低应变法与数值模拟在桩基检测中的综合应用.pdf
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1、 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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、.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
10、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
11、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
12、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
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