码头桩基（共4篇）
码头桩基 篇1
摘要：针对某码头桩基进行了数值计算。结果表明, 桩端岩土层越刚硬, 桩顶轴力越大, 各桩桩顶和桩基整体位移越小。角桩的桩顶轴力最大, 中心桩的最小。
关键词：超长群桩基础,差异沉降,桩距,数值计算
普通桩根据桩端和桩侧土分担的桩顶荷载比例, 可以分为端承桩、摩擦端承桩、摩擦桩几种形式。对端承型群桩而言, 承台将桩顶荷载分配给各桩, 而各桩的荷载基本或全部由桩端承担。桩端的持力层一般比较刚硬, 各桩的贯入变形很小, 承台土反力也很小。同时, 通过桩侧阻力传递到土层中的应力也很小, 其工作状态与独立单桩基本相近。摩擦型群桩则是承台分配给各桩的荷载基本或全部由桩侧土摩阻力分担。摩擦端承桩介于二者之间。但对于超长群桩而言, 桩土位移比较大, 即使桩端土层很刚硬, 桩侧摩阻力也不可忽视, 不能将其简单地分为摩擦型或端承型。
另外, 在竖向荷载的作用下, 不仅桩直接承受荷载, 而且在一定的条件下桩间土也可能通过承台底面参与承载;同时各个桩之间通过桩间土产生相互影响;来自桩和承台的竖向力最终在桩端平面形成了应力叠加, 从而使桩端平面的应力水平大大的超过单桩, 应力扩散的范围也远大于单桩。超长桩由于桩侧摩阻力和桩端摩阻力不是同时发挥, 而要桩端的承载力充分发挥就需要相当大的桩顶位移, 可能导致上部结构对沉降的要求不能满足。
本章采用数值计算方法, 分析在桩端土刚硬和软弱的情况下, 对承台群桩基础的承载性状的影响, 并考虑承台-桩-土相互作用, 以合理设计桩基承台。
1 数值建模
桩端土层分别取黏土、砂土和圆砾进行对比计算。土体建模采用110m×110m×115m的实体。土体的本构关系采用摩尔-库伦模型。
超长桩桩长90m, 桩直径1.5m。桩混凝土材料的弹性模量为3.0×107kPa, 泊松比取0.2。群桩基础由9根桩组成, 均匀布置。超长桩用FLAC3D内置的桩结构单元。
承台的尺寸为10.0m×10.0m×2.0m, 材料和桩基础的一致。承台采用弹性本构模型, 实体单元。在承台表面作用488Pa的均布力。针对不同土层, 承台标高取承台下表面+2.0m的高承台进行分析。
2 不同桩端土层对高承台的影响
取承台底标高+2.0m, 分别对应的桩端土层为黏土、砂土和圆砾进行计算, 结果如图1。
由图1可以看出:桩端为圆砾对应的各桩的桩身轴力最大, 砂土次之, 黏土的最小。表明桩端岩土层越刚硬, 各基桩的桩顶轴力越大。即由基桩承受的荷载增加, 而由承台分担的荷载减小。不同桩端土的桩基, 都是角桩的桩顶轴力最大, 中心桩的最小。
由图2可以看出:桩身位移, 以桩端土层为黏土对应的桩身位移最大, 砂土的其次, 圆砾的最小。表明桩端岩土层越软弱, 桩顶位移越大。不同桩端土层的桩基, 都是角桩的桩顶位移最大, 边桩的其次, 中心桩的最小。
3 结语
由以上高承台群桩的计算结果可以得出以下结论。
(1) 高承台桩端岩土层越刚硬, 桩顶轴力越大。
(2) 高承台桩基, 无论桩端岩土层如何, 都是角桩的桩顶轴力最大, 中心桩的最小, 基本上都是负值。
(3) 桩端岩土层越刚硬, 各桩桩顶和桩基整体位移越小。
(4) 高承台桩基, 无论桩端岩土层如何, 都是角桩的桩顶位移最大, 中心桩的最小。
参考文献
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[3]阳吉宝.超长桩的荷载传递机理[J].岩土工程学报, 1998, 20 (6) :108～112.
