摘要：本文簡單介紹了目前超聲透射法檢測基樁完整性時采用的傳統測試方法，并引入了“準CT測試”，然后闡述了速度反演的基本原理，并對三維成像技術進行了簡要介紹，最后列舉了三維CT成像技術在模型樁及工程樁的應用實例，說明其在超聲透射法基樁完整性檢測中應用的可行性。
關鍵詞：基樁完整性檢測；三維成像；準CT測試；層析成像；速度反演
0 概述
隨著我國基本建設事業的蓬勃發展，在高層建筑、重型廠房、公路及鐵路橋梁、港口碼頭、海上采油平臺以至核電站等工程中，大量采用樁基礎。但由于施工工藝、地質條件、施工隊伍、對量控制等因素的影響，出現縮頸、擴徑、裂紋、夾泥、沉渣甚至斷樁等基樁完整性質量問題、甚至會影響結構安全性。因此國家、行業相關規范和各級管理單位要求對基樁完整性進行檢測，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點，從而被廣泛使用。
對于缺陷位置、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測得的波速、波幅及波形的變化，結合個人的經驗來判斷樁的完整性，其測量準確性對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理統計的方法對缺陷進行判定，得到各“點”的結果，且無法知道缺陷的大小及確切位置，而將層析成像技術引入結構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部質量，彌補“點”上檢測的局限，較傳統方法有明顯的優勢，是一種有獨特效果的無損檢測手段。但由于CT測試的工作量較大，不可能大量應用，所以必須尋求一種測試量較小的、能夠實現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，提升其準確性，為此，在承擔的北京市交通行業科技項目“橋梁樁基檢測自動識別技術研究及應用”項目中，我們對三維CT成像技術在超聲透射法檢測基樁完整性進行了應用研究。
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射、接收換能器放在兩根預埋在基樁中的聲測管內，從樁底到樁頂每隔一定間距布置一個測點，逐點進行檢測，檢測時兩換能器始終在一個水平面上或保持一定的高差，如圖1a所示。如果共布置N個測點，則檢測得到N個測點的超聲數據，然后按照相關規范對數據進行數理統計分析，獲得兩聲測管間的混凝土質量。
對于平測中確認的剖面異常區域，應進行雙向斜測，如圖1b所示，測試區域范圍為3倍以上的異常區域范圍。換能器的高度差一般為50cm（聲測管間距小于1000mm）。所有存在異常區域的剖面均應進行雙向斜測。
1.2 扇形掃測（傳統CT測試）
傳統CT測試方法如圖2所示，將發射換能器固定在某一測點，然后接收換能器逐點移動，測試完一個扇面后，發射換能器下移一個測點固定不動，逐點移動接收換能器，如此反復，直到測試完所有扇面。
由于傳統CT測試的數據量很大，所以不可能對整根樁進行CT測試，一般在普通測試后發現某一范圍內比較可疑，可以對其進行CT測試以獲得更直觀的結果。
1.3 準CT測試
為了克服上述傳統的檢測方法和傳統CT測試的缺點，綜合其優點，我們研究并提出了“準CT測試”方法，也就是對基樁的所有剖面從樁底到樁頭進行平測及斜測。每個剖面進行一次平測及兩次斜測，然后對上述數據進行計算和反演，得出被測樁的三維成像，其檢測過程如圖3所示。
此種方法的優點是野外采集速度快，數據量也不大，反演成像速度也較快，但由于其數據量遠小于傳統的CT測試，所以其成像精度或效果與傳統CT相比要差一些，但比傳統的數理統計方法要強。
2層析成像（CT）的基本原理
層析成像（Computerized Tomography，簡稱CT），是在不損傷研究“對象”內部結構的條件下，利用某種場源，根據從“對象”外部用檢測設備所獲得的投影數據，依照一定的物理和數學關系，利用計算機反演“對象”內部未知的某種物理量的分布，重現“對象”內部特征。
