中冶赛迪城市交通设计院 重庆 400074
摘要：基于桩基动测的测试方法，结合ABAQUS/EXPLICIT分析，建立了低应变反射波法的数值模型，分析了不同桩身条件下基桩的应力波反射特征，给出了桩长及桩身缺陷位置的判别公式，最后，对低应变法存在的缺陷进行了阐述。结果表明：低应变反射波法用以定性判断桩身缺陷位置相较于其他方法有着便捷、快速的优势，ABAQUS建立的有限元模型能够有效的反映应力波在桩身中的传播特征，但桩身的多个缺陷及地质条件的复杂性限制了低应变法在定量判别的有效性。
关键词：桩基；低应变反射波法；ABAQUS；检测
1 引 言
桩基是公路、铁路、公用事业和建筑中最常用的基础。由于桩基础一般为隐蔽性的工程，因此桩基的结构的质量容易收到恶劣的自然地质环境、土壤质量和施工过程的破坏。也正因为其又有隐蔽性，对于桩基的测试往往是复杂的。是否拥有能够确定桩身质量的快速并且准确的检测方法，将直接关系到工程的整体性和进度的快慢。因此，对桩基检测的研究是非常重要和必要的。在桩基动测中，瞬态冲击或者稳态激励被施加在桩-土系统上。桩-土系统上设有传感器，被用来测量并接受动响应的信号，经过信号传递并进行函数分析及时域分析，通过对所收集信号的频域分析来确定单桩的承载力以及基桩的桩身完整性。桩基动测包括高应变法以及低应变法，低应变法在我国被广泛地应用于桩基动测之中。低应变法对桩土系统施加了有限的能量，仅仅导致了桩土系统的轻微扰动。同时，低应变法与高应变法相比具有成本更低，操作更便捷的特点[1]。
但是，低应变法的基本理论为一维波动方程，而工程实际中的波往往是在三维空间中传播的，而且桩周土及桩底土将对应力波的传播造成影响，考虑到波在多介质三维空间传播的复杂性，本文采用数值模拟技术，结合工程案例，对低应变反射波法在工程中的应用及局限进行分析。
2 反射波法基本原理
一维波动方程是低应变法的基本理论。对于桩基础而言，其在低应变法检测时近似服从一维波动方程。而建立一维波动方程时，需要作如下假定：
1、杆件在弹性范围内振动。振动时，杆件内各质点的位移、应力、应变均服从胡克定律；
2、材料是各向同性且均匀或者分段均匀；
3、纵向振动时，杆件横截面保持不变，横截面上应力均匀分布，且只有轴向应力；
4、纵波波长远大于杆件横截面。
（5）
式中，L为桩长，单位为m；c为理论波速，取值3535m/s；为入射波峰及桩底反射波峰时差。由式（5），计算所得桩长为11.98m，与实际桩长的相对误差仅为-0.2%，可见计算精度较高。对该模型计算中误差产生的原因进行简要分析：
1、桩顶作用激振力时，应力波会同时沿桩长方向及桩径方向进行传播，式（5）中波速为一维波的理论波速，事实上低应变法中波的传播是三维的。3535m/s的波速是桩身实际波速的近似值，实际波速可以由式（5）反推，为3541m/s，略大于理论波速。
2、本文应用有限元方法求解，有限元方法求得的解为近似解，近似解难免会存在误差。
总之，运用本文所建模型求解精度较高，可以很好的离散桩土结构；经过试算验证，运用ABAQUS建立有限元模型可以对桩基低应变法检测进行合理的模拟。
5 低应变法在工程中的应用及其局限性
5.1 应力波反射特征的判别
根据应力波的传播与反射特征，工程实际中反射波反射曲线特征如下[2]：
（1）完整摩擦桩桩底界面：
入射波与反射波同相。采集到的信号在时域内比较规则、均匀，入射波信号经过一段平缓的反射后，在桩底会出现一个与入射波同相的波峰。
（2）桩身扩径：
入射波与反射波反相。采集到的信号在时域除了有一个桩底反射以外，至少还有一个与桩顶入射反相位的桩身截面反射波。
（3）桩身缩径：
入射波与反射波同相。采集到的信号在时域内除了有一个桩端反射以外，至少还会有一个与桩顶入射波同相的桩身截面反射波。
（4）桩身离析：
离析时桩身波速变小，桩底反射减弱，对离析严重的部位，反射波常与入射波同相。
5.2 低应变反射波法的缺陷
应力波-时间曲线上缺陷反射若超过1个，则低应变反射波法对缺陷位置的判断将受到限制，这是低应变反射波法固有的一个缺点，因此，对于基桩的检测辅以额外的手段是非常有必要的。
基桩周边的土壤的物理力学性质会对反射波产生较为显著的影响，桩周土体的存在限制了对基桩的可测长度，进而将干扰对桩身缺陷的分析和判断。图6是兰新第二双线酒泉立交特大桥6号墩5号桩的检测数据[3]，图中，可以看出明显的入射波峰，应力波在传播过程中出现明显的缺陷反射，考虑其为完整桩，但是，由于桩底地质条件的复杂性，其桩底反射并不清晰，故为其桩长的判别造成了困难。
此外，在应用式（5）判断桩长及缺陷位置时，由于弹性波波速为估算值，故其存在一定的误差，推荐其应用于定性分析而非定量分析。
6 结 论
本文采用理论分析及数值模拟的方法，对低应变反射波法的原理进行了分析，并结合工程实际阐述了波形判别方法及其局限性，结果表明：
（1）低应变反射波法相对于高应变测试而言是更为优越的，低应变法检测的成本更低、测试更为方便，且更加的快捷。
（2）应用ABAQUS对低应变反射波法的检测过程进行模拟是行之有效的，能够较好的反应起波形规律。
（3）低应变反射波法具有其固有缺陷，其检测结果易受桩基本身及桩周土体的影响，当通过低应变法检测到缺陷反射时，应通过适当地取芯或对侧土体开挖以及进行静载试验来进一步的检测。建议再结合成桩的施工工艺、地质因素及场地的条件来进一步判断，以提高对基桩质量检测的精确度。
参考文献：
[1]中华人民共和国建设部.建筑基桩检测技术规范[M].中国建筑工业出版社，2002.
[2]张忠苗.桩基工程：Pile foundation engineering[M].中国建筑工业出版社，2007.
[3]李晴.基桩缺陷反射波法检测数值模拟分析[D].西南交通大学，2012.
论文作者:黄超
论文发表刊物:《基层建设》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/15
标签：反射论文; 桩基论文; 应变论文; 波速论文; 应力论文; 缺陷论文; 工程论文; 《基层建设》2017年第26期论文;