樁基檢測反射波法定量分析缺陷的有限元模擬方式研究

(華南理工大學土木與交通學院 廣東 廣州 510641)

一、引言

目前，雖然反射波法能夠較準確地判斷缺陷的位置與基本類型，但是由于樁側土的存在，對基樁缺陷程度仍然只能進行定性分析[1]，即還不能夠確定缺陷的大小，因此在定量分析方面的有限元仿真研究，仍然存在一些問題。問題體現在例如樁側土阻尼如何確定，樁側土與樁身的相互作用定義等。本文探討了有限元模擬的實現方式，并對此給出了適當的建議。

二、三種有限元模擬方式定義

為了嘗試定量分析，探究缺陷處相對入射波的波峰比值與缺陷程度的關系，這里將樁土相互作用簡化為一維波動問題，樁視為一維桿件。我們定義了三種數值模擬方式，其區別在于定義樁身與樁周土的互相作用。

第一種方法將樁身和樁周土之間定義為接觸關系，樁身為主面，土為從面，同時定義切向行為是摩擦作用和法向行為是硬接觸；

第二種方法直接將樁身和樁周土之間采用綁定約束，互相之間無相對位移；方法一二均將樁身的材料設為均勻，此處其阻尼不考慮。

阻尼的因素主要考慮為樁周土的材料阻尼。

第三種方法將土對樁的作用簡化為粘滯阻尼器;

通過將土壤分層，各層土對樁身作用看做一對一對的彈簧并聯阻尼。

三、有限元模擬方式存在的問題

對于方法一二，在abaqus中，土體材料阻尼只能通過Rayleigh阻尼定義，僅用質量陣和剛度陣系數α和β來表示阻尼的大小。同時有研究指出，α對樁身反射波衰減幾乎無影響，因此基本只有β在控制土體材料阻尼[2]，β的確定暫未有合理科學的公式來反映其與土體剪切波速、土體密度、樁身尺寸等關鍵參數的聯系。因此此處我們重點對方法三進行了研究。對于方法三，相對方法一二，雖然模型進行了簡化，但是對于樁側土阻尼參數的確定，可以按下列公式[3]：

ci=ρicsi
cd=ρdc
kd=2DG/(1-υ)

(1)

式中：ci表示第i層土對樁側面的阻尼系數，Ns/m3；

cd表示樁底土對樁端的阻尼系數，Ns/m3；

p均表示土的密度；

csi和c表示第i層土的剪切波波速和樁底土的縱波波速，m/s;

kd表示樁底土的剛度系數，N/m；

D表示樁直徑，G表示樁底土剪切模量，v表示樁底土泊松比；

四、仿真計算

(一)算例概況與計算參數

所采用的鋼筋混凝土預制圓樁，樁長 20m,泥面以上樁段長5m,缺陷考慮為縮頸，最窄處等效半徑為0.3m,缺陷段距樁頂9m,缺陷段長1m。計算參數如下：

表1 土體參數

(二)有限元計算結果

加載方式均為在整個面上的分布加載，縱波波速取1500m/s，剪切波速為100m/s.注：下圖橫坐標為傳播距離L，與時間的換算關系為

L=T*c/2

(2)

L為長度，單位m;T為時間，單位s;c為彈性波樁身內波速,m/s。

某點離樁頂距離

D=L(X)-L0

(3)

L(X)為任意一點橫坐標，L0為首波峰傳播距離，L0此處約為1.60m。

觀察發現兩類解法首波峰和樁底反射幅值基本吻合，但有限元解缺陷處速度相對解析解[4]衰減過大，經過試算確定，樁側阻尼降低到原來一半時，有限元解與解析解較為接近，此時對比圖如下所示：

圖3 解析解對比1/2原樁側阻尼下有限元解法

五、結論

綜上所述，對于定量分析確定缺陷程度，反射波法有限元模擬方法存在問題主要集中在樁側土阻尼無法確定；采用樁土耦合模型(樁土設置接觸單元、樁土綁定)的問題在于Rayleigh阻尼的剛度阻尼系數無法準確反映土體參數對阻尼的影響，缺乏科學合理的公式確定阻尼的大小。采用簡化模型，即土彈簧阻尼模型，有經驗公式可供指導。有研究表明,理論阻尼系數應用于實際工程時需要進行修正,修正系數是剪切波速的函數[5]，可通過場地實驗測定剪切波速與阻尼系數的若干組實際數據，擬合出兩者的函數關系，從而得出修正系數。

[1]黃理興．動測樁身完整性的新理念[J][巖石力學與工程學報]2002·21(3)

[2]基樁缺陷反射波法檢測數值模擬分析_李晴[D]成都，西南交通大學2012

[3]樁基工程手冊第三版 [S](人民交通出版社)

[4]單排高樁基礎豎向振動理論及應用研究[D]杭州，呂述暉，浙江大學

[5]時域內低應變基樁缺陷定量分析方法研究-[D]天津，智勝英，天津大學