ANSYS/LS-DYNAD在樁基完整性檢測中的應用

魏明強，張樂婷

（1.西北民族大學，甘肅蘭州 730124；2.甘肅交通職業技術學院，甘肅蘭州 730070）

0 引言

在眾多的基礎形式中，樁基礎以承載力較大、沉降量較小的特點尤為突出。又由于樁基礎能夠把荷載從覆蓋層傳遞至穩定層，從而達到了安全可靠的要求，所以隨著社會經濟的高速發展，樁基礎己被廣泛運用于交通、民用和工業建筑、港口、橋梁等眾多工程領域。但由于樁基礎的施工是一個隱蔽性很高的過程，難免在施工階段甚至于使用當中出現各種問題而難以及時發現。因此，為了保證工程的施工質量，必須對樁基礎進行嚴格檢驗，以便準確的判斷出樁基礎是否存在缺陷，檢測出缺陷的程度和具體位置，并采取經濟合理、有效且容易操作的補救方法，防止事故的進一步發生。由此可見，只有提高了樁基礎檢測的可靠性，才能保證整個樁基礎工程的施工質量與安全。所以，隨著人類科學技術的不斷進步，樁基礎檢測的理論方法和工程應用成為眾多學者研究的領域，長期以來國內外學者已經總結出一些比較有效的研究方法，如回傳射線矩陣法[1-3]、以波動理論為基礎的動力檢測技術等等。

本文利用ANSYS/LS-DYNA的非線性顯示求解分析程序對樁基礎的應力波進行了初步的數值模擬，建立了一定參數的完整樁模型，并通過lsprepostd后處理程序繪制了完整樁的波形曲線圖，使之與回傳射線矩陣法[1-3]得到的理論曲線進行對比，說明ANSYS/LS-DYNA在樁基完整性檢測的應用中是可行的，并進一步研究了應力波在樁身中的傳播特點。

1 ANSYS簡介

ANSYS有限元分析軟件是一個具有多種用途的計算機設計程序，它能夠將各種結構、流體、熱、聲學、電磁學及碰撞運動等問題融于一體，近年來也被廣泛運用于各工程領域。其有限元法（也稱有限單元法），是一種數值計算方法，在目前工程分析中的應用最為廣泛。它在工程技術界能夠受到高度重視，是因為具有較高的通用性和有效性等特點。伴隨著計算機技術和科學的飛速發展，ANSYS有限元分析軟件如今已經成為計算機輔助設計和輔助制造不可或缺的部分。本文所提到的ANSYS/LS-DYNA中，ANSYS僅僅為LS-DYNA提供必要的前處理和后處理，而具體的求解過程則是由LS-DYNA版求解器來完成的。

LS-DYNA是通用性很高的顯示動力分析程序包，功能非常齊全，可以模擬現實情況中的各種復雜問題，尤其適合于求解各種二維、三維幾何非線性、材料非線性、接觸非線性、爆炸等問題。LS-DYNA以顯示算法求解為主，特別適合分析各種非線性結構沖擊動力學問題[4]。

2 單樁計算模型

2.1 基本假設

對于樁基礎而言，樁身長度一般遠大于樁身橫斷面直徑或邊長，從而可當作一維彈性體來對待。當在樁頂部施加一個瞬間激振作用力后，就會出現沿著樁身傳遞的彈性波，根據應力波反射法的基本原理，此彈性波的傳播規律服從一維波動理論方程，且滿足以下基本假設:

（1）樁頂部承受瞬間激振作用力是在彈性范圍內；

（2）樁身材料是均質的或分段均質且各向同性的；

（3）當發生縱向振動時其橫截面始終保持為平面，并且每個橫截面上的應力分布是均勻的，且均為軸向應力，所有其它方向的應力分量均等于零；

（4）縱向波的長度遠遠大于樁身的橫截面尺寸，因此不用考慮橫向發生位移對縱向運動產生的效應。

2.2 計算模型

選用單根完整樁，樁—土關系為樁周有土樁底架空，樁長為8m，樁身橫截面正方形，邊長為0.5m，樁身周圍土體截面邊長為0.6 m，土體深度為9 m，樁頂部用“1”表示，樁底部用“2”表示。按照上述參數利用ANSYS/LS-DYNA建立完整樁有限元模型，見圖1。選取樁頂部49號節點作為研究對象，記錄ID工具條上所顯示的坐標值，分別為x=-0.08333333582,y=-0.08333333582,z=0。波形曲線見圖2。

