一發三收式樁基聲波透射檢測技術及數值模擬分析

王奎華，于 喆，項馳軒，吳君濤，邱欣晨

(1.浙江大學 濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州 310058;2.浙江大學 軟弱土與環境土工教育部重點實驗室，浙江 杭州 310058)

0 引 言

樁基作為一種應用廣泛的基礎形式，其質量檢測技術一直備受關注。常見的樁基無損檢測技術有低應變檢測法[1-5]、旁孔透射法[6-9]、聲波透射法[10-13]等。聲波透射檢測技術因具有檢測樁長不受限制、檢測結果精確可靠等優點，普遍應用于混凝土灌注樁無損檢測中。其基本方法是：將聲波發射換能器和接收換能器分別放置于被測介質的不同位置，兩者的間距已知，發射換能器發射一組聲波，聲波穿過介質到達接收換能器，接收換能器接收該組聲波信號。通過分析接收到的聲波的各項聲學特征，達到檢測介質聲波波速、判定介質均勻性的目的。

通常情況下，聲波透射法都是直接采用樁頂處量測的聲測管距離對聲測線波速進行計算。然而實際工程中，常常無法保證聲測管完全豎直、平行，實際某一深度處的聲測管的距離與樁頂處聲測管距離不再相等，此時聲速計算結果將會出現誤差，嚴重時將出現錯判漏判[14]。其次，測試時必須保證聲波發射換能器與接收換能器處在同一深度（平測）或保持同一高差（斜測），否則計算結果會不可避免出現誤差，因此在換能器的每次提升過程中均需精確校核換能器的深度、校正發射端與接收端的高差，降低了測試工作效率[15]。韓亮等[16-17]提出相對能量法、瀑布圖法以改進收發換能器不同步問題，李娟[18]、王軍[19]等提出管距修正法以完善聲測管傾斜問題，上述方法多依靠工程人員經驗。

針對上述問題，本文提出一種聲波檢測方式，通過固定各聲波接收換能器的間距，使得聲波波速計算結果不再依賴聲波發射端和接收端的間距，在換能器群處于同一平面時，能夠解決聲測管傾斜、偏位時聲速測試誤差大的問題。

1 測試原理及計算公式

本文提出一種一發三收式聲波透射檢測法，通過在一根聲測管中放入一個聲波發射換能器，并在另一根聲測管中放入三個位置相對固定的聲波接收換能器，如圖1所示。樁基中聲測管材料通常使用PVC或鋼材，發生彎斜情況時曲率半徑較大，在控制各聲波接收換能器間距的情況下，可近似認為三個聲波接收換能器處于同一條直線下。

圖1 一發三收式聲波透射法示意圖

圖中，Tu，Tc，Td分別為各聲波接收換能器實測聲時，v為聲波波速，L0為聲波接收換能器的間距。

根據幾何關系可得：

求解可得：

2 有限元建模

在有限元分析軟件ABAQUS中，建立一樁段的二維及三維模型，將接收點設置在一條不與樁身平行的直線上，以模擬聲測管發生傾斜的現象，數值模型如圖2、圖3所示。

圖2 二維數值模擬模型

圖3 三維數值模擬模型

設計樁徑為700 mm，樁身段長1 200 mm，兩聲測管頂面間距L1取500 mm?；炷敛牧蠀等缦拢好芏?ρ=2 500 kg/m3，彈性模量E=40 GPa，泊松比μ=0.15[20-23]。相鄰兩聲波接收換能器水平間距m取50 mm，豎直間距h取200 mm，相鄰兩聲波接收換能器之間距離L0約為206 mm。

二維模型采用有限單元CPE4，三維模型采用有限單元C3D8，分析步采取動力，顯示（Dynamic,Explicit），對激振點FS施加x方向的位移場模擬超聲波發射?？紤]到超聲波在混凝土傳播過程中存在頻散現象，發射波信號選取HANNING窗函數調制信號[24-25]，表達式為：

式中：f(t)——振幅；

n——調制信號函數中波形的個數；

fc——發射波主頻，這里取n=4，fc=500 kHz。

模擬超聲波激發的HANNING窗函數調制信號如圖4所示。

圖4 HANNING窗函數調制信號

因首波聲時較難辨別，聲時取各接收點首波波峰聲時與激振點首波波峰聲時相減的修正聲時。二維模型及三維模型各接收點接收信號時域圖如圖5、圖6所示，其中橫軸t代表時間，縱軸u代表位移。

圖5 二維數值模擬模型各接收點接收信號時域圖

圖6 三維數值模擬模型各接收點接收信號時域圖

二維數值模擬模型各接收點接收信號數據可見表1，三維數值模擬模型各接收點接收信號數據可見表2。通過表1 和表2 不難看出，采用直接計算方法計算誤差較大，而采用本文提出的公式計算所得結果誤差均在1%之內，基本驗證了本方法的可行性。且三維模型與二維模型結果相差不大，所計算誤差均在1%之內。相對于三維模型，二維模型的建立與修改更加方便快捷，計算速度遠快于三維模型，且在有限元軟件中聲波傳播路徑更加直觀可見。故本文之后的有限元分析均采用二維模型。