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码头桩基灌注桩施工技术探析 篇2
某码头项目为沿海城市某地的重要码头工程，该工程为码头承台+引桥式布置，布置两个7万吨级泊位，分别为2号、3号泊位，两个泊位总长度542m，码头承台宽度30.5m。码头采用高桩梁板结构。排架间距为9m，每个排架上布置8根钢管桩，包括一对双直桩、两对叉桩和两根单直桩。钢管桩直径为Φ1000mm和Φ800mm。引桥采用高桩梁板结构。引桥下部桩基靠近码头三排选用650mm×650mm预应力混凝土空心方桩，其余部分选用中Φ800mm灌注桩，钻孔灌注桩桩径为800mm，共78根。引桥接岸挡土墙灌注桩桩径为600mm，共52根。
灌注桩施工
1. 钻孔平台搭建
由于灌注桩前排泥面标高较低，在施工中需要搭设钢平台确保设备能够正常施工，水上部分由于压脚块石平台基础承载力较好，利用吊机安装钢桁架结构，上部使用大型型钢将桁架结构连接成整体，形成工作平台。平台长36m，西引桥宽12m，其他两座引桥宽23.5m，平台顶标高5.5m，以保证高潮位时不被淹没。
2. 钻机选择
选用冲击钻和回旋型钻机配合。主要性能：钻孔直径80cm（挡土墙钻孔6ocm），钻孔深度37m（挡土墙钻孔深度28m，动力功率30KW）。
3PN型泥浆泵：泵流量54～151m3/h，泵压0.26MPa～0.15MPa，～ 522KW。
3. 钢护筒制作、下沉
引桥灌注桩钢护筒内径85cm，壁厚6mm，护筒长度13 5m；挡土墙灌注桩钢护筒内径65cm，壁厚6mm，护筒长度4 5m。为了保证振沉护筒过程中不卷边，在护筒底焊接15cm长、6mm厚的加强钢板。
使用吊机吊振动锤沉放钢护筒，并将护筒顶与工作平台固定。沉放时用吊机吊护筒先自沉，然后再用振动锤将护筒沉至-8.0m处。
护简埋设时，护筒深度视地质情况而定，并保证伸人呢层3.0m以上，达到不跑浆为止及灌注混凝土不露浆，不造成断桩；护筒中心与桩位偏差不得大于50mm，护筒斜度偏差不大于1%。
护筒沉放后测量必须复核偏位，偏位符合规范要求才可开钻，若超过规范允许偏差则重新调整护筒。
采用振动锤下沉钢护筒工艺。振动锤选用DZ40型振动锤：击振力139～335kn，功率40KW。
4. 施钻要点
稳钻平面位置误差≯1cm，钻进时检查钻盘水平度和钻杆倾斜度是否合格（水平气泡偏位半格以内，倾斜度<1/300H为合格），不合格时应调整至合格后再钻进。
钻进过程中对照“地质柱状图”及时捞取钻渣，分析地质吻合情况，以便调整钻速和泥浆指标。密切观察有无异常情况，发现异常立即停钻，及时处理。
钻进过程中直至成桩前，始终保持孔内水头高度高于海水水位2m，使孔内产生0.02MPa的静水压力。
终孔时，使用测深锤量测孔深与钻具的有效进尺长度是否符合。无误且孔深满足要求后即抽浆渣清孔。
5. 成桩施工
钢筋的加工制作以及单件焊接接长，按常规法施工。钢筋骨架的分节制作，采用胎具法成型，在每节骨架首尾两端箍筋圈上加焊临时加固钢筋，吊装入孔时割除。吊架入孔時按挂牌编号逐节起吊骨架就位。两点水平起吊，待骨架立直后由上吊点吊人孔内。各节钢筋骨架主筋的整体组装结合，采用上层钢筋笼主筋与下层钢筋笼主筋搭接焊接形成整体的工艺。
