基桩内部异常超声波CT试验研究论文_宋清波

摘要：混凝土灌注桩内部存在着各种安全隐患，利用超声波CT技术可以进一步检测灌注桩内部异常体大小、形态、空间分布。超声波穿透混凝土介质时，在混凝土密实、强度高的区域呈现高波速，在夹泥、离析等严重缺陷区域呈现低波速的特征。本文通过构建混凝土正演模型，通过数值模拟与现场测试的对比分析超声波CT测试技术的有效性及其分辨能力。

关键词：超声波CT；数值模拟；现场测试

1、引言

水泥混凝土是基建工程中最重要的结构材料之一，被广泛应用于桥梁桩基、墩柱等各种混凝土构筑物中。混凝土灌注桩在浇注过程中，由于材料粒径、拌和不均匀，以及施工地质条件复杂、施工环境恶劣、施工工艺及工序不成熟等原因，混凝土灌注桩内部可能存在夹泥、离析、空洞等缺陷，从而给工程安全带来隐患。

目前，超声波CT技术在建筑物桩基、混凝土桥墩、坝堤防渗墙等检测上得到了广泛的应用。超声波CT技术相对于其他方法具有探测面积大、精准度高、异常位置定位准确、检测效率高等优点。因此，能够及时发现混凝土灌注桩在施工过程中存在的各类缺陷，及时分析可能带来的安全隐患，为施工及治理提供指导，进而达到提高工程质量的目的。

2、超声波CT探测技术原理

层析成像(CT，Computerized Tomography)技术是通过人为设置的射线，让射线穿过被探测对象，通过对初至波的时间、首波强度、频率成分等分析。利用超声波波速与介质力学性质之间密切的关系对所得到的射线信息，运用一定的物理和数学关系通过计算机对测量数据进行处理来反演物体内部物理量的分布，最后得到清晰的、不重叠的二维分布图像[1]。由此可根据超声波波速的分布情况评价混凝土的质量，并查找内部缺陷及其位置。

目前常用的反演方法有：ART(Algebraic Reconstruction Technique)，也叫代数重建技术，是按射线依次修改有关象元的图像的一种迭代算法；SIRT(Simultaneous Iterative Reconstruction)，联合迭代重建法[2]；LSQR法，也称为最小二乘QR分解法，遗传算法，神经网络法等。本文在反演中使用联合迭代重建法(SIRT)进行计算。

3、混凝土灌注桩正演模型研究

3.1正演模拟计算及结果分析

（1）正演模型建立

正演模拟研究中，设计桩长为40m、桩径为2.0m的混凝土灌注桩，网格划分为0.2×0.2m[3-4]。在其桩身中设置1、2号两个缺陷异常体，其中0号为混凝土灌注桩桩身，1号长方体为模拟离析层，2号正方体为模拟桩身夹泥，根据物理模型条件确立其缺陷异常体的空间位置如图1，具体模型参数如表1所示。

图1 正演模型示意图及CT测线布置

表1 模型参数

图2 观测系统布置图

图3 正演模拟反演切片图

（2）正演模拟计算

正演模拟计算采样间隔为20µs，超声波主频为40KHz，正演模拟采用声波方程进行计算，解方程的方法为交错网格有限差分。透射观测系统布置如图2所示，当A端61个传感器依次发射超声波时，此时B端接收信号，共61个传感器，每个检波点间隔0.2m。当B端61个传感器依次发射超声波时，此时A端接收信号，共61个传感器，每个检波点间隔0.2m。通过正演模拟计算共得到3721道超声波模拟信号。

（3）反演结果分析

使用声波CT处理软件对正演模拟得到的声波信号进行数据格式转换、初至拾取等过程。导入CT反演软件，结合数值模型的实际速度进行联合反演，选择最优的反演算法得到如图3所示的波速分布CT反演切片，图中依次以蓝色到白色从小到大来代表速度值。

通过正演数据得到波速分布CT反演切片中可以看出超声波在桩身密实性好、强度高的混凝土中传播时波速约为3.8km/s以上，在离析层中传播波速约在0.8～1.0km/s，在桩身夹泥区中传播时波速约在1.8～2.2km/s。根据反演结果图可以清晰的分辨离析层和夹泥的位置，其收敛性好，表明超声波在混凝土低速异常体检测时有良好的分辨率。

4、工程实例

本文采用基桩超声波CT成像仪对某桥梁工程的A16#混凝土灌注桩进行了超声波CT测试。该桩为旋挖钻成孔，桩径2.0m、桩长43.6m。经检测分析后，得到实测超声波CT波速分布图，如图4所示。

图4 实测超声波CT波速分布图

通过对图4可清晰的看到，在桩身1.8m~3.0m处存在明显低速异常区域，可判断该区域混凝土质量较差，存在严重缺陷。为了验证超声波CT测试结果的准确性，进行开挖验证；开挖至4m后，观察桩身，发现在桩身2m左右存在严重夹泥。

5、结论

通过对超声波CT数值模型的模拟计算及反演结果分析，并结合具体工程实例，可以看出超声波对混凝土中低速异常区域反应明显，表明超声波CT技术检测混凝土结构内部异常具有较高的分辨率和可靠性。运用超声波CT技术检测混凝土基桩对于提高工程质量，消除安全隐患起着重要作用。

参考文献：

[1] 胡展飞.基桩超声波CT检测研究[D].长沙理工大学.2009.

[2] 申永利,孙永波.基于超声波CT技术的混凝土内部缺陷探测[J].工程地球物理学报. 2013(04):560-565.

[3] 龙士国,肖顺芳.网格划分对混凝土超声波CT成像的影响[J].武汉大学学报(工学版),2017(5):708-713.

[4] 王敬,杨艳,胡英.网格尺度对走时层析成像结果的影响分析及对策[J].武汉大学学报,2013(4):398-402.

论文作者:宋清波

论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期

论文发表时间:2020/4/29

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