根據超聲波理論，層析成像可分為射線層析成像和波動方程層析成像（或稱散射層析成像）。波動方程層析成像方法能充分利用超聲波走時、振幅、相位和頻率等全波形記錄，大大增加了所研究介質的信息量，能提高分辨率和減少由于投射角不全所造成的假象。但在實際應用中，波動方程層析成像仍然存在一些困難和問題，如散射數據的提取、對波形產生嚴重影響的各種干擾因素的消除（聲源信號、介質吸收、換能器耦合）等。而射線層析成像是對波場進行高頻近似，超聲波按射線傳播，雖然僅用了超聲波初至旅行時，但方法原理簡單，干擾因素較小，只要能充分利用可觀測空間和介質的先驗信息，采用誤差較小的反演算法，就可以獲得滿意的效果。目前射線層析成像在超聲波層析成像實際應用中占有主要地位。混凝土無損檢測中應用較多的是基于射線理論的超聲波速度反演。
假定v（x.Y)是二維速度模型，如圖4所示，S=1/V為慢度，則第
i條射線的初至走時，即投影值，可由式（1）計算：
式中R
i是第i條射線的軌跡，N為射線條數。
這是一個非線性問題，一般將反演區域離散成若干規則的網格單元（像元），在離散的每個像元內把射線路徑近似地看為直線，設Rif為第i條射線穿過第j個單元的距離，S
j為第j個單元的慢度，M為網格單元總數，則有：
線性方程組式（2）寫成矩陣形式為RS=T
3 三維成像技術的研究
3.1 基樁三維重構
基樁三維圖包括基樁三維聲速切片圖和基樁三維缺陷圖，都需要對基樁進行三維重構。基樁三維重構就是對基樁的三維模型圓柱體進行網格化，將圓柱體分解成很多很小的平行六面體形狀的網格單元（圖5所示），每個網格單元包括4個屬性值（x， y， z， V）。其中x，y，z表示每個網格單元左上角頂點在三維空間中的坐標(
)，V 表示每個網格單元的聲波速度值。根據V值的大小將每個網格單元的表面用不同的顏色來填充就可以生成基樁聲速切片圖。將聲速值V設置一個閾值f，將聲速值V>f的網格單元隱藏掉（不繪制網格單元）就可以生成基樁缺陷圖。
3.2 三維空間內插算法
基樁模型被網格化后，需要計算出每個網格單元的V值。對基樁數據文件進行CT反演后，可以得到基樁剖面上的部分點的波速值。可以利用三維空間移動插值算法根據這些已知點計算出基樁每個網格單元的V值。三維空間移動插值是二維空間移動插值的擴展。為了算法實現可以將網格單元看作是一個待插點。為了計算待插點的V 值，以可變半徑球形窗口搜索足夠數量的鄰近已知點（如圖6所示）。例如不少于6個，按距離權倒數內插法計算待定點的V 值。
空間任意一點P(x，y，z)上的屬性值V的大小與該點周圍已知點P(x，y，z)的屬性值V的大小與該點周圍已知點Di(x，y，z)的Vi具有密切關系。可以看作是這些已知點貢獻的結果。考慮到CT反演的已知點到插值點距離的不同，貢獻程度也不一樣，且距離越大貢獻程度越小。因此為了突出各已知點對待插點的貢獻隨距離的變化，對距離進行指數的倒數為權，對鄰近已知點的屬性值V進行加權平均，得到待插點的屬性值V。
其中，待插點P到個已知點Di的距離按三維空間距離公式計算：
則根據待插點P到各采樣點D
I的距離，在采樣點上D
I的屬性值為V
I，可計算P點的屬性值V 為：
式中：n為球形搜索窗口搜索到的采樣點個數；
u為調節距離權倒數的指數，可取u=3。
4 基樁三維超聲CT成像軟件的開發
為了在實際檢測中運用三維超聲CT成像技術，除了有數據采集的儀器（北京智博聯公司生產的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采集到的數據進行反演，并根據反演結果進行三維插值，然后繪制基樁三維缺陷圖。
MATLAB是一套用于科學工程計算的可視化高性能語言與軟件環境，它集數值分析、矩陣運算、信號處理、圖形處理與顯示于一體。為了縮短開發周期，我們使用MATLAB編制所有運算相關的程序，通過對多個不同尺寸的混凝土模型試件（每個模型中包含孔洞、蜂窩、離析等不同類型的缺陷）上采集到的數據進行反演，不斷地修改算法，提高反演精度，最終將MATLAB程序打包成動態鏈接庫（DLL）。