灌注水下混凝土使用内径250ram、壁厚10mm的卡口式导管，导管使用前经过水密性试验和过球检验，均能满足要求。然后按入孔顺序逐节编号和标定累计长度。导管人孔时在底节设置保护钢丝绳，以备意外故障发生时提拔导管之用。
6. 水下混凝土配制和灌注
水下混凝土的配合比按规范有关规定通过试验确定。防止水下混凝土在灌注过程中的凝固而导致重大质量事故发生。混凝土采用陆地搅拌站供灰，混凝土泵送工艺。以剪球排浆方式灌注首批混凝土，整个灌注过程连续进行并在首批混凝土初凝前完成。
水下灌注过程中的导管埋深保持在2m～9m。一般每次导管上提前埋深为9m，上提6m。最后一次上提导管的埋深不大于6m，并缓慢提出，以免桩内夹人泥芯或形成空洞。
灌注的关键是准确测量水下混凝土顶面高程和确保混凝土连续灌注。混凝土桩头预留0.5m，待混凝土强度达到10MPa后再用风镐凿至设计高程。
常见问题处理和预防
1. 塌孔与缩径
钻孔过程中，在淤泥质地层钻进时，容易产生缩径。为了保证孔径符合设计要求，可以采用上下反复扫孔，扩大孔径。另外，应经常检查钻锥尺寸，如发现钻锥磨损过大应及时更换，保证孔径满足设计要求。在砂层中钻进容易产生塌孔，为了防止塌孔可以适当加大泥浆比重，控制钻机钻进速度，以稳定土壁。
2. 孔身偏斜
钻孔中如遇孔身偏斜、弯曲时，应分析原因，进行处理。一般可在偏斜处吊住钻头往复扫孔，使钻孔正直。或使用粘土回填到偏斜处，待沉积密实后钻进。防止发生上述现象的主要措施有：保持钻机平稳，钻进速度均匀，并及时检查垂直度。
3. 漏浆
成孔过程中，泥浆向孔外漏失，原因主要是透水性强的土层或护筒埋设较浅，回填土不密实或护筒接缝不严密等致使漏浆产生。若产生时宜采取将护筒周围回填土夯实，封闭接缝，稳住水头等措施。
4. 糊钻及埋孔
成孔过程中，若遇此情况应对泥浆稠度、钻渣进出口、钻杆内径大小、排渣设备进行检查计算，并控制适当的进尺。若已严重糊钻，应停钻，提出钻锤，清除钻渣。
5. 掉钻落物
掉钻落物时，宜迅速打捞，使用打捞叉、钩、绳索等工具打捞。若落物已被泥砂埋住，应按前述各条，先清除泥砂，使打捞工具接触落体后再打捞。
码头桩基工程施工技术分析 篇3
关键词：码头工程,桩基,冲击钻孔桩,锚杆嵌岩桩,钢管桩
1 码头工程中桩基类型的选择依据
1.1 据不同的地质状况
我国的海域面积广阔, 码头工程施工中桩基的选择要根据当地的不同地质状况来选择不同的桩基类型。不同地区的码头势必存在不同的地质状况, 桩基的选择在前期一定要对桩基工程所在地的具体地质状况进行数据收集和科学分析, 这就要求我们技术工作人员始终要遵循一切从实际出发的原则进行, 选择适当的类型施工, 才能达到更好的施工效果。
1.2 据不同桩基特性
