采樣位置對低應變法測試結果影響的數值研究

倪煌俊 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

1 引言

近年來，管樁憑借其造價低、施工周期短、吊樁運輸方便等優勢成為安徽地區房建工程的首選樁型。但其在安徽硬黏土地區應用時常發生擠土效應，使得管樁表面產生細小裂縫，嚴重時還會產生爆樁現象，給建筑工程的安全帶來不利影響。因此，管樁質量的控制及檢測顯得尤為重要。

低應變法憑借其花費小、檢測速度快、攜帶方便等特點在樁基檢測中被廣泛應用，是目前完整性檢測中應用最為廣泛的一種方法。與此同時，低應變法也有其特有的局限性。該法假定管樁為連續彈性的一維均質桿件，測試時在管樁樁頂給予其豎向的激振力，彈性波沿著樁身向下進行傳播，當樁身出現明顯的波阻抗界面或樁身截面大小發生變化時，將產生反射信號，通過對反射信號的分析計算，可判斷樁身混凝土的完整性。然而在實際工程中，管樁樁長與樁徑比值常常在10～15左右，顯然不符合低應變法將其假定為一維均質桿件的前提，因此實測曲線常出現反射不明顯或者干擾多等現象。鑒于此，對管樁低應變法檢測的結果進行分析是當下亟待解決的問題。

目前國內外已有很多學者對管樁的低應變檢測過程進行了數值模擬。在國內，劉東甲等[1-3]已將有限元差分法用于基樁低應變檢測的研究中，由于網格劃分較為精細，實際得出的結果精細度較好。在國外，Lu等[4]利用彈性動力學有限積分技術，對柱坐標系中真三維樁-土模型進行了數值模擬。在實際工程中，檢測人員在對管樁進行檢測時，其多次測試選取的采樣位置往往不一致，得出的結果也各不相同。本文利用有限差分法軟件FLAC 3D建立了管樁在三維柱坐標下瞬態振動下的計算模型，選取不同的采樣位置，對不同采樣位置條件下的低應變檢測結果進行分析，并根據得出的結果提出提高管樁低應變檢測結果精準度的措施。

2 研究方案

本次計算采用FLAC3D軟件，FLAC 3D是一款國際通用的巖土工程專業分析軟件，主要用于工程中三維巖土力學相關問題的計算。FLAC 3D在數學上采用的是連續介質快速拉格朗日分析，基于顯式差分來獲得運動方程和本構方程的步長解。20世紀以來，中國開始引進FLAC系列軟件用于工程計算和科學研究。發展到今日，FLAC已成為我國巖土力學與工程界最具有影響力的數值分析軟件之一。FLAC 3D的基本原理是將單元間的不平衡力重新分配至各個節點上，再進行進一步的迭代運算，直到不平衡力足夠小或者各節點的唯一區域平衡為止。

利用FLAC 3D軟件對管樁的低應變測試進行數值模擬時運用的是軟件內置的非線性動力反應分析模塊，FLAC 3D軟件的動力分析可以與結構、流體、熱力學等元素進行耦合，可以適用于土動力學等領域的計算。考慮到到計算結果的合理性，還需要對計算的基本解析方程及應力邊界條件進行設置，本次計算的解析方程及應力邊界條件參考李雋毅[5]的研究進行設置。

計算選取實際工程中運用較為廣泛的管樁樁型，型號為PHC-A-500（100），具體參數包括：樁徑為500mm，樁長7m，壁厚100mm。以往的研究表明[6-8]，不同采樣位置獲得的測試曲線是不同的，選取三維干擾最小的測試位置對提高管樁低應變測試結果的準確性具有重要意義。故本次研究給出了8個采樣位置，與激振區域夾角分別為 0°，45°，90°，135。，180°，215°，270°，315°，具體見圖 1。

圖1 計算方案示意圖

3 數值模擬計算

3.1 數值模型的建立

本次計算選取的管樁樁長7m，樁徑500mm，壁厚100mm，同時在距離樁頂2m處設置一個橫裂縫，裂縫長度為20cm，寬度為2mm，整個模型采用8節點六面體等參單元進行劃分，共劃分155760個網格單元，140800個網格節點，具體的計算模型網格圖如圖2所示。

圖2 計算模型網格圖

3.2 材料的參數及本構模型

由于管樁的主要結構為C80混凝土材料，參考類似文獻，對樁身混凝土的計算參數取值如下表所示。

管樁樁身為混凝土材料，在外界荷載作用下，其主要處于彈性階段，故本構取線彈性本構模型。

3.3 模擬結果分析

將自編的FISH語言導入到FLAC3D軟件中并按照上述的計算方案對以上模型進行計算，獲得管樁在不同采樣位置條件下的低應變檢測結果，如圖3所示。

圖3 不同采樣位置條件下的低應變檢測結果

材料物理力學參數表

由圖3可知，當采樣位置距離激振位置的角度為 315°和 45°，270°和 90°，225°和135°時，獲得的低應變曲線幾乎完全相同，這是由于樁身是對稱的。同時，采樣位置距離激振位置的角度越大時，入射波脈沖達到時間越晚，柱底反射到達時間幾乎相同，說明彈性波表現出面波的特點，越靠近激振點，球面的半徑約小，三維效應越加明顯。隨著彈性波傳播距離的增大，彈性波幾乎以面波的形式傳播至樁底，然后反射回樁頂。在實際檢測中，一般認為入射波與反射波之間的曲線越平緩，樁身完整性越好。上述曲線基本能夠反映出裂縫的位置，除了該位置外，曲線還存在一些小范圍的波動，這是三維干擾效應造成的。由圖3還可以看出，當激振點與采集點呈90°時，低應變法檢測時的干擾效應最小。因此，在實際工程中進行管樁的低應變法測試時，應當將傳感器放在與敲擊點呈90°的位置。

4 結論

本文利用有限差分法軟件FLAC 3D建立了管樁在三維柱坐標下瞬態振動下的計算模型，選取不同的采樣位置，對不同采樣位置條件下的低應變檢測結果進行分析，得到的結論主要如下：

①對于直徑不大的管樁，低應變法基本能夠檢測出樁身存在的微小裂縫；

②當激振點與采集點呈90°時，低應變法檢測時的三維干擾效應最小。因此，在進行管樁的低應變法測試時，應將傳感器放在與敲擊點呈90°的位置。