基于声波透射法的桩基检测及有限元研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.1（下）-113-工 程 技 术地基工程的质量和稳定性会直接影响工程的安全运行和使用寿命。作为地基工程的重要组成部分，桩基础在各类交通工程中具有广泛应用1。然而，由于桩埋藏在地下，其内部结构和质量检测一直是地基工程领域的难点。传统的桩基础检测方法包括静力测验和增量采样分析等2，但这些方法具有操作复杂、成本高昂和干扰现场施工等局限性。声波透射法可通过监测和分析声波信号反射、预警和衰减等现象，来获取桩基内部结构和质量信息，可在施工和运营阶段对桩基进行实时监测3。在声波透射法的实际应用中，声测管无法确保完全竖直，不同声测管斜率和不同声波接收换能器垂直间距对计算结果的影响尚未完全明确，因此本文提出了一种新型桩基检测技术，旨在为类似的桩基工程应用提供参考。1 工程概况与测试原理1.1 工程概况本文以某桥梁桩基础为研究对象。该桥梁对基础的稳定性和承载力要求较高，场地地质条件复杂，由多种土层组成（包括黏土层、砂土层和岩石层等），地下水位相对较高。桩的设计直径为 800mm，桩长 30m，布设的 2 个声测管未发生倾斜部位之间的间距为600mm。桩身混凝土材料参数见表 1。表 1 混凝土材料参数密度（kg/m3）弹性模量（GPa）泊松比2600410.161.2 测试原理直接法通过测量声波在桩身材料中传播的时间间隔和传播距离计算声波的传播速度，是一种简单、常用的波速测量方法。然而在实际应用中，直接法测量波速的准确性受桩基材料特性影响较大。在一些具有复杂结构的材料中，声波的传播路径存在多次反射、折射和散射等现象，导致声波波形复杂，使准确识别首波波峰的到达时间更困难，进而会影响波速计算准确性。此外，直接法对声波换能器的布设要求较高，如果声波换能器方向与被检测桩基材料表面法线夹角较大，会导致算出的波速平均相对误差偏离正常值。本文提出的声波透射法是一种基于声波传播原理的桩基无损检测技术。该方法利用声波发射换能器发射声波信号，并同时用声波接收换能器接收 3 个位置的反射信号，通过对反射信号进行分析和处理，来获取桩基的内部结构信息和质量状况。进行检测时，声测管固定在桩体表面或通过预埋的方式固定在桩内，以保证声波信号的准确反馈和反射采集。声测管常采用钢材或 PVC 材质，出现弯曲或倾斜时曲率半径较大，改变 3 个声波接收换能器间距时，视其位于一条直线上。根据声波发射换能器和声波接收换能器的几何关系可得公式（1）。（Tuv）2+（Tdv）=2（Tcv）2+2L02（1）求解得公式（2）。0222udc22vLTTT=+（2）式中：v 为波速，m/s；T 为接收点实测声时，s；L0为声波接收换能器间距，mm。2 有限元建模根据上文所述建筑工程项目，利用有限元软件分别建立桩段的二维和三维数值模型，以验证一发三收式声波透射法的测试效果。为了模拟声测管发生倾斜的情况，将声波接收换能器接收点布设在一条倾斜的直线上。声测管及声波发射、接收换能器的布置位置如图 1 所示。图 1 中m、h 和 L0分别表示声波接收换能器接收点的水平距离、竖直距离和间距，其中 m 取 50mm，h 取 200mm，L0约为205mm。在数值建模过程中，二维和三维模型分别采用有限单元 CPE4 和 C3D8（CPE4 适用于分析二维模型的平面 4 节点单元，C3D8 适用于三维模型的 8 节点单元）。为模拟超声波的发射，在声波发射换能器激振点 FS 位置处施加水平方向的位移场。在桩身混凝土内传播的过程中，超声波会随传播距离增加而衰减。混凝土是吸能材料，其中的颗粒、裂缝和空隙等都会导致超声波能量出现衰减，因此采用 HANNING 窗函数7调制发射波信号。发射波信号如图2 所示。受材料本身的非均匀性、仪器的限制和外部环境等因素影响，首波声时难以辨别，因此采用每个声波接收换能器接收点的首波波峰对应的声时减去激振点首波波峰对应声时的方法对声时进行修正。