基于聲波透射法的樁基檢測及有限元研究

摘 要：傳統(tǒng)的樁基檢測方法操作復(fù)雜、成本較高，會在一定程度上干擾現(xiàn)場施工。本文提出了一種基于聲波透射法的樁基檢測技術(shù)，先介紹其測試原理及波速計算方法，然后通過有限元軟件分別建立二維、三維樁基數(shù)值模型，再比較直接法和本文檢測法在不同聲測管斜率和不同聲波接收換能器間距條件下計算的波速平均誤差。結(jié)果表明，使用本文檢測法計算的波速平均誤差較小，在不同聲測管斜率和聲波接收換能器間距條件下最大誤差為2.4%。本文的聲波透射法樁基檢測技術(shù)具有推廣價值。

關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ)；聲波透射法；無損測試；有限元分析

中圖分類號：TU 47" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

地基工程的質(zhì)量和穩(wěn)定性會直接影響工程的安全運(yùn)行和使用壽命。作為地基工程的重要組成部分，樁基礎(chǔ)在各類交通工程中具有廣泛應(yīng)用[1]。然而，由于樁埋藏在地下，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和質(zhì)量檢測一直是地基工程領(lǐng)域的難點(diǎn)。傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)檢測方法包括靜力測驗(yàn)和增量采樣分析等[2]，但這些方法具有操作復(fù)雜、成本高昂和干擾現(xiàn)場施工等局限性。聲波透射法可通過監(jiān)測和分析聲波信號反射、預(yù)警和衰減等現(xiàn)象，來獲取樁基內(nèi)部結(jié)構(gòu)和質(zhì)量信息，可在施工和運(yùn)營階段對樁基進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測[3]。在聲波透射法的實(shí)際應(yīng)用中，聲測管無法確保完全豎直，不同聲測管斜率和不同聲波接收換能器垂直間距對計算結(jié)果的影響尚未完全明確，因此本文提出了一種新型樁基檢測技術(shù)，旨在為類似的樁基工程應(yīng)用提供參考。

1 工程概況與測試原理

1.1 工程概況

本文以某橋梁樁基礎(chǔ)為研究對象。該橋梁對基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和承載力要求較高，場地地質(zhì)條件復(fù)雜，由多種土層組成（包括黏土層、砂土層和巖石層等），地下水位相對較高。樁的設(shè)計直徑為800mm，樁長30m，布設(shè)的2個聲測管未發(fā)生傾斜部位之間的間距為600mm。樁身混凝土材料參數(shù)見表1。

1.2 測試原理

直接法通過測量聲波在樁身材料中傳播的時間間隔和傳播距離計算聲波的傳播速度，是一種簡單、常用的波速測量方法。然而在實(shí)際應(yīng)用中，直接法測量波速的準(zhǔn)確性受樁基材料特性影響較大。在一些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料中，聲波的傳播路徑存在多次反射、折射和散射等現(xiàn)象，導(dǎo)致聲波波形復(fù)雜，使準(zhǔn)確識別首波波峰的到達(dá)時間更困難，進(jìn)而會影響波速計算準(zhǔn)確性。此外，直接法對聲波換能器的布設(shè)要求較高，如果聲波換能器方向與被檢測樁基材料表面法線夾角較大，會導(dǎo)致算出的波速平均相對誤差偏離正常值。

本文提出的聲波透射法是一種基于聲波傳播原理的樁基無損檢測技術(shù)。該方法利用聲波發(fā)射換能器發(fā)射聲波信號，并同時用聲波接收換能器接收3個位置的反射信號，通過對反射信號進(jìn)行分析和處理，來獲取樁基的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息和質(zhì)量狀況。進(jìn)行檢測時，聲測管固定在樁體表面或通過預(yù)埋的方式固定在樁內(nèi)，以保證聲波信號的準(zhǔn)確反饋和反射采集。聲測管常采用鋼材或PVC材質(zhì)，出現(xiàn)彎曲或傾斜時曲率半徑較大，改變3個聲波接收換能器間距時，視其位于一條直線上。根據(jù)聲波發(fā)射換能器和聲波接收換能器的幾何關(guān)系可得公式（1）。

