混凝土桩缺陷影响域的仿真分析

摘 要 本论文基于声波透射法检测理论，采用ANSYS有限元软件对混凝土缺陷桩进行仿真分析，通过声学参数的变化来分析缺陷的影响域。

关键词 声波透射法 有限元 声学参数 缺陷影响域

中图分类号：TV331 文献标识码：A

0 引言

灌注桩是高层建筑、桥梁等工程结构常用的基桩形式，其质量直接影响上部结构安全，由于灌注桩的特定施工条件，在混凝土灌注过程中产生夹泥、缩颈、空洞、断桩等缺陷，这些缺陷造成了桩身的不完整性。①采用基桩声波透射法检测技术，通过分析接受波的首波初至、幅值、频率和波形特征，可以判断缺陷范围的大小和缺陷的性质。②实际工程检测中，在缺陷以及缺陷附近处所测得的波速、波幅值变化异常，③说明缺陷对声学参数的变化有一定的影响范围。本论文采用ANSYS有限元软件对混凝土缺陷桩进行仿真分析，通过缺陷各方向的移动来分析声学参数的变化，从而确定缺陷的影响域。

1 模型验证

1.1 模型材料计算参数

本论文在研究过程中采用了两种材料模型：混凝土、泥团，其中混凝土和泥团采用线弹性材料。在有限元软件中的线弹性材料指所有方向材料特性相同，由密度、弹性模量、泊松比来定义。④在建模过程中混凝土及泥团的材料参数分别如表1所示：

1.2 模型的介绍

完整桩模型为一混凝土灌注桩，桩的直径D=1.6m， 桩长L=15m，埋设3跟声测管，⑤管距L0=1.0m，缺陷桩模型是在完整桩模型中加一个椭球体缺陷，椭球体X方向半轴尺寸a=0.20m，Y方向半轴尺寸b=0.15m，Z方向半轴尺寸c=0.15m，椭球体缺陷位置如图1、2所示 ：

1.3 ANSYS有限元软件的模拟及验证

采用常规对测，发射点1 输入一超声脉冲波，⑥接收点2接收（如图1所示），椭球体材料为混凝土时得到的波形图与完整桩时得到的波形图如图3所示：

由表2可知，波速误差和波幅误差很小，说明该椭球体模型建立正确以及该椭球体网格划分合理，保证了计算的精确度。

2 缺陷影响域分析

2.1 缺陷水平影响域

椭球在水平面上沿Y方向移动（如图2所示），测点位置不变。椭球体材料为泥团时得到的波形图与椭球体材料为混凝土时得到的波形图如图4、5、6、7所示：

=L/L0（L为测线与椭球体中心的距离，L0为声测管管距）；波幅比值=A/A0（A为当椭球体材料为泥团时接收波形图中波幅值，A0为当椭球体材料为混凝土时接收波形图中波幅值）；波速比值=V/V0（V为椭球体材料为泥团时的波速，V0为椭球体材料为混凝土时的波速）；根据实测的各组波形图绘制出的波幅比值、波速比值— 的曲线如图8、9所示：

由图8所示的波速比值曲线可以得知： <0.16时，波速变化异常； >0.16时，波速大于正常波速的90%，椭球体Y方向半轴尺寸b = 0.15m，说明当测线不经过椭球体时，缺陷对波速影响很小。

由图9所示的波幅比值曲线可以得知：椭球体中心在1/2L0处水平移动， <0.15时，测线通过缺陷，波幅比值小于0.33；0.15< <0.36时，测线不经过缺陷，但是波幅比值小于0.9，缺陷仍对波幅有影响，以波幅比值为0.9来确定缺陷的影响域，该椭球体中心在1/2L0处Y方向的影响域为 = 0.36。

2.2 缺陷竖向影响域

缺陷竖向影响域的分析方法同2.1节，结果如下：

椭球体沿Z方向移动（如图1所示），得到的波幅比值、波速比值— 的曲线如图8、9所示；对比图9所示椭球体在1/2L0处水平移动和竖向移动得到的波幅比值曲线可以得知：椭球体中心在1/2L0处时，水平影响域与竖向影响域相差不大。该处椭球体在Y方向和Z方向的影响域为 =0.36。

讨论椭球体中心偏移后的缺陷影响域时可以只分析缺陷在竖直方向的移动。

2.3 讨论椭球中心左右移动后缺陷的影响域

（1）椭球体中心在1/3L0处竖向移动分析方法和步骤同23.1节，得到的波幅比值、波速比值— 的曲线如图8、9所示；

（2）椭球体中心在1/5L0处竖向移动波幅比值、波速比值— 的曲线如图8、9所示；

对比椭球体中心在1/3L0和1/5L0处的波幅比值曲线可以得知：椭球体中心左右移动后缺陷的影响域减小。

3 缺陷影响域的应用

3.1 判断缺陷的位置

改变椭球的X方向半轴尺寸分别为a = 0.03m，a = 0.05m，0.10m，0.15m，0.20m，0.25m，Y方向半轴b = 0.05m，Z方向半轴c = 0.05m，绘制出的波幅比值— 的曲线如图12所示：

对图12所示a = 0.15m时的波幅比值曲线进行三次多项式拟合，得到的多项式为：

Y=-1.00772+5.32835X8.18X2+4.292X3 （2）

其中Y代表 ，X代表波幅比值。通过实测的波幅比值，由式（2）可以计算 值，从而判断缺陷的位置。

3.2 估算缺陷X方向的尺寸

在常规对测中，假设缺陷在AB剖面之间时，根据波速变化规律可以估算缺陷Z方向尺寸，根据实测的 和波幅比值查表4，采用线性内插法可以估算缺陷在X方向的尺寸a。

3.3 检测盲区

建筑基桩检测技术规范JGJ 106-2003规定发射与接收声波换能器应以相同标高或保持固定高差同步升降，测点间距不宜大于250mm；由图12可以看出缺陷尺寸越小，缺陷的影响域越小。当缺陷小到一定程度时，缺陷对测点无影响。取测点距离250mm，椭球体位于测点中间，图12中当a=0.03m（椭球体X方向尺寸约为管距的1/20）时，该椭球体的影响域 =0.125，即测线距离缺陷中心距离l=12.5cm，此时缺陷对测点无影响；所以当测点间距为250mm时，无法检测到尺寸小于管距1/20的缺陷。

4 结论

（1）利用有限元软件数值仿真时，合理的网格划分，可以保证计算结果的精确度；（2）通过波速比值、波幅比值的变化规律可以确定缺陷的影响范围；（3）根据实测的波幅比值，通过三次多项式拟合曲线可以大致判断缺陷的位置；（4）在确定缺陷位置的后，可以通过波幅比值、测线与缺陷的距离来估算缺陷的尺寸。（5）通过对缺陷影响域的分析可以知道当缺陷小到一定程度时，测点无法检测到缺陷的存在。

注释

① 罗骐先.桩基工程检测手册[M].北京：人民交通出版社，2003.

② 张宏.灌注桩检测和处理[M].北京：人民交通出版社，2001.

③ 刘屠梅，赵竹占，吴彗明.基桩检测技术与实例[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

④ 王雪峰，吴世明.基桩动测技术[M].北京：科学出版社，2001.

⑤ 中华人民共和国建设部.JGJ 106-2003.建筑基桩检测技术规范[S].2003.

⑥ 陈欣.波速判读和缺陷程度对声学参数影响的仿真分析[D].武汉：华中科技大学，2010.