低应变法与数值模拟在桩基检测中的综合应用.pdf

年 月第 卷 第 期 低应变法与数值模拟在桩基检测中的综合应用收稿日期:通讯联系人基金项目:马鞍山首建工程咨询有限公司与安徽建筑大学合作基金资助项目()国家自然科学基金青年项目()作者简介:马俊()男安徽合肥人硕士研究生 :.马 俊李大华陈硕豪李亚苹(.安徽建筑大学 土木工程学院安徽 合肥.马鞍山首建工程质量检测咨询有限公司安徽 马鞍山)摘 要:以某集团科研楼工程为背景利用 软件进行实验模拟并将模拟结果与实际检测结果进行详细对比主要目的是验证优化的数值模型在桩基完整性检测中的可靠性并为工程检测提供波形参考 结果表明:建立的完整桩数值模型成功模拟了实际检测的速度时域波形波形曲线规则且光滑存在明显的入射波和桩底反射波入射波与桩底反射波同相是明显的完整桩反射波形模拟波速数值与实际检测波速相差低于 高度的一致性说明采取的模拟方法贴合工程实际 同理建立某工程扩径桩的数值模型结果表明:扩径位置与实际位置相差 反射波波形较为平滑有明显的入射波和桩底反射波缺陷处有清晰的反射信号入射波与桩底反射波同相扩径缺陷处反射波与入射波反相根据整体波形可以判断出缺陷类型与位置关键词:桩基础数值模拟低应变反射波法弹性波中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:在我国城市发展建设中桩基础因具有卓越的承载力、出色的抗震性能、低沉降等优点而被广泛运用 然而由于地质环境、施工工艺等因素在桩基建设成型过程中容易出现塌孔、卡管等问题进而导致断桩、扩径等缺陷的发生 由于此类缺陷通常很难直接被检测出来所以桩基础的质量检测及评价方法受到了国内外学者的广泛重视在桩基础的完整性检测技术中目前应用最广泛的方法是低应变反射波法 近些年低应变条件下的相关基桩振动理论研究不断完善:从最初将桩的理论模型简化为弹性或黏弹性一维杆件到逐步考虑横向惯性效应的一维杆件 吴君涛等则进一步研究了大直径管桩在三维效应条件下的影响同时建立了考虑桩身三维效应的管桩低应变试验数值模型以探究桩顶表面在径向和环向不同位置的响应特性 对于实心基桩的三维效应相关学者建立了三维桩 土系统瞬态振动模型并获得了解析解结果表明桩顶响应的高频干扰主要来自第二阶振动模态 创建了大直径桩土纵向耦合振动广义轴对称模型并考虑了桩身径向位移的影响探究不同工况下桩身三维效应对基桩低应变检测信号的影响规律本研究将现有理论与工程实际相结合对以往数值模型进行改进优化了部分数值模拟方法与边界范围使其模拟数值更加精确最终完整桩的数值模拟数据与实际检测数据误差值不超过 低于前人的误差范围更加贴合工程实际 全文主要利用 软件模拟实际工程中完整桩和扩径缺陷桩的动力响应特性探究反射波在桩体中的传播情况并将模拟结果与实际检测结果、理论波形进行对比验证了优化后的数值模型的合理性 该成果可以用来判断桩身完整性和确认桩身缺陷位置进而辅助现场检测并为其提供波形参考 同时也为后续研究建立了一种更合理的桩 土数值模型为深入探究缺陷桩的动力响应提供了依据 工程背景.工程概况该工程为某集团科研楼项目工程建筑面积约 万平方米层高 层 经过对桩基附近土地的勘察拟建场地地层信息见表 对此该工程设计采用人工挖孔桩设计桩径为 设计桩长约为 至 混凝土设计等级为 设计总桩数为 根表 施工场地地层信息地层层厚范围/层底标高范围/特征一层.杂色松散状态湿含植物根茎、碎石等杂物二层.呈黄褐色、黄色、灰黄色硬塑状态含少量钙质结核、氧化铁、铁锰结核局部夹有少量粉土三层.褐红色密实风化呈砂土状、饼状、块状岩石破碎遇水易软化.