（Tu·v）2+（Td·v）=2·（Tc·v）2+2·L02 （1）

求解得公式（2）。

（2）

式中：v為波速，m/s；T為接收點(diǎn)實(shí)測聲時，μs；L0為聲波接收換能器間距，mm。

2 有限元建模

根據(jù)上文所述建筑工程項(xiàng)目，利用有限元軟件分別建立樁段的二維和三維數(shù)值模型，以驗(yàn)證一發(fā)三收式聲波透射法的測試效果。為了模擬聲測管發(fā)生傾斜的情況，將聲波接收換能器接收點(diǎn)布設(shè)在一條傾斜的直線上。聲測管及聲波發(fā)射、接收換能器的布置位置如圖1所示。圖1中m、h和L0分別表示聲波接收換能器接收點(diǎn)的水平距離、豎直距離和間距，其中m取50mm，h取200mm，L0約為205mm。

在數(shù)值建模過程中，二維和三維模型分別采用有限單元CPE4和C3D8（CPE4適用于分析二維模型的平面4節(jié)點(diǎn)單元，C3D8適用于三維模型的8節(jié)點(diǎn)單元）。為模擬超聲波的發(fā)射，在聲波發(fā)射換能器激振點(diǎn)FS位置處施加水平方向的位移場。在樁身混凝土內(nèi)傳播的過程中，超聲波會隨傳播距離增加而衰減?；炷潦俏懿牧?，其中的顆粒、裂縫和空隙等都會導(dǎo)致超聲波能量出現(xiàn)衰減，因此采用HANNING窗函數(shù)[7]調(diào)制發(fā)射波信號。發(fā)射波信號如圖2所示。

受材料本身的非均勻性、儀器的限制和外部環(huán)境等因素影響，首波聲時難以辨別，因此采用每個聲波接收換能器接收點(diǎn)的首波波峰對應(yīng)的聲時減去激振點(diǎn)首波波峰對應(yīng)聲時的方法對聲時進(jìn)行修正。修正后的二維及三維模型各聲波接收換能器的接收信號時域圖如圖3、圖4所示。

二維和三維數(shù)值模型的各聲波發(fā)射換能器接收點(diǎn)信號數(shù)據(jù)見表2、表3。從表2、表3可以看出，本文方法計算出的相對誤差較低，在二維和三維數(shù)值模型中，該方法計算結(jié)果的誤差最大為0.8%，在1%以內(nèi)，而直接法的計算結(jié)果的相對誤差最大為20.8%，誤差較大。二維模型和三維模型計算結(jié)果的相對誤差數(shù)值差別不大。與三維模型相比，二維模型的計算速度較快，模型建立與修改快捷、方便且可以直觀地呈現(xiàn)出聲波的傳播路徑，因此下文分析均采用二維數(shù)值模型。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 換能器間距的影響

保持聲測管的傾斜角度不變，通過改變聲波接收換能器之間的水平間距m和豎直間距h，觀察在聲測管斜率一定的情況下，聲波接收換能器的布設(shè)間距對本文檢測法和直接法波速計算結(jié)果的影響。接收點(diǎn)分組及換能器間距見表4。

采用上述2種方法計算得出的波速平均相對誤差隨接收點(diǎn)垂直間距的變化情況對比圖如圖5所示。從圖5可以看出，直接法計算出的波速平均相對誤差隨聲波接收換能器垂直間距的增加而不斷增大，從4.5%增至15%。原因是直接法通常是通過測量聲波傳播的時間間隔和傳播距離來計算波速。當(dāng)聲波接收換能器垂直間距增加時，聲波傳播距離也會增加，2個聲測管之間的間距相應(yīng)減少。而直接法假設(shè)聲波在整個傳播路徑上的速度是均勻的且聲測管之間的間距在測試過程中不發(fā)生改變。本文檢測法得出的平均相對誤差隨聲波接收換能器垂直距離的增大，呈現(xiàn)出先增加、后降低并逐漸穩(wěn)定的趨勢。當(dāng)換能器垂直間距約為120mm時，平均相對誤差較大，為2.4%，其余間距條件下誤差較小，穩(wěn)定在1%以下。上述分析表明，本文檢測法計算的波速結(jié)果受聲波接收換能器垂直間距的影響較小，能夠較好地適應(yīng)其間距變化且計算的波速結(jié)果精度較高。

