王奎華，于 喆，項(xiàng)馳軒，吳君濤，邱欣晨

(1.浙江大學(xué) 濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州 310058;2.浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058)

0 引 言

樁基作為一種應(yīng)用廣泛的基礎(chǔ)形式，其質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)一直備受關(guān)注。常見的樁基無損檢測(cè)技術(shù)有低應(yīng)變檢測(cè)法[1-5]、旁孔透射法[6-9]、聲波透射法[10-13]等。聲波透射檢測(cè)技術(shù)因具有檢測(cè)樁長(zhǎng)不受限制、檢測(cè)結(jié)果精確可靠等優(yōu)點(diǎn)，普遍應(yīng)用于混凝土灌注樁無損檢測(cè)中。其基本方法是：將聲波發(fā)射換能器和接收換能器分別放置于被測(cè)介質(zhì)的不同位置，兩者的間距已知，發(fā)射換能器發(fā)射一組聲波，聲波穿過介質(zhì)到達(dá)接收換能器，接收換能器接收該組聲波信號(hào)。通過分析接收到的聲波的各項(xiàng)聲學(xué)特征，達(dá)到檢測(cè)介質(zhì)聲波波速、判定介質(zhì)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(cè)的聲測(cè)管距離對(duì)聲測(cè)線波速進(jìn)行計(jì)算。然而實(shí)際工程中，常常無法保證聲測(cè)管完全豎直、平行，實(shí)際某一深度處的聲測(cè)管的距離與樁頂處聲測(cè)管距離不再相等，此時(shí)聲速計(jì)算結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)誤差，嚴(yán)重時(shí)將出現(xiàn)錯(cuò)判漏判[14]。其次，測(cè)試時(shí)必須保證聲波發(fā)射換能器與接收換能器處在同一深度（平測(cè)）或保持同一高差（斜測(cè)），否則計(jì)算結(jié)果會(huì)不可避免出現(xiàn)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(fā)射端與接收端的高差，降低了測(cè)試工作效率[15]。韓亮等[16-17]提出相對(duì)能量法、瀑布圖法以改進(jìn)收發(fā)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(cè)管傾斜問題，上述方法多依靠工程人員經(jīng)驗(yàn)。

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

1 測(cè)試原理及計(jì)算公式

本文提出一種一發(fā)三收式聲波透射檢測(cè)法，通過在一根聲測(cè)管中放入一個(gè)聲波發(fā)射換能器，并在另一根聲測(cè)管中放入三個(gè)位置相對(duì)固定的聲波接收換能器，如圖1所示。樁基中聲測(cè)管材料通常使用PVC或鋼材，發(fā)生彎斜情況時(shí)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(rèn)為三個(gè)聲波接收換能器處于同一條直線下。

圖1 一發(fā)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(shí)測(cè)聲時(shí)，v為聲波波速，L0為聲波接收換能器的間距。

根據(jù)幾何關(guān)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(diǎn)設(shè)置在一條不與樁身平行的直線上，以模擬聲測(cè)管發(fā)生傾斜的現(xiàn)象，數(shù)值模型如圖2、圖3所示。

圖2 二維數(shù)值模擬模型

圖3 三維數(shù)值模擬模型

設(shè)計(jì)樁徑為700 mm，樁身段長(zhǎng)1 200 mm，兩聲測(cè)管頂面間距L1取500 mm?；炷敛牧蠀?shù)如下：密度 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(dòng)力，顯示（Dynamic,Explicit），對(duì)激振點(diǎn)FS施加x方向的位移場(chǎng)模擬超聲波發(fā)射?？紤]到超聲波在混凝土傳播過程中存在頻散現(xiàn)象，發(fā)射波信號(hào)選取HANNING窗函數(shù)調(diào)制信號(hào)[24-25]，表達(dá)式為：

式中：f(t)——振幅；

n——調(diào)制信號(hào)函數(shù)中波形的個(gè)數(shù)；

fc——發(fā)射波主頻，這里取n=4，fc=500 kHz。

模擬超聲波激發(fā)的HANNING窗函數(shù)調(diào)制信號(hào)如圖4所示。

圖4 HANNING窗函數(shù)調(diào)制信號(hào)

因首波聲時(shí)較難辨別，聲時(shí)取各接收點(diǎn)首波波峰聲時(shí)與激振點(diǎn)首波波峰聲時(shí)相減的修正聲時(shí)。二維模型及三維模型各接收點(diǎn)接收信號(hào)時(shí)域圖如圖5、圖6所示，其中橫軸t代表時(shí)間，縱軸u代表位移。

圖5 二維數(shù)值模擬模型各接收點(diǎn)接收信號(hào)時(shí)域圖

圖6 三維數(shù)值模擬模型各接收點(diǎn)接收信號(hào)時(shí)域圖

二維數(shù)值模擬模型各接收點(diǎn)接收信號(hào)數(shù)據(jù)可見表1，三維數(shù)值模擬模型各接收點(diǎn)接收信號(hào)數(shù)據(jù)可見表2。通過表1 和表2 不難看出，采用直接計(jì)算方法計(jì)算誤差較大，而采用本文提出的公式計(jì)算所得結(jié)果誤差均在1%之內(nèi)，基本驗(yàn)證了本方法的可行性。且三維模型與二維模型結(jié)果相差不大，所計(jì)算誤差均在1%之內(nèi)。相對(duì)于三維模型，二維模型的建立與修改更加方便快捷，計(jì)算速度遠(yuǎn)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(shù)值模擬模型各接收點(diǎn)接收信號(hào)數(shù)據(jù)

