平行地震波法用于古建筑浅基础检测的数值模拟分析_张军.pdf
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1、古建筑是文化与历史的象征,所以古建筑保护工作不可忽视。对于年久失修且建筑施工图纸早已消失殆尽的古建筑来说,评估它的基础结构稳定性非常困难,这对于后期的修缮维护是非常棘手的。因此对古建筑基础进行埋深检测是很有必要的。古建筑的地基基础主要有3个部分:基础、地基和台基。其中:基础是指木柱以下的部分,由柱础、磉(音sng)墩和磉墩以下的人工地基构成;地基是指基础以下的土层,它承载着全部建筑物的重量,可分为自然地基和人工地基2种;台基,又称“台”,是建筑物的基础,即建在地面上的方座部分。我国常见的古建筑基础一般分为6类:夯土、碎砖黏土、天然收稿日期:2022-11-30作者简介:张军,男,高级工程师,硕
2、士,主要从事结构安全风险分析、桥梁动力分析工作。通讯作者:张环林,男,工程师,学士,主要从事工程项目管理工作。引文格式:张军,欧阳军胜,张环林,等.平行地震波法用于古建筑浅基础检测的数值模拟分析 J.市政技术,2023,41(3):195-200.(ZHANGJ,OUYANG J S,ZHANG H L,et al.Numerical simulation analysis of shallow ancient buildings foundation detection by parallel seismicwave method J.Journal of municipal technol
3、ogy,2023,41(3):195-200.)文章编号:1009-7767(2023)03-0195-06第41卷第3期2023年3月Vol.41,No.3Mar.2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.03.195Journal of Municipal Technology平行地震波法用于古建筑浅基础检测的数值模拟分析张军1,欧阳军胜1,张环林1*,冯婕2(1.中交七鲤古镇(赣州)文化旅游有限公司,江西 赣州 341000;2.华东交通大学 土木建筑学院,江西 南昌 330013)摘要:借助有限差分软件 Tesseral 对古建筑浅基础埋深进行了数值模拟分析,
4、并分析了基础到旁孔距离、激振位置以及缺陷类型对基础埋深检测精度的影响,以便为实际工程提供参考。计算结果表明:对于砌体类浅基础埋深检测,为保证检测结果的精确度,基础边缘到旁孔的距离应尽量保持在 0.5 m 范围以内,且激振位置靠近旁孔。关键词:平行地震波法;浅基础;古建筑;基础埋深;数值模拟中图分类号:TU 471.11文献标志码:ANumerical Simulation Analysis of Shallow Ancient Buildings FoundationDetection by Parallel Seismic Wave MethodZhang Jun1,Ouyang Junsh
5、eng1,Zhang Huanlin1*,Feng Jie2(1.Zhongjiao Qili Ancient town(Ganzhou)Cultural Tourism Co.,Ltd.,Ganzhou 341000,China;2.School of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)Abstract:The numerical simulation analysis of the buried depth of the shallow founda
6、tion of the ancient building iscarried out by the finite difference software of Tesseral.The influence of the distance between the foundation and theside hole,the excitation position and the defect type on the detection accuracy is analyzed to provide a reference forthe actual project.The calculatio
7、n results show that the distance from the foundation edge to the side hole should bekept within 0.5 m as far as possible and the excitation position should be close to the side hole in order to ensure theaccuracy of the detection results for the detection of the buried depth of masonry shallow found
