基于透射波法和聲波CT的樁基檢測(cè)研究

葉騰飛，賈同福，周龍茂

（東華理工大學(xué) 勘察設(shè)計(jì)研究院，江西 撫州 344000）

樁基結(jié)構(gòu)在大型建筑工程中的應(yīng)用越來越多，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量在工程整體中起到?jīng)Q定性作用，考慮到樁基大多深埋在地下，因此，樁基的檢測(cè)工作一直是施工方的關(guān)注重點(diǎn)。為滿足工程質(zhì)量的無損檢測(cè)需求，本文引進(jìn)透射波法，采用對(duì)獲取的聲波進(jìn)行CT成像的方式，設(shè)計(jì)一種針對(duì)樁基的檢測(cè)方法，期望達(dá)到提高檢測(cè)結(jié)果成像精度的作用。

1 基于透射波法和聲波CT的樁基檢測(cè) 方法設(shè)計(jì)

1.1 樁基檢測(cè)點(diǎn)布置

相比常規(guī)的結(jié)構(gòu)，樁基工程的復(fù)雜性與隱蔽性更為顯著，并且樁基內(nèi)部結(jié)構(gòu)往往會(huì)存在蜂窩與夾泥等影響基體質(zhì)量的現(xiàn)象，這也導(dǎo)致了樁基的力學(xué)與聲學(xué)特性較為特殊。在使用透射波法進(jìn)行樁基質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，聲波在混凝土中的傳播方式也呈現(xiàn)一種多元化趨勢(shì)，而此時(shí)終端接收的聲波序列經(jīng)過多層疊加，將變得較為復(fù)雜，因此如何在大量的聲波中提取有效的聲波信息成為了檢測(cè)方的研究重點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)樁基質(zhì)量的有效檢測(cè)，需要在檢測(cè)前，做好樁基檢測(cè)點(diǎn)的布置工作，即在樁基及其混凝土周邊結(jié)構(gòu)布置信號(hào)接收點(diǎn)與信號(hào)發(fā)射點(diǎn)，通過樁基工程現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件，進(jìn)行兩點(diǎn)之間空間位置與對(duì)應(yīng)關(guān)系的描述，以此提高獲取聲波信號(hào)的時(shí)效性與價(jià)值性。

目前，基于聲波CT的檢測(cè)方法主要分為兩種：分別為兩側(cè)布置法與四側(cè)布置法。其中兩側(cè)布置法是指將信號(hào)發(fā)射點(diǎn)布置在樁基的一側(cè)，并從此側(cè)發(fā)送散點(diǎn)信號(hào)，將信號(hào)接收點(diǎn)布置在樁基的一側(cè)，從此側(cè)接收信號(hào)[1]。其中，四側(cè)布置法是指將信號(hào)從樁基的一側(cè)發(fā)送，從另外三側(cè)進(jìn)行信號(hào)的獲取。檢測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 基于四側(cè)布置法的檢測(cè)點(diǎn)布置圖

在布置檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，考慮到樁基結(jié)構(gòu)大多預(yù)埋在土層，整體隱蔽性較強(qiáng)，采用四側(cè)布置法進(jìn)行檢測(cè)點(diǎn)的布置難度較高，因此，本文選擇兩側(cè)布置法執(zhí)行此項(xiàng)工作。檢測(cè)點(diǎn)布置圖見圖2。

圖2 基于兩側(cè)布置法的檢測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2中，點(diǎn)A～點(diǎn)H均為信號(hào)的接收點(diǎn)，按照此種方式，進(jìn)行樁基檢測(cè)點(diǎn)的布置。

1.2 聲波初至走時(shí)拾取

在完成樁基現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)的布置后，需要對(duì)震源激發(fā)的初至波進(jìn)行獲取，在此過程中的初至波主要是指最先達(dá)到信號(hào)接收點(diǎn)的聲波?？紤]到樁基聲波CT反演成像中的數(shù)據(jù)均為初至波數(shù)據(jù)，因此，有針對(duì)性地獲取初至波十分關(guān)鍵，拾取信號(hào)的質(zhì)量可直接影響到聲波CT成像結(jié)果[2]?，F(xiàn)有的信號(hào)拾取方法有兩種：分別為自動(dòng)獲取前端發(fā)送的首波與人工檢索首波。在使用前者進(jìn)行聲波獲取時(shí)，可采用時(shí)窗能量比對(duì)法，收集能量幅度較高的聲波，此種拾取方式獲取聲波的效率相對(duì)較高，適用于對(duì)大批量聲波數(shù)據(jù)同時(shí)獲取，此種方式獲取的聲波精度相對(duì)較差，尤其在樁基結(jié)構(gòu)缺陷較多情況下，可能會(huì)存在首波幅度受限的問題。當(dāng)首波幅度過低時(shí)，甚至?xí)绊懟蚋深A(yù)到初至波的檢測(cè)時(shí)間。為確保獲取的聲波可以有效成像，本文采用人工檢索首波的方式進(jìn)行聲波獲取，采用此種方式獲取的聲波相對(duì)穩(wěn)定，并且在獲取聲波過程中的精度也可以得到保障。

