張樂婷 吳亞平 于天佑

(1甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

近年來，我國在凍土區(qū)域修建的工程結(jié)構(gòu)物越來越多，而作為建筑物的基礎(chǔ)，仍然是樁基礎(chǔ)采用最為普遍。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，我國每年使用的樁基數(shù)量大約有500萬根[1]。對于工程結(jié)構(gòu)物的整體質(zhì)量，基礎(chǔ)起著決定性作用。樁基屬于隱蔽建筑物，在施工過程中容易出現(xiàn)問題，比如斷裂、錯位、混凝土離析等，樁基礎(chǔ)質(zhì)量達不到要求也就影響著整個工程結(jié)構(gòu)物的使用安全。

而在凍土地區(qū)，土里面存在冰，因此凍土的工程性質(zhì)非常特殊[2-3]。由于土體溫度的影響，凍土的狀態(tài)與性質(zhì)會隨之發(fā)生變化，埋置其中的樁基礎(chǔ)的質(zhì)量更要得到保證。之前的文獻主要針對一般土質(zhì)中樁基完整性的檢測，而對于凍土地區(qū)樁基無損檢測的研究還比較少。本文通過室內(nèi)試驗以及有限元模擬的方法，分析凍土地區(qū)樁基完整性的檢測，并進一步得到土體相關(guān)參數(shù)對檢測結(jié)果的影響。

1 基本理論

應(yīng)力波反射法中的低應(yīng)變反射波法[4]是檢測樁基完整性的普遍方法，其基本原理是運用了彈性波在一維桿件中的傳播規(guī)律。先在樁頂面施加瞬態(tài)激振力，沿樁身內(nèi)部會產(chǎn)生以一定速度C向下傳遞的彈性波，這個傳播特性滿足一維波動方程[5]；當(dāng)應(yīng)力波在傳播過程中遇到介質(zhì)發(fā)生變化的界面，比如樁底處、樁身裂縫、縮頸、夾泥、離析、擴頸等，會出現(xiàn)反射波，利用加速度傳感器即可接收這些彈性波的信號，將傳感器與計算機連接，便能分析和處理信號信息，識別出在樁身不同位置處產(chǎn)生的反射波；之后可得到時域曲線圖，計算出樁身應(yīng)力波的傳播速度，判斷樁身的完整性，進一步分析可得到缺陷的位置。

其中，V1、V2表示入射波和反射波質(zhì)點的速度；Z1=ρ1c1A1, Z2=ρ2c2A2，Z1和Z2表示反射界面上部與下部的波阻抗；A1、A2表示反射界面上部與下部的樁截面面積。

1）若樁身完整無缺陷，則樁身內(nèi)部無反射界面，因此不會產(chǎn)生反射波，即Z2=Z1，V2=0，反射波只發(fā)生在樁底處；

2）若樁身有缺陷，當(dāng)Z2＜Z1時，即缺陷處界面波阻抗減小，則反射波與入射波相位相同，當(dāng)Z2＞Z1時，即缺陷處界面波阻抗增大，則反射波與入射波相位相反。

2 凍土三軸試驗

2.1 試驗簡介

樁周土選用蘭州黃土，儀器為應(yīng)變控制式三軸壓縮儀。利用不固結(jié)不排水三軸試驗獲取土體相關(guān)參數(shù)。不固結(jié)不排水剪切破壞試驗簡稱UU試驗，是指對試樣不進行排水固結(jié)，在整個剪切過程中始終關(guān)閉排水閥。試樣安裝時，先在試樣上套上橡皮膜，試樣上下兩端面各放置不透水墊片，并用橡皮圈進行固定，然后將其置于壓力倉中。進行剪切時，先施加圍壓，后施加軸向壓力，直至剪切破壞關(guān)閉排水閥，整個試驗過程中試樣含水量保持不變。

稱取一定量的土樣，并過1mm的篩，放入烘箱烘干后加水拌制，控制含水率為12%，邊加水邊充分攪拌，待均勻之后裝入塑料袋中悶料24小時，使得土樣中的水在土中均勻分布。取出悶好的土樣，用立式油壓千斤頂（如圖1所示）制備三軸試驗中所需的土樣，試樣為高度80mm、直徑30mm的圓柱體（如圖2所示），并將土樣放入GDJS-150冷熱交變溫度箱進行冷凍處理（如圖3所示），降溫持續(xù)48h以上，使得試樣的溫度達到試驗所需的溫度條件，得到不同溫度的凍土土樣。