本文檢測法假設(shè)聲波在被測試樁身材料中傳播時材料是均勻的，表明波速在整個測試過程中是恒定的，不會因材料的不均勻性或結(jié)構(gòu)變化而發(fā)生顯著改變，即樁身縱截面上的3條超聲波測線范圍內(nèi)樁身的材料是均勻的。為了防止漏掉樁身縱斷面上材料分布不均勻的位置，需要對接收換能器的垂直間距進(jìn)行控制。建筑基礎(chǔ)樁基測試技術(shù)相關(guān)規(guī)范中規(guī)定聲測線間隔應(yīng)小于100mm，而聲波接收換能器的垂直間距不能超過聲測線間隔的50%，因此應(yīng)保證接收換能器垂直間距不超過50mm。

3.2 聲測管斜率的影響

基于上述二維數(shù)值模型，將各聲波接收換能器之間的間距L0控制在（206±0.5）mm，通過改變豎直間距h和水平間距m來改變聲測管的斜率k，觀察在相同間距條件下，斜率k對本文檢測法的影響。不同聲測管斜率條件下的分組情況見表5。

將本文檢測法與直接法計算出的不同聲測管斜率情況下的波速平均相對誤差進(jìn)行對比。結(jié)果表明，當(dāng)聲測管的斜率較小時，直接法計算出的波速平均相對誤差為18.3%。隨著聲測管斜率增加，平均相對誤差逐漸變小。當(dāng)聲測管斜率增至21%時，直接法計算出的波速平均相對誤差為4.6%。原因是隨著聲測管斜率增加，發(fā)射與接收傳感器之間的有效距離變短，2個聲測管逐漸接近平行，提高了信號的清晰度，能清楚地辨識出首波波峰的到達(dá)時間。此外，隨著聲測管斜率增加，聲波在被測材料中的傳播路徑更直接、穩(wěn)定。本文檢測法計算出的波速平均相對誤差在不同聲測管斜率條件下的變化幅度較小。當(dāng)聲測管斜率為8%時，計算出的誤差相對較大，為1.47%，不同斜率條件下的誤差均保持在2%以內(nèi)。由上述分析可知，無論聲測管的傾斜斜率較大或較小，本文檢測法的計算結(jié)果精度均較高，只要合理控制聲波接收換能器間距，在大多數(shù)聲測管傾斜斜率下均可采用本文的檢測法。

4 結(jié)論

本文建立了樁基二維及三維數(shù)值模型，探究了所提樁基檢測法在不同接收點(diǎn)垂直間距及聲測管斜率條件下的波速平均相對誤差，并與直接法進(jìn)行對比，所得結(jié)論如下。1）2種方法計算出的二維模型和三維模型的結(jié)果相近，其中直接法計算出的誤差較大，最大為20.8%。本文檢測法的誤差較小，在2種模型下均能保持在1%以內(nèi)。2）直接法計算出的波速平均相對誤差隨聲波接收換能器垂直間距增加而增大，最大誤差為15%。本文檢測法計算出的波速結(jié)果受接收點(diǎn)垂直間距的影響較小，最大誤差為2.4%。3）直接法計算出的波速平均相對誤差隨聲測管斜率增加逐漸變小。聲測管斜率增至21%時，其誤差為4.6%。本文檢測法計算出的誤差在各不同斜率條件下均能保持在2%以內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

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