声波透射法中声测管距离修正研究

王守林

（广州市建筑材料工业研究所有限公司 广州 510635）

0 引言

声波透射法是在桥梁、房建和公路领域内都广泛运用的一种基桩桩身完整性无损检测技术，它具有检测准确性高、现场操作简便、快捷，不受桩长桩径等条件限制的优点［1］，但也有不足之处，在实际工程中，使用声波透射法检测灌注桩桩身混凝土完整性时，需要假定桩内声测管平行，即用两声测管管顶露出混凝土部分的距离代替桩身混凝土内部两声测管的距离，但在实际的声测管埋设施工过程中往往满足不了声测管平行这一假定，尤其是在没有放置钢筋笼的灌注桩和直径小桩身较长的灌注桩中，声测管经常弯曲、倾斜，影响检测的准确性，甚至造成误判、漏判［2］，给工程质量带来隐患。可见，在桩身完整性判断前对声测管是否弯斜进行检测，并对管距进行修正是十分必要。

目前，工程中用于修正声测管管距的方法主要有曲线拟合的方法［3］、神经网络法［4］、异常特征推理消除法［5］、投影法［6］和小波分析法［7］等来减小声测管弯斜对检测结果的影响。这些方法都是建立在一定的理论假定上，只能减小声测管弯斜对声波透射法检测结果准确性的影响，而不能消除，并且这些方法在实际操作中的的人为影响很大，不够客观，而相关规范［8，9］也规定了当声测管严重倾斜扭弯时，且不能进行有效修正时，检测数据不能做为判定依据。本文针对这一问题提出了以下解决方法，并基于实际工程，通过现场试验验证了这一方法的有效性和可行性。

1 原理

该方法需要用测斜管代替声测管，埋设在灌注桩内，利用测斜仪测得深度z 处各管中心相对管顶的偏移量，下面以3 根声测管的桩为例来推导管距修正公式：

如图1所示，以C 管顶中心为总坐标系（X-Y 坐标系）原点，X 轴平行于C 管的一对卡槽，指向AB 管的方向为正；Y 轴平行于另一对卡槽，指向A 管方向为正。测量X 正方向与AC、BC 连线之间的角度c1和c2（逆时针为正，顺时针为负），再测得A 管中心和C管中心，B 管中心和C 管中心之间的距离AC、BC。可以计算出A、B 管顶中心在总体坐标系中的坐标（xa，

式中：AC 为声测管 A、C 管顶中心距离（m）；BC 为声测管 B、C 管顶中心距离（m）；xa、ya分别为 A 管顶中心在总体坐标系中的横坐标和纵坐标；xb、yb分别为B 管顶中心在总体坐标系中的横坐标和纵坐标；c1、c2分别为X 轴正方向到的角度（°）（逆时针为正，顺时针为负）。

A、B 声测管的局部坐标系分别以A、B 管顶面中心OA、OB 为原点，正方向大致与总坐标系的正方向一样，分别测量轴线XB、XC到连线的角度 α 、β（逆时针为正，顺时针为负），则A 管和B 管局部坐标与总体坐标的角度分别依次为α -180°-c1和β -180°-c2。

图1 计算示意图Fig.1 Calculation Sketch Map

如果声测管A 在埋入桩内时发生弯曲，则A 管在距离管顶z 深度处的管中心竖直投影到A 管的局部坐标时，就不会与坐标原点重合，会产生偏差，现假定A 管距离桩顶深度z 处的中心OA′竖直投影到A 管的局部坐标后的坐标为（△Ax，△Ay），参数△Ax和△Ay即为A 管在距离管顶深度z 的中心处相对于A 管中心在管顶位置处的偏移值，可以通过倾斜仪测出，再通过坐标转换，将A 管中心坐标由局部坐标转换成总体坐标，则A 管在深度z 处的中心竖直投影到总体坐标系统后的总体坐标为：

式中：Xa、Ya分别为A 管在深度z 处的中心竖直投影到总体坐标系统后的总体坐标；△Ax、△Ay分别为A管在距离管顶深度z 的中心处相对于A 管中心在管顶位置处的偏移值（m）；α 为X 轴正方向与向量的角度（°）。

同理可表示B 管在深度z 处的中心竖直投影到总体坐标系统后的总体坐标为（Xb，Yb）。

式中：Xb、Yb分别为B 管在深度z 处的中心竖直投影到总体坐标系统后的总体坐标；△Bx、△By分别为B管在距离管顶深度z 的中心处相对于B 管中心在管顶位置处的偏移值（m）；β 为X 轴正方向与向量的角度（°）。

此时 C 管中心在深度 z 处的总体坐标（Xc，Yc）与局部坐标一样，即：

式中：Xc、Yc分别为 C 管在深度 z 处的中心竖直投影到总体坐标系统后的总体坐标；△Cx、△Cy分别为C管在距离管顶深度z 的中心处相对于C 管中心在管顶位置处的偏移值（m）。

那么在深度z 处，A、B、C 管中心之间的实际距离ABz、BCz、ACz可以由它们的坐标算出：

式中：ABz、BCz、ACz为 A、B、C 管中心在深度 z 处之间的实际距离（m）。

3 实例分析

南沙某工程，基础采用大直径钻孔灌注桩。经过与施工单位协商，我公司选取了10 根混凝土强度等级为C35 的灌注桩做为实验桩，将实验桩人为设置成弯曲或倾斜。实验桩中编号为S1 的实验桩直径为2 200 mm，桩长23.6 m，埋设3 根测斜管（当做声测管），并人为使测斜管弯曲；实验桩S4 直径为1 600 mm，桩长21.8 m，埋设两根测斜管，并刻意使测斜管倾斜一定角度。将这两根桩的声波透射法实测结果，按上述方法对声测管距离进行修正后并按规范［10］进行统计分析（见表1），其修正前与修正后的对比结果如图2、图3所示。

表1 实验桩S1和S4的声速统计值Tab.1 The Acoustic Velocity Statistic of Testing Pile S1 and S4

从图2可以发现，实验桩S1 的AB 剖面的声测管严重弯曲，使得声速的分布离散严重，此时对声速进行统计分析已经没有意义，因此首先需要对其进行修正。修正后声速的离差从9.50%减小到2.62%，说明本文所述的修正方法有效。

实验桩S4 中的两根声测管中有一根人为设置成倾斜，从图3中可以看出，未修正声速的离散性很大，离差为5.95%，声速从上到下整体逐渐变大，最大声速达到了5.314 km/s，明显超过了正常声速的范围，若不进行修正，直接用规范［10］的方法计算声速异常判断临界值将比真实值偏小，造成深度约为17.0 m 和21.5m 的缺陷漏判，后经抽芯验证此处确有局部离析。

图2 实验桩S1修正前后的声速Fig.2 The Acoustic Velocity of Testing Pile S1

图3 实验桩S4修正前后的声速Fig.3 The Acoustic Velocity of Testing Pile S4

4 结论

本文针对声波透射法中声测管不平行影响检测精确度这一问题，提出了一种修正方法，即利用测斜原理，测出桩身内声测管的之间的实际距离，从而消除声测管不平行对检测结果的影响，并通过现场实验证明了本方法的可行性和有效性。