透射波法和声波CT在桩基检测中的应用

罗会来

摘要：桩基工程质量检测中，传统的检测技术往往由于检测环境条件太复杂，检测对象比较隐蔽，只能对缺陷进行较为准确的定位，对缺陷的形状、性质及位置难以给出直观的评价，因此给桩基质量完整性评价带来困难。近年来，声波透射法及声波层析成像技术逐渐被应用于混凝土的质量检测中。声波透射法通过声波信号的一种或多种声学参数来反映桩基内部质量情况，可定性半定量的判断桩身混凝土均匀性、缺陷大小及位置。层析成像技术能够以图像重建的方式直观反映混凝土结构剖面内部质量情况，能够弥补传统检测方法只能半定量的评价桩基缺陷的局限。因此，开展桩基工程声波CT（Acoustictomography）无损检测技术的研究尤为重要。

关键词：投射波法；声波CT；桩基检测；应用

1桩基声波检测有限元模型及模拟

为研究桩基内声波的波动特性，基于实际桩基工程以及建筑桩基检测技术规范建立了以混凝土为基体的桩基声波检测二维模型.有限元模型材料参数见表1所示，使用PLANE162单元，单元网格尺寸0.004m.在满足声波波动效应模拟精度下，为减少不必要的计算时间及内存，采取如图1所示的局部测试方案，采用对测法进行检测.声测管布置在桩身两侧，距桩身外边缘5cm.发射点及观测点布置方式如图2所示，其中A～E五个接收点距震源（发射点）的距离分别为0m、0.4m、0.8m、1.2m、1.6m.

经计算得cd=4085.26m/s，e=0.65%，即模拟波速与理论波速间的误差小于1%，说明经过合理的网格划分和时间步长选取，利用ANSYS/LS－DYNA模拟声波桩基检测是可行的。

2桩基声波CT成像分析

2.1反演成像算法

目前桩基层析成像反演计算中大部分使用ART算法。ART算法的基本思想是：先给被重建的区域一个初始值，然后将得到的走时残差一个个沿其射线方向均匀地反投影回去，同时不断地对重建图像进行修正直到满足计算精度为止。ART算法计算内存少，计算速度快，受噪音干扰小，便于现场实时检测。

2.2观测方式对桩基声波CT成像的影响分析

观测系统是指在被测混凝土结构或区域周围布置声波发射点与接收点，根据现场条件及被测混凝土尺寸、形状来布置发射点与接收点之间的空间位置关系，并确定各信号发射点及接收点之间的间距。在进行混凝土声波CT检测时，选择合适的观测系统对声波初至时间的精确判读及混凝土内部缺陷的准确成像显得特别重要，文中采用两侧观测系统来实现对桩基内部缺陷的成像。两侧观测系统是在待测混凝土剖面两侧布置测点，单边分别发射对边同时接收的检测系统，两侧观测系统又分为平测和斜侧。

桩基内设置0.2m×0.2m、0.4m×0.2m、0.6m×0.2m、0.8m×0.2m四种不同尺寸的空洞，用于探讨平测和斜测两种不同的两侧观测系统对成像效果的影响.利用ANSYS/LS－DYNA有限元软件模拟声波在缺陷桩基内部传播，在接收点提取速度时程曲线即波形数据，然后人工拾取声波初至波波峰时间，计算初至波波峰与震源首波波峰时间之差，得到声波在桩基中的走时数据。利用声波的走时数据进行成像反演分。

图2（a）中正常波速区的波速在4080m/s以上；图中小矩形框内及其周边为声速异常区，声速在3952～4020m/s，声速异常区的分布情况与黑色框所示的实际缺陷大小相接近，四角较突出，图示结果较为准确地反映了缺陷位置和大小。图2（b）中的深蓝色及浅绿色区大致呈平行四边形，声速范围为3952～4020m/s，中心低速区能大致反映缺陷位置，其形状虽不能准确反映缺陷实际大小，但可大概判断缺陷范围。对比图2（a）和（b）可知，当空洞尺寸为0.2m×0.2m时，平测法声波CT对缺陷的成像精度明显高于斜测法，虽然所呈现的伪像较斜测法多，但不影响对缺陷判断。

图11不同缺陷尺寸和观测方式下的桩基声波层析成像结果图

从图2（c）、（d）两图中心处浅绿色及深蓝色声速异常区域的声速范围在3750～4020m/s，形状大致类似矩形，与黑色框所示的实际缺陷面积相比稍大，同时两图两侧都明显存在伪像；图2（c）中心深蓝色声速异常区面积较图2（d）大，波速大致在3900m/s以下，说明平测法声波CT对空洞的反映比斜测法灵敏，平测法声波CT图中的伪像比斜测法图多，说明当空洞尺寸为0.4m×0.2m时，平测法声波CT成像效果比斜测法声波CT好。

图2（e）、（f）、（g）、（h）这4张图的中心声速异常区域为小矩形框内及其周边，声速在大致在4000m/s以下，该区域外围轮廓线与黑色矩形框区域所示的实际缺陷相比较大，只能模糊判断缺陷的位置；中心缺陷两侧都存在较严重的伪像，两侧零散分布的浅绿色伪像与中心缺陷低速区相连，说明伪像已经影响对缺陷位置及形状的判断。对比分析可知，当缺陷尺寸增大到0.6m×0.2m和0.8m×0.2m时，斜测法声波CT成像图中的伪像相对较少，与平测法声波CT相比成像精度较高。

通过对两套观测系统声波CT成像图的对比分析可知：当矩形缺陷竖向尺寸一定，水平方向尺寸在0.4m以内时，采用平测法的声波CT成像精度高于斜测法；但随着缺陷水平方向尺寸的增大，斜测法成像效果比平测法稍好，说明当缺陷水平方向尺寸大于0.4m时，宜采用斜测法进行声波CT成像.随着缺陷水平方向尺寸的增大，两种观测方式的声波CT成像图的伪像均更为严重.斜测的结果比平测的结果的伪像较少，即斜测的声波CT成像图中伪像对判断缺陷大小及位置的干扰较小。

分析认为出现伪像的原因可能是因缺陷形状为矩形，其直角对声波传播造成散射或不规则的反射，导致声波走时偏移；也可能随着缺陷尺寸的增大，缺陷对声波能量的衰减也变得越来越大，使得声波初至波发生严重的衰减或畸变，从而导致声波走时无法进行准确的拾取；还可能由于射线密度不够所造成的，所以对测点宜采用加密方式布置，从而增大射线对成像区域的覆盖密度。

结束语

近年来，声波透射法及声波层析成像技术逐渐被应用于混凝土的质量检测中。声波透射法通过声波信号的一种或多种声学参数来反映桩基内部质量情况，可定性半定量的判断桩身混凝土均匀性、缺陷大小及位置。层析成像技术能够以图像重建的方式直观反映混凝土结构剖面内部质量情况，能够弥补传统检测方法只能半定量的评价桩基缺陷的局。因此，开展桩基工程声波CT（AcousticTomography）无损检测技术的研究尤为重要。

参考文献

[1]徐志华，李志强，荣耀.既有建筑桩基检测技术的发展及探讨[J].南昌工程学院学报，2017，36（06）：67-70.

[2]张敬一.旁孔透射波法检测既有工程桩进展与趋势[J].四川建筑科学研究，2017，43（03）：72-78.

[3]时柏江，蔡时标.旁孔透射波法检测既有桥梁基桩质量试验研究[J].四川水泥，2016（05）：38.