一发三收式桩基声波透射检测技术及数值模拟分析

王奎华，于 喆，项驰轩，吴君涛，邱欣晨

(1.浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心，浙江 杭州 310058;2.浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州 310058)

0 引 言

桩基作为一种应用广泛的基础形式，其质量检测技术一直备受关注。常见的桩基无损检测技术有低应变检测法[1-5]、旁孔透射法[6-9]、声波透射法[10-13]等。声波透射检测技术因具有检测桩长不受限制、检测结果精确可靠等优点，普遍应用于混凝土灌注桩无损检测中。其基本方法是：将声波发射换能器和接收换能器分别放置于被测介质的不同位置，两者的间距已知，发射换能器发射一组声波，声波穿过介质到达接收换能器，接收换能器接收该组声波信号。通过分析接收到的声波的各项声学特征，达到检测介质声波波速、判定介质均匀性的目的。

通常情况下，声波透射法都是直接采用桩顶处量测的声测管距离对声测线波速进行计算。然而实际工程中，常常无法保证声测管完全竖直、平行，实际某一深度处的声测管的距离与桩顶处声测管距离不再相等，此时声速计算结果将会出现误差，严重时将出现错判漏判[14]。其次，测试时必须保证声波发射换能器与接收换能器处在同一深度（平测）或保持同一高差（斜测），否则计算结果会不可避免出现误差，因此在换能器的每次提升过程中均需精确校核换能器的深度、校正发射端与接收端的高差，降低了测试工作效率[15]。韩亮等[16-17]提出相对能量法、瀑布图法以改进收发换能器不同步问题，李娟[18]、王军[19]等提出管距修正法以完善声测管倾斜问题，上述方法多依靠工程人员经验。

针对上述问题，本文提出一种声波检测方式，通过固定各声波接收换能器的间距，使得声波波速计算结果不再依赖声波发射端和接收端的间距，在换能器群处于同一平面时，能够解决声测管倾斜、偏位时声速测试误差大的问题。

1 测试原理及计算公式

本文提出一种一发三收式声波透射检测法，通过在一根声测管中放入一个声波发射换能器，并在另一根声测管中放入三个位置相对固定的声波接收换能器，如图1所示。桩基中声测管材料通常使用PVC或钢材，发生弯斜情况时曲率半径较大，在控制各声波接收换能器间距的情况下，可近似认为三个声波接收换能器处于同一条直线下。

图1 一发三收式声波透射法示意图

图中，Tu，Tc，Td分别为各声波接收换能器实测声时，v为声波波速，L0为声波接收换能器的间距。

根据几何关系可得：

求解可得：

2 有限元建模

在有限元分析软件ABAQUS中，建立一桩段的二维及三维模型，将接收点设置在一条不与桩身平行的直线上，以模拟声测管发生倾斜的现象，数值模型如图2、图3所示。

图2 二维数值模拟模型

图3 三维数值模拟模型

设计桩径为700 mm，桩身段长1 200 mm，两声测管顶面间距L1取500 mm。混凝土材料参数如下：密度 ρ=2 500 kg/m3，弹性模量E=40 GPa，泊松比µ=0.15[20-23]。相邻两声波接收换能器水平间距m取50 mm，竖直间距h取200 mm，相邻两声波接收换能器之间距离L0约为206 mm。

二维模型采用有限单元CPE4，三维模型采用有限单元C3D8，分析步采取动力，显示（Dynamic,Explicit），对激振点FS施加x方向的位移场模拟超声波发射。考虑到超声波在混凝土传播过程中存在频散现象，发射波信号选取HANNING窗函数调制信号[24-25]，表达式为：

式中：f(t)——振幅；

n——调制信号函数中波形的个数；

fc——发射波主频，这里取n=4，fc=500 kHz。

模拟超声波激发的HANNING窗函数调制信号如图4所示。

图4 HANNING窗函数调制信号

因首波声时较难辨别，声时取各接收点首波波峰声时与激振点首波波峰声时相减的修正声时。二维模型及三维模型各接收点接收信号时域图如图5、图6所示，其中横轴t代表时间，纵轴u代表位移。

图5 二维数值模拟模型各接收点接收信号时域图

图6 三维数值模拟模型各接收点接收信号时域图

二维数值模拟模型各接收点接收信号数据可见表1，三维数值模拟模型各接收点接收信号数据可见表2。通过表1 和表2 不难看出，采用直接计算方法计算误差较大，而采用本文提出的公式计算所得结果误差均在1%之内，基本验证了本方法的可行性。且三维模型与二维模型结果相差不大，所计算误差均在1%之内。相对于三维模型，二维模型的建立与修改更加方便快捷，计算速度远快于三维模型，且在有限元软件中声波传播路径更加直观可见。故本文之后的有限元分析均采用二维模型。