表2 三維數(shù)值模擬模型各接收點(diǎn)接收信號(hào)數(shù)據(jù)

3 有限元數(shù)值模擬結(jié)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(diǎn)之間斜率k=h/m不變，通過改變m及對(duì)應(yīng)h值，試驗(yàn)在相同斜率情況下，不同超聲波接收換能器間距對(duì)本方法的影響。各接收點(diǎn)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(diǎn)接收信號(hào)時(shí)域圖如圖7所示。

圖7 組1-7接收點(diǎn)接收信號(hào)時(shí)域圖

表3 各接收點(diǎn)分組情況及超聲波接收換能器間距

將組1～7采用一發(fā)三收法和直接法計(jì)算的波速的平均相對(duì)誤差進(jìn)行對(duì)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(duì)誤差

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

隨著超聲波接收換能器間距的增加，由一發(fā)三收法計(jì)算的波速平均相對(duì)誤差保持穩(wěn)定，僅當(dāng)L0為124 mm左右時(shí)，波速平均相對(duì)誤差達(dá)到2.34%，其余超聲波接收換能器間距的波速平均相對(duì)誤差均保持在1%以下，可以得出一發(fā)三收法可以良好適應(yīng)超聲波接收換能器間距的變化，穩(wěn)定保持較高的波速計(jì)算精度。

一發(fā)三收法假設(shè)三只超聲波接收換能器與超聲波發(fā)射換能器形成的三條聲測(cè)線的波速相同，即基樁縱截面中三條聲測(cè)線圍成的區(qū)域內(nèi)樁身材料均勻分布，所以應(yīng)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(qū)域。同時(shí)建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[23]提出聲測(cè)線間距不應(yīng)大于100 mm，因此超聲波接收換能器的垂直間距應(yīng)小于規(guī)范要求聲測(cè)線間距的一半，即超聲波接收換能器的垂直間距應(yīng)當(dāng)控制在50 mm以內(nèi)。

3.2 聲測(cè)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(diǎn)間距L0在205.5～206.5 mm之內(nèi)，通過改變對(duì)應(yīng)m及h值，改變斜率k，測(cè)試在相同間距情況下，不同聲測(cè)管傾斜斜率對(duì)本方法的影響。各接收點(diǎn)分組情況及聲測(cè)管傾斜斜率可見表4。不同聲測(cè)管傾斜斜率各組接收點(diǎn)接收信號(hào)時(shí)域圖如圖9所示。

圖9 組8-13 接收點(diǎn)接收信號(hào)時(shí)域圖

表4 不同聲測(cè)管傾斜斜率各接收點(diǎn)分組情況及聲測(cè)管傾斜斜率

將采用一發(fā)三收法和直接法計(jì)算的波速的平均相對(duì)誤差進(jìn)行對(duì)比并繪圖，如圖10所示。

圖10 不同聲測(cè)管傾斜斜率的波速平均相對(duì)誤差

一發(fā)三收法和直接法的波速平均相對(duì)誤差對(duì)比結(jié)果可以看出，在聲測(cè)管發(fā)生傾斜時(shí)，一發(fā)三收法可以減少波速90%以上的誤差量。從結(jié)果看，隨著聲測(cè)管斜率的增加，直接法計(jì)算的波速平均相對(duì)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(shí)，聲測(cè)管斜率增加意味著兩根聲測(cè)管逐漸恢復(fù)平行狀態(tài)，聲測(cè)管之間的水平距離在不斷增大接近至樁頂所測(cè)得的間距，所以隨著聲測(cè)管斜率的增加，直接法計(jì)算得出的波速在逐漸靠近正常值。

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

4 結(jié)束語

樁基聲測(cè)管傾斜會(huì)使得樁身混凝土超聲波波速計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)誤差，傳統(tǒng)聲測(cè)管修正方式需要擬合聲測(cè)管管身曲線，多依靠工程人員經(jīng)驗(yàn)，為此本文提出一發(fā)三收式樁基聲波透射檢測(cè)技術(shù)，通過固定各聲波接收換能器的間距，根據(jù)幾何關(guān)系，使用檢測(cè)得到的超聲波聲時(shí)和接收換能器的間距，即可計(jì)算得到樁身超聲波波速，使其不再依賴超聲波發(fā)射端和接收端的間距，也不再需要擬合聲測(cè)管管身曲線。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，一發(fā)三收式樁基聲波透射檢測(cè)技術(shù)可以良好適應(yīng)超聲波接收換能器間距和聲測(cè)管傾斜斜率的變化，穩(wěn)定保持較高的波速計(jì)算精度，能夠解決聲測(cè)管傾斜、偏位時(shí)造成的聲速計(jì)算誤差。同時(shí)根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，超聲波接收換能器的垂直間距應(yīng)當(dāng)控制在50 mm以內(nèi)。本方法可為實(shí)際聲測(cè)管傾斜修正工作提供理論支持及技術(shù)指導(dǎo)作用，有待在實(shí)際工程中進(jìn)一步驗(yàn)證并研發(fā)相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)指南和設(shè)備。