凍土樁基完整性檢測的影響因素

張樂婷 吳亞平 于天佑

(1甘肅交通職業技術學院，甘肅 蘭州 730070；2蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；3西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

近年來，我國在凍土區域修建的工程結構物越來越多，而作為建筑物的基礎，仍然是樁基礎采用最為普遍。據相關資料統計，我國每年使用的樁基數量大約有500萬根[1]。對于工程結構物的整體質量，基礎起著決定性作用。樁基屬于隱蔽建筑物，在施工過程中容易出現問題，比如斷裂、錯位、混凝土離析等，樁基礎質量達不到要求也就影響著整個工程結構物的使用安全。

而在凍土地區，土里面存在冰，因此凍土的工程性質非常特殊[2-3]。由于土體溫度的影響，凍土的狀態與性質會隨之發生變化，埋置其中的樁基礎的質量更要得到保證。之前的文獻主要針對一般土質中樁基完整性的檢測，而對于凍土地區樁基無損檢測的研究還比較少。本文通過室內試驗以及有限元模擬的方法，分析凍土地區樁基完整性的檢測，并進一步得到土體相關參數對檢測結果的影響。

1 基本理論

應力波反射法中的低應變反射波法[4]是檢測樁基完整性的普遍方法，其基本原理是運用了彈性波在一維桿件中的傳播規律。先在樁頂面施加瞬態激振力，沿樁身內部會產生以一定速度C向下傳遞的彈性波，這個傳播特性滿足一維波動方程[5]；當應力波在傳播過程中遇到介質發生變化的界面，比如樁底處、樁身裂縫、縮頸、夾泥、離析、擴頸等，會出現反射波，利用加速度傳感器即可接收這些彈性波的信號，將傳感器與計算機連接，便能分析和處理信號信息，識別出在樁身不同位置處產生的反射波；之后可得到時域曲線圖，計算出樁身應力波的傳播速度，判斷樁身的完整性，進一步分析可得到缺陷的位置。

其中，V1、V2表示入射波和反射波質點的速度；Z1=ρ1c1A1, Z2=ρ2c2A2，Z1和Z2表示反射界面上部與下部的波阻抗；A1、A2表示反射界面上部與下部的樁截面面積。

1）若樁身完整無缺陷，則樁身內部無反射界面，因此不會產生反射波，即Z2=Z1，V2=0，反射波只發生在樁底處；

2）若樁身有缺陷，當Z2＜Z1時，即缺陷處界面波阻抗減小，則反射波與入射波相位相同，當Z2＞Z1時，即缺陷處界面波阻抗增大，則反射波與入射波相位相反。

2 凍土三軸試驗

2.1 試驗簡介

樁周土選用蘭州黃土，儀器為應變控制式三軸壓縮儀。利用不固結不排水三軸試驗獲取土體相關參數。不固結不排水剪切破壞試驗簡稱UU試驗，是指對試樣不進行排水固結，在整個剪切過程中始終關閉排水閥。試樣安裝時，先在試樣上套上橡皮膜，試樣上下兩端面各放置不透水墊片，并用橡皮圈進行固定，然后將其置于壓力倉中。進行剪切時，先施加圍壓，后施加軸向壓力，直至剪切破壞關閉排水閥，整個試驗過程中試樣含水量保持不變。

稱取一定量的土樣，并過1mm的篩，放入烘箱烘干后加水拌制，控制含水率為12%，邊加水邊充分攪拌，待均勻之后裝入塑料袋中悶料24小時，使得土樣中的水在土中均勻分布。取出悶好的土樣，用立式油壓千斤頂（如圖1所示）制備三軸試驗中所需的土樣，試樣為高度80mm、直徑30mm的圓柱體（如圖2所示），并將土樣放入GDJS-150冷熱交變溫度箱進行冷凍處理（如圖3所示），降溫持續48h以上，使得試樣的溫度達到試驗所需的溫度條件，得到不同溫度的凍土土樣。