低应变法检测的原理低应变法检测的工作原理是在桩基顶部施加激振产生应力波脉冲 这些应力波的传播会受到桩身阻抗的影响而发生变化携带有桩身质量等关键信息的反射信号被安装在桩身顶部的高精度传感器所接收 随后机器通过专用转换器将传感器接收的反射信号转化为数字信号并储存在仪器中通过综合分析反射波的振幅、频谱、波形和相位等信息对被测桩的结构完整性作出评估桩身波速的确定方法:桩顶激振时所记录的首波信号与桩底反射信号的时间差即为弹性波传播两倍桩身长度的历时 根据已知的桩身长度和记录的时间利用公式计算出反射波在基桩中传播的平均波速 一般来说波速的计算主要有三种方法具体方法如表 所示马俊等 低应变法与数值模拟在桩基检测中的综合应用表 波速的三种计算方法计算方法描述适用情况峰 峰法通过比较速度波的波峰和桩身底部波峰之间的时间差值来确定波速适用于桩基两端受力不大、反射波波峰尖锐的情况已知桩身长度反射波波峰清晰上升 上升段法通过速度波上升段到速度反射波上升段的时间来确定波速适用于反射波波峰较宽的情况以减小误差反射波不明显需要精确测量波速上、下行波法通过下行波的峰值到上行波的谷值之间的时间差值来确定波速反射波不明显的情况图 峰 峰法时间历程曲线 目前低应变反射波法检测分析大多使用峰 峰法其时间历程曲线如图 所示 式中:为混凝土桩的长度 为反射波从传感器到桩底所用时间为首波波峰峰值时刻为桩端反射对应的时刻.检测方案设计现场检测严格遵循建筑基桩检测技术规范()的技术要求为确保检测的准确性和可靠性在进行检测之前需要满足以下条件:首先必须确保传感器安装位置处的混凝土表面平整、紧密同时传感器的安装应该垂直于桩身顶面为了实现信号的有效传递需使用黄油作为耦合剂并选择合适的工具如带有尼龙头的锤子或力棒来施加激振信号 每根桩的桩顶上设置 个具备传感器的检测点 激振点应放置在混凝土桩的中心位置而检测点应设置在距离桩中央/半径的位置 在每个检测点上必须完整记录 个有效信息这样才能确保所获得的信号能够全面且可靠地反映桩身的完整性状况 然后对现场采样得到的有效信号进行时域分析利用线性放大功能(放大倍数为 倍)确定桩顶和桩底位置 最后根据相关数据计算出反射波在桩基中的平均波速根据时域信号特征来判断桩身完整性.桩身完整性的评判标准与检测结果依据建筑基桩检测技术规范()桩身完整性评判标准和现场检测结果如表、表 所示表 桩身完整性评判标准表类别时域信号特征幅频信号特征分类原则/时刻前无缺陷反射波有桩底反射波桩底谐振峰排列基本等间距其相邻频差/桩身完整/时刻前出现轻微缺陷反射波有桩底反射桩底谐振峰排列基本等间距其相邻频差/轻微缺陷产生的谐振峰与桩底谐振峰之间的频差 /桩身有轻微缺陷不影响桩身结构承载力的正常发挥有明显缺陷反射波其他特征介于类和类之间桩身有明显缺陷对桩身结构承载力有影响/时刻前出现严重缺陷反射波或周期性反射波无桩底反射波或因桩身浅部严重缺陷使波形呈现低频大振幅衰减振动无桩底反射波缺陷谐振峰排列基本等间距相邻频差/无桩底谐振峰或因桩身浅部严重缺陷只出现单一谐振峰无桩底谐振峰桩身存在严重缺陷必须进行工程处理蚌埠学院学报 年 月 第 卷 第 期(总第 期)表 基桩低应变检测结果汇总表序号桩号桩径/测点下桩长/平均波速/桩基完整性综合评价.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.测点下 内存在轻微缺陷.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.测点下约.存在轻微缺陷.