桩侧软弱夹层对基桩低应变曲线影响分析

2021-09-01安徽省建筑工程质量第二监督检测站安徽合肥230001

安徽建筑 2021年8期

陶俊（安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽合肥 230001）

1 引言

近年来，桩基普遍应用于各种建筑结构中，在检测桩身完整性方面应用最多的方法是低应变反射波法，其理论基础为一维弹性杆纵波理论。随着高层建筑和大型桥梁等工程建设的需要，大直径超长桩的应用越来越广，此时桩径过大难以满足一维理论，由于桩侧土的复杂，应力波在桩中传播也更加复杂。因此，运用低应变反射波法检测桩身完整性存在一定的局限性和检测误区。Novak研究了桩在简谐荷载作用下的稳态振动问题，考虑均匀、各向同性桩周土对作简谐振动的无限长刚性圆杆的作用，得到了桩周土对桩振动影响的表达式。刘东甲将有限差分方法应用于桩基低应变检测的理论研究中，计算得到了完整桩在瞬态纵向激振力作用下的动力响应，同时考虑了桩土参数对桩纵向振动的影响。陈义全在刘东甲的基础上，对非完整桩的瞬态纵向激振力作用下的动力响应问题进行了数值计算。段军根据桩土系统动力学模型，提出了一维不均匀土中非完整桩在瞬态纵向激振力作用下振动的数值计算模型，并用交叉网格有限差分法计算了桩的纵向振动。本文应用三维波动理论，分析应力波在桩土系统中的传播规律，探讨软弱夹层对桩顶振动速度曲线的影响。

2 低应变动测的三维波动理论

将桩与桩侧土、桩底土当作各向同性线弹性体，桩土不分离，不考虑体力，运用直角坐标系下的弹性波动方程求解基桩的动力响应，基本方程如下：

其中，ρ为弹性体的密度，λ、μ为弹性体的拉梅系数；ν、ν、ν为质点在各方向上的速度分量；σ、σ、σ、τ、τ、τ为应力分量。

对于材料参数不连续的界面，通过调整网格使速度和剪应力的采样点在界面上，计算点上与速度和剪应力对应的材料参数值可以用如下等效值来表示：

其中，ρ、ρ分别为计算点邻近 2个采样点的质量密度；μ、μ、μ、分别为计算点邻近4个采样点的剪切模量。

根据上述波动方程，考虑边界条件，利用交错网格有限差分法编制相应程序进行数值计算，探讨软弱夹层对桩顶振动速度曲线的影响。

3 桩侧成层土的影响分析

当桩侧土层分层时，不是单一均质土，考虑软弱夹层，分析如下。

均为完整桩，桩径900mm，桩长为8.0m，桩身混凝土设计强度等级为C25，桩底为中硬土，桩侧土层分布情况如a、b所示：

a桩顶以下：1m～8m，中硬土。

b桩顶以下：1m～8m，中硬土；4m～5m，软弱夹层；5m～8m，中硬土。

对其拟合时设置的主要参数：

①桩密度ρ=2450kg/m，桩长L=8.0m，泊松比μ=0.28，弹性模量

E=3.5×10N/m；

②中硬土密度ρ=1800kg/m，中硬土剪切波速v=260m/s，泊松比μ=0.36；

③软弱夹层密度ρ=1200 kg/m，软弱夹层剪切波速v=100m/s，泊松比μ=0.48；

④激振力冲量I=1N·s，激振力作用时间t=1m/s，激振力作用半径x=0.02m。

得到桩顶时域竖向振动速度曲线对比如图1所示。

图1 软弱夹层和桩侧均匀土的速度曲线对比

从图1可以看出，两种情况的入射波幅值一致，对比完整桩的桩顶振动速度时域曲线，软弱夹层的速度曲线上，在2L/c时刻前出现了与入射波同相位的反射信号，根据中华人民共和国行业标准《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）表8.4.3桩身完整性的判定，该桩应判为Ⅱ类桩，与我们假定的桩身完整矛盾。因此，当桩侧土有软弱夹层时，在桩顶时域振动速度曲线上会出现类缩径反射信号。在实际桩基检测过程中，低应变反射波法测得的曲线上出现“缺陷反射信号”也可能是由桩侧软弱夹层引起的。由于桩侧软弱夹层的影响，桩底反射信号的幅值变大。

图2给出了软弱夹层和桩侧均匀土的速度振幅谱对比，从图2可以看出，软弱夹层和桩侧均匀土的速度振幅谱曲线上，桩底谐振峰排列基本等间距，其相邻频差△f≈c/2L，根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）表 8.4.3 桩身完整性的判定，二者均为完整桩。因此，从速度振幅谱曲线上来看，软弱夹层不影响对桩身完整性的判定，软弱夹层只改变了桩土系统中某些共振峰和共振谷的幅值，不影响共振频率。

图2 软弱夹层和桩侧均匀土的速度振幅谱对比

为了分析桩侧土软弱夹层对桩顶振动速度曲线影响大小，图3给出了完整桩、桩身4m处到桩底缩径0.05m和桩侧4m～5m软弱夹层的桩顶振动速度曲线对比图。可以看出，在桩侧有软弱夹层和缩径桩的桩顶振动速度曲线上，入射波后均出现与入射波同相的反射信号，两种情况下的反射信号幅度基本一样，软弱夹层的桩底反射幅度比缩颈桩的桩底反射幅度大。可以看出，桩侧软弱夹层对桩顶振动速度曲线的影响相当于桩身直径从9m缩径至8.9m，缩径幅度为1.1%。