桩基的类型也分很多种, 不同的桩基特性, 有其不同的使用范围。在对码头工程中桩基工程施工时, 有效的采用科学合理的桩基类型, 是保证施工质量的有效方法, 在此, 根据不同的特性, 桩基类型大致分为以下三点:第一, 预应力管桩。这种管桩的基本形式看似与某些常见的钢管桩形式类似, 但是预应力管桩的承载力要小于钢管桩, 它的施工难度也相对较大, 所以预应力管桩还不是那么的被普遍应用。第二, 水冲桩类型。从形式上来看, 水冲桩的形式和大部分的钢筋混凝土的形式是存在一定的相似性的, 但是水冲桩主要用于基数较大的砂土地质结构, 存在相当大的不易控制的缺点。第三, 大管桩的使用。一般来说, 这种管桩的密实性好, 具有很好的低渗透性和承载力, 常用在海洋工程和海岸等的桩基工程结构中。
1.3 从码头的实际结构和承载力上分析
码头工程中的桩基工程施工地主要是在各个不同区域的码头进行, 除了对码头地质上的分析外, 还要从码头的实际结构和承载力上进行分析, 不同的码头有不同的结构类型, 所需要的适合的桩基类型也存在不同的差异, 这一步分析是不可或缺的。如果在施工建设前期, 能够充分的对码头结构进行分析, 并对桩位分布和承载进行确定和掌握, 在后期施工中将起到事倍功半的效果。
2 码头工程中桩基工程关键施工技术
2.1 冲击钻孔桩技术分析
码头桩基工程施工中, 首先就是要把海堤和线桥连接起来, 这个施工中常用到的技术就是钻孔灌浆技术。不仅可以把桩基与海堤连接起来, 形成更具有整体性的, 稳定性的码头, 而且这种技术使得桩基更为牢固, 刚性也较好, 施工的具体步骤如下:
利用冲击钻对粘土层进行多次冲击成孔, 在每次冲击后进行一次回填, 一般经过三次以上就可完成, 再放置钢护筒。但黏土层到桩的底部位置需要一次性的钻孔成功。
2.2 具体的技术分析
(1) 对护筒进行埋设时, 要注意护筒的选择, 护筒根据技术标准设计的进行, 如由10mm的钢板制成的, 选择护筒的直径也要大于桩基的直径, 护筒长度选择要根据实际的土层进行选择。护筒的埋设时, 首先要对基坑进行清理工作, 通过人工挖掘等对外围的土层夯实, 埋设位置要根据设计中的要求进行选择, 保证护筒的中心跟桩心重合, 并且确保误差控制在1cm之内。
(2) 在冲击钻孔施工中, 开始要放慢速度, 为保证泥浆不被溅出来, 速度一般要小于50cm, 当进行到一定深度之后就可正常进行钻孔工作, 这个工程中还可采用外加循环来冲击成孔。而为了保证施工的质量, 当冲击到粘土层之上的淤泥层时, 注意要用石块进行回填后再来进行冲击, 回填的次数一般控制在三次左右, 可有效的保证成孔的稳定性。
(3) 注意对钢筋笼的吊装。主要是对其施工时吊装的速度与垂直角度注意下, 确保速度适当和角度上的准确, 避免造成孔壁的破坏。安装到位后用钢筋固定, 以保证位置的精确。最后再对混凝土施工工艺注意下, 为保证混凝土的供应连续性, 就要保证导管埋设的够深, 利用各种技术防止出现弊端, 导管可上下移动三到五次, 移动的幅度大约在5cm左右。
2.3 锚杆嵌岩桩技术的运用
锚杆嵌岩桩技术在码头桩基工程的施工中是比较常见的钢管桩技术之一, 其较易操作, 施工技术也主要是考虑桩力和水平的移动距离, 不过此技术的成本较高, 在施工中, 要一步一步的把钢管深入到底层。要从设备平台的搭建开始, 一步一步的安装钻机, 套管等, 再进行岩层的定位后成孔, 再把泥浆灌注进去。这一过程要注意的有:
