聲波透射法中聲測管距離修正研究

王守林

（廣州市建筑材料工業(yè)研究所有限公司 廣州 510635）

0 引言

聲波透射法是在橋梁、房建和公路領(lǐng)域內(nèi)都廣泛運用的一種基樁樁身完整性無損檢測技術(shù)，它具有檢測準(zhǔn)確性高、現(xiàn)場操作簡便、快捷，不受樁長樁徑等條件限制的優(yōu)點［1］，但也有不足之處，在實際工程中，使用聲波透射法檢測灌注樁樁身混凝土完整性時，需要假定樁內(nèi)聲測管平行，即用兩聲測管管頂露出混凝土部分的距離代替樁身混凝土內(nèi)部兩聲測管的距離，但在實際的聲測管埋設(shè)施工過程中往往滿足不了聲測管平行這一假定，尤其是在沒有放置鋼筋籠的灌注樁和直徑小樁身較長的灌注樁中，聲測管經(jīng)常彎曲、傾斜，影響檢測的準(zhǔn)確性，甚至造成誤判、漏判［2］，給工程質(zhì)量帶來隱患。可見，在樁身完整性判斷前對聲測管是否彎斜進(jìn)行檢測，并對管距進(jìn)行修正是十分必要。

目前，工程中用于修正聲測管管距的方法主要有曲線擬合的方法［3］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［4］、異常特征推理消除法［5］、投影法［6］和小波分析法［7］等來減小聲測管彎斜對檢測結(jié)果的影響。這些方法都是建立在一定的理論假定上，只能減小聲測管彎斜對聲波透射法檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，而不能消除，并且這些方法在實際操作中的的人為影響很大，不夠客觀，而相關(guān)規(guī)范［8，9］也規(guī)定了當(dāng)聲測管嚴(yán)重傾斜扭彎時，且不能進(jìn)行有效修正時，檢測數(shù)據(jù)不能做為判定依據(jù)。本文針對這一問題提出了以下解決方法，并基于實際工程，通過現(xiàn)場試驗驗證了這一方法的有效性和可行性。

1 原理

該方法需要用測斜管代替聲測管，埋設(shè)在灌注樁內(nèi)，利用測斜儀測得深度z 處各管中心相對管頂?shù)钠屏浚旅嬉? 根聲測管的樁為例來推導(dǎo)管距修正公式：

如圖1所示，以C 管頂中心為總坐標(biāo)系（X-Y 坐標(biāo)系）原點，X 軸平行于C 管的一對卡槽，指向AB 管的方向為正；Y 軸平行于另一對卡槽，指向A 管方向為正。測量X 正方向與AC、BC 連線之間的角度c1和c2（逆時針為正，順時針為負(fù)），再測得A 管中心和C管中心，B 管中心和C 管中心之間的距離AC、BC?？梢杂嬎愠鯝、B 管頂中心在總體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（xa，

式中：AC 為聲測管 A、C 管頂中心距離（m）；BC 為聲測管 B、C 管頂中心距離（m）；xa、ya分別為 A 管頂中心在總體坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；xb、yb分別為B 管頂中心在總體坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；c1、c2分別為X 軸正方向到的角度（°）（逆時針為正，順時針為負(fù)）。

A、B 聲測管的局部坐標(biāo)系分別以A、B 管頂面中心OA、OB 為原點，正方向大致與總坐標(biāo)系的正方向一樣，分別測量軸線XB、XC到連線的角度 α 、β（逆時針為正，順時針為負(fù)），則A 管和B 管局部坐標(biāo)與總體坐標(biāo)的角度分別依次為α -180°-c1和β -180°-c2。

圖1 計算示意圖Fig.1 Calculation Sketch Map

如果聲測管A 在埋入樁內(nèi)時發(fā)生彎曲，則A 管在距離管頂z 深度處的管中心豎直投影到A 管的局部坐標(biāo)時，就不會與坐標(biāo)原點重合，會產(chǎn)生偏差，現(xiàn)假定A 管距離樁頂深度z 處的中心OA′豎直投影到A 管的局部坐標(biāo)后的坐標(biāo)為（△Ax，△Ay），參數(shù)△Ax和△Ay即為A 管在距離管頂深度z 的中心處相對于A 管中心在管頂位置處的偏移值，可以通過傾斜儀測出，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將A 管中心坐標(biāo)由局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成總體坐標(biāo)，則A 管在深度z 處的中心豎直投影到總體坐標(biāo)系統(tǒng)后的總體坐標(biāo)為：

