混凝土樁缺陷影響域的仿真分析

摘 要 本論文基于聲波透射法檢測理論，采用ANSYS有限元軟件對混凝土缺陷樁進行仿真分析，通過聲學參數的變化來分析缺陷的影響域。

關鍵詞 聲波透射法 有限元 聲學參數 缺陷影響域

中圖分類號：TV331 文獻標識碼：A

0 引言

灌注樁是高層建筑、橋梁等工程結構常用的基樁形式，其質量直接影響上部結構安全，由于灌注樁的特定施工條件，在混凝土灌注過程中產生夾泥、縮頸、空洞、斷樁等缺陷，這些缺陷造成了樁身的不完整性。①采用基樁聲波透射法檢測技術，通過分析接受波的首波初至、幅值、頻率和波形特征，可以判斷缺陷范圍的大小和缺陷的性質。②實際工程檢測中，在缺陷以及缺陷附近處所測得的波速、波幅值變化異常，③說明缺陷對聲學參數的變化有一定的影響范圍。本論文采用ANSYS有限元軟件對混凝土缺陷樁進行仿真分析，通過缺陷各方向的移動來分析聲學參數的變化，從而確定缺陷的影響域。

1 模型驗證

1.1 模型材料計算參數

本論文在研究過程中采用了兩種材料模型：混凝土、泥團，其中混凝土和泥團采用線彈性材料。在有限元軟件中的線彈性材料指所有方向材料特性相同，由密度、彈性模量、泊松比來定義。④在建模過程中混凝土及泥團的材料參數分別如表1所示：

1.2 模型的介紹

完整樁模型為一混凝土灌注樁，樁的直徑D=1.6m， 樁長L=15m，埋設3跟聲測管，⑤管距L0=1.0m，缺陷樁模型是在完整樁模型中加一個橢球體缺陷，橢球體X方向半軸尺寸a=0.20m，Y方向半軸尺寸b=0.15m，Z方向半軸尺寸c=0.15m，橢球體缺陷位置如圖1、2所示 ：

1.3 ANSYS有限元軟件的模擬及驗證

采用常規對測，發射點1 輸入一超聲脈沖波，⑥接收點2接收（如圖1所示），橢球體材料為混凝土時得到的波形圖與完整樁時得到的波形圖如圖3所示：

由表2可知，波速誤差和波幅誤差很小，說明該橢球體模型建立正確以及該橢球體網格劃分合理，保證了計算的精確度。

2 缺陷影響域分析

2.1 缺陷水平影響域

橢球在水平面上沿Y方向移動（如圖2所示），測點位置不變。橢球體材料為泥團時得到的波形圖與橢球體材料為混凝土時得到的波形圖如圖4、5、6、7所示：

=L/L0（L為測線與橢球體中心的距離，L0為聲測管管距）；波幅比值=A/A0（A為當橢球體材料為泥團時接收波形圖中波幅值，A0為當橢球體材料為混凝土時接收波形圖中波幅值）；波速比值=V/V0（V為橢球體材料為泥團時的波速，V0為橢球體材料為混凝土時的波速）；根據實測的各組波形圖繪制出的波幅比值、波速比值— 的曲線如圖8、9所示：

由圖8所示的波速比值曲線可以得知： <0.16時，波速變化異常； >0.16時，波速大于正常波速的90%，橢球體Y方向半軸尺寸b = 0.15m，說明當測線不經過橢球體時，缺陷對波速影響很小。

由圖9所示的波幅比值曲線可以得知：橢球體中心在1/2L0處水平移動， <0.15時，測線通過缺陷，波幅比值小于0.33；0.15< <0.36時，測線不經過缺陷，但是波幅比值小于0.9，缺陷仍對波幅有影響，以波幅比值為0.9來確定缺陷的影響域，該橢球體中心在1/2L0處Y方向的影響域為 = 0.36。

2.2 缺陷豎向影響域

缺陷豎向影響域的分析方法同2.1節，結果如下：

橢球體沿Z方向移動（如圖1所示），得到的波幅比值、波速比值— 的曲線如圖8、9所示；對比圖9所示橢球體在1/2L0處水平移動和豎向移動得到的波幅比值曲線可以得知：橢球體中心在1/2L0處時，水平影響域與豎向影響域相差不大。該處橢球體在Y方向和Z方向的影響域為 =0.36。

討論橢球體中心偏移后的缺陷影響域時可以只分析缺陷在豎直方向的移動。

2.3 討論橢球中心左右移動后缺陷的影響域

（1）橢球體中心在1/3L0處豎向移動分析方法和步驟同23.1節，得到的波幅比值、波速比值— 的曲線如圖8、9所示；

（2）橢球體中心在1/5L0處豎向移動波幅比值、波速比值— 的曲線如圖8、9所示；

對比橢球體中心在1/3L0和1/5L0處的波幅比值曲線可以得知：橢球體中心左右移動后缺陷的影響域減小。

3 缺陷影響域的應用

3.1 判斷缺陷的位置

改變橢球的X方向半軸尺寸分別為a = 0.03m，a = 0.05m，0.10m，0.15m，0.20m，0.25m，Y方向半軸b = 0.05m，Z方向半軸c = 0.05m，繪制出的波幅比值— 的曲線如圖12所示：

對圖12所示a = 0.15m時的波幅比值曲線進行三次多項式擬合，得到的多項式為：

Y=-1.00772+5.32835X8.18X2+4.292X3 （2）

其中Y代表 ，X代表波幅比值。通過實測的波幅比值，由式（2）可以計算 值，從而判斷缺陷的位置。

3.2 估算缺陷X方向的尺寸

在常規對測中，假設缺陷在AB剖面之間時，根據波速變化規律可以估算缺陷Z方向尺寸，根據實測的 和波幅比值查表4，采用線性內插法可以估算缺陷在X方向的尺寸a。

3.3 檢測盲區

建筑基樁檢測技術規范JGJ 106-2003規定發射與接收聲波換能器應以相同標高或保持固定高差同步升降，測點間距不宜大于250mm；由圖12可以看出缺陷尺寸越小，缺陷的影響域越小。當缺陷小到一定程度時，缺陷對測點無影響。取測點距離250mm，橢球體位于測點中間，圖12中當a=0.03m（橢球體X方向尺寸約為管距的1/20）時，該橢球體的影響域 =0.125，即測線距離缺陷中心距離l=12.5cm，此時缺陷對測點無影響；所以當測點間距為250mm時，無法檢測到尺寸小于管距1/20的缺陷。

4 結論

（1）利用有限元軟件數值仿真時，合理的網格劃分，可以保證計算結果的精確度；（2）通過波速比值、波幅比值的變化規律可以確定缺陷的影響范圍；（3）根據實測的波幅比值，通過三次多項式擬合曲線可以大致判斷缺陷的位置；（4）在確定缺陷位置的后，可以通過波幅比值、測線與缺陷的距離來估算缺陷的尺寸。（5）通過對缺陷影響域的分析可以知道當缺陷小到一定程度時，測點無法檢測到缺陷的存在。

注釋

① 羅騏先.樁基工程檢測手冊[M].北京：人民交通出版社，2003.

② 張宏.灌注樁檢測和處理[M].北京：人民交通出版社，2001.

③ 劉屠梅，趙竹占，吳彗明.基樁檢測技術與實例[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

④ 王雪峰，吳世明.基樁動測技術[M].北京：科學出版社，2001.

⑤ 中華人民共和國建設部.JGJ 106-2003.建筑基樁檢測技術規范[S].2003.

⑥ 陳欣.波速判讀和缺陷程度對聲學參數影響的仿真分析[D].武漢：華中科技大學，2010.