8、ation.Key words:parallel seismic wave method;shallow foundation;ancient building;embedment depth;numericalsimulationJournal of Municipal Technology第41卷石、灰土、砖石砌筑与桩基和筏形基础1。对古建筑基础进行检测的方法有很多种,其中平行地震波法属于单孔检测方法,多应用于检测桩基长度与完整性2-4,相关的研究也已十分充足。其优势在于,即使基础上面已有建筑物存在,也可使用该方法来判定基础的深度。该方法无须在基础的正上方顶部进行检测,只要有和基础接近且为
9、刚性连接的物体即可5-6。但该方法对浅基础埋深检测是否适用还有待于进一步探究。尤其是传统古建筑浅基础,多采用砖石、砂浆等材料砌筑而成,材料不均匀性显著,且由于服役时间长,受外界各种因素长时间侵蚀、风化影响,材料性能劣化显著,易出现空洞、裂缝等病害,使基础埋深检测的不确定性因素大大增加。目前,基于平行地震波法的数值模拟大部分围绕桩基检测展开研究,且主要集中于水泥搅拌桩的质量检测、既有桥梁基桩质量试验研究与桩长检测、确定桩底深度计算方法评价以及探测缺陷桩基的研究等方面,并取得了相应的理论成果,但该方法能否用于浅基础质量检测仍有待于探究。鉴于此,笔者以砖石基础为例,考虑基础自身空洞、裂缝等缺陷病害影
10、响,依托有限差分软件,分析平行地震波法在检测古建筑浅基础埋深和基础质量中的适用性,以便为实际工程提供参考。1检测方法与原理平行地震波法是在既有基础周围土体中钻检测孔,并在孔中利用三分量检波器或多道水听器链接收自基础顶结构激发沿基础向下传递的竖向纵波,利用应力波在基础材料内传播和透射的特征规律与异常,通过旁孔井中传感器来检测基础透射波初至波的时间规律,从而判断基础埋深与缺陷情况。其测试原理如图1所示。测试步骤如下:首先在待测基础距离不超过1.5m处钻检测孔,检测孔成孔后即进行测试;测试时,先将高灵敏度多道水听器编织成道间距1.0 m的水听器链,再将水听器链沉放至孔底;在基础顶部用小锤激振,并记录
11、每次激振数据,记录采样间隔时间为0.062 5 ms,记录时长为40 ms;按0.1 m间距提升水听器链,逐点测试,至水听器链提出孔口为止。由于砖、石波速大于土的波速,所以地震波到基础以下土层的时间要长。其中,曲线拐点以上的斜率对应于吸收来自基础自身波的传感器;曲线拐点以下的斜率对应于吸收位于基础底部以下土层波的传感器。图1中斜率改变的地方即可定义为基础的底端。同样,理论上在基础自身的缺陷处波到达的时间也长,初至波时曲线也会产生拐点7。2数值模拟平行地震波法在检测混凝土桩桩长中已得到广泛应用。因此,可根据平行地震波法原理,采用有限元差分软件Tesseral进行模拟,探讨应用平行地震波法检测浅基
12、础埋深与缺陷位置的可行性。Tesseral 2-D是一个可构建不同复杂地质模型剖面的商业化全波场模拟软件,可通过设置不同地层的物理特性构建地质模型,并基于5种波动方程有限差分数值解的算法进行精确计算。初至波到达时间场波场快照技术能够准确识别勘探目标产生的波长,追踪其在介质中的传播过程。相比于其他有限元模拟软件,Tesseral 2-D能够更好地模拟复杂地质体的地震响应和地震波在地下的传播过程。因此笔者采用Tesseral 2-D进行数值模拟。考虑模型简化且不失结论的一般性,同时为减小弹性波在土体边界反射影响,土体边界设置为吸收边界。为评价平行地震波法在检测浅基础埋深方面的适用性,笔者围绕浅基础
13、埋深开展动力分析,分别探究基础类型、基础到旁孔的距离、激振位置与基础内部缺陷等因素对埋深判断的影响,以便为实际工程应用提供理论依据。在均质土条件下,通过改变基础类型、基础到旁孔的距离、激振位置与缺陷类型,设置不同工况。设定砖石基础弹性波波速为1 842 m/s8,均质非饱和土弹性波波速为800 m/s。激振荷载施加位置位于基础图1平行地震波法测试原理Fig.1 Detection principle of parallel seismic wave method196第3期顶部,记录总时长取100 ms,采样间隔时间0.02 ms,测试孔内上下采样点相距0.1 m。输入地震波频率为1 500
14、Hz。模型工况设置如图2所示。为避免旁孔深度对测试结果造成影响,所有模型的基础埋深均为2 m,旁孔深度均设置为6 m。测试时考虑了基础分层性与缺陷影响。其中,缺陷类别分为内部空洞与裂缝。内部空洞又分为大、小空洞。缺陷分布及方向分为中部横向裂缝、下部竖向裂缝、底部斜裂缝和中部多条斜裂缝。模型参数设置如表1所示。g)底部斜裂缝h)中部多条斜裂缝图2模型工况设置Fig.2 Model working conditions settinga)完整无缺陷砖基础b)砖土复合基础c)小空洞d)大空洞e)中部横向裂缝f)下部竖向裂缝3结果分析与讨论3.1基础类型的影响首先分析砖基础和砖土复合基础下基础埋深检测
15、的影响特性。其中,砖基础为均质材料,砖土复合基础考虑砂浆等砖间砌筑材料影响,为非均质基础。2种基础类型下波形与时-深曲线对比如图3所示。张军等:平行地震波法用于古建筑浅基础检测的数值模拟分析197Journal of Municipal Technology第41卷表1模型参数设置Tab.1 Model parameters setting材料名称厚度/m泊松比P波速度/(m/s)S波速度/(m/s)不均匀土层基础砖间砌筑材料空洞(水)8.02.00.10.30.30.30.58001 8421 0001 500427.5985.0534.50.3对于基础埋深检测而言,在基础顶部竖向激振下,完
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