表1 二维数值模拟模型各接收点接收信号数据

表2 三维数值模拟模型各接收点接收信号数据

3 有限元数值模拟结果分析

3.1 超声波接收换能器间距的影响

如上文所述建立二维模型，保持接收点之间斜率k=h/m不变，通过改变m及对应h值，试验在相同斜率情况下，不同超声波接收换能器间距对本方法的影响。各接收点分组情况及超声波接收换能器间距可见表3。不同超声波接收换能器间距各组接收点接收信号时域图如图7所示。

图7 组1-7接收点接收信号时域图

表3 各接收点分组情况及超声波接收换能器间距

将组1～7采用一发三收法和直接法计算的波速的平均相对误差进行对比并绘图，如图8所示。

图8 不同超声波接收换能器垂直间距的波速平均相对误差

通过一发三收法和直接法的波速平均相对误差对比，可得出在声测管发生倾斜时，一发三收法可以有效减少波速误差。从结果看，随着超声波接收换能器间距的增加，直接法计算的波速平均相对误差逐渐增加，由4.58%增加至14.32%。在声测管倾斜斜率不变时，由于随着超声波接收换能器间距的增加，待测区域范围内的声测管之间的水平距离在不断减小，而采用直接法假设声测管之间的水平距离不变，所以计算得出的波速愈发偏离正常值。

随着超声波接收换能器间距的增加，由一发三收法计算的波速平均相对误差保持稳定，仅当L0为124 mm左右时，波速平均相对误差达到2.34%，其余超声波接收换能器间距的波速平均相对误差均保持在1%以下，可以得出一发三收法可以良好适应超声波接收换能器间距的变化，稳定保持较高的波速计算精度。

一发三收法假设三只超声波接收换能器与超声波发射换能器形成的三条声测线的波速相同，即基桩纵截面中三条声测线围成的区域内桩身材料均匀分布，所以应控制超声波接收换能器的间距，防止遗漏基桩纵截面中桩身材料不均匀的区域。同时建筑基桩检测技术规范[23]提出声测线间距不应大于100 mm，因此超声波接收换能器的垂直间距应小于规范要求声测线间距的一半，即超声波接收换能器的垂直间距应当控制在50 mm以内。

3.2 声测管倾斜斜率的影响

如上文所述建立二维模型，保持各接收点间距L0在205.5～206.5 mm之内，通过改变对应m及h值，改变斜率k，测试在相同间距情况下，不同声测管倾斜斜率对本方法的影响。各接收点分组情况及声测管倾斜斜率可见表4。不同声测管倾斜斜率各组接收点接收信号时域图如图9所示。

图9 组8-13 接收点接收信号时域图

表4 不同声测管倾斜斜率各接收点分组情况及声测管倾斜斜率

将采用一发三收法和直接法计算的波速的平均相对误差进行对比并绘图，如图10所示。

图10 不同声测管倾斜斜率的波速平均相对误差

一发三收法和直接法的波速平均相对误差对比结果可以看出，在声测管发生倾斜时，一发三收法可以减少波速90%以上的误差量。从结果看，随着声测管斜率的增加，直接法计算的波速平均相对误差逐渐降低，由18.25%降低至4.70%。这是由于在超声波接收换能器间距不变时，声测管斜率增加意味着两根声测管逐渐恢复平行状态，声测管之间的水平距离在不断增大接近至桩顶所测得的间距，所以随着声测管斜率的增加，直接法计算得出的波速在逐渐靠近正常值。

同时可以看出，无论是声测管倾斜情况较不明显的情况下，抑或是在声测管倾斜情况极其夸张的情况下，一发三收法均能将波速平均相对误差控制在2%之内。据此可得出，本文研究的参数范围之内，选择合理的超声波接收换能器间距的情况下，一发三收法可适用于绝大多数声测管倾斜场景。

4 结束语

桩基声测管倾斜会使得桩身混凝土超声波波速计算结果出现误差，传统声测管修正方式需要拟合声测管管身曲线，多依靠工程人员经验，为此本文提出一发三收式桩基声波透射检测技术，通过固定各声波接收换能器的间距，根据几何关系，使用检测得到的超声波声时和接收换能器的间距，即可计算得到桩身超声波波速，使其不再依赖超声波发射端和接收端的间距，也不再需要拟合声测管管身曲线。

根据数值模拟结果，一发三收式桩基声波透射检测技术可以良好适应超声波接收换能器间距和声测管倾斜斜率的变化，稳定保持较高的波速计算精度，能够解决声测管倾斜、偏位时造成的声速计算误差。同时根据相关规范规定，超声波接收换能器的垂直间距应当控制在50 mm以内。本方法可为实际声测管倾斜修正工作提供理论支持及技术指导作用，有待在实际工程中进一步验证并研发相应的检测技术指南和设备。