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整.桩身完整 经低应变反射波法检测的基桩共 根根据单桩综合评价标准其中类桩 根占被测总数的 类桩 根占被测总数的 无类桩和类桩并且精确检测出 号桩和 号桩分别在测点下方 左右处和 处的轻微缺陷 完整桩的数值模拟.有限元模型建立通过数值模拟软件 建立符合实际情况的三维有限元桩 土模型探究反射波在完整桩中的传播情况 该工程的 号桩 土数值模型如图马俊等 低应变法与数值模拟在桩基检测中的综合应用 所示模型具体参数如下材料参数如表 所示图 号桩 土数值模型 桩:混凝土桩桩长 桩径 混凝土强度等级为 则数值模型中混凝土密度 弹性模量 泊松比 采用三维八节点等参单元在低应变检测时桩基所受的应力较小因此大部分都是处于弹性阶段桩周土:为了在一定程度上减小模型的运算时间要尽可能地缩小桩周土的范围但是桩周土范围取的太小扩散到土里的应力波就会产生反射现象进而返回到桩基 这会对反射波信号的采集产生巨大影响甚至干扰检测结果造成误判 故桩周土的半径取桩身半径的 倍长度取桩长的 倍即桩周土的半径为 深度为 桩周土的性质也会对低应变检测结果产生影响所以本研究将桩周土的材料性质定义成弹性便于后续的求解 根据该工程的地层勘察报告桩周土主要为粘土故模型中桩周土的密度 弹性模量 泊松比 表 材料参数类型密度/弹性模量/泊松比混凝土桩.桩周土.为了简化模型做以下假设:建模时将钢筋和混凝土统一考虑纵波的长度相较于桩基的直径要大很多所以不考虑横向位移对纵向振动的干扰桩与土按线弹性变化将模型各部件进行装配采用/即动力显示分析步该分析步对大模型的瞬时动力学分析十分有效准确则理论上波速为:/./混凝土桩的长度为 所以应力波从桩头传递到桩底再从桩底反射到桩头理论历时:/.考虑到理论与实际情况有所偏差分析步的时间应该大于理论用时故将分析步的总历时设置为 同时因为需要应力波的速度 时程曲线故需要设置历时变量输出用来输出桩顶测点处的速度数据一般情况下在模型中定义接触时应按照下列要求:如果主面和从面的材料刚度相近根据网格细腻程度应将粗网格表面设置为主面细网格表面设置为从面相反如果主面和从面的材料刚度相差明显应将材料刚度较大的一侧设置为主面而将材料刚度较小的一侧设置为从面 因此根据要求本研究模型中接触定义如下:混凝土桩与桩周土之间的接触为 接触桩周土面积相对较大所以主表面是混凝土桩侧面从表面是土体侧面混凝土桩与桩底土是 绑定接触混凝土桩与桩底土相比混凝土桩刚度更大因此主表面是桩基从表面是桩底土模拟过程中对于荷载的施加激振类型的选择至关重要但大多数是采用时程荷载函数来模拟瞬时动力荷载 根据最新的研究成果竖向激振采用半正弦荷载来模拟力锤敲击作用位置为桩顶中心 因为锤径相对于桩径太小故视为集中力荷载幅值曲线如图 所示激振力作用时间为 荷载表达式为:()(/)式中:代表激振力幅值大小为 代表锤击作用持续时间取.图 幅值曲线 根据本研究的材料性质若忽略泊松比由上文知该桩理论波速 为 本文要研究波在混凝土桩中的传播因而必须将网格划分地足够精细 经验表明冲击载荷的跨度在 个单元内是比较合适的而载荷的持续时间为.因此冲击载荷结束后波传播的长度为:.