桩基完整性检测模拟分析
第1章绪论
19世纪20年代，钢筋、钢筋混凝土的出现，人类告别了木桩时代，最早的拍基施工是打入式预制桩，后来随着时代的发展，施工机械设备也越来越完善，发展了灌注桩，而且施工手段、检测手段、模型试验等越来越完善，为桩基础的飞跃发展提供了条件。近年来我国高层建筑和大型构筑物越来越多，桩基作为基础形式，越来越显示出其卓越性，桩基以其巨大的承载力和承载复杂荷载的特殊本质以及对各种地质条件的良好适应性，得到了广泛应用。从此以后，随着杭基础应用领域的拓宽，机械设备和施工技术不断得到改进和发展，产生了各种新桩型和新工法，如水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)、复合载体夯扩桩、全螺纹钻孔灌注桩等为在复杂地质条件和环境条件下的应用注入了勃勃生机。今天桩基础已成为高层建筑、大型桥梁、深水码头和海上石油平台等采用的主要基础形式，而且随着工程的需要，人们在桩的施工技术、桩型的开发应用和设计理论方面又不断研究探索，使桩基技术得到了蓬勃的发展。
桩基础是指通过桩支撑着承台的基础，承台承受上部建筑物的荷载，传递到下面的柱，使每个桩受力均匀，而桩基础的作用是把上部的荷载传递给下部的地基。桩基础具有施工快，投资少，效果好等优越性，随着我国建筑事业的发展，桩基己经成为一种重要的基础形式，在高层建筑、重型厂房、桥梁、港口、码头、海上采油平台、核电站工程以及地震区、软土地区、湿陷性黄土地区、膨胀土地区和冻土地区的地基处理中得到广泛地应用。桩的施工还具有高度的隐蔽性，发现问题难，事故处理更难。因此，桩基检测工作是整个桩基工程中不可缺少的环节，只有提高桩基检测工作的质量和检测评定结果的可靠性，才能真正地确保桩基工程的质量与安全。
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1.2. 1基桩动测技术研究历史与现状
当混凝土的施工条件、均匀度、构成材料等因素一致时，声波波速在基桩传播的参数也应基本一致，如果有缺陷，那么声波在传播的过程中会产生反射、绕射的现象，从而伴随着声幅、声速、声时发生变化，我们就可以判定基桩的内在质量问题。但是检测成本高，范围比较大时，检测较困难；检测前必须要提前埋好声测装置，对灌注桩检测比较好。
静载实验法包含堆载法和锚杆法两种，两种方法都是釆用油千斤压顶在桩顶施加荷载，前者通过反力架上的堆重平衡，后者通过反力架将反力传给锚桩，与锚桩的抗拔力平衡。其存在的主要问题是：堆载法须解决几百吨甚至上千吨的荷载来源、堆放及运输问题，锚杆法必须设置多根锚桩及反力大梁，不仅所需费用昂贵，时间较长，场地条件的限制（堆载法目前国内试桩最大极限承载力仅达3000吨，锚桩法的试桩最大极限承载力也不超过4000吨），以致许多大吨位柱和特殊场地的桩（如山地、桥桩）的承载力往往得不到准确数据，桩基的潜力不能合理发挥这是桩越领域面临的一大难题静载实验法必须提甜试柱，周期长，静载实验法要随机抽取抽基进行检测，而无法检测企部桩藤的完整性，这种随机取样的测试，无代表作用。
高应变动测法。高应变动力测试是通过在桩顶量测被激发的阻力产生的应力波和速度波，来确记承载力的。目前工程界应用最广泛的高应变法是CASE法和波形拟合法。CASH法是种通过一维波动方程计算而获得岩土对桩的支撑阻力的新方法。它有三条基本假定：桩身是等阻抗的；桩周与桩尖上对桩的运动阻力分为动阻力和静阻力两部分，动阻力全部集中在柱尖，忽略了桩侧土阻力；静阻力模型为理想刚塑性体，忽略了应力波在传播过程中的能量损耗，包括桩身中内阻尼损耗和向桩周土的逸散。波形拟合法H甜被认为是确定卑桩承载力最准确的方法。它是通过现场把实测力波和速度波输入计算机进行迭代计算，把柱一土系统变为离散的质弹模型，假定各单元桩和土参数，以实测的柱顶速度波(或力波)作为边界条件，用特征线法求解波动方程，反算桩顶力波(或速度波），使计算的波形和实测波形拟合。若两者不吻合，调整桩土参数，再次计算，直至吻合。此时各参数是最佳估算值。最终求得承载力、侧阻分布和计算的Q-S曲线。
