超声波桩基检测多物理场数值模拟.pdf

Chongqing Architecture54第 22 卷 总第 236 期收稿日期：2022-11-11作者简介：纪健（1982），女，汉族，山东青岛人，工学博士，讲师，主要研究方向为管道泄漏检测方法和安全；李坤（1999），男，汉族，江西南昌人，硕士研究生，专业方向为超声波桩基检测与数值模拟。NumericalSimulationofMulti-physicsFieldforUltrasonicTestingonPileFoundationsJiJian,LiKunAbstract:WiththerapiddevelopmentofChinasconstructionindustry,thepilefoundationisbeingincreasinglyapplied,andtheintegrityinspectionofapilefoundationisveryimportant.Ultrasonicnondestructivetestingtechnology,owingtoitsadvantagesoflargedetectiondepth,widerange,highsensitivityandfastspeed,hasbeenmostwidelyusedinpilefoundationtesting.However,ultrasonictestinglackstheoreticalsupportforthedeterminationofdefects,resultinginmissedanderroneousjudgments.Inordertoaccuratelyandeffectivelytesttheintegrityofthepilefoundation,atwo-dimensionalnon-destructivetestingmodelforthepilefoundationwasestablishedthroughComsolMultiphysicsfiniteelementanalysissoftware,whichconductsmulti-physicscouplingwithpressureacoustics,solidmechanicsmodulesandpiezoelectriceffects.Theaccuracyoftheultrasonicmodelisverifiedthroughsoundvelocityandwaveform.Themodelsofcavitydefectsofdifferentsizeswereestablished，andtheinfluencelawofcavitysizeonultrasonicpropagationwasproposedthroughtheanalysisonsoundpressureandsoundtime.Basedonthechangeofthecavityspositiononthecentralaxis,therelativedistancerelationshipbetweensoundpressureandthetransducerisanalyzed,anditsfoundthatthecavitydefectclosertothetransmittingtransducerhasagreaterinfluencethanclosertothereceivingtransducer.Keywords:ultrasonicwave;non-destructivetesting;ComsolMultiphysics;cavitysize;cavitylocation0 引言近年来，无损检测技术在岩土工程领域的应用日益广泛，尤其在桩基完整性检测中，无损检测技术已成为现在至关重要的方法。在对存在缺陷的混凝土灌注桩的检测中，能够更精确地定位出缺陷位置，并进一步判断导致缺陷出现的原因，同时在检测的过程中效率也得到了保证。相比较传统的检测技术，传统的桩基检测主要有静载荷试验、钻芯法等，不但操作复杂，成本高，检测时间也长，而且具有破坏性。超声波检测就很好地避免了这些缺点，极大地提高了检测效率，大尺寸桩基也不受限制1-4。超声波是指振动频率大于 20kHz 的声波，其本质属于机械波，是机械振动在介质中的波动过程。在现在的建筑工程中，采用超声波无损检测技术对桩基进行检测时，主要就是利用其在介质中传播的波动特征5-6。由于混凝土是由水泥、粗骨料、细骨料等材料胶结在一起的复合材料，且在桩基的浇筑过程中极容易产生各种缺陷，如夹泥、空洞、断桩、裂隙和沉渣等。所以当超声波穿过混凝土时，就会发生能量衰减；在不同材料和缺陷边界处都会产生反射、折射、透射和绕射等现象；从而导致波的传播方向、传播速度和形状发生变化7-8。用超声波检测混凝土等介质的缺陷正是利用了超声波的这一特点。超声波衰减慢、穿透能力强，有时候可以穿透数米，这是其他混凝土检测方法不具有的9。在超声波桩基检测中，超声波的类型主要为纵波和横波。纵波不仅可以在固体中传播，也可以在气体和液体中传播。横波也称为剪切波，但剪切力不能在气体和液体中传播，因此横波不能在气体和液体中传播，而只能在固体中传播。故本文主要研究纵波在混凝土中的传播规律。1 数值模拟在所有已知的数值模拟技术中，有限元法（FEM）无疑是在工程中应用最多的。这主要是由于它在某些非均匀或非线性的物理系统中的优势。FEM 是一组数值技术的一部分，需要一个离散的网格系统节点通过有限元去连接。COMSOLMultiphysics是目前科研工作中使用最多的模拟软件，其特点是具有强大的多物理场耦合功能。不仅可以进行单物理场分析，还可以将不同的物理问题关联起来，对多物理场进行耦合，doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2023.06.54引文检索：纪健，李坤.