不同激振力下缺陷桩变截面对低应变反射波曲线的影响研究★

刘 军 原 方 张 健 徐志军

(河南工业大学土木建筑学院，河南 郑州 450001)

桩基础是建筑工程、桥梁工程、港口工程和海洋工程中的主要基础形式之一，在我国有着广泛的应用[1]。桩基础工程的质量直接关系到整个建筑物的安危，而基桩又是桩基础的主要组成部分。因此，为保证基桩的质量，对基桩完整性检测至关重要。

低应变反射波法基桩完整性检测是目前基桩完整性检测应用最为广泛且经济的检测方法。郭庆清等[2]对人工挖孔桩低应变反射波法完整性检测的局限性进行了研究；丁宣明等[3]研究了低应变反射波在管桩完整性检测中的应用；吴兴邦[4]采用低应变反射波法对桥梁基桩检测进行了数值仿真分析研究。目前对缺陷桩的研究重点主要集中在如何判断缺陷的位置。事实上，不同激振力作用下桩身不同深度处不同缺陷长度对低应变反射波曲线都存在一定的影响。因此，考虑不同激振力下缺陷桩不同缺陷长度对低应变反射波曲线的影响必不可少。

本文以20 m混凝土桩为研究对象，在三种不同激振力作用下考虑桩身不同位置处较长和较短缺陷的影响，运用ABAQUS软件对其进行数值模拟研究。监测桩顶位置处所得速度时程曲线受不同缺陷组合的影响，研究结果为低应变反射波基桩完整性检测应用的精确性提供一定的理论参考。

1 计算模型

1.1 计算方法

桩基低应变反射波检测问题其本质是一个动力问题，本文中所有计算均采用ABAQUS直接积分法中的ABAQUS/Explicit中的Explicit(显式)方法[4],显式方法适合求解高速动力荷载作用问题。

1.2 计算模型及假定

建模过程考虑模型的对称性，为便于计算，桩身模型取其桩身一半进行仿真计算。计算单元采用C3D8R(八结点线性六面体单元,减缩积分,沙漏控制)以保证计算结果收敛[5]。忽略桩身阻尼，桩身为线弹性，小变形，近似为弹性杆件；桩身缺陷径向对称；荷载均布于桩顶面。

1.3 参数选取

桩身模型各参数见图1，参考JGJ 94—2008建筑桩基技术规范[6]相关要求取值，其中桩径r=0.3 m，桩长L=20 m，缺陷尺寸底部距桩顶距离H依次取为6 m，10 m和16 m并分别定义为浅部缺陷，中部缺陷和深部缺陷。取具有代表性的两种不同缺陷长度Ld为1 m和0.05 m，缺陷径向半径rd取为0.18 m。用冲击荷载P(t)近似模拟为正弦压力波，见式(1)。

(1)

其中，P(t)为锤击荷载；P0为锤击峰值压力，分别取为1 000 Pa，3 000 Pa和5 000 Pa；Td为锤击时间，取为0.001 s。取桩身密度为2 500 kg/m3、弹性模量3.25 GPa、泊松比0.3，为线弹性桩身。

2 计算结果分析

桩身长度L=20 m，桩身缺陷处缺陷半径rd=0.18 m，将不同缺陷长度的缺陷分别布置为浅部、中部和深部缺陷，在三种锤击峰值下进行模拟仿真计算，计算结果见图2～图7。

从图2和图3可看出，对于桩身浅部缺陷，随锤击峰值的增大缺陷位置处反射信号愈加明显。相对于浅部较短缺陷，较长缺陷在不同锤击峰值下缺陷处反射信号在峰值逐渐加大时幅值增大程度更加明显。两种缺陷在锤击峰值为1 000 Pa时均不易观测到缺陷位置，且桩底反射信号较弱。

从图4和图5可看出，两种曲线表现出与图2和图3相似的趋势。相对于浅部缺陷，中部缺陷在锤击峰值为1 000 Pa时仍可清晰辨别缺陷处位置及桩底位置。

从图6和图7可看出，对于桩身深部缺陷其整体变化趋势仍和浅部缺陷随锤击峰值变化的趋势形似。相对于浅部较长缺陷，在锤击峰值较小时缺陷处和桩底处反射信号仍可清晰辨别；相对中部较短缺陷，在锤击峰值较小时缺陷处则很难辨别。

3 结论

根据对不同激振力下缺陷桩不同位置处不同长度缺陷的数值模拟计算分析，得到如下结论：

1)三种位置处的两种长度缺陷的缺陷处和桩底反射信号均随锤击峰值的增大而愈加明显，检测中应尽量选择较大的锤击峰值进行检测。

2)相对于浅部和深部缺陷，浅部缺陷更容易检测。

3)桩身不同深度处的较短缺陷对锤击峰值大小敏感度较低，检测中对疑似的较短缺陷应加大锤击峰值进行测试。