在編制MATLAB程序的同時，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，我們經過調研，制定了詳細的三維超聲CT成像軟件方案，使用微軟公司強大開發工具Visual Studio 2013成功開發出除了反演計算之外的用戶交互程序，然后將此部分程序與MATLAB生成的DLL進行對接，將檢測數據傳遞給DLL，由DLL經過復雜運算并將結果傳遞回來，然后使用OpenGL（Open Graphics Library，定義了一個跨編程語言、跨平臺的編程接口規格的專業圖形
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、縮放等后續功能，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缺陷的位置、形狀，軟件主界面如圖8所示。
5 模型樁及工程樁驗證
5.1 模型樁
北京市交通行業科技項目——橋梁樁基檢測自動識別技術研究及應用項目需要建立不同種類缺陷混凝土模型樁，然后進行超聲透射法檢測，并對其檢測數據進行深入分析。
在鉆孔灌注樁的施工過程中，由于施工工藝不正確、地質條件變化、施工隊伍素質低、對質量控制不嚴等因素，容易出現的缺陷類型有：斷樁、夾砂、夾泥、樁底沉渣、離析、聲測管周圍存在低速介質（包管）及聲測管傾斜等，所以為了對各種缺陷的超聲檢測數據進行分析，制作了一批足尺寸模型樁，在樁身的不同位置（深度及徑向方向）預埋不同種類、不同大小的缺陷，如圖9所示。
本次模型樁采用人工挖孔灌注樁，施工時，當混凝土澆注到設置缺陷的位置時，先將提前制作好的缺陷框架放進去，然后用鐵絲將框架固定在鋼筋籠主筋上，再將預先準備好的袋裝砂子、泥土或石子放入框架內堆放好，然后在缺陷框架周邊澆注混凝土至與缺陷框架同高度，用振搗棒振搗，然后繼續澆注混凝土。
5.2 模型樁及工程樁測試結果
使用ZBL-U5700多通道超聲測樁儀對基地所有模型樁的所有剖面進行平測及斜測，測試時的測線間距為0.1m。測試完成后，利用三維CT成像軟件對所有模型樁的數據進行分析，得到其三維缺陷圖，由于篇幅所限，文中僅列出1#~4#模型樁的設計圖及三維成像結果（如圖10所示）。將三維缺陷圖與設計圖紙比較，不難發現，三維缺陷圖中所指示的缺陷位置及范圍與設計圖基本吻合。
2017年11月底，北京某檢測單位在使用ZBL-U5700檢測某工程的基樁時發現其中某根樁樁在2米及10米位置聲速、波幅低于臨界值。該樁為鉆孔灌注樁，樁長為47.5米，樁徑1米，埋有3根聲測管。慎重起見，第二天對該樁的19.5米以上進行平測及斜測，將測線間距設置為0.1米，測得的曲線如圖11a所示，利用三維CT成像軟件對該數據進行分析，得到的三維缺陷圖如圖11b所示。對于10米的缺陷大家比較認可，但對于2米位置的缺陷表示懷疑，由于位置較淺，采用開挖驗證，在1號管所在側進行開挖，發現在該位置的混凝土確實存在局部不密實現象。
6 結論
超聲透射法檢測基樁完整性的傳統檢測方法，主要是利用數理統計的方法對缺陷進行判定，得到各“點”的結果，且無法知道缺陷的大小及確切位置，而將層析成像技術引入結構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部質量，彌補“點”上檢測的局限，較傳統方法有明顯的優勢，是一種有獨特效果的無損檢測手段。但由于CT測試的工作量較大，不可能大量應用，為此，引入了準CT測試方法，對整樁各剖面進行平測及兩個方向的斜測，測試工作量較傳統測試稍有增加，但較CT測試大大減少，測試完成后，通過三維CT成像技術的應用，能夠直觀地看到樁身缺陷的位置及范圍，經過模型樁及少數工程樁的驗證，測試結果與實際情況相符。建議在用傳統的檢測方法檢查發現問題樁后，對其采用準CT測試，得到更為準確的結果，從而能夠確定其對基樁承載能力的影響程度，以便對樁作出整體評價，采取合理的補救措施。
