低应变法检测端承桩完整性的有限元计算分析

2015-12-25丛慧敏王智慧陈大刚陈恒大

建筑设计管理 2015年3期

关键词：频宽波形图基桩

丛慧敏，王智慧，陈大刚，陈恒大

（1.重庆市万州区建设工程质量监督站，重庆 404199；2.内蒙古赤峰农牧学校建筑工程系，内蒙古赤峰 024000；3.长安大学公路学院，西安 710064）

低应变法检测端承桩完整性的有限元计算分析

丛慧敏1，王智慧2，陈大刚1，陈恒大3

（1.重庆市万州区建设工程质量监督站，重庆 404199；2.内蒙古赤峰农牧学校建筑工程系，内蒙古赤峰 024000；3.长安大学公路学院，西安 710064）

通过有限元软件模拟计算无桩周土影响的基桩，得出在不同的材质激振下正常基桩及扩径基桩同一检测点的波形曲线，通过计算说明不同材质激振力源对基桩检测的影响。

ansys/ls-dyna；低应变法；长细比；基桩完整性

0 引言

近年来我国土木工程建设势头发展迅猛，桩基础以其优越性在实际中被广泛应用，但桩基础工程隐蔽，施工工艺复杂，容易出现质量问题，因此必须对基桩的完整性进行检测。基桩完整性检测有低应变法、声波透射法、高应变法等众多方法。在实际应用中，低应变法以其成本低、检测过程快捷、仪器便携、理论成熟等诸多优势被广泛应用。

1 原理

低应变法检测基桩完整性的基本原理为振动理论和波动理论。对于长细比≥5的基桩，可视为一维弹性体。当在桩顶施加瞬时作用力后，弹性波会沿着桩身传播，其传播规律服从波动方程，且满足其基本假定。根据牛顿第二定律和胡克定律，可得出一维弹性体的波动方程[1]：

根据应力波在杆件中的传播原理，桩身情况发生变化时，阻抗也随之变化。当应力波由大阻抗传入小阻抗时，反射波与入射波同向；当应力波由小阻抗传入大阻抗时，反射波与入射波反向。对于端承桩通常桩底阻抗大于桩身阻抗，所得反射波与入射波反向。而当桩身出现有利或不利的缺陷时，阻抗也会发生变化，利用波阻抗变化差异，可判断桩身的缺陷位置。

而根据有限元理论，将桩划分成N个单元，每个单元的截面积、弹性模量和波速均可不等，便可以模拟桩身阻抗不规则的情况。通过有限元软件的计算，可以模拟分析满足或者不满足一维弹性理论假设的基桩。本文采用ansys/ls-dyna程序来模拟计算。只计算模拟无桩周土影响的端承桩应力反射波，以其对实际检测结果给予提示。

2 有限元模型计算分析

计算模型采用ansys/ls-dyna软件模拟端承桩，仅以扩径代表缺陷，桩体用solid164单元，以ls-dyna进行显示计算，桩体各项基本参数见表1。

表1 基桩参数表

3 激振频宽对检测数据的影响

在低应变法检测基桩时，需要一个激振力在基桩中产生应力波，而用不同的材料做激振力源，会产生不同的效果。激振锤参数见表2。

根据表2频宽、力值做激振力源，计算其对检测结果的影响。对于无缺陷完整基桩，根据一维弹性理论计算，纵波波速c=3 464 m/s，由入射到反射的完整时间t=9.2 ms，下列各图的横轴单位为s，纵轴单位为（mm/s）。

表2 激振锤效果一览表

通过图1～3，在同一检测点，小钢管、橡胶锤和RS手锤作为激振源所得有限元计算结果与理论计算结果较为接近，但小钢管激振频宽过窄，产生的波形也并不理想；橡胶锤和RS手锤作为激振源能得到较为理想的波形，但RS手锤所得实际桩长比小钢管、橡胶锤长。

图1 小钢管激振波形图

图2 橡胶锤激振波形图

图3 RS手锤激振波形图

在桩顶下2倍桩径（800 mm）处设置直径为1 000 mm的扩径，长200 mm。在上述激振条件下，其波形见图4～6。

由图4～6，在同一检测点，橡胶锤和RS手锤作为激振源所得有限元计算结果与低应变法经典波形较为接近[1]，但橡胶锤所得扩径位置比RS手锤要浅一些；而小钢管作为激振源敲击桩顶中心，所得波形虽然能清晰的见到扩径及桩底反射，但由于频宽过窄，波长过短，在扩径处纵波多次反射，虽然归一性较好，但确定扩径的大致位置时，要进行二次分析，才能确定是否是多次反射。