修正后的二维及三维模型各声波接收换能器的接收信号时域图如图 3、图 4所示。基于声波透射法的桩基检测及有限元研究黄洁（日照市公路事业发展中心，山东 日照 276800）摘 要：传统的桩基检测方法操作复杂、成本较高，会在一定程度上干扰现场施工。本文提出了一种基于声波透射法的桩基检测技术，先介绍其测试原理及波速计算方法，然后通过有限元软件分别建立二维、三维桩基数值模型，再比较直接法和本文检测法在不同声测管斜率和不同声波接收换能器间距条件下计算的波速平均误差。结果表明，使用本文检测法计算的波速平均误差较小，在不同声测管斜率和声波接收换能器间距条件下最大误差为2.4%。本文的声波透射法桩基检测技术具有推广价值。关键词：桩基础；声波透射法；无损测试；有限元分析中图分类号：TU47文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.1（下）-114-工 程 技 术二维和三维数值模型的各声波发射换能器接收点信号数据见表 2、表 3。从表 2、表 3 可以看出，本文方法计算出的相对误差较低，在二维和三维数值模型中，该方法计算结果的误差最大为 0.8%，在 1%以内，而直接法的计算结果的相对误差最大为 20.8%，误差较大。二维模型和三维模型计算结果的相对误差数值差别不大。与三维模型相比，二维模型的计算速度较快，模型建立与修改快捷、方便且可以直观地呈现出声波的传播路径，因此下文分析均采用二维数值模型。3 数值模拟结果分析3.1 换能器间距的影响保持声测管的倾斜角度不变，通过改变声波接收换能器之间的水平间距 m 和竖直间距 h，观察在声测管斜率一定的情况下，声波接收换能器的布设间距对本文检测法和直接法波速计算结果的影响。接收点分组及换能器间距见表 4。采用上述 2 种方法计算得出的波速平均相对误差随接收点垂直间距的变化情况对比图如图 5 所示。从图 5 可以看出，直接法计算出的波速平均相对误差随声波接收换能器垂直间距的增加而不断增大，从4.5%增至15%。原因是直接法通常是通过测量声波传播的时间间隔和传播距离来计算波速。当声波接收换能器垂直间距增加时，声波传播距离也会增加，2 个声测管之间的间距相应减少。而直接法假设声波在整个传播路径上的速度是均匀的且声测管之间的间距在测试过程中不发生改变。本文检测法得出的平均相对误差随声波接收换能器垂直距离的增大，呈现出先增加、后降低并逐渐稳定的趋势。当换能器垂直间距约为 120mm 时，平均相对误差较大，为 2.4%，其余间距条件下误差较小，稳定在 1%以下。上述分析表明，本文检测法计算的波速结果受声波接收换能器垂直间距的影响较小，能够较好地适应其间距变化且计算的波速结果图 3 二维模型接收信号时域图图 2 HANNING 窗函数调制信号表 2 二维数值模拟接收点接收信号数据接收信号首波波峰声时/s修正声时/s准确间距/声时/ms-1直接方法计算波速/ms-1改进方法计算波速/ms-1直接方法相对误差/%改进方法相对误差/%A140.5132.14078.64097.34046.20.50.7B118.9110.34082.54538.24046.211.20.8C118.3109.64072.14926.34046.220.60.6表 3 三维数值模拟接收点接收信号数据接收信号首波波峰声时/s修正声时/s准确间距/声时/ms-1直接方法计算波速/ms-1改进方法计算波速/ms-1直接方法相对误差/%改进方法相对误差/%A137.3129.04141.34159.14114.10.40.6B115.7107.34150.24611.44114.111.20.8C115.1106.74147.45016.14114.120.80.7图 1 声测管及声波发射、接收换能器布置图声测管mhL0接收点B接收点C声波接收换能 器接收点A 声波发射换能 器激振点FS 中国新技术新产品2024 NO.1（下）-115-工 程 技 术精度较高。