鋼管組合樁無缺陷狀態(tài)

在研究組合樁在動測過程中的動力特性時，需有完整無缺陷樁的動力特性作為參考，采用ANSYS/LS-DYNA分析軟件建立相應(yīng)有限元模型，基于行波理論，對無缺陷PHC-鋼管組合樁進(jìn)行低應(yīng)變模擬分析，分析波在樁身中的傳播規(guī)律。在模擬此次低應(yīng)變的時候所施加的激勵為9 kN。圖2即為無缺陷PHC-鋼管組合樁頂點(diǎn)速度時程曲線。

圖1 有限元模型Fig.1 The finite element model

由圖2可知，反射波幅值的方向與入射波幅值方向相反，是因?yàn)槿肷洳◤腜HC管樁傳遞到鋼管樁時，是從阻抗小的樁傳遞到阻抗大的樁。反射波相對于入射波波幅值減小較少，及波能量消耗較少。由于樁周土的橫向彌散作用，使得速度曲線圖波形在2個峰值之間振蕩。而應(yīng)力波到達(dá)鋼管樁底部時，并沒有明顯的速度幅值，這是因?yàn)楸”阡摴軜恫环掀浇孛婕俣ā?/p>

3.2 PHC管樁與鋼管樁脫開狀態(tài)

工程實(shí)際中，由于PHC管樁與鋼管樁焊接的部位可能由于沉樁時的錘擊力或者土層的影響而脫開，因

Z此有必要檢測這種斷樁情況下的低應(yīng)變，以便為工程實(shí)際中檢測提供一定的依據(jù)。同樣對PHC管樁及鋼管樁完全脫開0.1 m建立有限元計(jì)算模型，施加9 kN激勵進(jìn)行低應(yīng)變數(shù)值模擬。其余參數(shù)同第3.1節(jié)。低應(yīng)變檢測模擬后得到樁頂點(diǎn)速度時程曲線見圖3。

由圖3可知，由于鋼樁的阻抗比PHC樁大，反射波峰值與入射波峰值反向。圖3第一個峰值點(diǎn)的時刻點(diǎn)為0.000 548 s，第二個峰值點(diǎn)的時刻點(diǎn) 為 0.018 409 s，PHC管 樁 中 的 波 速 c=≈3 898.72m/s，由此計(jì)算缺陷處的位置L==［3 898.72×（0.018 409-0.000 548）］/2≈34.81 m，與實(shí)際脫開位置35 m相差不大。對比圖3與圖2可知，在缺陷部位過后，脫開樁的峰值立即回到0附近，而無缺陷PHC-鋼管組合樁的波形在傳到PHC管樁底部后，峰值會緩慢減小；同時，圖3中反射波的波幅要比入射波波幅小很多，即波能量耗散較大，而圖2中反射波的波幅比入射波波幅略小，由此也可判斷出PHC管樁與鋼管樁的連接質(zhì)量的好壞?？傻茫蛻?yīng)變檢測法可有效檢測出PHC-鋼管樁是否處于脫開狀態(tài)。

表2 土模型參數(shù)Tab.2 Soil model parameters

圖2 樁頂點(diǎn)的速度時程曲線Fig.2 Pile vertex velocity-time curve

圖3 樁頂點(diǎn)的速度時程曲線圖Fig.3 Pile vertex velocity-time curve

圖4 樁頂點(diǎn)的速度時程曲線圖Fig.4 Pile vertex velocity?time curve

3.3 PHC-鋼管組合樁上部PHC管樁斷樁狀態(tài)

在錘擊沉樁法施工中，由于受成樁工藝、機(jī)械設(shè)備、地質(zhì)條件、施工人員等因素的影響，也較容易造成PHC管樁出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象。因此，本節(jié)對在距樁頂20 m、斷樁寬度為0.1 mPHC-鋼管組合樁進(jìn)行數(shù)值模擬，并于樁頂參考點(diǎn)上施加9 kN激勵進(jìn)行低應(yīng)變數(shù)值模擬。數(shù)值模擬得到樁頂?shù)牡蛻?yīng)變曲線圖見圖4。

由圖4可得，第3個波峰值代表的是波的第2個周期從斷樁樁底傳回樁頂。因此，PHC管樁若出現(xiàn)斷樁，則波傳到斷樁處反射回去而不會發(fā)生透射現(xiàn)象。第一個峰值所在的時刻為0.000 498 s，第二個波峰所在的時間點(diǎn)為0.01 071，第3個峰值所在的時間點(diǎn)為0.021 776。由于波在PHC管樁中傳播的速度c=3 898.72 m/s，根據(jù)波形圖所計(jì)算的斷樁位置L==［3 898.72×（0.010 71-0.000 498）］/2≈19.91 m，與實(shí)際位置20 m相差甚少。因此，低應(yīng)變檢測對于該種情況也是適用的。

4 結(jié)論

本文通過對PHC-鋼管組合樁的3種狀態(tài)進(jìn)行低應(yīng)變數(shù)值分析，無缺陷PHC-鋼管組合樁波形反射波與入射波反向，反射波波幅與入射波波幅幅值及波峰寬度相差不大，反射波后波形振蕩較大、波峰峰值振蕩遞減；PHC管樁與鋼管樁脫開時，低應(yīng)變波形反射波與入射波反向、但波幅要遠(yuǎn)小于入射波波幅，幅值較小，反射波后振蕩不明顯，波峰值會很快回到0附近；PHC管樁斷樁時，會在斷樁部位進(jìn)行反射，斷樁以下不會有波形呈現(xiàn)。反射波與入射波反向、波幅較小，其特點(diǎn)與PHC管樁與鋼管樁脫開時呈現(xiàn)的特點(diǎn)類似，增加分析時長，會出現(xiàn)第二次反射。由此表明采用低應(yīng)變能檢測法對于PHC-鋼管組合樁脫開狀態(tài)以及斷樁情況適用。

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Study on feasibility of PHC?Steel combination pile low strain detection by ANSYS/LS?DYNA

OU YANG Feng1,WANG Qin?fen2,1,LI Huan1,CHEN Da1
(1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.China Design Group Co.,Ltd.,Nanjing 210014,China）

PHC?Steel pipe combination piles are widely used in engineering due to the good bearing capacity and light weight.As the underground project,the detection of PHC?Steel pipe combination piles becomes difficult because of the complex geological condition.And whether the traditional pile dynamic testing is suitable for the pile or not remains to be seen.In this paper,ANSYS/LS?DYNA was used to simulate the PHC?Steel pipe combination piles in the condition of no defects and two typical defects,then the applicability was discussed,which is favorable to the actual project.

PHC?Steel pipe combination piles;low strain;numerical simulation;ANSYS/LS?DYNA

TU 473;O 242.21

A

1005-8443（2016）06-0626-04

2015-09-15；

：2015-10-17

江蘇省交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目（2014T13）

歐陽峰（1978-），男，湖北省荊州人，講師，主要從事港口工程結(jié)構(gòu)研究。

Biography：OU YANG Feng（1978-），male，lecturer.