高應變試樁樁頂測力法的數值模擬

林渝風 林海銘

（廣東省建設工程質量安全檢測總站有限公司）

0 前言

樁基質量檢測包括兩個方面：基樁承載力檢測和基樁樁身完整性檢測。高應變試樁是基樁動測技術中唯一一種可以對樁身承載力與樁身結構完整性同時進行檢測的試驗方法。近年來隨著高層、超高層建筑及高鐵、地鐵、城際輕軌等大型項目的蓬勃發展，大直徑灌注樁承載力高應變法檢測越來越受到重視。常規樁身測力法對傳感器安裝位置、樁帽制作、場地開挖的要求高，規范規定傳感器安裝距樁頂的距離不得小于1 倍樁徑，現場有開挖至1D 以下深度的困難、地下水的影響等，試驗過程容易出現樁頭開裂或爆裂，導致力信號失效，同時安裝位置的實際彈性模量、截面積等參數設置不準確也影響實測力值，該方法的局限性日益顯著。同時，高應變試樁過程中需逐漸調整、多次測量，錘擊次數越多，開挖后的地基土越容易破壞，埋下了吊車、設備傾覆的安全隱患，這也是高應變試樁最大的危險源。

為解決高應變傳統試樁過程存在的諸多難題，國內許多專家、學者從新技術、新設備方面做了很多探索。陳久照等[1]以剛體和彈性桿的撞擊作為基本模型，通過數值計算驗證錘上測力新方法的可行性和優越性。郭寶園[2]介紹高應變錘上測力方法的基本原理，從理論和實踐分析該方法具有的獨特優勢，并結合工程實際驗證錘上測力法在大直徑灌注樁高應變試樁中的準確性和適用性，為解決大直徑灌注樁高應變試樁的局限性提供了新思路。李廷等[3]提出組合錘的概念，建立錘體受力模型及重錘-樁-土沖擊響應過程的正演分析模型與算法，分析組合錘的適用性和安全性，以及高應變試樁中樁土參數對試驗結果的影響。

本研究嘗試引入樁頂測力新技術，該技術不采用直接在樁身上測試樁身應變計算樁身受力，而是研制特制裝置安裝在樁頂上，應變傳感器安裝在裝置上，加速度傳感器安裝在樁頭上，測試重錘沖擊過程中裝置的應變和樁頭加速度，再轉換為樁身的力和速度，這種技術測得的信號受樁帽爆裂、樁頭混凝土松散或發生塑性變形和樁頂淺部有明顯擴徑等情況的影響小，測試效果好于常規樁身測力法。

本研究建立高應變試樁樁頂測力模型，分析動力試樁過程中樁土作用的特點，選擇合適的樁土參數，數值模擬落錘過程中重錘-裝置-樁-土的相互作用，比對樁頂測力與常規樁身測力的測試效果，驗證樁頂測力技術在高應變試樁中應用的可行性。

1 高應變法樁頂測力模型

如圖1 所示，1 為重錘，材料為高強鋼，用邊長為1m的方體簡化，通過密度控制錘的質量為20t；2 為樁頂測力裝置，材料為高強鋼，圓柱體，直徑0.8m，高0.8m；3為樁，樁徑1m，樁長20m；4 為粉質黏土（或黏土），土層厚15m；5 為強風化泥巖，巖層厚度4m；6 為中風化泥巖，巖層厚度21m；4、5、6 統稱為樁周土，模型寬度為20m，即20 倍樁徑范圍；A 點為樁頂測力裝置1/2 處節點，觀測樁頂測力法；B 點為樁距離樁頂1m 處節點，觀測常規樁身測力法。

圖1 高應變法樁頂測力模型示意圖

2 模型建立及參數選擇

根據模型對稱性，網格模型為1/4 模型，計算時采用對稱邊界，整體網格模型如圖2，局部網格如圖3。高強鋼的彈性模量210GPa，泊松比取0.3，密度7800kg/m3。混凝土的彈性模量取31.5GPa，泊松比取0.2，密度2400kg/m3。樁周土的材料參數如表1。

表1 樁周土材料參數

圖2 三維實體模型

圖3 局部網格

3 自重平衡

模型底部固支，上邊界自由，側面設置無限元邊界，模擬無限遠場土，無限逼近實際邊界條件，避免邊界反射波的影響。添加自重荷載，計算至自平衡狀態，結果如圖4～圖5。

圖4 整體Mises 應力云圖

圖5 整體Z 方向應力云圖

4 落錘工況

根據自重平衡計算結果，添加地應力場，邊界設置同自重平衡工況，設置重錘初始速度v=5.4m/s，相當錘從1.5m 處自由下落，計算結果如圖6～圖17，圖6～圖9 為不同時刻整體Mises 應力云圖，圖10～圖13 為不同時刻裝置Mises 應力云圖，圖14～圖17 為樁不同時刻Mises 應力云圖。應力波從A 點傳到B 點有時間差，通過計算時間差對B 點速度曲線進行平移，如圖18。可以看出A、B 速度的一致性好，首峰一致。A 曲線首峰后逐步減小，最終趨于零，表明測力裝置在重錘完全作用后，在重錘和樁的約束下逐步靜止；B 曲線首峰后有多次反射，峰值逐步減小，表明應力波在樁身多次反射，在樁土作用下能量逐步減小。A、B 點的應力時程曲線圖如圖19 所示，可以得到A、B 處應力的一致性較好，但峰值有差距。A 曲線首峰后逐步減小，最終趨于零，表明測力裝置在重錘完全作用后，在重錘和樁的約束下逐步靜止；B 曲線首峰后有多次反射，峰值逐步減小，表明應力波在樁身多次反射，在樁土作用下能量逐步減小。A 點F-ZV 時程曲線圖如圖20 所示，B 點F-ZV 時程曲線圖如圖21 所示，通過比對可以得到A 點F 和ZV 曲線首峰一致性比B 點好，表明測力裝置的試驗效果好，這是因為測力裝置工作在彈性范圍內（由圖19 得到最大應力為46.8MPa，遠小于高強鋼屈服強度460.0MPa）。

圖6 8ms 時刻整體Mises 應力云圖

圖7 14ms 時刻整體Mises 應力云圖

圖8 28ms 時刻整體Mises 應力云圖

圖9 36ms 時刻整體Mises 應力云圖

圖10 8ms 時刻裝置Mises 應力云圖

圖11 14ms 時刻裝置Mises 應力云圖

圖12 28ms 時刻裝置Mises 應力云圖

圖13 36ms 時刻裝置Mises 應力云圖

圖14 8ms 時刻樁Mises 應力云圖

圖15 14ms 時刻樁Mises 應力云圖

圖16 28ms 時刻樁Mises 應力云圖

圖17 36ms 時刻樁Mises 應力云圖

圖19 A、B 點應力時程曲線

圖20 A 點F-ZV 時程曲線

圖21 B 點F-ZV 時程曲線

5 結語

本研究引入樁頂測力新技術，建立高應變試樁樁頂測力模型，分析動力試樁過程中樁土作用的特點，選擇合適的樁土參數，數值模擬落錘過程中重錘-裝置-樁-土的相互作用，得到裝置和樁身的F-ZV 時程曲線，從數值計算角度比對樁頂測力與常規樁身測力的測試效果，得到樁頂測力F-ZV 曲線的一致性更好，也驗證了樁頂測力技術適用于高應變試樁，為解決大直徑灌注樁高應變試樁常規樁身測力法存在的精度、效率和安全問題提供可行性方案，也為后續裝置設計、現場比對試驗提供理論指導。