高应变法也有自身的局限性，CASE法适用于打入桩的施工过程检测和监控，或者在具有一定的经验基础上，用于评定工程桩的验收合格性。但由于该法的假定条件与搖桩施工的实际条件差别较大，首先，假设桩身等阻抗，这对钢桩、预制柱和预应力管桩在披身无缺陷的情况下基本适用，而对灌注桩是难以达到；其次，假设动阻力完全染中于桩尖，而实际情况是随着桩的相对位移，披侧必然产生动阻力，只是相对较小而已；再次，假设静阻力模型为刚塑性体，即桩一旦被打动，则静阻力马上达到极限值，这也与实际不符。所以，CASE法必须在柱被打动的前提，充分发挥土的全部静阻力，并从波形上正确判断桩尖的反射位置，选用恰当的阻尼系数斤可比较准确地确定単桩载力。波形拟合法虽然和CASE法一样，也是在柴油银冲击材质均勻、强度较高、侧面光滑的钢管桩、预制桩等基础上建立起来的，它不像CASE法那样严格要求贯入度和侧面光滑与截面的一致性，当桩问土变形不够充分时，承载力同样偏于保守。而且它假定桩周土体内无变形存在，也极不合理。
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第2章理论基础
(1)材料均勾或分段均勾并且是各向同性。混凝土材料的桩，在压缩与拉伸的性质方面存在差异，而且不均勾，但是在弹性振动范围内，可以近似满足这一假定[66];
(2)忽略直杆的横向位移。由于桩体的截面尺寸比纵波的长度小得多，所以不考虑直杆的横向位移对纵波的影响[67];
(3)直杆截面上应力分布均勾。纵向振动时直杆截面保持为平面，并且截面上的应力为轴向应力且分布均匀，应力分量均为零
(4)直杆变形中横截面仍保持为平面，且相互平行；
(5)桩受击振动是在弹性限度内并且各质点的应力、应变和位移关系都应服从虎可定律。
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2.2.1常见质量问题
(1)混凝土预制。桩混凝土预制桩大多釆用自由落锤将抽打入土中。一般采用柴油锤或者蒸汽锤，在打桩时经常出现质量问题在打桩的过程中，桩锤和锤垫要合理的选择，垫层如果较软，则会降低锤击传递的能量，那么就难以打入。垫层如果过硬，增大锤击力时，容易把桩头击碎，一般规定最大锤击应力不超过混凝土抗压强度的65%;燥接后冷却时间不充分或者傳接质量比较差，则接口处容易开裂；如果桩锤选择不合适，那么很难把基桩打入到设计标高；打桩的时候，其拉应力容易引起桩体开裂。其拉应力与桩侧土阻力情况、桩底土特性、桩锤的偏心位置和垫层性质有关打桩顺序设计不合理或基桩的间距安排不合理，会导致相邻的桩挤压折断；基柱碰到顽石、障碍物或者硬土的时候，过多的锤击，会引起桩身折断或者破坏。
(2)钻孔灌注桩。钻孔灌注桩属于排土桩，在施工时，都要把钻孔处的泥土排出，然后清除孔底的游泥和沉渣，接着把钢筋笼安放好，最后绕筑混凝土。其常见质量问题有：由于停电原因，灌注混凝土无法继续，如果停滞一段时间，那么隔水层就会凝固，形成硬壳，后续的混凝土就无法灌注，必须要拔出导管。
