码头桩基的纵波检测和扭转波检测的对比研究-2010.6.30

码头桩基的纵波检测和扭转波检测的对比研究季勇志，王元战，李珊珊（天津大学建筑工程学院，天津市港口与海洋工程重点实验室，天津300072）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。

关键词：码头桩基；无损检测；纵波；扭转波；数值模拟；LS-DYNA 中图分类号：TU753文献标识码：AStudy between longitudinal wave test and torsionalwave test of wharf pilesJi Yongzhi ，Wang Yuanzhan ，li Shanshan（Tianjin Key Laboratory of Harbor ＆Ocean Engineering ；School of Civil Engineering ，Tianjin University ，Tianjin300072，China ）Abstract ：The longitudinal wave test and torsional wave test of wharf piles are simulated by LS-DYNA explicit analysis method.The advantages and disadvantages are pointed out through the comparison of the waveform ，wave velocity ，attenuation rate ，loading way ，defect sensitivity and test accuracy of longitudinal wave test and torsional wave test of wharf piles.Moreover ，it puts forward the synthesis analysis of longitudinal wave and torsional wave of wharf piles nondestructive test.Finally ，it's shown that the simulated curves are in good agreement with those obtained from field measurements.Therefore ，the numerical simulations are effective.The conclusions have certain theoretical significance and guide significance to explore new method of the non-destruction test of wharf pilesKey words ：wharf piles ；nondestructive test ；longitudinal wave ；torsional wave ；numerical simulation ；LS-DYNA收稿日期：2010-01-21；修订日期：2010-06-30基金项目：国家自然科学基金项目（No.50979069）.作者简介：季勇志（1973－），男（汉族），河北省石家庄人，博士.0引言码头的桩基础［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 ˑ0.4m ˑ20m ；土体：4m ˑ4m ˑ23m ；桩底土厚度5m ，桩侧土厚18m ；面板：4m ˑ4m ˑ0.5m 。

桩帽高度0.5m ，横梁高1.0m 。

面板、纵横梁、桩帽和基桩之间为固连结构。

图1码头桩基结构模型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。

桩土材料参数表1类型密度（kg·m －3）弹性模量（Pa ）泊松比μ上部结构2500 2.7ˑ10100.2基桩2500 2.7ˑ10100.2桩侧土18001ˑ1080.3桩底土20005ˑ1080.32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：p （t ）=F max sin （1000πt ）（1）式中：p （t ）—瞬时激振力（N ）；F max —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 ˑ0.2m ，纵波检测得出的缩颈桩的速度时程曲线如图3所示。

图2完整桩纵波检测时程曲线图3缩颈桩纵波检测时程曲线对于纵波检测，桩身缺陷位置（或桩底位置）的计算公式为［5］：L =Δt ˑc /2（2）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：c =E /槡ρ= 2.7ˑ1010/槡2500=3286m /s （3）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0.50ms 、7.23ms 和12.11ms 。

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11.06m 和19.08m ，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1m （即距桩底19m ）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：M （t ）=M max sin （1000πt ）（4）式中：M （t ）—瞬时激振扭矩（N ·m ）；M max —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。

图4完整桩扭转波检测时程曲线对于扭转波检测，桩身缺陷位置（或桩底位置）的计算公式为［13］：图5缩颈桩扭转波检测时程曲线L =Δt ˑc s /2（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 s 为扭转波在桩身中传播的波速（m /s ），此处c s ≈1972m /s ，即：c s =G 槡ρ=E2ρ（1+μ[]槡）≈0.6c （6）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0.60ms 、11.70ms 和20.10ms 。

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10.94m 和19.23m ，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。