大直徑管樁低應變檢測的模擬與分析

李雋毅

(上海申元巖土工程有限公司 上海 200021)

0 引言

長期以來，低應變反射波法測樁的依據都是一維桿理論，認為樁中波傳播滿足平截面假定，因此該理論只適用于小直徑樁檢測分析。對管樁(直徑超過800mm)而言，由于敲擊位置局限于樁頂較小區域，波的傳播表現出顯著的三維特點，會存在明顯的三維效應，此時已不滿足一維波動理論。目前隨著大直徑管樁廣泛應用，運用三維波動理論分析大直徑樁的動力學特性，也就成為當前急需解決的課題。

對于三維條件下樁中彈性波傳播問題，由于其復雜性，無法求得精確的解析解，目前只能依賴數值法。

目前，國內外已有一些利用有限元計算得到結果：趙振東等[1]用有限元法初步探索了激振力作用面積和樁身缺陷對樁中應力波的影響。Liao等[2]計算得出軸對稱條件下樁頂加速度、速度響應。陳凡等[3,4]分析了尺寸效應對自由樁低應變檢測的影響。肖蘭喜等[5]根據有限元法計算結果，提出應采用三分量傳感器測試。Chow等人[6]也通過求解，研究了軸對稱樁檢測時的三維效應。黃大治等[7]探討了樁頂面不同測點的反射波信號特征及其與樁身裂縫的對應規律。費康等[8]通過計算，分析了PCC樁低應變檢測中的三維效應。

劉東甲等[9-11]已將差分法用于基樁低應變檢測的研究，由于網格劃分較細，計算精度更高，經證實其效果很好?？抡畹萚12]對空間軸對稱條件下樁土振動問題，采用交錯網格差分法得出了精度較高的結果，并對樁頂三維效應的來源以及如何避免三維干擾提出了相應的對策。

實際中，樁是三維體，樁身缺陷的形狀、空間位置也是隨機分布的，包括各種非圓形樁、管樁等也不斷推廣，因此有必要進行真三維條件下樁的低應變檢測研究。但是，目前針對大直徑管樁的研究成果很少，難以反映三維波動的真實細節，對三維效應的探究仍需加強。

本文利用FLAC3D軟件進行建模分析，得出樁頂速度響應，系統研究三維干擾特征，研究了激振與采樣位置間夾角、樁徑和長度、土阻力對三維干擾的影響，并提出了減弱三維干擾的方法，并對大直徑管樁低應變測試的效果進行了探討。

1 計算模型及邊界條件

在FLAC3D中建立如圖1所示的管樁計算模型。低應變情況下，可將管樁看為線彈性材料。計算時，彈性模量E為45GPa，泊松比ν為0.2，樁身密度ρ為2 500kg/m3。管樁長為l為13m，外徑Do為800 mm，壁厚h為110 mm。

樁頂受縱向敲擊力p(t)的作用，其作用區域為以r0為半徑，以(rc, 0, 0)為圓心的圓，在柱坐標系內，應力邊界條件可由下式給出：

(1)

式中，rc= (Do-h)/2，p(t)表達式為

(2)

式中，I和t0分別是激振力沖量和作用時間。

2 計算結果分析

對管樁進行網格剖分，最終將徑向分為5份，環向劃分80份，豎向劃分300份，就能得到可靠的計算結果。具體的空間離散情況如圖1所示。其中激振力p(t)參數：t0= 1.2ms，I= 1N·s，激振力作用區域見圖2所示，其半徑r0=2.5cm。計算網格參數：Δr=2.2cm，Δz=4.3cm，Δφ= 4.5°。

圖1 計算模型

圖2 激振區域與采樣布置

不同采樣位置會得到不同的測試曲線，選取三維干擾最小的曲線對低應變反射波測試具有重要意義。圖2給出了4個采樣位置，與激振區域依次相差45°，90°，135°和180°，得到的豎向速度時程曲線如圖3(a)所示。

(a)800 (110) mm

(b)400 (95) mm圖3 樁頂各點豎向速度時程曲線

根據圖3(a)可以看出，當采樣位置距激振力位置角度越大，入射脈沖到達的時間越來越遲，但樁底反射波到達的時間基本相同。說明靠近樁頂，彈性波明顯表現出球面波的特點，越靠近振源，球面半徑越小，三維效應更明顯。隨著傳播距離的增加，波近似以平面波的形式傳播，然后經過樁底反射到達樁頂，到時與峰值幾乎一致。按照圖3的結果，根據峰峰值判斷波速時，不同采樣點得到的傳播速度有差別。