圖1 完整樁樁-土關系及有限元模擬圖

圖2 完整樁樁頂49號節點z方向速度波形曲線

2.3 計算結果分析[5]

（1）模型曲線與理論曲線擬合

利用回傳射線矩陣法原理編制MATLAB程序，得到完整樁樁頂部節點Z方向的速度波形曲線，即理論曲線。圖3為模型曲線與理論曲線的對比圖。

從圖3中的曲線對比可以看出，模型曲線與理論曲線擬合較好，說明能夠利用ANSYS/LS-DYNA建立完整樁模型，并且得到的數據可用。

圖3 完整樁模型曲線與理論曲線對比圖

（2）反向推算模型參數

根據完整樁樁頂部49號節點z方向速度波形曲線反向推算模型參數。樁身彈性模量E=2.7×1010N/m2，密度 ρ=2500 kg/m3。

計算過程如下：

a.求得應力波在樁身中傳播的速度c0=3286.34 m/s。

b.入射波波峰時間為0.5 ms。

c.第一個反射波波峰時間為5.393 ms，傳播路徑為121，總共傳播長度為16 m。由于應力波傳播從樁頂到達樁底，樁底架空，彈性模量變小即波阻抗變小，所以反射波與入射波同向，時間差Δt=4.893，求得 L=Δtc0/2=8.04 m，與樁身的模擬長度L=8 m非常接近。

（3）波形曲線特征分析

a.對于完整樁，只有樁頂和樁底兩個界面，當應力波到達樁頂或者樁底時，由于彈性模量變小，波阻抗隨之變小，因此都會出現與入射波同相的反射波，并且到達樁身界面的任意兩個反射波之間都有一段較平滑的過渡，整個波形曲線沒有明顯的毛刺現象，這是完整樁區別于缺陷樁的典型特征。

b.到達樁底的反射波位置正確，波峰峰值大約為入射波峰值的兩倍。

c.所有反射波波峰呈自然衰減的現象，說明樁與樁周土之間產生的摩擦力對應力波信號有消耗作用。

（4）波形曲線計算值與模擬值對比見表1。

表1 完整樁波形曲線計算值與模擬值對比

圖4為完整樁樁身不同樁長處的波形曲線對比，其中，A曲線 2296號節點，x，y，z=0，0，-0.200000003；B曲線 2301號節點，x，y，z=0，0，-0.6999999881；C曲線 2353號節點，x，y，z=0，0，-5.900000095；D曲線 2324號節點，x，y，z=0，0，-3。

圖4 完整樁-不同樁長處的波形曲線對比

3 結論

本文利用ANSYS/LS-DYNAD建立了樁基礎反射法動力檢測的有限元模型，通過最終結果的分析，可以看出:該數值模擬能有效的表明應力波在樁身內部的傳播過程、傳播規律與特點。但運用ANSYS/LS-DYNAD分析樁基礎應力波反射的方法仍然處于初級階段，今后有待進一步開發，使其能夠研究和檢測各種存在各類缺陷的樁基礎。

ANSYS/LS-DYNAD軟件的動態顯示求解器可以較好的模擬瞬態荷載作用下產生的應力波，能夠清楚的看到樁身各個位置處的波形曲線，能夠了解到樁身各單元的應力狀態，以及整個樁身的動態應力情況，說明其具有強大的非線性仿真計算求解的能力。

總之，樁基礎完整性的檢測是個復雜的問題，希望通過本文的研究分析為其他工程人員提供一定的理論參考。

[1]余云燕,鮑亦興,陳云敏.有損傷框架結構中的波動分析[J].震動工程學報,2004,17(1):20-24.

[2]余云燕.回傳射線矩陣法分析埋置框架的瞬態動力響應[D].浙江杭州:浙江大學,2004.

[3]余云燕,鮑亦興,陳云敏.埋置框架的質量檢測的探討[J].力學學報,2006,38(3):339-346.

[4]程翠.應力波反射法基樁完整性檢測結果影響因素及對策[D].遼寧大連:大連海事大學,2008.

[5]張樂婷,余云燕.基于ANSYS/LS-DYNA的應力波反射法的數值模擬[J].山西建筑,2010(32):1-2.