圖1 立式油壓千斤頂

圖2 制備好的試樣

圖3 GDJS-150冷熱交變溫度箱

試驗開始前做好以下準備工作：仔細檢查三軸儀壓力倉的密封性是否完好；電路是否連接正常。將凍土試樣快速套上乳膠膜，放置在壓力倉內(nèi)，如圖4所示，然后打開圍壓注水開關(guān)，進行三軸試驗。由于是凍土試樣，因此每一步操作要盡量快，以免溫度升高導(dǎo)致凍土試樣融化，在注水容器中隨時加入冰塊進行降溫。整個試驗的過程采用應(yīng)變來控制，應(yīng)變的速率設(shè)定為1% min-1，并始終維持不變，采樣的間隔設(shè)定為0.1s，當(dāng)應(yīng)變值到達20%時停止試驗，此時試樣發(fā)生剪切破壞，如圖5所示。

圖4 安裝試樣

圖5 發(fā)生剪切破壞的試樣

2.2 試驗結(jié)果

根據(jù)凍土三軸試驗所得數(shù)據(jù)，以凍土溫度為-2℃和-10℃為例，可繪制出應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，如圖6、圖7所示。

圖6 凍土-2℃時的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7 凍土-10℃時的應(yīng)力應(yīng)變曲線

對以上試驗數(shù)據(jù)進行處理并計算，可得到土體的粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ以及彈性模量E。本文只分析彈性模量E對樁基完整性檢測的影響，因此在以下有限元數(shù)值模擬中只調(diào)試該參數(shù)。

3 有限元數(shù)值模擬

3.1 有限元模型

本文運用ANSYS進行樁土相互作用的有限元數(shù)值模擬，如圖8所示。樁的類型為完整樁，模型中的樁和土用實體單元來模擬，后續(xù)求解過程由ANSYS中的LS-DYNA版求解器來完成，在整個建模與計算中ANSYS只為LSDYNA提供前后處理。

圖8 樁-土數(shù)值模擬模型

樁與土的具體情況如圖9所示，樁身材料定義為混凝土樁，土體為蘭州黃土。樁總長23m，端面直徑1m，為半埋入式完整樁，樁頂外露3m，樁周土深度20m，土體范圍在樁周外10m，樁底土深度10m。樁土相關(guān)參數(shù)見表1。

圖9 樁-土計算模型

表1 樁土相關(guān)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果

利用ANSYS-LS-DYNA軟件以及室內(nèi)三軸試驗得到的土體參數(shù)分別建立樁-黃土、樁-凍土的有限元模型，在樁頂施加瞬時激振力即可得到不同情況下樁頂節(jié)點的應(yīng)力波曲線圖。本文主要分析速度波曲線，如圖10～圖13所示。

圖10 樁-黃土的樁頂節(jié)點速度波曲線

圖11 樁-凍土-2℃樁頂節(jié)點速度波曲線

圖12 樁-凍土-10℃樁頂節(jié)點速度曲線

圖13 樁-黃土與樁-凍土樁頂節(jié)點速度曲線對比圖

從圖10～圖12可以看出，完整樁樁頂?shù)乃俣炔ㄇ€有以下規(guī)律：由于樁身與樁周土考慮了相互接觸，屬于摩擦樁，樁身的阻抗比樁底土層的阻抗大，此時樁底部產(chǎn)生的反射波與入射波的相位相同；又由于樁周土的存在，樁底反射波低于入射波，且反射波整體呈降低趨勢。圖11中由于樁周是-2℃的凍土，其入射波與反射波均比圖10中樁周黃土的低，圖12中樁周是-10℃的凍土，入射波與反射波均比樁周-2℃凍土的低，比樁周黃土的更低。圖13可清晰看到樁周土在不同溫度時的速度波情況，說明樁周土體對整體波形起衰減作用，且樁周土體溫度越低，衰減越快。

圖1 城市大宗固廢制備建材的環(huán)境評價體系構(gòu)建的流程圖

4 結(jié)論

本文依據(jù)應(yīng)力波反射法基本理論，通過室內(nèi)凍土三軸試驗得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并計算得到土體在不同溫度下的彈性模量，然后利用ANSYS軟件建立樁土有限元模型，將室內(nèi)試驗所得的土體參數(shù)代入數(shù)值模擬，經(jīng)調(diào)試分別得到三種工況下樁頂節(jié)點的速度波曲線圖。

由結(jié)果可見，完整樁的樁身內(nèi)部不存在反射波，只在樁底處產(chǎn)生反射波；由于樁身與樁周土相互作用，樁身的阻抗比樁底土層的阻抗大，在樁底部產(chǎn)生了與入射波同相位的反射波；當(dāng)樁周為黃土，沿樁身傳播的速度波入射波與反射波波峰值均高于樁周為凍土的；隨著樁周凍土溫度的降低，整個波形的衰減趨勢愈發(fā)明顯，這是由于土體的彈性模量增大引起的，土體的溫度越低，彈性模量越大，樁身內(nèi)部的應(yīng)力波衰減就越明顯，說明彈性模量在樁基完整性檢測中起重要作用。