一般認為入射波及反射波的之間的波形越平緩，表明該樁的樁身完整性越好，而從圖3(a)中看出，三維條件下，曲線1-4中入射波及反射波間存在較明顯的振蕩，這也是三維效應的表現，而振蕩越劇烈，表明三維干擾越強。

為說明小直徑樁情況，這里給出管樁長為l為7m，外徑Do為400mm，壁厚h為95mm的管樁測試結果，以便于與大直徑樁對比分析，如圖3(b)所示，其中t0=1.2ms。從圖中可以看出，該樁90°位置的速度時程曲線無明顯干擾波，從而表明，三維干擾是大直徑樁所面臨的特殊問題。

圖4為樁頂各點的豎向速度波場快照圖，包含0.2ms，0.5ms，0.8ms和1.0ms 4個時刻。圖4(a)表示激振力作用瞬間，樁頂敲擊點附近開始振動。圖4(b)到(c)表明波從敲擊點位置開始向對側傳播，同時樁頂的波繼續向下傳播，由圖4(d)所示，到t= 1.0ms時，此時樁頂振動能量變小。

(a)t=0.2ms (b)t=0.5ms

(c)t=0.8ms (d)t=1.0 ms圖4 樁頂波場快照

根據波動理論可知，受敲擊作用后，樁頂會產生縱波、橫波和面波，而面波的成分最多。從圖4來看，面波在樁頂從敲擊點往對側傳播，然后再傳播回來，如此往復，從而形成干擾波。因此，三維干擾波就是面波沿樁頂圓環傳播引起的。當直徑越大，這種三維干擾就越強。因此，在大直徑樁檢測時，需要適當慎重判別，防止因為三維干擾導致誤判。

3 實驗對比

為驗證本文分析的可靠性，對平躺于地面上的PHC管樁進行了實驗分析。測試使用的儀器為武漢巖海公司的RS-1616K(s)基樁動測儀，傳感器為恒流源加速度計，手錘采用尼龍錘，分析曲線時選擇的低通濾波截止頻率為2 000Hz。首先對平躺于地面上1根大直徑PHC管樁進行測試，該管樁長為l為13m，外徑Do為800mm，壁厚h為110mm，混凝土標號為C80。與數值模擬相對應，測得的曲線如圖5所示。

圖5 實測樁頂不同角度位置豎向速度曲線

為進一步說明大直徑樁的特殊性，這里給出1根小直徑PHC管樁的實測曲線，其中該樁平躺于地面之上，樁長為7m，外徑和壁厚分別為400mm和95mm，測試曲線如圖6所示。從圖中可以看出，該樁90°位置的速度時程曲線也無明顯干擾波，與圖3(b)的中模擬結果相吻合，這表明三維干擾是大直徑樁低應變反射波法測試面臨的挑戰。

從圖5～圖6測試曲線對比來看，大直徑管樁測試時，三維干擾比較突出，此時與傳統一維波理論有較大差別，從三維角度解釋測試曲線，顯得尤為重要。同時，由于樁體越來越大，很難只靠樁頂一點拾振的信號來檢測樁身完整性，需要發展與更新現有的理論與測試技術。

4 樁周土參數影響

預應力管樁作為一種擠土樁，樁周土對檢測結果有重要的影響。下面利FLAC3D分析土層變化對測試結果的影響，如圖7所示。

圖7 實測樁頂不同角度位置豎向速度曲線

5 結論

本文建立了利用FLAC3D模擬大直徑管樁低應變測試模型，給出了樁頂速度響應。通過模擬分析，得到如下結論：

(1)大直徑管樁檢測，應該保證激振與拾振位置成90°，此時接收的信號最佳。需要注意，即便該點拾振測得的信號仍具有一定三維干擾，仍然會對檢測造成干擾。

(2)三維干擾是大直徑樁低應變反射波測試所面臨的特殊問題。發展三維理論，更新現有測試技術，對推動低應變反射波法檢測大直徑管樁質量具有重要意義。

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