基于ANSYS/LS-DYNA的PHC-钢管组合桩低应变检测可行性研究

欧阳峰，王琴芬2，，李 欢，陈 达

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.中设设计集团股份有限公司，南京210014）

基于ANSYS/LS-DYNA的PHC-钢管组合桩低应变检测可行性研究

欧阳峰1，王琴芬2，1，李 欢1，陈 达1

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.中设设计集团股份有限公司，南京210014）

PHC-钢管组合桩因承载能力高、自重轻、对地质适应性好等优点在工程中广泛运用，但因其所处地质条件复杂、施工条件等因素，对于PHC-钢管组合桩这种地下隐蔽工程的检测不易，传统的桩基动测法对于其完整性检测的适用性尚未可知。文章采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对PHC-钢管组合桩无缺陷状态以及上部PHC管桩出现破裂、上部PHC管桩与下部钢管桩脱开状态这两种典型缺陷状态进行模拟分析，探讨了低应变反射波法对于检测PHC-钢管组合桩缺陷的适用性，可为工程实际提供一定的参考依据。

PHC-钢管组合桩；低应变；数值模拟；ANSYS/LS-DYNA

PHC-钢管组合桩因承载能力高、自重轻、对地质适应性好等优点在工程中广泛运用［1］，但因其所处地质条件复杂、施工条件等因素，对于PHC-钢管组合桩这种地下隐蔽工程的检测不易，传统的桩基动测法对于其完整性检测的适用性尚未可知。目前，国内外桩基完整性检测方法有多种，其中低应变检测方法由于其基本原理较为简单、快速且无损、资料判读比较直观、准确度相对较高等优点在桩基检测中占据主流地位［2］。迄今为止，应用ANSYS、ABAQUS等有限元软件对PHC管桩、灌注桩等单种材料的基桩结构低应变检测数值模拟的研究相对较多［3-6］，但PHC-钢管组合桩质量检测的研究还很少，尚未形成可靠的检测技术方案。为了保证建设工程质量，确保建筑物的安全，必须找出存在质量问题的管桩，然后根据缺陷的严重程度，决定是否补强处理［7-8］。从影响施工进度和工程安全考虑，如何快速、准确地检测组合桩基施工质量已经成为当前桩基行业所关心的重要问题。本文对PHC-钢管组合桩典型的3种状态（无缺陷状态、PHC管桩与钢管桩脱开状态、PHC管桩断桩状态）进行低应变数值模拟及分析，探讨低应变对于PHC-钢管组合桩的适用性，为工程实际提供一定的依据。

1 低应变检测方法原理及简介

低应变检测方法是用手锤或力锤、力棒在桩顶施加激励，桩身质点因受迫振动产生压缩应力波沿桩体向下传播，当此应力波遇到桩阻抗发生变化的界面会产生反射与透射。桩身某处阻抗变大（扩颈等），反射波与入射波反向，反之同向［9］。

对测得的桩顶动力响应进行时域分析即为反射波法，应力波在桩中的传播速度与桩身材料有关，为c=E ρ（c为波速，E为桩身弹性模量，ρ为桩材料密度）；桩身阻抗与桩材料及截面面积有关Z=ρcA（Z为阻抗，A为桩截面面积）；阻抗变化界面深度L=ct/2，以此来检测桩身缺陷。

2 工程概况

2.1 基桩结构

某高桩码头基桩结构采用Φ1 000 mmPHC-钢管组合桩，桩长45 m，其中上部35 m范围采用C型Φ1 000 mmPHC管桩，混凝土材料等级为C80，壁厚130 mm；下部10 m范围內采用Φ800 mm钢管桩，壁厚12 mm。

一般而言，工厂流水化生产的预制PHC-钢管组合桩，质量基本上是有保证的。但由于预制桩原材料质量差，制作工艺不符合规范要求，配合比不当、水灰比控制不严、混凝土强度达不到要求；贮运、吊桩不当造成桩身隐性损伤；锤型选取不当及操作不规范等原因，在施工中常会出现PHC管桩桩头破裂、桩身破坏、PHC管桩与钢管桩连接处破坏等现象。因此，本文选取PHC-钢管组合桩无缺陷时、PHC管桩与钢管桩脱开时以及上部PHC管桩出现断桩时3种状态进行模拟分析。