(1) 在成孔中要用到内钻机进行大型的钻孔施工, 因此为保证施工的质量与安全, 要选择直径较大的孔桩并且将钢管桩深入其底部, 不至于在施工时出现泥土影响施工质量, 确保管桩内部的清洁。成功后也要注意对孔口的保护, 清孔时避免出现损坏孔口等不必要的问题。
(2) 针对导向架安装的问题。一般来说, 导向架的安装是在进行工程建设前就要完成的, 并且将由钢管和导向盘制作的导向架与其他钢管连接起来, 安装时要将卷扬设备等逐一放置到钢管节中。
(3) 对锚杆孔的施工注意。锚杆孔的施工通常选用牙轮钻, 然后是合金钻头等。在施工前期就应该先根据地质的勘测情况来结合施工经验选择锚杆孔的施工方式。不过具体情况具体分析, 虽然更为标准的技术是基岩锚孔钻进技术, 为保证成孔的稳定性, 都还是要按照具体的工程实践来进行选择的。锚孔钻成后要进行清理工作, 可用气举反循环的方式进行, 直到清理工作进行到设计需要深度为止。
(4) 锚杆安装和注浆时的注意。把锚杆, 利用卷扬机吊起到导向架的孔口位置, 用灌注的导管逐根的连接到锚孔内部, 让注浆时的关口距离锚孔底部在20cm左右, 然后对此使用注浆泵来进行注浆。注浆的体积应根据钢管桩的要求进行, 其中深度要求为锚孔的底部一直到钢管桩的底部。在完成之后抽出导管, 再把锚杆置入。
3 工程实例分析
3.1 工程概况
某大型煤炭中转码头的建设规模, 年运输煤炭量为3, 000万吨, 其中每年的进港量为1, 500万吨, 出钢量为1, 500万吨。码头的结构是采用的高桩梁板式的结构, 根据码头区域不同的地质状况, 水深以及受力的特点, 该码头桩基分别采用了钢管桩、预应力泵方桩和锚杆嵌岩钢管桩的类型。上部结构采用了浇筑桩帽, 大节点结构, 预制梁、板、现浇面层等。
3.2 锚杆嵌岩桩施工技术的控制
本工程装船码头及栈桥均有锚岩桩, 锚孔直径为小于300mm, 锚杆为2根100槽钢, 长6m, 深入中风化基岩4m, 通过注浆管将配制好的M35水泥浆将锚杆与基岩固结, 基岩面层再浇筑3m的C30膨胀砼。锚杆嵌岩桩施工质量较难控制, 实施中重点对以卜几个环节进行控制:
(1) 施工平台搭设。根据桩排架不同采取不同的搭设方案, 装船码头联桥、防护簇桩、防撞墩锚杆嵌岩桩的施工平台搭设采用桩基夹围囹的搭设;栈桥由于排架间距较大, 不能采用自身桩基夹围图搭设平台, 为保证已沉钢管桩的自身安全, 先把锚岩钻孔的所在排架夹好钢围图连成整体, 施工平台采用厚l0mm, 直径600mm的钢管桩支撑, 用60T浮吊 (双钩) 配合60型振动锤打入淤泥层以下15~20m。
(2) 基岩面层和中风化岩层的确认。设计要求从基岩进入中风化岩层4m, 施工操作中多钻入500mm, 以确保符合设计要求, 并在第一根桩取样时, 请设计及勘探单位技术人员到现场, 共同确认。
(3) 锚杆安放和灌注水泥浆, 确保锚杆安放到位, 水泥浆严格按照设计要求配制, 水泥浆一次灌注到基岩面层;钢管桩内水下砼的浇筑按硷灌注桩规范要求严格控制。
参考文献
[1]韩红, 林世骏.影响桩基工程施工质量的因素及其施工工艺的探讨[J].科技资讯.2006 (18) .
