摘要：本文簡單介紹了目前超聲透射法檢測基樁完整性時(shí)采用的傳統(tǒng)測試方法，并引入了“準(zhǔn)CT測試”，然后闡述了速度反演的基本原理，并對(duì)三維成像技術(shù)進(jìn)行了簡要介紹，最后列舉了三維CT成像技術(shù)在模型樁及工程樁的應(yīng)用實(shí)例，說明其在超聲透射法基樁完整性檢測中應(yīng)用的可行性。
關(guān)鍵詞：基樁完整性檢測；三維成像；準(zhǔn)CT測試；層析成像；速度反演

0 概述

隨著我國基本建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，在高層建筑、重型廠房、公路及鐵路橋梁、港口碼頭、海上采油平臺(tái)以至核電站等工程中，大量采用樁基礎(chǔ)。但由于施工工藝、地質(zhì)條件、施工隊(duì)伍、對(duì)量控制等因素的影響，出現(xiàn)縮頸、擴(kuò)徑、裂紋、夾泥、沉渣甚至斷樁等基樁完整性質(zhì)量問題、甚至?xí)绊懡Y(jié)構(gòu)安全性。因此國家、行業(yè)相關(guān)規(guī)范和各級(jí)管理單位要求對(duì)基樁完整性進(jìn)行檢測，超聲透射法具有便捷、迅速、缺陷反映靈敏度高、缺陷檢測范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，從而被廣泛使用。
對(duì)于缺陷位置、缺陷程度的判斷往往是在儀器采集完畢后由分析人員依據(jù)測得的波速、波幅及波形的變化，結(jié)合個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)來判斷樁的完整性，其測量準(zhǔn)確性對(duì)檢測人員的水平依賴很大。
超聲透射法檢測基樁完整性主要是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)缺陷進(jìn)行判定，得到各“點(diǎn)”的結(jié)果，且無法知道缺陷的大小及確切位置，而將層析成像技術(shù)引入結(jié)構(gòu)混凝土超聲檢測中后，能以圖像的方式直觀地反映層析面上混凝土內(nèi)部質(zhì)量，彌補(bǔ)“點(diǎn)”上檢測的局限，較傳統(tǒng)方法有明顯的優(yōu)勢，是一種有獨(dú)特效果的無損檢測手段。但由于CT測試的工作量較大，不可能大量應(yīng)用，所以必須尋求一種測試量較小的、能夠?qū)崿F(xiàn)CT反演的效果的測試及分析方法，在保證樁基完整性檢測的效率的同時(shí)，提升其準(zhǔn)確性，為此，在承擔(dān)的北京市交通行業(yè)科技項(xiàng)目“橋梁樁基檢測自動(dòng)識(shí)別技術(shù)研究及應(yīng)用”項(xiàng)目中，我們對(duì)三維CT成像技術(shù)在超聲透射法檢測基樁完整性進(jìn)行了應(yīng)用研究。

1測試方法的比較

1.1 平測與斜測

目前采用最多的超聲透射法檢測基樁完整性是將發(fā)射、接收換能器放在兩根預(yù)埋在基樁中的聲測管內(nèi)，從樁底到樁頂每隔一定間距布置一個(gè)測點(diǎn)，逐點(diǎn)進(jìn)行檢測，檢測時(shí)兩換能器始終在一個(gè)水平面上或保持一定的高差，如圖1a所示。如果共布置N個(gè)測點(diǎn)，則檢測得到N個(gè)測點(diǎn)的超聲數(shù)據(jù)，然后按照相關(guān)規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，獲得兩聲測管間的混凝土質(zhì)量。
對(duì)于平測中確認(rèn)的剖面異常區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行雙向斜測，如圖1b所示，測試區(qū)域范圍為3倍以上的異常區(qū)域范圍。換能器的高度差一般為50cm（聲測管間距小于1000mm）。所有存在異常區(qū)域的剖面均應(yīng)進(jìn)行雙向斜測。

3.2  三維空間內(nèi)插算法

基樁模型被網(wǎng)格化后，需要計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格單元的V值。對(duì)基樁數(shù)據(jù)文件進(jìn)行CT反演后，可以得到基樁剖面上的部分點(diǎn)的波速值?？梢岳萌S空間移動(dòng)插值算法根據(jù)這些已知點(diǎn)計(jì)算出基樁每個(gè)網(wǎng)格單元的V值。三維空間移動(dòng)插值是二維空間移動(dòng)插值的擴(kuò)展。為了算法實(shí)現(xiàn)可以將網(wǎng)格單元看作是一個(gè)待插點(diǎn)。為了計(jì)算待插點(diǎn)的V 值，以可變半徑球形窗口搜索足夠數(shù)量的鄰近已知點(diǎn)（如圖6所示）。例如不少于6個(gè)，按距離權(quán)倒數(shù)內(nèi)插法計(jì)算待定點(diǎn)的V 值。
則根據(jù)待插點(diǎn)P到各采樣點(diǎn)D_I的距離，在采樣點(diǎn)上D_I的屬性值為V_I，可計(jì)算P點(diǎn)的屬性值V 為：

式中：n為球形搜索窗口搜索到的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；
      u為調(diào)節(jié)距離權(quán)倒數(shù)的指數(shù)，可取u=3。

4 基樁三維超聲CT成像軟件的開發(fā)

為了在實(shí)際檢測中運(yùn)用三維超聲CT成像技術(shù)，除了有數(shù)據(jù)采集的儀器（北京智博聯(lián)公司生產(chǎn)的ZBL-U5系列多通道超聲測樁儀）外，還必須要有配套的分析軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，并根據(jù)反演結(jié)果進(jìn)行三維插值，然后繪制基樁三維缺陷圖。
MATLAB是一套用于科學(xué)工程計(jì)算的可視化高性能語言與軟件環(huán)境，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理、圖形處理與顯示于一體。為了縮短開發(fā)周期，我們使用MATLAB編制所有運(yùn)算相關(guān)的程序，通過對(duì)多個(gè)不同尺寸的混凝土模型試件（每個(gè)模型中包含孔洞、蜂窩、離析等不同類型的缺陷）上采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，不斷地修改算法，提高反演精度，最終將MATLAB程序打包成動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）。
在編制MATLAB程序的同時(shí)，為了使三維超聲CT成像軟件界面友好、操作方便，符合檢測人員的要求，我們經(jīng)過調(diào)研，制定了詳細(xì)的三維超聲CT成像軟件方案，使用微軟公司強(qiáng)大開發(fā)工具Visual Studio 2013成功開發(fā)出除了反演計(jì)算之外的用戶交互程序，然后將此部分程序與MATLAB生成的DLL進(jìn)行對(duì)接，將檢測數(shù)據(jù)傳遞給DLL，由DLL經(jīng)過復(fù)雜運(yùn)算并將結(jié)果傳遞回來，然后使用OpenGL（Open Graphics Library，定義了一個(gè)跨編程語言、跨平臺(tái)的編程接口規(guī)格的專業(yè)圖形程序接口）圖形庫生成三維圖形（流程圖如圖7所示），完成各種圖形的顯示、旋轉(zhuǎn)、縮放等后續(xù)功能，最終形成一套完整的三維超聲CT成像軟件，能夠顯示基樁的三維管狀切片圖、三維缺陷圖等，可以直觀地看出基樁內(nèi)缺陷的位置、形狀，軟件主界面如圖8所示。