表1 桩模型参数Tab.1 Pile model parameters

2.2 地质条件

选取具有代表性的某高桩码头所在地的地质条件作为研究的地基情况。该地域以泥质沉积为主，水道底部多为滨海相沉积，以淤泥、粉质黏土为主；呈软塑至流塑状态，中部多为砂砾、碎石及卵石，交错层理发育；下部多为凝灰层，有埋深适中的桩基持力层。

计算土层主要为四层，每层厚10 m，自上而下分述如下：

（1）淤泥。灰色，饱和，流塑，含有有机质及植物腐烂物，表层含贝壳，具层理，黏塑性较好。

（2）粉砂。黄褐色，以长石石英为主，粉粒含量稍高，多黑色铁锰质氧化物，中密～密实，稍湿～湿。（3）粉质黏土。灰褐色，饱和，软塑，含细砂及贝壳，黏塑性一般，底部夹砂。

（4）黏质粉土。黄褐色～灰褐色，湿，密实，无光泽，干强度低，韧性低，含有黑色铁锰质氧化物。

3 有限元数值模型

本文有限元计算模型采用ANSYS/LS-DYNA分析软件进行模拟，PHC-钢管组合桩和土均采用SOL⁃ID164单元，即六面体八节点单元。PHC管桩部分采用C80混凝土、线弹性材料模拟，钢管桩部分采用rigid单元。采用有限单元法对低应变进行模拟［10］。两部分桩的主要参数见表1。

为解决土体大变形导致模型计算不收敛，将桩周围2.5倍桩径范围内的区域进行切割，增加2.5倍桩径区域内的网格密度，以使网格具有良好的适应性从而增加模拟的准确性。土体采用LS-DYNA中特有的弹塑性本构模型模拟，其材料参数见表2。将基桩沉至泥面以下35 m，泥面以上基桩长10 m。采用AN⁃SYS/LS-DYNA程序中关于定义接触的关键字*CONTACT_AUTOMATIC_SUR⁃FACE_TO_SURFACE定义桩土模型自动面面接触，动摩擦系数取0.2，静摩擦系数取0.3。桩-土有限元模型见图1。

3.1 PHC-钢管组合桩无缺陷状态

在研究组合桩在动测过程中的动力特性时，需有完整无缺陷桩的动力特性作为参考，采用ANSYS/LS-DYNA分析软件建立相应有限元模型，基于行波理论，对无缺陷PHC-钢管组合桩进行低应变模拟分析，分析波在桩身中的传播规律。在模拟此次低应变的时候所施加的激励为9 kN。图2即为无缺陷PHC-钢管组合桩顶点速度时程曲线。

图1 有限元模型Fig.1 The finite element model

由图2可知，反射波幅值的方向与入射波幅值方向相反，是因为入射波从PHC管桩传递到钢管桩时，是从阻抗小的桩传递到阻抗大的桩。反射波相对于入射波波幅值减小较少，及波能量消耗较少。由于桩周土的横向弥散作用，使得速度曲线图波形在2个峰值之间振荡。而应力波到达钢管桩底部时，并没有明显的速度幅值，这是因为薄壁钢管桩不符合平截面假定。

3.2 PHC管桩与钢管桩脱开状态

工程实际中，由于PHC管桩与钢管桩焊接的部位可能由于沉桩时的锤击力或者土层的影响而脱开，因

Z此有必要检测这种断桩情况下的低应变，以便为工程实际中检测提供一定的依据。同样对PHC管桩及钢管桩完全脱开0.1 m建立有限元计算模型，施加9 kN激励进行低应变数值模拟。其余参数同第3.1节。低应变检测模拟后得到桩顶点速度时程曲线见图3。

