基于ABAQUS的旁孔透射法数值分析

郑文贞

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司广州510500）

0 引言

在地震、台风等自然灾害下，以及长时间的交通行进循环荷载的作用下，对已建成的建筑结构容易造成损伤破坏，特别是年代较早的桩基础和桥梁基础，由于建筑资料的遗失，一旦受到损伤，无法确定桩基基础的材料类型和长度信息，为此我们需要对上述建筑物基础的质量状况作出评估［1，2］。通常在用可视化的方法检测不可见结构如地基的损伤时，需要开挖周围的地基。对于大多数既有桩基基础和桥梁基础来说，这种挖掘是不现实的。

当对既有建筑地基采用超声波检测和X 射线等主动无损检测方法（nondestructive inspection，NDI）时，输入的功率应足够大，以克服由于大体积混凝土和地基周围土壤的高阻尼效应而产生的衰减，在现实生活中，这种高强输入波的产生比较困难，而且有害的辐射可能会威胁到工人及工程师的安全，另外对环境也会造成破坏，因此，这种主动的NDI 方法实用性有限。当对既有建筑桩基进行检测的时候，由于地基与上部结构已浇筑成一体，反射波法无法正常使用，为此旁孔透射法随之诞生。

1 旁孔透射法原理

旁孔透射法是一种在桩附近钻孔埋管进行检测的方法，可用于检测桩头隐蔽、桩体无法开挖、桩周附近可钻孔的基桩桩长，也可以检测桩身的严重缺陷。该方法较早大规模的使用是在日本阪神地震（Kobe Earthquake）震后的灾害调查之中［3］。

旁孔透射法的仪器设备组成包括：激振源、拾振器和信号采集分析仪，如图1 所示。其中激振器与基桩反射波法比较相似［4］，由激振锤敲击桩顶面或者桩顶面的承台产生压缩波（或者剪切波），压缩波（或者剪切波）沿着桩身进行传播，这一点与低应变法比较类似，不同的是，沿着桩身传播的压缩波遇到四周的土层会发生透射，透射的信号通过埋设在桩侧埋管中的拾振器进行采集。通过上下提升拾振器的深度来采集基桩不同部位的压缩波信息，并将不同深度的测试信号绘制在一张时间-深度的表格中，通过拟合深度-时间直线，并识别拟合直线的拐点的方法来确定桩长，如图2所示。

图2 中，横坐标即为从开始锤击到压缩波被拾振器采集的时间历程，纵坐标表示传感器所在预埋管中的深度（从地表开始计算）。对于完整性较高的基桩，该图识别直线后一般呈两折线段，靠近地表直线段的斜率即为压缩波在基桩中的传播速度，远离基桩的直线段即为桩底土的压缩波波速。两段直线的交点对应的深度就是基桩的表观桩长。部分研究人员认为由于基桩与测孔之间一段水平距离的存在，应扣掉压缩波在该段水平距离中的传播时间（即所谓的持时矫正）。笔者认为由于激振能量较小，钻孔与被检测基桩之间的水平距离一般较小，《既有建筑地基基础检测技术标准：JGJ/T 422-2018》6.5.5条规定水平距离不应大于1.5 m，实际操作过程中，由于激振能量较小及环境噪声的存在，该距离一般在0.5～1.0 m 之间检测效果较好，若按照1.0 m 的间距计算，桩身波速取3 800 m/s，时间t为2.63×10-4s，相对于激振作用的时间而言，该段时间可以忽略不计，因而不需要做时程修正。

图1 旁孔透射法示意图Fig.1 Sketch Map of Parallel Seismic Tests

图2 时间-深度曲线Fig.2 Time-depth Curve

2 基于ABAQUS软件的旁孔透射法的三维仿真分析

2.1 计算参数选取

有限元数值计算中所取的参数为：桩取圆形截面桩，桩径D=0.5 m，桩长Lp=8 m，整个土层厚Ltotal=24 m，桩侧到土层边界的距离取10×D=5 m，桩和土的P波波速分别由式⑴和式⑵计算得到：

式中：E为弹性模量；μ为泊松比；ρ为质量密度；Vp为桩的P 波波速；Vs为土的P波波速。模型参数选取如表1所示。

表1 模型参数选取Tab.1 Parameter of Materials for Analysis

采用有限元软件ABAQUS 建立模型，地基土为各向同性的弹性体，采用三维 8 节点等参元［5，6］，模型建立及网格划分如图3所示。网格大小、模型尺寸、边界条件均为多次试算后确定，即计算模型中测孔处得到的动力时程曲线，不随边界条件的改变发生明显变化。考虑到压缩波在土中的传播速度较慢，而在混凝土桩中的传播速度较快，当桩底附近的压缩波到达测孔的时候（8/3 800=2.11×10-3s），桩顶面的压缩波经过土层还未到达边界处（5/1 400=3.57×10-3s），通过合理设置计算模型的尺寸及材料参数，巧妙地避免了边界产生的反射波对测试结果的影响［7，8］。基于此，文中将桩身区域的网格划分较密，地基土在由桩身延续到边界的网格划分得由密变疏，如图3所示。