本文检测法假设声波在被测试桩身材料中传播时材料是均匀的，表明波速在整个测试过程中是恒定的，不会因材料的不均匀性或结构变化而发生显著改变，即桩身纵截面上的 3 条超声波测线范围内桩身的材料是均匀的。为了防止漏掉桩身纵断面上材料分布不均匀的位置，需要对接收换能器的垂直间距进行控制。建筑基础桩基测试技术相关规范中规定声测线间隔应小于 100mm，而声波接收换能器的垂直间距不能超过声测线间隔的 50%，因此应保证接收换能器垂直间距不超过 50mm。表 4 接收点分组及换能器间距组号m/mmh/mmL0/mmA点B点C点1104041.3A1B1C12208082.6A2B2C2330120123.9A3B3C3440160165.2A4B4C4550200206.5A5B5C5660240247.8A6B6C6770280289.1A7B7C73.2 声测管斜率的影响基于上述二维数值模型，将各声波接收换能器之间的间距 L0控制在（2060.5）mm，通过改变竖直间距 h 和水平间距 m 来改变声测管的斜率 k，观察在相同间距条件下，斜率 k 对本文检测法的影响。不同声测管斜率条件下的分组情况见表 5。表 5 接收点分组及声测管倾斜斜率组号m/mmh/mmL0/mm斜率kA点B点C点810206.2206.420.5A8B8C8915206.2206.715.1A9B9C91020205.4206.710.5A10B10C101125204.1206.78.4A11B11C111250200.3206.44.3A12B12C121394184.2205.92.1A13B13C13将本文检测法与直接法计算出的不同声测管斜率情况下的波速平均相对误差进行对比。结果表明，当声测管的斜率较小时，直接法计算出的波速平均相对误差为18.3%。随着声测管斜率增加，平均相对误差逐渐变小。当声测管斜率增至 21%时，直接法计算出的波速平均相对误差为 4.6%。原因是随着声测管斜率增加，发射与接收传感器之间的有效距离变短，2 个声测管逐渐接近平行，提高了信号的清晰度，能清楚地辨识出首波波峰的到达时间。此外，随着声测管斜率增加，声波在被测材料中的传播路径更直接、稳定。本文检测法计算出的波速平均相对误差在不同声测管斜率条件下的变化幅度较小。当声测管斜率为 8%时，计算出的误差相对较大，为 1.47%，不同斜率条件下的误差均保持在 2%以内。由上述分析可知，无论声测管的倾斜斜率较大或较小，本文检测法的计算结果精度均较高，只要合理控制声波接收换能器间距，在大多数声测管倾斜斜率下均可采用本文的检测法。4 结论本文建立了桩基二维及三维数值模型，探究了所提桩基检测法在不同接收点垂直间距及声测管斜率条件下的波速平均相对误差，并与直接法进行对比，所得结论如下。1）2 种方法计算出的二维模型和三维模型的结果相近，其中直接法计算出的误差较大，最大为 20.8%。本文检测法的误差较小，在2种模型下均能保持在1%以内。2）直接法计算出的波速平均相对误差随声波接收换能器垂直间距增加而增大，最大误差为 15%。本文检测法计算出的波速结果受接收点垂直间距的影响较小，最大误差为 2.4%。3）直接法计算出的波速平均相对误差随声测管斜率增加逐渐变小。声测管斜率增至 21%时，其误差为4.6%。本文检测法计算出的误差在各不同斜率条件下均能保持在 2%以内。参考文献1 吴君涛，王奎华，刘鑫，等.缺陷桩周围成层土振动响应解析解及其在旁孔透射波法中的应用 J.岩石力学与工程学报，2019，38（1）：203-216.2 宋人心，王五平，傅翔，等.灌注桩声波透射法缺陷分析方法阴影重叠法 J.中南公路工程，2006（2）：77-79，92.3 段文旭.低应变法和声波透射法在桩基检测中的综合应用研究 D.成都：成都理工大学，2014.图 4 三维模型接收信号时域图图 5 不同换能器垂直间距条件下的波速平均相对误差对比1614121086420010020030015025050平均相对误差（%）换能器垂直间距（mm）