采用低应变反射波法的桥梁基桩检测数值仿真分析

http://www.chinaqking.com 期刊门户-中国期刊网2018/1/24来源:《建筑学研究前沿》2017年第24期文/丁阳
[导读]桥梁桩基起着传递上部竖向荷载至持力层和承受着车辆冲击和风力等水平荷载等作用。

天津市地质工程勘察院  天津  300191
  摘要:近年来,随着我国国民经济的快速发展,高速公路的建设也进入一个全面发展时期,相应的各种大型桥梁陆续建成,而作为桥梁质量生命线的桩基质量则显得异常重要,因此,桩基质量的检测已越来越被人们重视。低应变反射波法是桥梁基桩完整性检测的有效手段之一,该种方法具有方便、快捷、准确、检测成本低等优点,在工程建设中得到广泛地应用。本文分析了采用低应变反射波法的桥梁基桩检测数值仿真。
  关键词:低应变反射波法;桥梁基桩检测;数值仿真;
  
  
  桥梁桩基起着传递上部竖向荷载至持力层和承受着车辆冲击和风力等水平荷载等作用,混凝土灌注桩在施工过程中因各种因素影响,常会出现缩径、扩径、夹泥、离析和断桩等缺陷,从而影响工程质量,基桩桩身存在的非严重缺陷在土体深处时对基桩的荷载没有太大的影响;当桩身缺陷在近地表面时,桩身缺陷极大降低了基桩极限荷载并且靠近地表面处于受剪力关键部位,因此在桩身质量完整性检测中对浅部进行判断甄别是非常重要的。
  一、分析方法
  桥梁桩基所采集到的反射波波形的分析,除需要按照常规桩基根据反射波和入射波的相位关系进行分析外,还需要考虑帽梁、墩柱、承台变截面位置对响应信号的影响。分析时应根据具体变截面位置所可能产生的干扰信号进行剔除,以免分析时将干扰信号错判成缺陷信号。对于桥梁桩基反射波信号的分析,一般采用对比分析法,主要步骤如下:一是与成桥前检测时桩基的反射波信号进行对比,分析两次实测反射波信号存在的差距;二是根据预估的反射波波速推算承台、墩柱、帽梁等变截面位置可能产生的干扰信号,分析中剔除此类信号的干扰;三是若对所测桩基缺陷信号存在疑问,可对临近桩基进行辅助检测,通过与临近桩基所测反射波信号进行对比分析,综合判断缺陷信号的性质。
  二、采用低应变反射波法的桥梁基桩检测数值仿真
  1.有限元模型。采用有限元方法对低应变反射波法进行数值模拟和验证,并可以方便的分析基桩物理参数对检测结果的影响。取用动力单元模拟基桩及桩周土、桩底土。桩周土半径大于基桩深度时可以减小桩周土对应力波的影响,所以选桩周土半径为20m,取桩底土深度为基桩深度一半。桩土间建立面面接触,基桩与桩周土4 个外侧面均建立无反射边界,并约束桩底土底面全部结点的纵向自由度。整个有限元模型全部节点为11672个,单元为10368个,低应变法检测基桩时,桩土一般处于线弹性变形阶段,于是基桩、桩底土、桩周土全部取用线弹性材料。
  2.基本参数的选用。一是激振源问题。桩长与桩径不同,所具有的特征频率和吸收的激振能量也不同。在对长大桩进行检测时,为了获取桩底反射信号,应使用重量大、锤头软的力锤(力棒)进行检测。而小锤则适用于检测小桩及浅层缺陷。二是传感器的选择。基桩检测用传感器分为加速度型和速度传型两大类。加速度传感器的优点是频响特性好、测试范围宽、在可测频响范围内的线性度好。速度传感器的优点是抗干拢能力强、对振源无过高要求,但其带宽窄、线性差、受安装谐振频率影响较大。从两种类型传感器的特点可以看出,加速度传感器更适合检测长大桩及浅部缺陷桩。三是充分利用数据处理手段。目前国产和进口测试分析软件都已经具备了丰富的数据处理功能,例如:去除零漂、滤波、指数放大、频谱分析等等。检测人员应充分利用这些功能去除测试信号中的杂波干扰,获取真实可靠的桩身波形曲线。频率是结构动态特性的重要指标,桩底和桩身缺陷不仅在时域里产生回波,频域里也一样会形成共振峰,且信号中的各种干扰有其相应较单一的频率成份,利用频域分析能更准确地解释时域波形中的各种反射信号。因此,当单纯的时域分析无法确切判断桩身质量时,频域分析便成为一个必不可少的补充手段。
