纵波扭转波传播理论研究与动力有限元分析.pdf

摘要 桩被 “植”入地下，是看不见的 “地下隐蔽工程”，施工过程中某一环节处理 不当，都可能形成桩基缺陷（缩径、扩径、离析、断桩），缺陷的存在必将影响桩 的工作性能。桩基极限承载力受两大方面因素的制约：一是桩周土层对桩的极限 支承能力，二是桩身的极限抗压(拉、弯)承载能力。对绝大多数工程来说，若设 计合理，土对桩基的支承承载力一般都能满足设计要求。然而，工程桩的单桩极 限承载力主要取决于桩身的承载力，因此，施工过程中造成的桩身质量缺陷是影 响工程桩极限承载力的最主要因素。于是，如何对桩基质量进行有效的评价是一 个亟待解决的问题。 基桩完整性检测目前主要使用应力波反射波法。该方法以经 的一维纵波理 论为基础，虽然简单易行，但其对浅部缺陷、小缺陷以及极深部位的缺陷极不敏 感。因此，无论是定性分析上还是定量分析上，仅靠应力波反射波法，是无法对 桩基质量上做出准确的判断的。 鉴于应力波反射波法存在的不足，本文从理论上分析了桩顶表面上传播的波 （P波、S波、R波）以及圆截面桩中各种应力波（钟型脉冲波、扭转波、弯曲波） 传播的机理，进而证实：基桩动测实践中，应力波中同时存在纵波、横波、表面 波以及弯曲波等多种成分。并且，本文对这些波种进行了相应的数值分析，同时， 对在桩周土阻力存在的情况下，一维弹性桩中一维纵波和扭转波的传播特性进行 了相应的研究，进而提出了纵波扭转波综合分析法。并通过动力有限元方法和工 程实例证实了纵波扭转波综合分析方法的合理性和可行性。 关键词：圆截面桩，纵波，扭转波，弯曲波，纵波扭转波综合分析，动力有限元 分析 I 摩擦作用，使护壁受到拉力，产生环向裂缝，护壁所受的周围土压力不均匀时， 又将产生弯矩和剪力作用，易引起垂直裂缝。而桩制作完毕，护壁和桩身混凝土 结为一体，护壁是桩身的一部分，护壁裂缝破损或错位必将影响桩身质量和侧阻 力的发挥。 （4 ）孔较深时，若没有采用导管灌注混凝土，混凝土从高处自由下落易产生 离析。 （5）孔底水不易抽干或未抽干情况下灌注混凝土，桩尖混凝土将被稀释，降 低桩端承载力。 4. 混凝土预制桩 混凝土预制桩大多用柴油锤、蒸汽锤或自由落锤打入土中。打桩过程容易发 生以下质量问题： （1）打桩时应选用合 的锤垫和桩垫。垫层过软会降低锤击能量的传递，打 入困难；垫层过硬，增大锤击应力，容易击碎桩头。一般最大锤击应力不容许超 过混凝土抗压强度的65%. （2）打桩的拉应力易引起桩身开裂。打桩拉应力的产生及大小与桩尖土的特 性、桩侧土阻力分布、入土深度、锤偏心程度和垫层特性有关。若桩较长，桩尖 土质较差，锤击入射压力应力波从桩尖反射为拉力波，最大拉应力大多发生在打 桩初期桩身中部一定范围，约（0.3～0.7）倍桩长位置；当桩尖土质较坚硬，入 射波在桩尖的反射仍为压力波，压力波传至桩顶，此时锤已回跳离开桩顶，应力 波因而就从自由桩顶反射形成拉力波，这时最大拉应力一般发生在桩的上部。当 拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土将开裂。 （3）桩锤不合 ，桩将难于打至预定设计标高或不满足贯入度要求。 （4 ）桩头钢筋网片设置、配筋不符合要求或桩顶混凝土保护层过厚，桩顶不 平，桩身混凝土强度等级低于设计要求等，打桩时都易击碎桩头。 （5）桩距设计不合理，或打桩次序安排不合理，往往导致打桩时将邻近桩挤 压折断。 （6）桩在运输、起吊过程中，支点和吊点的选择、配置不合理，导致桩身断 裂。 （7）桩尖遇到硬土层、孤石或障碍物，因锤击次数过多，冲击能量过大引起 桩身破裂或折断。 1.3 基桩检测技术的现状 桩基属地下隐蔽工程，无法采用简单而又直观的方法对其质量进行检测，且 受施工工艺等多方面影响，其质量较难保证。从影响施工进度和工程安全考虑， 如 快速、准确地检测桩基质量成为桩基行业内所关心的重要问题，工程实际需 3 要推动了桩基检测技术的快速发展。 1.3.1 静载试验法 静载试验方法是评价桩基质量的一种主要的传统方法。该试验方法比较成熟， 具有直接性、准确性及可靠性高等优点。但静载试验同时存在费工、费时、成本 高等缺点。在实际工程中能对为数极少的桩进行试验，由于抽样率低，试验结果 的代表性较差；另外，在对承载力较高的工程桩检测时，施工前往