码头桩基 篇4
码头的桩基础[1]是支撑码头上部结构的受力构件,对于码头的稳固至关重要。由于码头施工中一些不规范操作和运营中受到超载船只的撞击或风暴地震等自然力的破坏,导致码头部分基桩出现缩颈、离析、扩颈、断裂等桩身缺陷。尽管这些桩身缺陷会严重威胁码头的正常使用,但是,由于码头桩基属于隐蔽工程,使得这些质量隐患往往不易被发现。所以,在码头的施工和使用中及时进行桩基检测十分重要。
码头桩基完整性无损检测远比单桩完整性无损检测复杂[2~4]。单桩完整性无损检测源于一维应力波理论[5],以低应变法[6]应用最为广泛。其中,又可分为低应变纵波检测[7]和低应变扭转波检测[8]。码头桩基在采用纵波检测时,遇到了码头上部结构[9]的干扰。这种干扰使得码头桩基的完整性难以分辨。而码头桩基采用扭转波检测的尝试,曾在国际上有过成功经验,但在国内目前研究尚少。总之,正是由于码头桩基完整性无损检测的独特性和复杂性,使其成为桩基检测行业的技术难题,至今仍未找到理想的解决方法。
针对这一难题,本文采用LS-DYNA[10,11]显式分析方法对码头桩基的纵波检测和扭转波检测分别进行了数值模拟,并做了较为深入的对比研究。
1 码头桩基的数值模型及参数确定
本文建立的码头桩基有限元模型如图1所示。基桩:0.4m×0.4m×20m;土体:4m×4m×23m;桩底土厚度5m,桩侧土厚18m;面板:4m×4m×0.5 m。桩帽高度0.5 m,横梁高1.0 m。面板、纵横梁、桩帽和基桩之间为固连结构。
采用低应变法作桩基无损检测时,桩土均处于线弹性变形阶段[12],而且其变形均为小变形。所以基桩、上部结构(包括面板和纵横梁)及桩周土全部采用线弹性材料,桩土材料参数见表1。
LS-DYNA显式求解时采用六面体单元划分网格,并采用Sizes control方式控制网格的疏密程度。面板和纵横梁的截断面及桩周土外侧面均建立无反射边界,同时约束桩底土的全部底面节点的纵向自由度。
2 码头桩基纵波检测和扭转波检测的数值模拟
2.1 纵波检测
根据《港口工程桩基动力检测规程》(JTJ249—2001)第4.3.6条规定:上部有承台的桩的检测,可采用桩侧竖向激振或承台面桩内范围重锤竖向激振,并采用桩侧安装加速度传感器接收信号的方法进行。所以,对图1所示的码头桩基结构,可以在距桩帽底面1m(即距桩底19m)的桩身侧面安装刚度匹配的连接块,然后在桩侧施加历时1ms的瞬态纵向激振力p(t),并采用半正弦脉冲模拟:
式中:p(t)—瞬时激振力(N);Fm ax—最大瞬时激振力,取1000N;t—激振力作用时间(s),0≤t≤0.001。
同时,将速度传感器安装在桩身另侧以接受应力波纵向反射信号,即沿Y轴方向的应力波反射信号。
对于基桩完整的情况,纵波检测得出的速度时程曲线如图2所示;对于基桩有缩颈缺陷的情况,将缩颈缺陷定义在距桩帽底端12m至15m之间,缩颈处横截面0.2m×0.2m,纵波检测得出的缩颈桩的速度时程曲线如图3所示。
对于纵波检测,桩身缺陷位置(或桩底位置)的计算公式为[5]:
式中:L为桩身缺陷(或桩底)至传感器安装点的距离(m);Δt为速度波第一峰与缺陷(或桩底)反射峰的时间差(s);c为桩身纵波波速(m/s),此处:
从图2和图3的数值模拟结果中读取数据可知,达到速度波第一峰(即激振脉冲峰值)、缩颈反射第一峰和桩底反射第一峰的时间依次为0.50 ms、7.23 ms和12.11 ms。分别代入式(2),计算得出缩颈缺陷的开始位置和桩底位置依次为11.06 m和19.08 m,与预先定义的缩颈缺陷的开始位置(11m)和桩底位置(19m)均比较接近。