因此 方向上每个单元的长度最大是 而根据王文杰的研究成果在其他条件不变的情况下桩长方向单元格越密那么得到的时程曲线就越准确可靠性也就越高 但是这种可靠性是建立在对每个节点、每个单元面、每个单元体精确计算蚌埠学院学报 年 月 第 卷 第 期(总第 期)的基础上同时因为网格过密将会极大地增加计算时间对计算机性能的要求也更高 因此在保证精度的前提下尽量选择合适的网格这样不仅可以保证计算结果的可靠性还可以减小计算时间 为了得到更准确的模拟结果对混凝土基桩不同的边进行局部部署该模型在桩长方向的单元长度取为 桩径的单元长度取为 在桩周土的网格划分方面已有研究指出桩周土的网格不必划分得很细尤其是在距离桩稍远的位置因此采用渐远渐疏的划法.模型滤波处理滤波的种类有四种即低通、高通、带通、带阻 低通就是允许某一个频率以下的所有信号通过超过这个频率的信号则不能通过高通则与低通相反 带通是允许两个频率之间的信号通过之外的则不能通过而带阻则与带通相反 后处理的滤波函数有()()()()()等 本文采用低通滤波函数 ()处理根据相关研究成果低通滤波值为 采样得到的数据相对平滑且准确 因此选择低通滤波值 来处理原始波形 处理前的速度 时程曲线如图 所示采用低通滤波函数 ()处理后的速度 时程曲线如图 所示 通过对两者曲线进行分析对比可以发现处理后的曲线波峰更加清晰更能直观准确地反映出应力波的传递方便后续的数值模型验证图 完整桩滤波前速度 时程曲线图 完整桩滤波后速度 时程曲线.完整桩模型验证根据图 的模拟结果可以看出反射波形曲线规则光滑波列清晰且桩身无子波有明显的入射波和桩底反射波且桩底反射波与入射波同相 检测报告显示 号桩为类桩桩身完整 根据模拟完整桩反射波的实际到时:.则应力波在该工程桩中的传播速度:/.根据实际检测报告应力波在 号桩中的平均波速:两者波速差值:.与实际检测值仅相差 因此从数值结果上看该模型符合实际情况 应力波的理论波形如图 所示从入射波和反射波的波形形状上看两者形状高度重合为一完整桩的速度 时程曲线 综上所述本文中建立的 号桩 土数值模型完全合理符合实际情况说明通过有限元数值模拟低应变反射波法检测桩身完整性是可行的图 应力波的理论波形图 桩基扩径的数值模拟.桩基扩径的成因及其危害桩基扩径是由于施工原因造成桩体局部直径大于设计直径的现象这与原设计相违 这一现象可能由以下原因引起:一是在成孔过程中孔壁发生塌陷导致孔径扩大二是外部施工机械破坏桩侧原有的土壤结构从而降低土体的承载能力 桩身直径的增大会增加混凝土的用量引发混凝土的超灌现象更严重则会造成建筑物基础的不均匀沉降进而对主体结构的安全性产生严重威胁 因此为了确保工程质量和结构安全在检测中要及时发现扩径桩排除隐患马俊等 低应变法与数值模拟在桩基检测中的综合应用.实际工程的扩径桩数值模拟对某集团大楼的某一根基桩进行检测已知资料为桩径 桩长 混凝土强度等级为桩周土主要为粘土 施工单位在进行基桩浇筑时为了防止桩侧土体掉入桩孔内避免基桩夹泥现象采用了套筒的方法 然而在使用套筒的过程中因为上拔套筒时机过早且速度过快浇筑的混凝土还未完全凝固而发生侧漏进而造成基桩部分区域出现扩径现象 经过现场验证发现扩径现象约发生在距离桩顶 处根据实际情况采用 对其扩径桩进行数值建模材料参数设置如下:扩径桩长:混凝土密度:弹性模量:泊松比:桩周土的密度:弹性模量:泊松比:扩径位置设置在距离桩顶 处扩径位置桩径为 长度为 扩径桩桩 土的数值模型剖面图如图 所示经过计算、滤波处理得到的反射波速度 时程曲线如图 所示图 扩径桩桩 土模型剖面图图 扩径桩滤波后速度 时程曲线.扩径桩模型验证从整体波形来看波形平滑反射信号清晰桩身有弱的信号干扰可见连续的曲线波动桩受到施加的模拟冲击荷载后速度发生突变由 开始逐渐增大 然后反射波向下传播时刻出现由扩径缺陷引起的反射波且因为扩径处桩身直径变大波形图上显示扩径处反射波与入射波反相时刻观察到桩底反射信号且桩底反射波与入射波同相 通过模拟可得:.