低应变反射波法是以一维波动方程为理论基础，其基本原理如图2-3所示，包括力锤（激振设备)、传感器、放大器、信号分析系统。基桩是在锤头受到瞬态激振的时候，通过桩顶的速度响应，分析传播的波形特征评判桩身的质量和是否存在缺陷，缺陷部位会导致桩体出现波阻抗的变化，影响波的传播，弹性波在桩基体内传播过程中，将在柱端和波阻抗变化界面处产生弹性反射波，通过在桩顶收集到的弹性反射波的幅度大小和正负极，及其变化特征，就可以分析和确定桩体的完整性和缺陷的位置、范围、严重程度，进而达到评定桩身质量的目的。
检波器安装工艺的影响。基桩检测时，为了保证检测结果的正确性和可靠性，必须对桩头作处理，使待测表面大体平整，传感器用粘合剂粘结时，粘结层要尽量薄，保证传感器底面和桩顶平面要紧密接触。实验员通过在振动台上检测不同条件下动圈式速度计的安装谐振频率，通过改变橡皮泥厚度，发现过厚的粘合剂会降低传感器的安装谐振频率，而且即使是最好的粘合连接方法，速度计的安装谐振频率也难以达到3kHz以上。一般认为传感器越轻、越贴近被测物、与被测物之间的接触刚度越大，传递特性就越好，测试信号也越接近被测物表面的质点振动。其次，检波器应紧密固定在桩头上，使信号能不失真地传给检波器，以保证在同一根桩上多次重复锤击得到的波形基本一致，否则将使测量结果严重失真，无法分析判断。
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3.1数值模型的建立析............析............22
3.1.1 Abaqus/ExpI icit 求解步骤析............22
3.1.2桩土接触面设置析............22
3.1.3模型参数及有限元模型析............22
第4章小波分析在基桩完整性检测中的应用析............47
4.1小波去噪在基桩信号处理分析中的应用析............47
第5章结论与展望析........................55
5.1结论析....................................55
5.2展望析....................................55
第4章小波分析在基枯完整性检测中的应用
为了体现出小波消噪的优势，对某工程的基桩进行检测，把检测的结果进行小波去噪处理。图4-1为不同阀值降噪后的信号，从图中可以看出，penalty阀值降噪和缺省阀值降噪后的信号过于光滑，丢失了原始信号本身的很多信息，和本文4.1.1节所述相似性原则不相符，只有Birge-Massart降噪得到的降噪信号与原始信号相似，所以我们一般使用Birge-Massart阀值降噪。图4-2为小波分解的结果。
基桩缺陷的种类有几种情况：（1)桩顶表面有浮架；（2)浅部的裂缝和桩身混凝上离析；（3)浅部夹泥和缩颈等。浅部缺陷一般是指距离桩顶2米的范围内，检测到的波形信号畸变，并呈强振幅、低频率的特征。如何对基柱的浅部缺陷进行有效正确的判读一直是测枯技术人员面临的一个难题。基桩浅部存在严重缺陷时，因为缺陷的部位距桩顶的距离比测试的波长小，这样就使得缺陷处以上的桩体变为刚性振动，与反射波法发射波在桩身的传播假定有差别；另外因为反射波在柱顶与缺陷位置反复的传播，在上述刚体振动信号的基础上常常叠加一高频信号，对于这种时域曲线，由于激振信号、刚体振动及反射波多种运动形式的叠加，曲线变化复杂，因此时域准确地判断缺陷位置往往比较闲难。
在介绍理论的基础上，将小波分析应用于基桩信号消噪，利用小波分析将模拟曲线进行分解，得到基桩浅部缺陷位置，与模拟对比，结果与数值模拟的桩身缺陷距桩顶距离基本一致，验证了小波分析用于基桩完整性检测的可能性，结果表明这些分析将有助于基桩完整性的正确判读。