  3.有限元模拟仿真结果验证。采用显式动力分析,其中激振应力波传递至桩
  底时与反射至桩顶时的瞬态速度。选取桩长为18m与32.5m 的两根基桩,对比桩顶的数值模拟速度与实测速度的时程,通过两者时程曲线对比和应力波反射时间对比可知,有限元计算时桩底反射明显,与实测结果吻合较好,有限元方法可以有效模拟低应变法检测全过程。反射时间与桩径的关系具有很强的非规则非线性,总体趋势是反射时间随着桩径的增大而增大,但反射波速随着桩径的增大而减小,反射波速百分比与桩径的变化关系近似为指数函数关系。
  三、现场检测中应注意的几个问题
  1.对受检桩基的要求。根据相关规范的要求,进行桩基检测时,受检桩基混凝土强度应至少达到设计强度的70%,且不少于15Mpa,也即龄期应在10~14天以上,一般情况下,受检桩基应凿除至设计标高,且凿去全部浮浆,露出坚硬的新鲜混凝土,桩顶面基本平整,打磨位置平整光滑,桩头外露钢筋不宜过长。
  通过改变锤的重量和锤头材料,可改变冲击入射波的脉冲宽度和频率成分。锤头质量较大或刚度较小时,冲击入射波脉冲较宽,以低频成分为主;当冲击力大小相同时,其能量较大,应力波衰减较慢,适合于测长桩或对下部缺陷的识别。锤头较轻或刚度较大时,冲击入射波脉冲较窄,含高频成分较多;冲击力大小相同时,虽其能量较小并加剧大直径桩的尺寸效应影响,但较适用于桩身浅部缺陷的识别及定位。总的来说,测短桩或浅部缺陷的采用小锤,测长桩或深部缺陷的采用大锤。激振能量要适当,激振能量以能看到桩底反射的前提下尽量小,使桩周参加振动的土体尽量少,以减少对波形干扰。
  2.判断现场采集波形的优劣。实测速度信号好的波形应该是:多次锤击的波形重复性好;波形真实反映桩的实际情况,有明显或较明显的桩底反射波或有明显缺陷反射;无干扰信号,波形光滑,不包含毛刺或振荡波形;信号回零,波形最终回归基线;起始信号不削波。所以现场检测应排除各种干扰因素,直至采集到有效的、高质量的波形,避免回到室内才发觉所采集的信号不理想而需进行复测。根据桩径不同及不同的异常情况选用不同材质的手锤或力棒,以最适宜的频域进行激发,采集的信号要包含尽可能丰富的桩身质量信息量,室内信号滤波仅作为针对异常波形进一步甄别的辅助分析手段。
  3.了解桩基施工相关情况。由于低应变反射波法的评判存在多解性,所以我们每到一个新的工地,应详细了解桩基的施工工艺、施工过程情况、工程地质情况,以及桥梁结构的特点、对桩基受力的要求等,只有充分把握桩基相关情况,才能对桩基作出更加科学、准确地评判。每根基桩采集波形不应少于两处,所采集的波形相似性要好,如果相似性不好,则应怀疑以下原因:一是传感器与桩头表面耦合不好或者信号激发、接收区域的混凝土有破损情况,应稍微变换传感器粘结点或锤击点;二是击发时,锤或力棒应竖直下落,避免斜向激发。
  结束语
  低应变反射波法应用于桥梁基桩检测时,应结合工程的实际情况,注意排除各种不良因素的影响。在激振设备、激振方法、桩头处理、传感器安装位置、数据分析手段等多方面予以合理的选择,以取得真实、清晰的测试信号。
  参考文献
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  [3]中国建筑科学研究院.建筑基桩检测技术规范.北京:中国建筑工业出版社,2015.