水利工程樁基低應(yīng)變檢測數(shù)值分析

秦兆明

（費(fèi)縣應(yīng)急保障服務(wù)中心，山東 臨沂 273400）

0 概述

樁基礎(chǔ)是水利工程建設(shè)中最常見的地基加固方式[1]，常見的樁基礎(chǔ)類型包括鉆孔灌注樁[2]、CFG樁[3]以及格形鋼板樁[4]等。然而部分樁基礎(chǔ)受材料、施工工藝和周圍荷載的影響，會(huì)產(chǎn)生不同程度的損傷，導(dǎo)致其承載力差，使得地基產(chǎn)生過大或不均勻沉降，嚴(yán)重威脅水利工程的安全運(yùn)行。目前常見的樁基質(zhì)量問題包括蜂窩、疏松、夾泥、縮徑、裂紋、彎曲等，因此如何正確的識(shí)別這些缺陷是當(dāng)前樁基檢測的問題之一。

低應(yīng)變反射波法是最常用的樁完整性測試方法之一，基本原理將激勵(lì)信號施加到樁的頂部以產(chǎn)生應(yīng)力波，當(dāng)應(yīng)力波沿樁身傳播時(shí)，遇到變化的界面（如頸縮，蜂窩，泥土，裂縫，孔洞等）和樁底，將產(chǎn)生正或負(fù)方向上的反射波，檢測和分析反射波的波形特性、傳播時(shí)間和波幅以確定樁的完整性，該方法簡單易行，精確度較為準(zhǔn)確，在國內(nèi)外大中小型工程都有著廣泛的使用。邱欣晨[5]等提出了一種新型無偏心豎向激勵(lì)方式以及一種樁身軸向多點(diǎn)速度響應(yīng)行波分解法，并通過二維及三維有限元模型驗(yàn)證了該方法在識(shí)別帶高承臺(tái)的樁基完整性及樁長信息等方面的可行性；徐教宇[6]等采用三維有限元研究了上部結(jié)構(gòu)對基樁中扭轉(zhuǎn)波和縱波的反射規(guī)律，提出采用一種去除上部結(jié)構(gòu)影響的方法,從而能夠消除上部結(jié)構(gòu)的影響,提高了既有基樁檢測的準(zhǔn)確性；趙爽[7]等通過模型試驗(yàn)探究高承臺(tái)樁埋藏段存在不同尺寸缺陷時(shí)的樁身質(zhì)點(diǎn)水平速度響應(yīng),結(jié)合有限元(FEA)分析試驗(yàn)結(jié)果；盧志堂[8]等文章采用EFIT對含裂縫管樁的低應(yīng)變完整性檢測進(jìn)行三維數(shù)值分析, 并建立了柱坐標(biāo)系下的管樁數(shù)值模型,根據(jù)初始和邊界條件, 得出含裂縫管樁的樁頂軸向速度響應(yīng)。

本文以某水利工程混凝土樁基為例，建立ABAQUS三維混凝土樁模型，采用隱式動(dòng)力分析步，以一維桿波動(dòng)理論為基礎(chǔ)，分析了樁頂?shù)姆瓷洳ǖ乃俣葧r(shí)域曲線，得到混凝土樁三維波動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。研究結(jié)果可為相關(guān)工程分析提供參考。

1 一維桿波動(dòng)理論

本次低應(yīng)變反射波的基本原理是首先簡化樁并將其假設(shè)為一維彈性構(gòu)件模型，并通過定義波阻抗的概念來反映樁截面的變化。然后根據(jù)彈性波的傳播理論，樁頂施加的應(yīng)力使應(yīng)力波通過樁體傳播。通過安裝在樁頂部的加速度或速度傳感器接收來自每個(gè)部分c的反射波，并產(chǎn)生從樁頂?shù)綐扼w彈性波傳播的幅值時(shí)間曲線。判斷樁身的缺陷程度、確定缺陷的位置。

根據(jù)波動(dòng)方程理論，從桿件中取一長為Δx的微元，兩端截面坐標(biāo)分別為x與x+Δx，設(shè)A和ρ分別為桿件的橫截面積和密度，此時(shí)另u為單元位移，根據(jù)牛頓第二定律：

取極限后可得：

此時(shí)根據(jù)彈性力學(xué)理論考慮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和胡，其中c為縱波速度，則式3又可克定律，令變?yōu)椋?/p>

根據(jù)行波理論，其波動(dòng)解可分為兩個(gè)反向行波的疊加，其通解形式為：

式中f和g分別代表了沿著x軸正向傳播的下行波和沿著x軸負(fù)向傳播的上行波，其波速均為C， 低應(yīng)變反射波法即為對上式進(jìn)行波動(dòng)解。圖1為應(yīng)力波在樁基礎(chǔ)中的傳播示意圖[9]。

圖1 應(yīng)力波在樁基礎(chǔ)中的傳播

2 模型建立與計(jì)算參數(shù)

本次建立的3D混凝土樁長18 m，強(qiáng)度C40，樁徑為1 m，為驗(yàn)證一維波動(dòng)理論不設(shè)置缺陷。彈性模量29.6 GPa，泊松比0.23，密度2 400 kg/m3，為清晰得到反射波波形，則不考慮土體的存在，且樁體無約束。此外由于錘擊荷載引起的應(yīng)變很低，混凝土材料可模擬為均質(zhì)線彈性材料，忽略阻尼比作用，縱波波速取4 100 m/s。此次低應(yīng)變檢測中，手錘半徑取2.5 mm，沖擊荷載模擬為正弦壓力波，持續(xù)時(shí)間取1×10-3，沖擊荷載峰值取3 750 kN/m2，同時(shí)在樁頂與激振點(diǎn)中心連線成0°、45°、90°分別布置3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

