谷学倩

（大连金普新区农业农村发展服务中心，辽宁大连 116000）

0 引言

桩基缺陷是目前影响其性能的重要因素，由于施工、操作差异、成型环境及材料质量的不同，常常导致桩基内部出现断桩、扩颈、缩径等缺陷，将严重影响建筑物的安全及使用。低应变反射波法是工程上使用较为频繁的检测方法，如何准确获取复杂地质条件下，桩基缺陷的声波特征，成为提高桩基检测准确性的关键问题；因此，建立合理的仿真模型，准确模拟不同的地址条件下桩基缺陷的声波特征，获取激振频率、基桩参数、地质状况等对低应变反射波的传输效果，建立低应变反射波桩基检测的数值模型十分必要。

本文为建立桩基—锤碰撞低应变反射波的波形特性，基于现场试验，结合ANSYS 仿真方法，建立LS-DYNA 的数值理论模型，研究不同击锤材质，不同缺陷等对桩基声波特性（频率、波速、波形）的影响规律，通过数值和试验结合。建立准确的桩基检测模型，为工程中获取桩基缺陷，保证建筑工程的安全，提供试验及理论支撑。

1 仿真模型分析

1.1 模型建立

数值模型中击锤与桩基材料参数见表1。

表1 ANSYS 模拟中锤与桩材料参数

1.2 模型尺寸及网格划分

模型桩长2.1，桩径0.4m，桩周土层厚度2.0m，桩底土层厚度取4.0m；手锤直径0.05m，高0.1m 的圆柱。低应变反射波法检测时，在桩顶施加激振力，桩处于线弹性变形阶段，所以可以将材料模型定义为线弹性。通常混凝土为C30，弹性模量为E=3.0e10Pa，泊松比D=0.17，密度ρ=2400kg/m3。在后文中将会对手锤的材料参数作具体介绍。当不计土对测试效果的作用时，取其压缩模量E=6.0e6Pa，泊松比=0.3，密度ρ=1900kg/m3。

图1为表征4 种不同材质小锤敲击的激振波，图2为各种锤的波形在桩底的反射及衰减。由图1、图2中可以看出，脉冲宽度按尼龙锤→铝锤→钢锤→木锤的顺序依次增宽；入射波振幅按钢锤→铝锤→尼龙锤→木锤的顺序依次减小。总体上，在使用不同材料击锤时，随着波脉冲宽度的增加幅值逐渐减小，频谱幅值按照钢锤→铝锤→尼龙锤→聚乙烯塑料锤的顺序依次减小。

图1 不同材质锤敲击桩产生的时-速曲线

图2 不同材质锤敲击桩产生的频谱

2 结果分析及讨论

2.1 激振力脉冲宽度对应力波的影响

在桩顶通过不同材质的击锤施加激振应力，从而形成低应变反射波；不同材质击锤形成的激振波形有一定差异，激振锤的材质硬度与所产生的激振脉冲频率成正比，当锤的硬度越大，越易激发出高频，脉冲宽度、频率表征不同的锤击情况。本文采用工程桩基检测中常用的钢锤、聚乙烯塑料锤、铝锤、木锤进行仿真分析，确定激振频率与桩基缺陷的关系。表2为不同击锤的反射波参数。

表2 ANSYS 模拟锤与桩参数

由表2可以看出锤的硬度越大，波在桩中传播时衰减的越多，首波时间与反射波间的时间差差别较大，由于锤的硬度不同，波在桩中传播的时间基本上随着材质硬度的增加而呈递减趋势。不同材质击锤表现的声波时域曲线见图3。

图3 15μs 时域曲线

由图3以看出，钢锤、铝锤、木锤能呈现较为清晰的衰减波形。激振力脉冲宽度越大，入射波信号的幅值越小，桩底反射信号也越弱，但是脉冲宽度越大，信号衰减绝对值越小，也就是衰减速度变慢。需要说明的是敲击力脉冲宽度不是越宽越好，也不是越窄越好，应根据桩长、桩径及不同的测试目的采用不同的脉冲宽度。

2.2 断桩缺陷桩频率分析

本文针对断桩缺陷的仿真模型进行分析，选取桩基1.4m 处断桩，通过ANSYS 数值计算，得到断桩处低应变反射波的频域图，模拟结果见表3。

表3 桩基1.4m 处断桩处反射波频域仿真结果

表3为1.4m 断桩处频域曲线，由表3可见，橡胶锤敲击产生的频率图频谱不清晰，不适合1.4m 断桩使用，基本看不出频率变化，钢锤与铝锤敲击会产生较多高频成分，频域图中清晰地给出基频、缺陷频率等频率值，可准确确定缺陷位置。

3 结论

（1）随着波脉冲宽度的增加幅值逐渐减小。从频谱图来看，频谱幅值按照钢锤→铝锤→尼龙锤→聚乙烯塑料锤→木锤→橡胶锤的顺序依次减小。

（2）随着激振频率的减小，入射波的幅值会逐渐减小，反射波的幅值会逐渐增大，衰减也变慢，桩底反射也越来越明显。

（3）由于激振力的脉冲宽度越大，频率就越低，接近桩底的扩径界面反射波与桩底反射波相互叠加干扰所造成的。