浅析ANSYS/LS-DYNAD在桩基缺陷检测中的应用

2014-09-27魏明强

城市道桥与防洪 2014年7期

魏明强

（西北民族大学土木工程学院，甘肃兰州 730124）

0 引言

在众多的基础形式中，桩基础以承载力较大、沉降量较小的特点尤为突出。由于桩基础能够把荷载从覆盖层传递至稳定层，从而达到安全可靠的要求，所以随着社会经济的高速发展，桩基础己被广泛运用于交通、民用和工业建筑、港口、桥梁等众多工程领域。但由于桩基础的施工是一个隐蔽性很高的过程，难免在施工阶段甚至于使用当中出现各种问题而难以及时发现。因此，为了保证工程的施工质量，必须对桩基础进行严格检验，以便准确判断出桩基础是否存在缺陷，检测出缺陷的程度和具体位置，并采取经济合理、有效且容易操作的补救方法，防止事故的进一步发生。由此可见，只有提高了桩基础检测的可靠性，才能保证整个桩基础工程的施工质量与安全。所以，随着人类科学技术的不断进步，桩基础检测的理论方法和工程应用成为众多学者研究的领域。长期以来国内外学者已经总结出一些比较有效的研究方法，如回传射线矩阵法[1-3]、以波动理论为基础的动力检测技术等。

本文利用ANSYS/LS-DYNA的非线性显示求解分析程序对桩基础的应力波进行了初步数值模拟，建立了一定参数的离析桩模型，并通过Lsprepostd后处理程序绘制了离析桩的波形曲线图，使之与回传射线矩阵法[1-3]得到的理论曲线进行对比，说明ANSYS/LS-DYNA能够检测桩基是否存在缺陷，以及能够判断缺陷的类型，并进一步研究了应力波在桩身中的传播特点。

1 ANSYS简介

ANSYS有限元分析软件是一个具有多种用途的计算机设计程序，它能够将各种结构、流体、热、声学、电磁学及碰撞运动等问题融于一体，近年来也被广泛运用于各工程领域。其有限元法（也称有限单元法）是一种数值计算方法，在目前工程分析中的应用最为广泛。它在工程技术界能够受到高度重视，是因为具有较高的通用性和有效性等特点。伴随着计算机技术和科学的飞速发展，ANSYS有限元分析软件如今已经成为计算机辅助设计和辅助制造不可或缺的部分。本文所提到的ANSYS/LS-DYNA中，ANSYS仅仅为LS-DYNA提供必要的前处理和后处理，而具体的求解过程则是由LS-DYNA版求解器来完成的。

LS-DYNA是通用性很高的显示动力分析程序包，功能非常齐全，可以模拟现实情况中的各种复杂问题，尤其适合于求解各种二维、三维几何非线性、材料非线性、接触非线性、爆炸等问题。LS-DYNA以显示算法求解为主，特别适合分析各种非线性结构冲击动力学问题[4]。

2 缺陷原因分析

离析桩的表面是完整的，造成桩身内部离析的原因有很多，比如做桩的材料不符合要求，混合料配合比选择不当，打桩的过程中搅拌不够均匀或者振捣没有达到规定的密实度，或者施工过程中某些地区的石、砂含量过多等等，从而导致混合料之间的黏聚力太小，粗集料出现下沉现象，混合料之间相互分离，造成桩身内部的组成和结构不均匀，比如常见的蜂窝现象，因此桩身内局部呈松散状态。也就是说，在桩身离析的部分弹性模量变小，波速也随之变小，桩身截面面积不变。

桩基础的离析会造成其强度下降，并且很大程度上影响了桩基的承载能力，整个结构的抗渗性、抗冻性等等耐久性能与安全性能也遭到破坏，严重离析会导致基础返工，造成很大的经济损失。

3 单桩计算模型

3.1 计算模型

桩-土关系为桩周围有土桩底架空，桩长为8 m，桩身截面边长为0.5 m，桩周围土体截面边长为0.6 m，土体深度为9 m，桩顶部距离离析部分起始点的距离为4 m，离析部分长度为1 m，桩顶用1表示，桩底用2表示，离析部分起始点和终止点分别用3、4表示。按照上述参数利用ANSYS/LS-DYNA建立完整桩有限元模型，如图1所示。选取桩顶部49号节点作为研究对象，记录ID工具条上所显示的坐标值，分别为x=-0.083 333 335 82，y=-0.083 333 335 82，z=0。波形曲线如图2所示。