3 速度時(shí)域曲線分析

圖3、圖4、圖5分別給出了樁頂與激振點(diǎn)中心連線成0°，45°，90°的速度時(shí)域曲線。值得一提的是，圖中結(jié)果都是已經(jīng)過FFT變換得出，原始速度時(shí)域曲線由于網(wǎng)格劃分的原因，在速度波形中出現(xiàn)較多的高頻波動(dòng)分量，從而導(dǎo)致樁端反射波到達(dá)樁頂監(jiān)測點(diǎn)的時(shí)間難以確定，因此也無法對樁長做出正確分析。由圖可知，錘擊荷載施加之后，先產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波在樁身傳遞，當(dāng)?shù)竭_(dá)自由端時(shí)，阻抗發(fā)生改變，在自由端反射出同等大小的拉伸波反向傳遞，當(dāng)傳播到樁頂時(shí)，再一次反射為向下傳遞的壓力波。根據(jù)一維應(yīng)力波理論，樁頂與樁端的入射與反射波到達(dá)時(shí)間差可由t=2L/Vc計(jì)算出，式中L為樁長，Vc為縱波在樁身中的傳播速度，。根據(jù)3幅圖的波峰出現(xiàn)的時(shí)間上可以判斷出，理論上的一維模型時(shí)間差與數(shù)值模型中的時(shí)間差十分吻合。

然而由圖3可得出，激振點(diǎn)附近的監(jiān)測點(diǎn)速度波形在初始時(shí)刻賦值較大，且波寬十分狹窄和反向。一般而言，出現(xiàn)反向波峰，說明淺部樁出現(xiàn)擴(kuò)頸等現(xiàn)象，然而此例模型中并無擴(kuò)頸，且圖4與圖5中并未出現(xiàn)類似波峰。說明在現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置十分重要，不同的監(jiān)測位置可能會(huì)產(chǎn)生不一樣的波信號，造成對樁質(zhì)的誤判。此例中，相對圓心角大于等于45°時(shí)，速度波形較為理想。此外，3幅圖的速度時(shí)域曲線都出現(xiàn)了不同程度的小型波峰與波谷，這一現(xiàn)象的產(chǎn)生可能與樁體表面的微小彎曲有關(guān)。

圖3 0°夾角速度時(shí)域曲線

圖4 45°夾角速度時(shí)域曲線

圖5 90°夾角速度時(shí)域曲線

4 含缺陷樁時(shí)程曲線分析

根據(jù)實(shí)際工程中樁基所發(fā)生的破壞，本文在數(shù)值模型中設(shè)置了多種缺陷類型來分析波動(dòng)時(shí)程曲線，為節(jié)約篇幅，只對部分缺陷樁的時(shí)程曲線進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

（1）樁頭缺陷樁

樁頭浮漿或強(qiáng)度偏低的樁，數(shù)值結(jié)果無法反映樁的完整性，曲線反映為入射波峰較低而且脈沖較緩，而且后續(xù)波形呈低頻，此類現(xiàn)象均屬樁頭強(qiáng)度偏低。

（2）縮徑樁

縮徑樁在時(shí)程曲線上的反映比較規(guī)則，縮徑部位的缺陷呈先同相后反相，或僅見到同相反射的信號，視嚴(yán)重程度，可能有多次反射，此類缺陷樁一般可見樁底信號。

（3）擴(kuò)徑樁擴(kuò)徑

樁在曲線上反射波形較為規(guī)則，擴(kuò)徑處的反射子波呈反相，或先反相后續(xù)同相，也可能有多次反射，一般情況看到樁底反射。

（4）離析樁

由于離析部位的混凝土松散，對應(yīng)力波能呈吸收較大，形成的缺陷子波不規(guī)則后續(xù)信號雜亂，而且頻率較低，波速偏小，一般不易見到樁底反射。

（5）斷裂樁

由于在斷裂處波阻抗的突變，故形成以下三種情況：上部斷裂往往呈高頻多次同相反射、反射波頻率值較高，衰減較慢；中部斷裂反映為多次同相反射，缺陷的反射波幅值較低；而深部斷裂波形，類似摩擦樁樁底反射，但算得的波速明顯高于正常樁的波速。

5 結(jié)論

本文以某水利工程混凝土樁基為例，建立ABAQUS三維混凝土樁模型，采用隱式動(dòng)力分析步，以一維桿波動(dòng)理論為基礎(chǔ)，分析了樁頂?shù)姆瓷洳ǖ乃俣葧r(shí)域曲線，得到混凝土樁三維波動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。

從數(shù)值結(jié)果可以得出，三維混凝土樁模型的入射與反射波到達(dá)時(shí)間差與理論計(jì)算中的結(jié)果幾乎一致，然而激振點(diǎn)附近的監(jiān)測點(diǎn)速度波形在初始時(shí)刻賦值較大，且波寬十分狹窄和反向，說明在現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置十分重要，根據(jù)本文結(jié)果，建議監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在樁頂與激振點(diǎn)中心連線圓心角大于45°。