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第5章结论与展望
(1)以一维应力波理论为基础，利用桩身完整性检测仪PIT-VV对实际工程桩检测，实测曲线和数值模拟进行了对比，并且根据所测桩基的曲线得出了缺陷反射波峰值和入射波峰值时差△t的理论值和工程实测值一致，表明本文所采用的数值模拟、所用参数和数值分析结论是可靠地，对提高动测结果的准确性提供了基础，为实际工程检测桩基完整性提供了依据；
(2)扩颈处特征反射波与入射波波形反相位，波形比较规则。扩径长度增大，入射波波峰与柱底反射波波峰时差增大，入射波波峰与缺陷波峰时差保持不变。桩底反射信号会出现延迟，使波速降低；扩颈位置增大，入射波波峰与缺陷波峰时差增加，通过计算理论扩颈位置，与实际位置一致，证实了数值模拟的可靠性；
(3)缩颈处特征反射波与入射波波形同相位，缩径桩的曲线比较平滑。缩径位置的改变对柱底反射波波形基本无影响，柱底的反射也比较微弱，基本上观察不到。缩径长度的增大，入射波波峰与缺陷波峰时差增大，入射波峰与柱底反射波波峰时差增大；缩颈位置增加，入射波波峰与柱底反射波波峰时差增大，入射波波峰与缺陷反射波波峰时差增大。通过计算理论缩径位置，与实际位置一致，证实了数值模拟的可靠性；
(4)离析处特征反射波与入射波波形同相位，离析桩曲线“拐点”比较多。离析长度的增加，入射波波峰与柱底反射波波峰时差增大，入射波波峰与缺陷波峰时差不变。图中的波形中出现多次震荡，比较容易误判为此基桩桩身存在多个缺陷。位置不同时，通过计算理论离析位置与实际位置一致，证实了数值模拟的可靠性，离析位置增加，入射波波峰与柱底反射波波峰时差、入射波波峰与缺陷波峰时差增大；
(5)把小波分析加入到了基桩检测中，利用数值模拟得到的速度时程曲线进行小波分解，得到缺陷位置不同时的小波分析结果，验证了数值模拟的正确性，更便于用户判断缺陷位置。
5.2展望
(1)本文阐述了对桩基动测国内外现状，利用有限元软件Abaqus对基桩进行数值模拟，通过建立不同模型进行分析，总结不同缺陷的影响规律，总结入射波和缺陷特征反射波的变化规律，得到了一些对工程实践有指导性的理论。但是低应变反射波法基桩测试中不确定的影响因素太多，无论是从理论上还是从仪器改进上，都需要一直不断深入地研究；(2)工程中常见的是单个缺陷，而且缺陷是均匀分布的，也有可能会出现渐变的缺陷，，也有可能会出现两个或两个以上的缺陷，可以考虑渐变的缺陷或者两个或两个以上缺陷时的应力波反射规律对工程实际有更多的帮助；
(3)随着小波理论的迅速发展，从时域和频域着手基桩动测信号提供了良好的局部化分析手段，取得了良好的效果。但是在小波信号分析中要选择合适的小波基，小波基不同的话，时频特征也就不相同。因此，同一个信号用不同的小波基进行分析出现不同的结果。应该以应力波在基桩中的传播特性为出发点，探讨出适合于基桩动测信号分析的小波函数为今后研究的方向；
(4)不仅仅基桩完整性的测试系统可以用小波分析，其它无损检測技术也可以用小波分析。小波分析将会成为基桩、桥梁与險道和其它建筑工程技术领域的一个新的且十分有效的数据处理手段，为解决目前我国建筑业存在的一些偷工减料和工程质量问题提供有效的技术保障；
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参考文献（略）
本文编号：35122
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/35122.html