表1 二維數值模擬模型各接收點接收信號數據

表2 三維數值模擬模型各接收點接收信號數據

3 有限元數值模擬結果分析

3.1 超聲波接收換能器間距的影響

如上文所述建立二維模型，保持接收點之間斜率k=h/m不變，通過改變m及對應h值，試驗在相同斜率情況下，不同超聲波接收換能器間距對本方法的影響。各接收點分組情況及超聲波接收換能器間距可見表3。不同超聲波接收換能器間距各組接收點接收信號時域圖如圖7所示。

圖7 組1-7接收點接收信號時域圖

表3 各接收點分組情況及超聲波接收換能器間距

將組1～7采用一發三收法和直接法計算的波速的平均相對誤差進行對比并繪圖，如圖8所示。

圖8 不同超聲波接收換能器垂直間距的波速平均相對誤差

通過一發三收法和直接法的波速平均相對誤差對比，可得出在聲測管發生傾斜時，一發三收法可以有效減少波速誤差。從結果看，隨著超聲波接收換能器間距的增加，直接法計算的波速平均相對誤差逐漸增加，由4.58%增加至14.32%。在聲測管傾斜斜率不變時，由于隨著超聲波接收換能器間距的增加，待測區域范圍內的聲測管之間的水平距離在不斷減小，而采用直接法假設聲測管之間的水平距離不變，所以計算得出的波速愈發偏離正常值。

隨著超聲波接收換能器間距的增加，由一發三收法計算的波速平均相對誤差保持穩定，僅當L0為124 mm左右時，波速平均相對誤差達到2.34%，其余超聲波接收換能器間距的波速平均相對誤差均保持在1%以下，可以得出一發三收法可以良好適應超聲波接收換能器間距的變化，穩定保持較高的波速計算精度。

一發三收法假設三只超聲波接收換能器與超聲波發射換能器形成的三條聲測線的波速相同，即基樁縱截面中三條聲測線圍成的區域內樁身材料均勻分布，所以應控制超聲波接收換能器的間距，防止遺漏基樁縱截面中樁身材料不均勻的區域。同時建筑基樁檢測技術規范[23]提出聲測線間距不應大于100 mm，因此超聲波接收換能器的垂直間距應小于規范要求聲測線間距的一半，即超聲波接收換能器的垂直間距應當控制在50 mm以內。

3.2 聲測管傾斜斜率的影響

如上文所述建立二維模型，保持各接收點間距L0在205.5～206.5 mm之內，通過改變對應m及h值，改變斜率k，測試在相同間距情況下，不同聲測管傾斜斜率對本方法的影響。各接收點分組情況及聲測管傾斜斜率可見表4。不同聲測管傾斜斜率各組接收點接收信號時域圖如圖9所示。

圖9 組8-13 接收點接收信號時域圖

表4 不同聲測管傾斜斜率各接收點分組情況及聲測管傾斜斜率

將采用一發三收法和直接法計算的波速的平均相對誤差進行對比并繪圖，如圖10所示。

圖10 不同聲測管傾斜斜率的波速平均相對誤差

一發三收法和直接法的波速平均相對誤差對比結果可以看出，在聲測管發生傾斜時，一發三收法可以減少波速90%以上的誤差量。從結果看，隨著聲測管斜率的增加，直接法計算的波速平均相對誤差逐漸降低，由18.25%降低至4.70%。這是由于在超聲波接收換能器間距不變時，聲測管斜率增加意味著兩根聲測管逐漸恢復平行狀態，聲測管之間的水平距離在不斷增大接近至樁頂所測得的間距，所以隨著聲測管斜率的增加，直接法計算得出的波速在逐漸靠近正常值。

同時可以看出，無論是聲測管傾斜情況較不明顯的情況下，抑或是在聲測管傾斜情況極其夸張的情況下，一發三收法均能將波速平均相對誤差控制在2%之內。據此可得出，本文研究的參數范圍之內，選擇合理的超聲波接收換能器間距的情況下，一發三收法可適用于絕大多數聲測管傾斜場景。

4 結束語

樁基聲測管傾斜會使得樁身混凝土超聲波波速計算結果出現誤差，傳統聲測管修正方式需要擬合聲測管管身曲線，多依靠工程人員經驗，為此本文提出一發三收式樁基聲波透射檢測技術，通過固定各聲波接收換能器的間距，根據幾何關系，使用檢測得到的超聲波聲時和接收換能器的間距，即可計算得到樁身超聲波波速，使其不再依賴超聲波發射端和接收端的間距，也不再需要擬合聲測管管身曲線。

根據數值模擬結果，一發三收式樁基聲波透射檢測技術可以良好適應超聲波接收換能器間距和聲測管傾斜斜率的變化，穩定保持較高的波速計算精度，能夠解決聲測管傾斜、偏位時造成的聲速計算誤差。同時根據相關規范規定，超聲波接收換能器的垂直間距應當控制在50 mm以內。本方法可為實際聲測管傾斜修正工作提供理論支持及技術指導作用，有待在實際工程中進一步驗證并研發相應的檢測技術指南和設備。