2.2 扭转波检测
对图1所示的码头桩基结构,在距桩帽底面1 m(即距桩底19 m)的桩身侧面施加瞬态横向扭转力距,并采用半正弦脉冲模拟:
式中:M(t)—瞬时激振扭矩(N·m);Mm ax—最大瞬时激振扭矩,取40N·m;t—激振力作用时间(s),0≤t≤0.001。
同时,将速度传感器安装在桩身的激振位置附近用于接受应力波横向反射信号,即沿X轴方向的应力波反射信号。
对于基桩完整的情况,扭转波检测得出的速度时程曲线如图4;对于基桩有缩颈缺陷的情况(缩颈缺陷定义同前),扭转波检测得出的速度时程曲线如图5。
对于扭转波检测,桩身缺陷位置(或桩底位置)的计算公式为[13]:
式中:L为桩身缺陷(或桩底)至传感器安装点的距离(m);Δt为速度波第一峰与缺陷(或桩底)反射峰的时间差(s);cs为扭转波在桩身中传播的波速(m/s),此处cs≈1972m/s,即:
从图4和图5的数值模拟结果中读取数据可知,达到速度波第一峰值(即激振脉冲峰值)、缩颈反射第一峰值和桩底反射第一峰值的时间依次为0.60 ms、11.70 ms和20.10 ms。分别代入式(5),计算得出缩颈缺陷的开始位置和桩底位置依次为10.94 m和19.23 m,与预先定义的缩颈缺陷的开始位置(11m)和桩底位置(19m)均比较接近。
3 对比分析
在结构参数相同的前提下,本文分别模拟了码头桩基的纵波检测和扭转波检测,结合模拟检测得出的速度时程曲线,对比码头桩基的纵波检测和扭转波检测,可以发现如下规律:
(1)波形方面:在图2的纵波速度时程曲线中,可以看出码头完整基桩检测波形也存在桩身的多次反射,这是由上部结构、桩帽、桩周土的影响[14,15]和桩身的三维效应[16]所致。在图3所示的缩颈桩纵波速度时程曲线中,桩身的多次反射现象更加明显,这主要由缩颈反射和原来的完整桩的桩身反射互相叠加造成的,所以从图3的波形直接判断桩身缺陷情况非常困难。
相比之下,扭转波检测(图4、图5)成功地避开了梁板和桩帽等因素的干扰,从检测波形上可以直观地看出桩底反射和缩颈反射。所以,扭转波检测在码头桩基检测方面具有更好的可识别性,值得进行深入的探讨;
(2)波速方面:从式(6)可以看到,扭转波波速约为纵波波速的0.6倍。所以,扭转波的桩底反射(见图4,约0.02s出现)和缺陷反射(见图5,约0.011 s出现)均分别滞后于纵波的桩底反射(见图2,约0.012s出现)和缺陷反射(见图3,约0.007s出现)。另外,对于扭转波,不同频率的扭转谐波都以相同的相速传播,无频散现象[6],而纵波在传播过程中存在频散问题;
(3)衰减幅度:激振能量沿桩身传播时受到桩土的阻尼作用而不断衰减。为了更准确地区分纵波检测和扭转波检测的衰减幅度,定义相对衰减系数α如下:
式中:A1为入射波峰值,A2为第一次桩底反射波峰值。
对于码头完整桩纵波检测速度时程曲线(图2),其纵波检测衰减系数:
对于码头完整桩扭转波检测速度时程曲线(图4),其扭转波检测衰减系数:
可见:α1<α2。再对比码头缩颈桩的纵波检测和扭转波检测,其衰减幅度亦有此规律。这说明应力波在桩身传播过程中,扭转波较纵波衰减的更快;
(4)加载方式:低应变检测通常采用力锤或力棒进行加载。对于码头桩基纵波检测,用力锤作纵向加载容易实现,而对于码头桩基扭转波检测,用力锤产生纯扭矩较难实现;
(5)缺陷敏感度:当桩身缺陷长度小于入射波脉冲长度(脉冲时间与波速的乘积)的1/4左右时,桩身质点速度的反射波将掩盖缺陷的存在或弱化缺陷的严重程度。由于扭转波波速小于纵波波速,当脉冲时间相同时,扭转波的脉冲长度小于纵波,所以扭转波可以识别更小的桩身缺陷。从这一点来说,扭转波具有更好的缺陷敏感度,因此更适合检测码头基桩的浅部缺陷及小缺陷;