式中：Xa、Ya分別為A 管在深度z 處的中心豎直投影到總體坐標(biāo)系統(tǒng)后的總體坐標(biāo)；△Ax、△Ay分別為A管在距離管頂深度z 的中心處相對于A 管中心在管頂位置處的偏移值（m）；α 為X 軸正方向與向量的角度（°）。

同理可表示B 管在深度z 處的中心豎直投影到總體坐標(biāo)系統(tǒng)后的總體坐標(biāo)為（Xb，Yb）。

式中：Xb、Yb分別為B 管在深度z 處的中心豎直投影到總體坐標(biāo)系統(tǒng)后的總體坐標(biāo)；△Bx、△By分別為B管在距離管頂深度z 的中心處相對于B 管中心在管頂位置處的偏移值（m）；β 為X 軸正方向與向量的角度（°）。

此時 C 管中心在深度 z 處的總體坐標(biāo)（Xc，Yc）與局部坐標(biāo)一樣，即：

式中：Xc、Yc分別為 C 管在深度 z 處的中心豎直投影到總體坐標(biāo)系統(tǒng)后的總體坐標(biāo)；△Cx、△Cy分別為C管在距離管頂深度z 的中心處相對于C 管中心在管頂位置處的偏移值（m）。

那么在深度z 處，A、B、C 管中心之間的實際距離ABz、BCz、ACz可以由它們的坐標(biāo)算出：

式中：ABz、BCz、ACz為 A、B、C 管中心在深度 z 處之間的實際距離（m）。

3 實例分析

南沙某工程，基礎(chǔ)采用大直徑鉆孔灌注樁。經(jīng)過與施工單位協(xié)商，我公司選取了10 根混凝土強度等級為C35 的灌注樁做為實驗樁，將實驗樁人為設(shè)置成彎曲或傾斜。實驗樁中編號為S1 的實驗樁直徑為2 200 mm，樁長23.6 m，埋設(shè)3 根測斜管（當(dāng)做聲測管），并人為使測斜管彎曲；實驗樁S4 直徑為1 600 mm，樁長21.8 m，埋設(shè)兩根測斜管，并刻意使測斜管傾斜一定角度。將這兩根樁的聲波透射法實測結(jié)果，按上述方法對聲測管距離進(jìn)行修正后并按規(guī)范［10］進(jìn)行統(tǒng)計分析（見表1），其修正前與修正后的對比結(jié)果如圖2、圖3所示。

表1 實驗樁S1和S4的聲速統(tǒng)計值Tab.1 The Acoustic Velocity Statistic of Testing Pile S1 and S4

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，實驗樁S1 的AB 剖面的聲測管嚴(yán)重彎曲，使得聲速的分布離散嚴(yán)重，此時對聲速進(jìn)行統(tǒng)計分析已經(jīng)沒有意義，因此首先需要對其進(jìn)行修正。修正后聲速的離差從9.50%減小到2.62%，說明本文所述的修正方法有效。

實驗樁S4 中的兩根聲測管中有一根人為設(shè)置成傾斜，從圖3中可以看出，未修正聲速的離散性很大，離差為5.95%，聲速從上到下整體逐漸變大，最大聲速達(dá)到了5.314 km/s，明顯超過了正常聲速的范圍，若不進(jìn)行修正，直接用規(guī)范［10］的方法計算聲速異常判斷臨界值將比真實值偏小，造成深度約為17.0 m 和21.5m 的缺陷漏判，后經(jīng)抽芯驗證此處確有局部離析。

圖2 實驗樁S1修正前后的聲速Fig.2 The Acoustic Velocity of Testing Pile S1

圖3 實驗樁S4修正前后的聲速Fig.3 The Acoustic Velocity of Testing Pile S4

4 結(jié)論

本文針對聲波透射法中聲測管不平行影響檢測精確度這一問題，提出了一種修正方法，即利用測斜原理，測出樁身內(nèi)聲測管的之間的實際距離，從而消除聲測管不平行對檢測結(jié)果的影響，并通過現(xiàn)場實驗證明了本方法的可行性和有效性。