基桩超声波透射法完整性检测的数值模拟及应用研究

摘要

超声波透射法作为结构基桩完整性无损检测方法，在土木工程领域已经被广泛应用。超声波透射法与普通的低应变法、高应变法、钻芯法等基桩检测方法相比，最大优点就是能够准确直观的发现基桩桩身结构缺陷。该方法具有操作简便、检测准确、方便快捷和适用广泛的优点。虽然超声检测技术优点突出并在工程中广泛应用，但对基于此方法的结构基桩检测过程的数值模拟与工程试验测试分析还仍需完善。
　　本文以辽宁省某跨海大桥与北京某试验基桩检测基地为工程背景，从超声波透射法检测混凝土灌注桩的基本原理出发，应用有限元软件模拟超声波透射法检测混凝土缺陷桩的全过程，结合混凝土试验测试结果，分析多种基桩缺陷在超声波透射检测中的表现规律，为其日益广泛的工程应用提供可借鉴的方法。首先，利用ANSYS有限元软件的前处理建立混凝土灌注桩有限元模型，通过ANSYS/LS-DYNA作为求解器进行动力计算，模拟实际工程中混凝土灌注桩常见的缺陷情况（空洞、断桩、缩颈、离析、桩头浮浆、桩底沉渣），进行混凝土完整桩与缺陷桩的超声波检测过程仿真模拟，通过LS-PREPOST4.0后处理进行波速、波幅等参数的数据整理，分析基桩横截面与纵断面多种结构缺陷测试波形数值结果。其次，制作混凝土试验桩，模拟了空洞、桩底沉渣、缩颈缺陷桩，对比数值模拟结果，总结出各缺陷波形特点，为工程领域超声波检测混凝土灌注桩过程中出现的异常缺陷波形提供进一步的判定依据。最后，基于超声波基桩检测基本原理，以北京某试验桩基地为背景制作缺陷桩，总结辽宁省某跨海大桥桩基检测过程中的基桩缺陷，结合本文超声波透射法的数值模拟以及试验研究过程，使用综合分析方法将声学参数中的波速、波幅、PSD值等综合考虑，探讨多种混凝土内部缺陷对跨孔超声波基桩检测参数的相关影响因素。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 超声波桩基检测国内外发展现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 桩基及其检测概述

1．3．1 桩基概述

1．3．2 桩的分类

1．3．3 灌注桩常见缺陷

1．3．4 桩基检测规程

1．3．5 桩基检测项目

1．3．6 桩基检测方法

1．4 本文选题目的与意义

1．5 本文研究内容

第2章 超声波桩基检测基本原理及判定

2．1 引言

2．2 超声波的产生及其类型

2．2．1 超声波的产生

2．2．2 波的分类

2．2．3 波的传播形式

2．2．4 波动方程

2．3 声波在介质界面上的传播规律

2．3．1 声波传播概述

2．3．2 声波的反射与折射

2．3．3 声波传播能量的衰减

2．4 声波在混凝土中传播的特点

2．4．1 力学模型

2．4．2 脉冲声波

2．5 超声波透射法在桩基检测中的应用

2．5．1 检测原理及方式

2．5．2 检测设备

2．5．3 换能器

2．5．4 声测管

2．6 声学参数及其特点

2．6．1 声速

2．6．2 波幅

2．6．3 频率

2．6．4 波形畸变

2．6．5 声参量与缺陷关系

2．7 判定方法

2．7．1 波速判据法

2．7．2 波幅判据法

2．7．3 PSD判据法

2．7．4 综合判定方法

2．8 超声波与应力波波速对应关系

2．8．1 混凝土中波速比较

2．8．2 超声波与应力波实测波速分析

2．8．3 超声波与数值模拟速度分析

2．8．4 比较分析

第3章 基桩缺陷超声波检测数值模拟及实现

3．1 引言

3．1．1 软件简介

3．1．2 单元选择

3．2 常见缺陷介绍

3．3 有限元建模及缺陷模拟

3．3．1 ANSYS有限元建模流程

3．3．2 单元网格划分

3．3．3 定义荷载

3．3．4 节点选取

3．3．5 LS-PREPOST后处理

3．4 分析结果比较

3．4．1 仿真空洞

3．4．2 仿真桩底沉渣

3．4．3 仿真缩颈

3．4．4 仿真断桩

3．4．5 仿真离析及夹泥

3．4．6 数值模拟的可行性

第4章 基桩缺陷超声波检测试验研究及实现

4．1 试验概况

4．2 试验准备

4．2．1 模拟试验目的

4．2．2 模拟试验原理

4．2．3 模拟试验方案

4．2．4 试验仪器

4．2．5 试验材料

4．3 试验缺陷制作

4．3．1 一号桩缺陷制作

4．3．2 二号桩缺陷制作

4．4 试验数据分析

4．4．1 一号桩检测结果

4．4．2 二号桩检测结果

4．5 数值模拟结果与试验结果的对比

第5章 基桩缺陷超声波检测工程实践

5．1 工程概况

5．2 工程制作

5．3 工程检测

5．3．1 工程现场检测情况

5．3．2 Ⅰ类完整桩

5．3．3 桩底沉渣

5．3．4 缩颈

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

研究生履历