基桩声波透射法完整性检测的声场分布规律及数值模拟研究

【摘要】：随着我国城市建设的快速发展,高层建筑、大型桥梁、海事结构等大型建构筑物不断兴建,当建筑场地的浅表层的地层不足以承受上部结构的荷载时,桩基础得到广泛的应用。然而,由于施工的不规范、地层稳定性差等使得灌注桩极易产生沉渣、断桩、缩颈等缺陷,影响基桩完整性;为了保障建构筑物安全和人类生命安全,亟需查明工程桩中缺陷的大小、位置,判定基桩完整性类别,以便进行工程处理。相较于其他基桩完整性检测方法,声波透射法具有检测全面细致,结果准确可靠,不受桩长、桩径、桩周土层等的限制等优点。为了准确地确定基桩内部隐蔽性较强的缺陷,本文推导了基桩检测所用圆环式径向换能器辐射声场分布以及通过数值模拟分析声学参数与缺陷之间的更多的规律,完善检测步骤,并指导实际工程检测。主要研究内容如下:(1)系统分析声波透射法检测原理,提出了换能器辐射声场的不足之处。(2)基于声源辐射理论,结合圆形平面换能器辐射声场的推导过程,推导了基桩检测所用圆环式径向换能器辐射声场远场区的声压分布及指向性函数,分析影响指向性的因素;通过MATLAB绘制指向性函数曲线,研究这些因素对换能器指向性的影响。(3)指向性越强,声波能量越集中在声测线附近,不利于检测,提出了改善指向性策略以及确定斜测合适夹角的方法。(4)建立二维完整桩混凝土模型,通过模拟声速和理论声速相比较,表明了有限元软件COMSOL Multiphysics模拟声波在混凝土中传播的可靠性;通过模拟不同频率的正弦波在混凝土中的传播,提出换能器辐射声场的指向性随辐射频率的增大逐渐增强,验证了理论推导。(5)建立竖直缺陷边界与声测线之间的距离逐渐变化的各种混凝土模型,通过与完整桩混凝土模型的声学参数的比较,提出了确定缺陷纵向边界的规律;建立水平缺陷混凝土模型,通过与完整桩混凝土模型的声学参数的比较,分析水平缺陷平测不易发现,提出了避免漏判的方法。(6)根据以上研究工作所得到的结论完善了检测步骤,指导实际工程检测,结合钻芯法进行验证。