圖1 立式油壓千斤頂

圖2 制備好的試樣

圖3 GDJS-150冷熱交變溫度箱

試驗開始前做好以下準備工作：仔細檢查三軸儀壓力倉的密封性是否完好；電路是否連接正常。將凍土試樣快速套上乳膠膜，放置在壓力倉內，如圖4所示，然后打開圍壓注水開關，進行三軸試驗。由于是凍土試樣，因此每一步操作要盡量快，以免溫度升高導致凍土試樣融化，在注水容器中隨時加入冰塊進行降溫。整個試驗的過程采用應變來控制，應變的速率設定為1% min-1，并始終維持不變，采樣的間隔設定為0.1s，當應變值到達20%時停止試驗，此時試樣發生剪切破壞，如圖5所示。

圖4 安裝試樣

圖5 發生剪切破壞的試樣

2.2 試驗結果

根據凍土三軸試驗所得數據，以凍土溫度為-2℃和-10℃為例，可繪制出應力-應變曲線圖，如圖6、圖7所示。

圖6 凍土-2℃時的應力應變曲線

圖7 凍土-10℃時的應力應變曲線

對以上試驗數據進行處理并計算，可得到土體的粘聚力c、內摩擦角φ以及彈性模量E。本文只分析彈性模量E對樁基完整性檢測的影響，因此在以下有限元數值模擬中只調試該參數。

3 有限元數值模擬

3.1 有限元模型

本文運用ANSYS進行樁土相互作用的有限元數值模擬，如圖8所示。樁的類型為完整樁，模型中的樁和土用實體單元來模擬，后續求解過程由ANSYS中的LS-DYNA版求解器來完成，在整個建模與計算中ANSYS只為LSDYNA提供前后處理。

圖8 樁-土數值模擬模型

樁與土的具體情況如圖9所示，樁身材料定義為混凝土樁，土體為蘭州黃土。樁總長23m，端面直徑1m，為半埋入式完整樁，樁頂外露3m，樁周土深度20m，土體范圍在樁周外10m，樁底土深度10m。樁土相關參數見表1。

圖9 樁-土計算模型

表1 樁土相關參數

3.2 模擬結果

利用ANSYS-LS-DYNA軟件以及室內三軸試驗得到的土體參數分別建立樁-黃土、樁-凍土的有限元模型，在樁頂施加瞬時激振力即可得到不同情況下樁頂節點的應力波曲線圖。本文主要分析速度波曲線，如圖10～圖13所示。

圖10 樁-黃土的樁頂節點速度波曲線

圖11 樁-凍土-2℃樁頂節點速度波曲線

圖12 樁-凍土-10℃樁頂節點速度曲線

圖13 樁-黃土與樁-凍土樁頂節點速度曲線對比圖

從圖10～圖12可以看出，完整樁樁頂的速度波曲線有以下規律：由于樁身與樁周土考慮了相互接觸，屬于摩擦樁，樁身的阻抗比樁底土層的阻抗大，此時樁底部產生的反射波與入射波的相位相同；又由于樁周土的存在，樁底反射波低于入射波，且反射波整體呈降低趨勢。圖11中由于樁周是-2℃的凍土，其入射波與反射波均比圖10中樁周黃土的低，圖12中樁周是-10℃的凍土，入射波與反射波均比樁周-2℃凍土的低，比樁周黃土的更低。圖13可清晰看到樁周土在不同溫度時的速度波情況，說明樁周土體對整體波形起衰減作用，且樁周土體溫度越低，衰減越快。

圖1 城市大宗固廢制備建材的環境評價體系構建的流程圖

4 結論

本文依據應力波反射法基本理論，通過室內凍土三軸試驗得到應力-應變曲線，并計算得到土體在不同溫度下的彈性模量，然后利用ANSYS軟件建立樁土有限元模型，將室內試驗所得的土體參數代入數值模擬，經調試分別得到三種工況下樁頂節點的速度波曲線圖。

由結果可見，完整樁的樁身內部不存在反射波，只在樁底處產生反射波；由于樁身與樁周土相互作用，樁身的阻抗比樁底土層的阻抗大，在樁底部產生了與入射波同相位的反射波；當樁周為黃土，沿樁身傳播的速度波入射波與反射波波峰值均高于樁周為凍土的；隨著樁周凍土溫度的降低，整個波形的衰減趨勢愈發明顯，這是由于土體的彈性模量增大引起的，土體的溫度越低，彈性模量越大，樁身內部的應力波衰減就越明顯，說明彈性模量在樁基完整性檢測中起重要作用。