(6)检测精确度:对比码头桩基纵波检测和扭转波检测的计算结果,发现在确定桩底和桩身缺陷的具体位置方面,一般纵波比扭转波更为准确。
4 工程实例
为了验证上述数值模型的可行性和分析结果的准确性,对上海市星海城B栋的58#基桩的实测曲线[13]和模拟曲线进行了比较。实测桩直径0.8m,桩长66m,混凝土标号C30,为预制桩。采用RS-1616(K)基桩动测仪对其进行纵波检测和扭转波检测。纵波实测速度时程曲线如图6,扭转波实测速度时程曲线如图7。从图6的纵波检测波形和图7的扭转波检测波形中均可以看到明显的桩底反射,综合纵波和扭转波检测结果,可以判定该实测桩为完整桩。
采用LS-DYNA显式动力分析方法对其进行数值模拟。基桩:0.8m×66m;土体:8m×8m×75 m,其中,桩底土厚度10 m,桩侧土厚度65 m。基桩密度ρ=2500kg·m-3,弹性模量E=3.062×1010Pa。由式(3)算出桩身纵波波速c=3500 m/s,由式(6)得出扭转波波速cs≈2100m/s。纵波检测和扭转波检测模拟速度时程曲线见图8和图9。
两图中均可看到明显的桩底反射。采用纵波检测时(图8),达到速度波第一峰值(即激振脉冲峰值)和桩底反射峰值的时间依次为0.49ms和38.24 ms,由式(2)算出桩底位置66.06 m。采用扭转波检测时(图9),达到速度波第一峰值(即激振脉冲峰值)和桩底反射峰值的时间依次为0.90 ms和64.24 ms,由式(5)算出桩底位置66.52 m。可见,两种检测方法的模拟结果与实际桩底位置(66m)均较为一致,表明建立在LS-DYNA显式分析方法基础上的纵波检测和扭转波检测的数值模拟具有可行性和有效性。
5 结语
(1)对于码头桩基完整性无损检测,扭转波比纵波具有优越性。首先,扭转波检测可以有效地避开梁板等上部结构的干扰;其次,扭转波较纵波具有更好的缺陷敏感度。但是,在相同检测条件下,扭转波较纵波衰减快,因此对桩身的深部缺陷不易检测出来。所以,码头桩基完整性无损检测,应把纵波检测和扭转波检测结合起来,充分发挥各自的优势,这样才能准确地反映码头桩基的完整性。
(2)扭转振动波速约为纵向振动波速的0.6倍左右,所以在桩身的特征反射方面扭转波均滞后于纵波。
(3)在桩身变形方向上,扭转振动和纵向振动完全不同。扭转振动使桩身主要产生横向变形,因此扭转波对横向裂缝更加敏感,对于纵波无法识别的小裂缝往往可以有效地检测到。
(4)对于码头桩基完整性无损检测,扭转波手工加载比纵波手工加载困难的多。所以,如何简便地在桩侧通过激振产生纯扭矩值得作进一步的研究。
(5)数值模拟结果与实测曲线的对比表明,采用LS-DYNA显式分析方法能够较好地反映码头桩基结构的实际瞬态动力作用特征,模拟效果良好。在此基础上得出的结论对于码头桩基完整性无损检测具有比较重要的理论意义,对于探索新的码头桩基检测方法也有一定的参考价值。
摘要：运用LS-DYNA显式分析方法对码头桩基的纵波检测和扭转波检测分别进行了数值模拟,然后通过对比纵波检测和扭转波检测的波形、波速、衰减幅度、加载方式、缺陷敏感度和检测精确度,指出了两者在码头桩基检测中的优缺点,进而提出将两者结合起来进行码头桩基的完整性无损检测的建议。最后将数值模拟曲线与实测曲线进行对比,发现两者一致性较好,表明数值模拟是有效的。在此基础上得出的结论对于码头桩基完整性无损检测具有较重要的理论意义,对于探索新的码头桩基无损检测方法有一定的参考价值。