基于透射波法和声波CT的桩基检测研究

叶腾飞，贾同福，周龙茂

（东华理工大学 勘察设计研究院，江西 抚州 344000）

桩基结构在大型建筑工程中的应用越来越多，其结构质量在工程整体中起到决定性作用，考虑到桩基大多深埋在地下，因此，桩基的检测工作一直是施工方的关注重点。为满足工程质量的无损检测需求，本文引进透射波法，采用对获取的声波进行CT成像的方式，设计一种针对桩基的检测方法，期望达到提高检测结果成像精度的作用。

1 基于透射波法和声波CT的桩基检测 方法设计

1.1 桩基检测点布置

相比常规的结构，桩基工程的复杂性与隐蔽性更为显著，并且桩基内部结构往往会存在蜂窝与夹泥等影响基体质量的现象，这也导致了桩基的力学与声学特性较为特殊。在使用透射波法进行桩基质量检测时，声波在混凝土中的传播方式也呈现一种多元化趋势，而此时终端接收的声波序列经过多层叠加，将变得较为复杂，因此如何在大量的声波中提取有效的声波信息成为了检测方的研究重点。

为实现对桩基质量的有效检测，需要在检测前，做好桩基检测点的布置工作，即在桩基及其混凝土周边结构布置信号接收点与信号发射点，通过桩基工程现场的环境条件，进行两点之间空间位置与对应关系的描述，以此提高获取声波信号的时效性与价值性。

目前，基于声波CT的检测方法主要分为两种：分别为两侧布置法与四侧布置法。其中两侧布置法是指将信号发射点布置在桩基的一侧，并从此侧发送散点信号，将信号接收点布置在桩基的一侧，从此侧接收信号[1]。其中，四侧布置法是指将信号从桩基的一侧发送，从另外三侧进行信号的获取。检测点布置如图1所示。

图1 基于四侧布置法的检测点布置图

在布置检测点时，考虑到桩基结构大多预埋在土层，整体隐蔽性较强，采用四侧布置法进行检测点的布置难度较高，因此，本文选择两侧布置法执行此项工作。检测点布置图见图2。

图2 基于两侧布置法的检测点布置图

图2中，点A～点H均为信号的接收点，按照此种方式，进行桩基检测点的布置。

1.2 声波初至走时拾取

在完成桩基现场检测点的布置后，需要对震源激发的初至波进行获取，在此过程中的初至波主要是指最先达到信号接收点的声波。考虑到桩基声波CT反演成像中的数据均为初至波数据，因此，有针对性地获取初至波十分关键，拾取信号的质量可直接影响到声波CT成像结果[2]。现有的信号拾取方法有两种：分别为自动获取前端发送的首波与人工检索首波。在使用前者进行声波获取时，可采用时窗能量比对法，收集能量幅度较高的声波，此种拾取方式获取声波的效率相对较高，适用于对大批量声波数据同时获取，此种方式获取的声波精度相对较差，尤其在桩基结构缺陷较多情况下，可能会存在首波幅度受限的问题。当首波幅度过低时，甚至会影响或干预到初至波的检测时间。为确保获取的声波可以有效成像，本文采用人工检索首波的方式进行声波获取，采用此种方式获取的声波相对稳定，并且在获取声波过程中的精度也可以得到保障。

1.3 桩基缺陷反演成像及成像特征分析

完成上述检测准备及检测后，为了得到更加准确的检测结果，还需要对桩基缺陷位置的图像进行反演，并对其成像特征进行分析，从而得到最终的缺陷检测结果。在桩基声波层结构当中，对声波成像进行获取[3]。假设检测点声时数据个数为N，在离散网格单元当中划分的个数为M，将离散的x条射线的测量声时集合记为Ti，则Ti的表达式为Ti=（T1，T2，T3，……，Tn）。将离散结构当中第j个单元的真实波速度记为Vj，则Vj的表达式为Vj=（V1，V2，V3，……，Vm）。则Ti与Vj之间存在着如公式（1）所示的线性关系：

公式（2）中，A表示为Jacobi矩阵。

在对声波演化成像进行计算的过程中，由于每个桩基结构上都存在较多的检测数据，并且网格结构的划分较细，每一条透射波射线穿过单元的数量与总单元数据相比都是极小的一部分，因此结合公式（2）计算后，会得到更庞大的矩阵[4]。因此，针对这一问题，若采用直接解法求解，无法达到理想的检测效果。本文选用ART方法在上述操作的基础上对被重建的区域给定一个初始值，再将得到的走时残差沿着射线的方向，采用均匀分布的方式投射，并不断地对重新构建的反演成像图像进行修正，直到得到的数据满足计算精度为止。根据声波在不同介质当中的传播特性，对最终检测得到的桩基缺陷反演成像的特征进行分析。利用声波CT成像图当中不同色谱，对相应的声速值进行表达，以此通过更加直观的方式，观察存在异常色谱形状以及分布情况，从而确定桩基缺陷的类型以及位置。

2 对比试验

本文在完成上述对桩基检测方法的理论设计后，为进一步验证该方法在实际应用中的效果，将上述提出的检测方法应用到江西某地区正在开展的桩基施工工程项目当中，并选择将传统桩基检测方法作为对照组，将本文提出的检测方法作为实验组的方式，完成如下对比试验：

已知该建筑工程施工项目当中由桩基施工班组完成冲孔、水下砼灌注等桩基施工任务，为验证该工程项目当中桩基的质量，对其缺陷进行检测，分别利用实验组检测方法和对照组检测方法在各个桩基不同位置上设置5个对应的检测点。为了确保验证结果的准确性，选择进行检测的桩基均为不存在缺陷的桩基，人为在桩基上设置四个尺寸不等的空洞缺陷，其尺寸分别为0.25m×0.25m、0.35m×0.25m、0.55m×0.25m和0.75m×0.25m。将真实的桩基空洞缺陷情况与试验组和对照组的检测结果进行对比，并得出如表1所示两种检测方法检测结果对比表。

表1 试验组与对照组检测结果对比表

从表1中得出的试验结果对比得出，试验组检测方法能够针对上述四个桩基空洞缺陷，准确找到其相应位置，并保证检测结果的误差在0.05m以下。而对照组检测方法未检测到在I点和II点尺寸大小为0.25m×0.25m和0.35m×0.25m的桩基空洞缺陷，并且在对IV点和V点检测时，得出的检测结果误差明显大于试验组。因此，通过上述试验及结果进一步证明，本文提出的基于透射波法和声波CT的桩基检测方法在应用到真实建设工程项目当中，可以对桩基缺陷问题进行更加精准的检测，同时可针对尺寸小于0.35m×0.35m以下的桩基空洞缺陷问题进行检测，进一步提高施工过程中桩基的施工质量。

3 结语

混凝土桩基内部缺陷会直接影响到工程质量，并且此种缺陷会导致检测过程中的声波成像较为复杂。为提高检测结果的精度，引进透射波法开展本文课题的研究，在完成研究后，采用对比试验的方式，对此方法进行检验，经证明，此检测方法可用于桩基检测，且检测结果的适用性较强。