应力波在该扩径桩中的实际传播速度:/反射波在桩身的理论传播速度:/./两者波速相差:根据上述计算 实际波速与理论波速相差 模拟计算得到的扩径位置 /实际扩径处在 处与实际值相差 与实际位置相当接近 因此该模型设置合理可靠可以有效反映桩身缺陷位置 结论利用 软件模拟某工程中完整桩和扩径缺陷桩的动力响应特性探究反射波在桩体中的传播情况将模拟结果与实际检测结果、理论波形进行对比并分析检测结果与模拟数据结论如下:完整桩反射波形曲线规则光滑波列清晰且桩身无子波入射波和桩底反射波波峰明显且桩底反射波与入射波同相扩径桩的波形平滑反射信号清晰存在弱的信号干扰桩受到施加的模拟冲击荷载后速度发生突变由 开始逐渐增大然后反射波向下传播时刻出现由扩径缺陷引起的反射波波形图上显示扩径处反射波与入射波反相时刻观察到桩底反射信号且桩底反射波与入射波同相完整桩的模拟波速与实际检测数据仅相差 扩径桩模型根据模拟数据计算得到的位置与实际扩径位置相差 因此该数值模型准确可靠可以辅助现场检测为检测提供波形参考参考文献:张乾青张忠苗.桩基工程.版.北京:中国建筑工业出版社:.陈凡徐天平陈久照.基桩质量检测技术.版.北京:中国建筑工业出版社:.方聪卢博瑶张浩.低应变反射波法在建设工程桩基检测中的运用.建筑结构():.(下转第 页)蚌埠学院学报 年 月 第 卷 第 期(总第 期)气天然气、年人均可支配收入、年人均消费支出、年末总人数 通过对影响因素变量的筛选为城市生活垃圾清运量的预测提供基础输入数据并为未来城市发展规划提供科学依据参考文献:汪平生陈俊陈召明等.合肥市生活垃圾产量多模型预测与分析.环境监测管理与技术():.傅妍芳刘赵文吴青青等.皖南地区生活垃圾产生量预测与影响因素分析.安庆师范大学学报(自然科学版)():.吴灵玲.基于系统动力学的深圳市生活垃圾产生量预测.武汉:华中科技大学.刘菊芳刘玉芳.基于神经网络的城市生活垃圾产生量预测 以新疆为例.新疆开放大学学报():.刘力铭.重庆市城市生活垃圾产量的影响因素分析及预测研究.重庆:重庆大学.安徽省统计局.统计年鉴.合肥:安徽省统计局.合肥市统计局.统计年鉴.合肥:合肥市统计局.赵世同查华超.基于灰色关联的蚌埠市现代物流业发展影响因素研究.蚌埠学院学报():.冯海琦赵玉梅王琳琳.山东省社会消费品零售额的影响因素分析 基于 回归模型.鲁东大学学报(自然科学版)():.刘丽萍.基于 回归法的人口出生率影响因素分析.牡丹江师范学院学报(自然科学版)():.(上接第 页).:.王奎华刘鑫吴君涛等.考虑横向惯性下填砂竹节管桩纵向振动特性.湖南大学学报(自然科学版)():.吴君涛王奎华肖偲等.静钻根植工法下变截面管桩纵向振动特性分析.岩石力学与工程学报():.():.:.刘屠梅赵竹占吴慧明.基桩检测技术与实例.北京:中国建筑工业出版社:.中华人民共和国建设部.建筑基桩检测技术规范:.北京:中国建筑工业出版社.袁大器.管桩缺陷反射波法检测的有限元数值模拟研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.王奎华梁一然吴君涛等.非对称缺陷对桩顶动力响应的影响及应用研究.湖南大学学报(自然科学版)():.王文杰.桥梁基桩完整性动力检测方法数值模拟研究.成都:西南交通大学.杨睿扬.基于小波分析法基桩低应变完整性检测数值模拟及应用研究.合肥:安徽建筑大学.李火兵贺怀建徐文强等.基于实体模型的基桩动测曲线 数值模拟及其应用.工程勘察():.陈俊等 基于加权平均的 模型对生活垃圾清运量影响因素研究