高应变试桩桩顶测力法的数值模拟

林渝风 林海铭

（广东省建设工程质量安全检测总站有限公司）

0 前言

桩基质量检测包括两个方面：基桩承载力检测和基桩桩身完整性检测。高应变试桩是基桩动测技术中唯一一种可以对桩身承载力与桩身结构完整性同时进行检测的试验方法。近年来随着高层、超高层建筑及高铁、地铁、城际轻轨等大型项目的蓬勃发展，大直径灌注桩承载力高应变法检测越来越受到重视。常规桩身测力法对传感器安装位置、桩帽制作、场地开挖的要求高，规范规定传感器安装距桩顶的距离不得小于1 倍桩径，现场有开挖至1D 以下深度的困难、地下水的影响等，试验过程容易出现桩头开裂或爆裂，导致力信号失效，同时安装位置的实际弹性模量、截面积等参数设置不准确也影响实测力值，该方法的局限性日益显著。同时，高应变试桩过程中需逐渐调整、多次测量，锤击次数越多，开挖后的地基土越容易破坏，埋下了吊车、设备倾覆的安全隐患，这也是高应变试桩最大的危险源。

为解决高应变传统试桩过程存在的诸多难题，国内许多专家、学者从新技术、新设备方面做了很多探索。陈久照等[1]以刚体和弹性杆的撞击作为基本模型，通过数值计算验证锤上测力新方法的可行性和优越性。郭宝园[2]介绍高应变锤上测力方法的基本原理，从理论和实践分析该方法具有的独特优势，并结合工程实际验证锤上测力法在大直径灌注桩高应变试桩中的准确性和适用性，为解决大直径灌注桩高应变试桩的局限性提供了新思路。李廷等[3]提出组合锤的概念，建立锤体受力模型及重锤-桩-土冲击响应过程的正演分析模型与算法，分析组合锤的适用性和安全性，以及高应变试桩中桩土参数对试验结果的影响。

本研究尝试引入桩顶测力新技术，该技术不采用直接在桩身上测试桩身应变计算桩身受力，而是研制特制装置安装在桩顶上，应变传感器安装在装置上，加速度传感器安装在桩头上，测试重锤冲击过程中装置的应变和桩头加速度，再转换为桩身的力和速度，这种技术测得的信号受桩帽爆裂、桩头混凝土松散或发生塑性变形和桩顶浅部有明显扩径等情况的影响小，测试效果好于常规桩身测力法。

本研究建立高应变试桩桩顶测力模型，分析动力试桩过程中桩土作用的特点，选择合适的桩土参数，数值模拟落锤过程中重锤-装置-桩-土的相互作用，比对桩顶测力与常规桩身测力的测试效果，验证桩顶测力技术在高应变试桩中应用的可行性。

1 高应变法桩顶测力模型

如图1 所示，1 为重锤，材料为高强钢，用边长为1m的方体简化，通过密度控制锤的质量为20t；2 为桩顶测力装置，材料为高强钢，圆柱体，直径0.8m，高0.8m；3为桩，桩径1m，桩长20m；4 为粉质黏土（或黏土），土层厚15m；5 为强风化泥岩，岩层厚度4m；6 为中风化泥岩，岩层厚度21m；4、5、6 统称为桩周土，模型宽度为20m，即20 倍桩径范围；A 点为桩顶测力装置1/2 处节点，观测桩顶测力法；B 点为桩距离桩顶1m 处节点，观测常规桩身测力法。

图1 高应变法桩顶测力模型示意图

2 模型建立及参数选择

根据模型对称性，网格模型为1/4 模型，计算时采用对称边界，整体网格模型如图2，局部网格如图3。高强钢的弹性模量210GPa，泊松比取0.3，密度7800kg/m3。混凝土的弹性模量取31.5GPa，泊松比取0.2，密度2400kg/m3。桩周土的材料参数如表1。

表1 桩周土材料参数

图2 三维实体模型

图3 局部网格

3 自重平衡

模型底部固支，上边界自由，侧面设置无限元边界，模拟无限远场土，无限逼近实际边界条件，避免边界反射波的影响。添加自重荷载，计算至自平衡状态，结果如图4～图5。

图4 整体Mises 应力云图

图5 整体Z 方向应力云图

4 落锤工况

根据自重平衡计算结果，添加地应力场，边界设置同自重平衡工况，设置重锤初始速度v=5.4m/s，相当锤从1.5m 处自由下落，计算结果如图6～图17，图6～图9 为不同时刻整体Mises 应力云图，图10～图13 为不同时刻装置Mises 应力云图，图14～图17 为桩不同时刻Mises 应力云图。应力波从A 点传到B 点有时间差，通过计算时间差对B 点速度曲线进行平移，如图18。可以看出A、B 速度的一致性好，首峰一致。A 曲线首峰后逐步减小，最终趋于零，表明测力装置在重锤完全作用后，在重锤和桩的约束下逐步静止；B 曲线首峰后有多次反射，峰值逐步减小，表明应力波在桩身多次反射，在桩土作用下能量逐步减小。A、B 点的应力时程曲线图如图19 所示，可以得到A、B 处应力的一致性较好，但峰值有差距。A 曲线首峰后逐步减小，最终趋于零，表明测力装置在重锤完全作用后，在重锤和桩的约束下逐步静止；B 曲线首峰后有多次反射，峰值逐步减小，表明应力波在桩身多次反射，在桩土作用下能量逐步减小。A 点F-ZV 时程曲线图如图20 所示，B 点F-ZV 时程曲线图如图21 所示，通过比对可以得到A 点F 和ZV 曲线首峰一致性比B 点好，表明测力装置的试验效果好，这是因为测力装置工作在弹性范围内（由图19 得到最大应力为46.8MPa，远小于高强钢屈服强度460.0MPa）。

图6 8ms 时刻整体Mises 应力云图

图7 14ms 时刻整体Mises 应力云图

图8 28ms 时刻整体Mises 应力云图

图9 36ms 时刻整体Mises 应力云图

图10 8ms 时刻装置Mises 应力云图

图11 14ms 时刻装置Mises 应力云图

图12 28ms 时刻装置Mises 应力云图

图13 36ms 时刻装置Mises 应力云图

图14 8ms 时刻桩Mises 应力云图

图15 14ms 时刻桩Mises 应力云图

图16 28ms 时刻桩Mises 应力云图

图17 36ms 时刻桩Mises 应力云图

图19 A、B 点应力时程曲线

图20 A 点F-ZV 时程曲线

图21 B 点F-ZV 时程曲线

5 结语

本研究引入桩顶测力新技术，建立高应变试桩桩顶测力模型，分析动力试桩过程中桩土作用的特点，选择合适的桩土参数，数值模拟落锤过程中重锤-装置-桩-土的相互作用，得到装置和桩身的F-ZV 时程曲线，从数值计算角度比对桩顶测力与常规桩身测力的测试效果，得到桩顶测力F-ZV 曲线的一致性更好，也验证了桩顶测力技术适用于高应变试桩，为解决大直径灌注桩高应变试桩常规桩身测力法存在的精度、效率和安全问题提供可行性方案，也为后续装置设计、现场比对试验提供理论指导。