1.3 樁基缺陷反演成像及成像特征分析

完成上述檢測(cè)準(zhǔn)備及檢測(cè)后，為了得到更加準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，還需要對(duì)樁基缺陷位置的圖像進(jìn)行反演，并對(duì)其成像特征進(jìn)行分析，從而得到最終的缺陷檢測(cè)結(jié)果。在樁基聲波層結(jié)構(gòu)當(dāng)中，對(duì)聲波成像進(jìn)行獲取[3]。假設(shè)檢測(cè)點(diǎn)聲時(shí)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為N，在離散網(wǎng)格單元當(dāng)中劃分的個(gè)數(shù)為M，將離散的x條射線的測(cè)量聲時(shí)集合記為Ti，則Ti的表達(dá)式為Ti=（T1，T2，T3，……，Tn）。將離散結(jié)構(gòu)當(dāng)中第j個(gè)單元的真實(shí)波速度記為Vj，則Vj的表達(dá)式為Vj=（V1，V2，V3，……，Vm）。則Ti與Vj之間存在著如公式（1）所示的線性關(guān)系：

公式（2）中，A表示為Jacobi矩陣。

在對(duì)聲波演化成像進(jìn)行計(jì)算的過程中，由于每個(gè)樁基結(jié)構(gòu)上都存在較多的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并且網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的劃分較細(xì)，每一條透射波射線穿過單元的數(shù)量與總單元數(shù)據(jù)相比都是極小的一部分，因此結(jié)合公式（2）計(jì)算后，會(huì)得到更龐大的矩陣[4]。因此，針對(duì)這一問題，若采用直接解法求解，無法達(dá)到理想的檢測(cè)效果。本文選用ART方法在上述操作的基礎(chǔ)上對(duì)被重建的區(qū)域給定一個(gè)初始值，再將得到的走時(shí)殘差沿著射線的方向，采用均勻分布的方式投射，并不斷地對(duì)重新構(gòu)建的反演成像圖像進(jìn)行修正，直到得到的數(shù)據(jù)滿足計(jì)算精度為止。根據(jù)聲波在不同介質(zhì)當(dāng)中的傳播特性，對(duì)最終檢測(cè)得到的樁基缺陷反演成像的特征進(jìn)行分析。利用聲波CT成像圖當(dāng)中不同色譜，對(duì)相應(yīng)的聲速值進(jìn)行表達(dá)，以此通過更加直觀的方式，觀察存在異常色譜形狀以及分布情況，從而確定樁基缺陷的類型以及位置。

2 對(duì)比試驗(yàn)

本文在完成上述對(duì)樁基檢測(cè)方法的理論設(shè)計(jì)后，為進(jìn)一步驗(yàn)證該方法在實(shí)際應(yīng)用中的效果，將上述提出的檢測(cè)方法應(yīng)用到江西某地區(qū)正在開展的樁基施工工程項(xiàng)目當(dāng)中，并選擇將傳統(tǒng)樁基檢測(cè)方法作為對(duì)照組，將本文提出的檢測(cè)方法作為實(shí)驗(yàn)組的方式，完成如下對(duì)比試驗(yàn)：

已知該建筑工程施工項(xiàng)目當(dāng)中由樁基施工班組完成沖孔、水下砼灌注等樁基施工任務(wù)，為驗(yàn)證該工程項(xiàng)目當(dāng)中樁基的質(zhì)量，對(duì)其缺陷進(jìn)行檢測(cè)，分別利用實(shí)驗(yàn)組檢測(cè)方法和對(duì)照組檢測(cè)方法在各個(gè)樁基不同位置上設(shè)置5個(gè)對(duì)應(yīng)的檢測(cè)點(diǎn)。為了確保驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇進(jìn)行檢測(cè)的樁基均為不存在缺陷的樁基，人為在樁基上設(shè)置四個(gè)尺寸不等的空洞缺陷，其尺寸分別為0.25m×0.25m、0.35m×0.25m、0.55m×0.25m和0.75m×0.25m。將真實(shí)的樁基空洞缺陷情況與試驗(yàn)組和對(duì)照組的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并得出如表1所示兩種檢測(cè)方法檢測(cè)結(jié)果對(duì)比表。

表1 試驗(yàn)組與對(duì)照組檢測(cè)結(jié)果對(duì)比表

從表1中得出的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比得出，試驗(yàn)組檢測(cè)方法能夠針對(duì)上述四個(gè)樁基空洞缺陷，準(zhǔn)確找到其相應(yīng)位置，并保證檢測(cè)結(jié)果的誤差在0.05m以下。而對(duì)照組檢測(cè)方法未檢測(cè)到在I點(diǎn)和II點(diǎn)尺寸大小為0.25m×0.25m和0.35m×0.25m的樁基空洞缺陷，并且在對(duì)IV點(diǎn)和V點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，得出的檢測(cè)結(jié)果誤差明顯大于試驗(yàn)組。因此，通過上述試驗(yàn)及結(jié)果進(jìn)一步證明，本文提出的基于透射波法和聲波CT的樁基檢測(cè)方法在應(yīng)用到真實(shí)建設(shè)工程項(xiàng)目當(dāng)中，可以對(duì)樁基缺陷問題進(jìn)行更加精準(zhǔn)的檢測(cè)，同時(shí)可針對(duì)尺寸小于0.35m×0.35m以下的樁基空洞缺陷問題進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)一步提高施工過程中樁基的施工質(zhì)量。

3 結(jié)語

混凝土樁基內(nèi)部缺陷會(huì)直接影響到工程質(zhì)量，并且此種缺陷會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)過程中的聲波成像較為復(fù)雜。為提高檢測(cè)結(jié)果的精度，引進(jìn)透射波法開展本文課題的研究，在完成研究后，采用對(duì)比試驗(yàn)的方式，對(duì)此方法進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)證明，此檢測(cè)方法可用于樁基檢測(cè)，且檢測(cè)結(jié)果的適用性較強(qiáng)。