由图3可知，由于钢桩的阻抗比PHC桩大，反射波峰值与入射波峰值反向。图3第一个峰值点的时刻点为0.000 548 s，第二个峰值点的时刻点 为 0.018 409 s，PHC管 桩 中 的 波 速 c=≈3 898.72m/s，由此计算缺陷处的位置L==［3 898.72×（0.018 409-0.000 548）］/2≈34.81 m，与实际脱开位置35 m相差不大。对比图3与图2可知，在缺陷部位过后，脱开桩的峰值立即回到0附近，而无缺陷PHC-钢管组合桩的波形在传到PHC管桩底部后，峰值会缓慢减小；同时，图3中反射波的波幅要比入射波波幅小很多，即波能量耗散较大，而图2中反射波的波幅比入射波波幅略小，由此也可判断出PHC管桩与钢管桩的连接质量的好坏。可得，低应变检测法可有效检测出PHC-钢管桩是否处于脱开状态。

表2 土模型参数Tab.2 Soil model parameters

图2 桩顶点的速度时程曲线Fig.2 Pile vertex velocity-time curve

图3 桩顶点的速度时程曲线图Fig.3 Pile vertex velocity-time curve

图4 桩顶点的速度时程曲线图Fig.4 Pile vertex velocity⁃time curve

3.3 PHC-钢管组合桩上部PHC管桩断桩状态

在锤击沉桩法施工中，由于受成桩工艺、机械设备、地质条件、施工人员等因素的影响，也较容易造成PHC管桩出现断桩现象。因此，本节对在距桩顶20 m、断桩宽度为0.1 mPHC-钢管组合桩进行数值模拟，并于桩顶参考点上施加9 kN激励进行低应变数值模拟。数值模拟得到桩顶的低应变曲线图见图4。

由图4可得，第3个波峰值代表的是波的第2个周期从断桩桩底传回桩顶。因此，PHC管桩若出现断桩，则波传到断桩处反射回去而不会发生透射现象。第一个峰值所在的时刻为0.000 498 s，第二个波峰所在的时间点为0.01 071，第3个峰值所在的时间点为0.021 776。由于波在PHC管桩中传播的速度c=3 898.72 m/s，根据波形图所计算的断桩位置L==［3 898.72×（0.010 71-0.000 498）］/2≈19.91 m，与实际位置20 m相差甚少。因此，低应变检测对于该种情况也是适用的。

4 结论

本文通过对PHC-钢管组合桩的3种状态进行低应变数值分析，无缺陷PHC-钢管组合桩波形反射波与入射波反向，反射波波幅与入射波波幅幅值及波峰宽度相差不大，反射波后波形振荡较大、波峰峰值振荡递减；PHC管桩与钢管桩脱开时，低应变波形反射波与入射波反向、但波幅要远小于入射波波幅，幅值较小，反射波后振荡不明显，波峰值会很快回到0附近；PHC管桩断桩时，会在断桩部位进行反射，断桩以下不会有波形呈现。反射波与入射波反向、波幅较小，其特点与PHC管桩与钢管桩脱开时呈现的特点类似，增加分析时长，会出现第二次反射。由此表明采用低应变能检测法对于PHC-钢管组合桩脱开状态以及断桩情况适用。

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Study on feasibility of PHC⁃Steel combination pile low strain detection by ANSYS/LS⁃DYNA

OU YANG Feng1,WANG Qin⁃fen2,1,LI Huan1,CHEN Da1
(1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.China Design Group Co.,Ltd.,Nanjing 210014,China）

PHC⁃Steel pipe combination piles are widely used in engineering due to the good bearing capacity and light weight.As the underground project,the detection of PHC⁃Steel pipe combination piles becomes difficult because of the complex geological condition.And whether the traditional pile dynamic testing is suitable for the pile or not remains to be seen.In this paper,ANSYS/LS⁃DYNA was used to simulate the PHC⁃Steel pipe combination piles in the condition of no defects and two typical defects,then the applicability was discussed,which is favorable to the actual project.

PHC⁃Steel pipe combination piles;low strain;numerical simulation;ANSYS/LS⁃DYNA

TU 473;O 242.21

A

1005-8443（2016）06-0626-04

2015-09-15；

：2015-10-17

江苏省交通运输科技项目（2014T13）

欧阳峰（1978-），男，湖北省荆州人，讲师，主要从事港口工程结构研究。

Biography：OU YANG Feng（1978-），male，lecturer.