图3 模型示意图Fig.3 Model Sketch Map

激振方式采用均布激振力，常用锤击产生均布瞬态激振，激振力脉冲为半正弦脉冲［9］，大小为：P=P0sinω t，0＜t＜tc，P0为激振力峰值，取10 N，t为激振力作用时间，取1×e-3s，脉冲力的形式为均布力，如图4 所示。竖向激振力作用点位于桩顶面中心位置，测孔布置在距离桩边缘0.5 m处。

图4 激振力时程曲线Fig.4 Time History Curve of Elastic Impact Force

桩土之间选择动态面面接触（STS），接触算法为对称罚函数法［5］，即为在每一个分析步，首先检查从节点是否有穿透主界面，没有的话进行正常计算（不作处理），如果存在穿透的话，则在主界面和节点之间施加数值较大的接触力（力的大小由主面的刚度和穿透深度决定），转换成物理关系，即在主从界面之间加入一个刚度较大的弹簧，来减轻从面节点为主面的穿透程度。

2.2 完整桩的三维有限元仿真

选取ABAQUS/Explicit 中的显示积分算法进行计算，并将计算结果的数据导出至Excel 文件，再将Excel文件导入到Matlab软件，通过在Matlab软件中编写M文件进行首波截取以及峰值点自动识别。

经过仿真分析计算，离桩周0.5 m 测孔内不同深度处的压缩波信号如图5a所示，初始首波波形清晰可见，随着深度的增加，在图5a上反映出两点：一为首波波峰到达的时间滞后，二为首波波峰幅值逐渐降低。图5b 由2 条直线组成，通过求解直线段斜率，上半段直线斜率为3 580，与表1中桩的P波波速3 800 m/s相差5.7%，下半段直线的斜率为1 477，与表1 中土的压缩波波速1 400 m/s 相差5.5%，分析误差原因，一方面是由于有限元计算过程中积分点的跳跃不连续性造成，另一方面由于模型中桩是圆柱形分布的，而计算中采用的是桩身一维压缩波速，因此计算波速大小与压缩波波速大小存在一定偏差。同时可见在桩底（约8 m）附近直线段发生弯折，此为桩的表观深度，即为压缩波在桩底处不同传播介质交界面处发生透射。整个旁孔不同深度处接受到的压缩波均是由桩身透射到土中，根据Snell 定律，透射的θ角度应满足sinθ=1/n，n=Vp/Vs，Vp、Vs分别为桩身的一维压缩波波速和地基土三维压缩波波速，考虑到土和桩中压缩波的传播速度变化范围较小，故本文不需要考虑n的变化。

图5 完整桩数值仿真结果Fig.5 Simulation Results of Intact Pile

2.3 缺陷桩的三维有限元仿真

在桩身4～5 m 设置1 m 的缺陷段［10］，密度泊松比、弹性模量、P波波速等如表1 所示，其余桩身部分和地基土部分的取值如文中前述。根据计算结果所绘制的图形如图6 所示，与图5 不同的是，在超过4 m 深度后，首波波幅发生了一定程度上的下降，且时间滞后现象更为明显，图7 即为在时间为4.9×e-3s 计算模型沿桩身方向的速度云图，图7a 为完整桩，图7b 为缺陷桩，可见在同一时刻缺陷桩中沿桩身段速度减小极为明显。这一深度与桩身缺陷段相对应，此后在5 m 深度后首波波形又恢复正常。反应在峰值点拟合直线图上即为在缺陷段直线发生弯折，随后直线段又恢复平行。考虑到能量在缺陷段传播后的耗散较快，在桩底以下波幅的急剧衰减变得极其微弱，因此本文在对缺陷段的图形绘制上仅仅取0～8 m的计算结果。

图6 缺陷桩桩数值仿真结果Fig.6 Simulation Results of Anomalous Pile

图7 4.9×e-3 s 计算模型沿桩身方向的速度云图Fig.7 4.9×e-3 s Velocity Nephogram along the Direction of Pile Body

3 结论

通过建立不同的桩-土模型并进行有限元数值仿真计算，对既有建筑物采用旁孔透射法检测桩长及桩身缺陷段进行了初步检验和探讨，得到如下结论：

⑴离桩身较近的旁孔中能够接受到由桩顶外力释放经桩身传播，再在一定深度处的桩-土界面发生透射后传播到旁孔的透射波信号。在整个过程中，可以将峰值点对应的时间-测点深度拟合成直线，桩的表观深度可以由两段直线的交点确定，桩身的局部缺陷在图形上可以明显看出。

⑵ 旁孔透射法对现场条件要求较低、操作方便，能够较好地满足对既有建筑桩基检测的要求，即能够克服上部结构对桩基检测的影响，方法可靠，值得推广。