基于MATLAB軟件的大直徑樁低應變測試數值研究

倪煌俊 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

1 引言

樁基礎是目前建筑物最主要的基礎型式之一，而灌注樁是目前在工程中應用最為廣泛的一種樁型，自20世紀60年代引入至我國后，逐漸應用于我國多個城市的高層和大型建筑物。隨著我國經濟的迅速發展，大跨度橋梁、超高層建筑物等的興起對樁基的承載力不斷提出更高的要求。在此背景下，大直徑灌注樁憑借其受力穩定及承載力高的優勢而被廣泛應用于各類工程中。但大直徑灌注樁在施工過程中常發生樁位偏移、斷樁、離析等質量弊病，對其質量造成不利影響[1-3]。

目前對大直徑樁完整性進行檢測的手段主要有低應變法、超聲波透射法和鉆芯法，超聲波透射法對大直徑樁進行檢測時需預埋聲測管，操作繁雜，且存在測試盲區；鉆芯法可以準確獲得樁身混凝土的強度，但其成本較高，且同樣存在測試盲區。低應變法以其花費低、操作簡便等優勢被廣泛應用于各類樁的完整性檢測中，事實也表明，運用低應變檢測大直徑樁的完整性是可行的。但由于大直徑灌注樁自身尺寸的原因，此時的樁長和樁徑比、樁徑和錘徑比都很難再繼續滿足低應變法的一維理論；與此同時，考慮到實際工程中樁土作用較為復雜，加之三維效應的干擾，樁頂信號接收位置的不同同樣會對反射信號的曲線造成影響，由此可知運用低應變法檢測樁身完整性存在一定的局限性[4]。鑒于上述原因，本文利用MATLAB軟件引入了交錯網格有限差分法，利用MATLAB軟件編制了數值模擬計算程序，實現對大直徑灌注樁低應變測試的數值分析，根據計算得出的結果探討了不同類型缺陷對大直徑灌注樁樁頂振動速度曲線的影響，可供實際工程參考應用。

2 研究方案

MATLAB軟件是基于矩陣理論和積分變化法基礎研制出的一款功能強大的工程計算軟件，使用MATLAB軟件對大直徑灌注樁的樁頂振動速度曲線進行計算首先應建立符合工程實際且在三維條件下的大直徑樁土灌注樁振動模型，即將大直徑灌注樁看做線彈性體，考慮樁周土層非線性特性。本文參考劉東甲[5，6]等前期獲得成果，引入交錯網格有限差分法，利用MATLAB軟件語言簡單通用簡單、數據處理能力強等優勢，編制了數值模擬計算程序，實現對大直徑灌注樁低應變測試的數值分析。

根據《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2014）[7]中對于大直徑樁的定義，當灌注樁直徑≥800mm時，可以稱其為大直徑樁。故本次計算建立的大直徑灌注樁直徑選為800mm，樁長為10m。考慮到大直徑樁中較容易出現離析等問題，本次數值計算重點考慮樁身存在的離析現象，綜合考慮后選取以下幾種情況進行數值模擬計算（陰影部分代表缺陷存在方位），缺陷統一設置在距離樁頂3.5m處，豎直長度為1m，即缺陷分布在距離樁頭3.5m～4.5m處。

3 數值模擬計算

3.1 數值模型的建立

本次計算選取的灌注樁樁長10m，樁徑800mm，在距離樁頂3.5m～4.5m處設置缺陷，整個模型采用8節點六面體等參單元進行劃分，共劃分154732個網格單元，149200個網格節點，具體的計算模型如圖2所示。

3.2 材料的參數及本構模型

由于灌注樁的樁身結構主要為C60混凝土材料，參考相關文獻后對模擬計算所需的混凝土相關參數取值如表1所示。

圖1 計算方案示意圖

圖2 計算模型網格圖

材料物理力學參數表 表1

灌注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

使用自編的MATLAB程序按照上述的計算方案對以上模型進行計算，獲得不同條件下的大直徑樁低應變檢測結果，如圖3所示，根據《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ106-2014）[6]中的相關要求，本次計算激振位置與拾振的位置與樁點中心位置的連線均為90°。

由圖3可知，工況1及工況2條件下的低應變測試曲線可以清晰的判斷出灌注樁在3.5m～4.5m處存在缺陷，工況3大致能看出3.5m～4.5m處存在的缺陷，但是由于灌注樁本身為大直徑樁，不完全符合低應變法的基本假設，故存在較多三維干擾點，會對檢測結果的判斷帶來不利影響。由此可見，對于缺陷在樁身內部的灌注樁，低應變法不一定能完全發現缺陷所在的位置，同時由于三維干擾的存在，使得判斷更加困難。但是對于缺陷較大且分布在樁身外側的大直徑灌注樁，即便存在三維干擾，也基本能定量判斷缺陷所在的位置。

圖3 不同采樣位置條件下的低應變檢測結果

4 結論

本文基于MATLAB軟件有限差分法的原理，利用MATLAB軟件編制了數值模擬計算程序，通過數值計算得到大直徑灌注樁的樁頂振動速度曲線，探討了不同類型缺陷對樁頂振動速度曲線的影響，得到的結論主要如下：

①利用低應變法對于大直徑灌注樁進行完整性檢測時，三維干擾效應是不可忽視的問題；

②利用低應變法對缺陷較大且分布在樁身外側的大直徑灌注樁完整性進行檢測時，基本能定量判斷缺陷所在位置；

③利用低應變法對缺陷在樁身內側的大直徑灌注樁完整性進行檢測時，由于三維干擾的存在，低應變法很難定量判斷缺陷所在位置。