低應變反射波樁基檢測仿真分析

谷學倩

（大連金普新區農業農村發展服務中心，遼寧大連 116000）

0 引言

樁基缺陷是目前影響其性能的重要因素，由于施工、操作差異、成型環境及材料質量的不同，常常導致樁基內部出現斷樁、擴頸、縮徑等缺陷，將嚴重影響建筑物的安全及使用。低應變反射波法是工程上使用較為頻繁的檢測方法，如何準確獲取復雜地質條件下，樁基缺陷的聲波特征，成為提高樁基檢測準確性的關鍵問題；因此，建立合理的仿真模型，準確模擬不同的地址條件下樁基缺陷的聲波特征，獲取激振頻率、基樁參數、地質狀況等對低應變反射波的傳輸效果，建立低應變反射波樁基檢測的數值模型十分必要。

本文為建立樁基—錘碰撞低應變反射波的波形特性，基于現場試驗，結合ANSYS 仿真方法，建立LS-DYNA 的數值理論模型，研究不同擊錘材質，不同缺陷等對樁基聲波特性（頻率、波速、波形）的影響規律，通過數值和試驗結合。建立準確的樁基檢測模型，為工程中獲取樁基缺陷，保證建筑工程的安全，提供試驗及理論支撐。

1 仿真模型分析

1.1 模型建立

數值模型中擊錘與樁基材料參數見表1。

表1 ANSYS 模擬中錘與樁材料參數

1.2 模型尺寸及網格劃分

模型樁長2.1，樁徑0.4m，樁周土層厚度2.0m，樁底土層厚度取4.0m；手錘直徑0.05m，高0.1m 的圓柱。低應變反射波法檢測時，在樁頂施加激振力，樁處于線彈性變形階段，所以可以將材料模型定義為線彈性。通常混凝土為C30，彈性模量為E=3.0e10Pa，泊松比D=0.17，密度ρ=2400kg/m3。在后文中將會對手錘的材料參數作具體介紹。當不計土對測試效果的作用時，取其壓縮模量E=6.0e6Pa，泊松比=0.3，密度ρ=1900kg/m3。

圖1為表征4 種不同材質小錘敲擊的激振波，圖2為各種錘的波形在樁底的反射及衰減。由圖1、圖2中可以看出，脈沖寬度按尼龍錘→鋁錘→鋼錘→木錘的順序依次增寬；入射波振幅按鋼錘→鋁錘→尼龍錘→木錘的順序依次減小。總體上，在使用不同材料擊錘時，隨著波脈沖寬度的增加幅值逐漸減小，頻譜幅值按照鋼錘→鋁錘→尼龍錘→聚乙烯塑料錘的順序依次減小。

圖1 不同材質錘敲擊樁產生的時-速曲線

圖2 不同材質錘敲擊樁產生的頻譜

2 結果分析及討論

2.1 激振力脈沖寬度對應力波的影響

在樁頂通過不同材質的擊錘施加激振應力，從而形成低應變反射波；不同材質擊錘形成的激振波形有一定差異，激振錘的材質硬度與所產生的激振脈沖頻率成正比，當錘的硬度越大，越易激發出高頻，脈沖寬度、頻率表征不同的錘擊情況。本文采用工程樁基檢測中常用的鋼錘、聚乙烯塑料錘、鋁錘、木錘進行仿真分析，確定激振頻率與樁基缺陷的關系。表2為不同擊錘的反射波參數。

表2 ANSYS 模擬錘與樁參數

由表2可以看出錘的硬度越大，波在樁中傳播時衰減的越多，首波時間與反射波間的時間差差別較大，由于錘的硬度不同，波在樁中傳播的時間基本上隨著材質硬度的增加而呈遞減趨勢。不同材質擊錘表現的聲波時域曲線見圖3。

圖3 15μs 時域曲線

由圖3以看出，鋼錘、鋁錘、木錘能呈現較為清晰的衰減波形。激振力脈沖寬度越大，入射波信號的幅值越小，樁底反射信號也越弱，但是脈沖寬度越大，信號衰減絕對值越小，也就是衰減速度變慢。需要說明的是敲擊力脈沖寬度不是越寬越好，也不是越窄越好，應根據樁長、樁徑及不同的測試目的采用不同的脈沖寬度。

2.2 斷樁缺陷樁頻率分析

本文針對斷樁缺陷的仿真模型進行分析，選取樁基1.4m 處斷樁，通過ANSYS 數值計算，得到斷樁處低應變反射波的頻域圖，模擬結果見表3。

表3 樁基1.4m 處斷樁處反射波頻域仿真結果

表3為1.4m 斷樁處頻域曲線，由表3可見，橡膠錘敲擊產生的頻率圖頻譜不清晰，不適合1.4m 斷樁使用，基本看不出頻率變化，鋼錘與鋁錘敲擊會產生較多高頻成分，頻域圖中清晰地給出基頻、缺陷頻率等頻率值，可準確確定缺陷位置。

3 結論

（1）隨著波脈沖寬度的增加幅值逐漸減小。從頻譜圖來看，頻譜幅值按照鋼錘→鋁錘→尼龍錘→聚乙烯塑料錘→木錘→橡膠錘的順序依次減小。

（2）隨著激振頻率的減小，入射波的幅值會逐漸減小，反射波的幅值會逐漸增大，衰減也變慢，樁底反射也越來越明顯。

（3）由于激振力的脈沖寬度越大，頻率就越低，接近樁底的擴徑界面反射波與樁底反射波相互疊加干擾所造成的。