超声波桩基检测多物理场数值模拟 J.重庆建筑，2023（6）：54-59.超声波桩基检测多物理场数值模拟纪健，李坤（东华理工大学土木与建筑工程学院，江西南昌330013）摘 要：随着我国建筑行业的快速发展，桩基运用也越来越广泛，桩基的完整性检测至关重要。超声波无损检测技术具有检测深度大、范围广、灵敏度高、速度快等优点，已成为桩基检测中运用最多的检测方法。超声波检测对缺陷的判定方法缺少理论支撑，出现漏判、误判的情况。为了准确有效的检测桩基的完整性，通过 ComsolMultiphysics 有限元分析软件建立二维桩基无损检测模型，利用压力声学、固体力学模块和压电效应进行多物理场耦合。通过声速和波形，验证超声波模型的准确性。建立不同尺寸的空洞缺陷模型，通过对声压和声时的分析，提出空洞尺寸对超声传播影响规律。通过空洞在中心轴上位置的变化，分析对比声压与换能器相对距离关系，空洞缺陷靠近发射换能器相对于接收换能器影响更大。关键词：超声波；无损检测；ComsolMultiphysics；空洞尺寸；空洞位置中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1671-9107（2023）06-0054-0655材料与技术Material&Technology2023NO.06方便研究不同物理过程之间的相互作用。多物理场的有限元模拟是数值模拟的发展趋势，本次数值模拟利用压力声学、固体力学模块和压电效应进行多物理场耦合，采用完美匹配层消除边界回波。1.1控制方程发射换能器和接收换能器的模拟主要是通过压电材料的正向和逆向压电效应来实现，利用静电和固体力学进行多物理场耦合。其中瞬态压力声学控制方程（粘度 mu=0，绝热，不考虑温度，波动方程）：（1）其中 c 为声速，为介质密度，t 为时间，为总声压，是声偶极子域声源，为单极源。1.2模型参数超声波桩基检测中，主要是通过对具体桩基剖面的某一深度的检测曲线进行分析，研究该剖面的某个深度的声速和波幅是否异常。所以在不影响模拟效果的情况下，本文将模型设置为二维平面模型，且混凝土假设为各向同性的线弹性材料，杨氏模量为 25GPa，泊松比为0.2，密度为 2300kg/m3，声速为 4200m/s。模型设为边长 100mm 的正方形，为避免边界反射对实验产生影响，故在模型左右两侧设置 5mm 的完美匹配层，比例曲率参数为 3。为了更加贴合现实中的检测情况，在模型上下两边加设厚度为 1mm 的水作为耦合剂层，并设宽为 10mm，高为 1mm 的 PZT-5H 作为发射换能器和接收换能器，如图 1 所示为完整桩混凝土二维模型，图 2 为空洞缺陷桩混凝土二维模型。在实际超声波检测中，常用脉冲波来激励，而脉冲波可以看作由多个正弦波或余弦波叠加而成，所以本文选用高斯脉冲和正弦函数乘积作为声源激励函数：22201()sin(2)2tg tetf=其中 t 为时间，为标准差，f0为激励信号频率；其函数波形示意图如图 3 所示。图 3 声源函数波形示意图图 4 网格划分图在有限元分析中，网格的划分尤为重要，直接关系到本次数值模拟结果的精确度和计算时间，但当网格大小到某一数值时，此时网格大小将不会影响计算精度，因此适当的网格划分将减少大量的计算时间，提高计算效率10-11。在 ComsolMultiphysics中，网格划分为自由三角形网格、自由四边形网站和映射，本文混凝土主要选用自由三角形网格，完美匹配层和换能器选用映射12。当建立一个动态瞬态模拟来模拟波在结构中的传播时，网格的优化是至关重要的。为了避免潜在的误差，求解器内部的网格划分和时间步进必须相互补充；根据波动方程的要求。许多研究人员建议每个波长至少使用 8 个网格元素13-16。所以网格最大尺寸要小于等于最小波长/8，声源激励信号频率为 200kHz。c/8=2.6mm即网格大小取 2mm，见图 4 所示。有限元模型的时间和空间分辨率对于这些数值结果的收敛是至关重要的。选择一个适当的积分时间步 t 对于解的精度是非常重要的。一般来说，积分时间步长越小，模型的精度越高。由于时间步长过长，高频分量的解析不够准确。另一方面，过小图 1 完整桩混凝土二维模型图 2 空洞缺陷桩混凝土二维模型Chongqing Architecture56第 22 卷 总第 236 期的时间步长会浪费计算时间15。时间步长应小于声波通过单元所需时间的 0.8 倍13t0.8/c即时间步长取 0.2s。2 结果与分析2.1 完整桩基检测模拟及结果分析为了准确地模拟超声波在桩基中的传播及空洞对其传播的影响，首先对完整桩基进行模拟。为了验证 ComsolMultiphysics模拟的准确性，本文采用模拟波速与实际波速的对比来论证17-18。为了更好地计算出模型中的实际波速，在换能器中线上取两点（5，45）和（5，55）作为点探针，间隔为 10mm，通过两点经过首波波峰的时间差来计算超声波在混凝土中的模拟波速，如图 5 所示为两点的声压-时间示意图。图 5 中两点的首波波峰时间差为 2.3810-6s，模拟声速为4192m/s，与实际波速 4200m/s 相差不大，该两点的波形曲线正常，则说明该模拟实验是有一定可信度的。如图6所示为超声波在完整桩基中不同时间传播情况：110-5s，1.6610-5s，2.8310-5s 时的声场分布。将模拟后接收换能器得到的数据，利用进行频谱和时频分析，如图 7 所示。根据频谱图可知，在归一化频率为 0.014 时，功率谱达到最大值 95.9dB，并在此之后一直呈下降趋势；根据时谱图可知，当采样值在 7400 到 7600 左右，归一化频率大于 0.12 时，功率谱达到-60dB 以下，由此可以判断出声波到达接收换能器时产生了回波。2.2空洞缺陷桩基模拟及结果初步分析2.2.1空洞大小模拟超声波在缺陷的混凝土桩基中波幅和波时的变化情况，当缺陷大小不一样时，是否对超声波的传播有所影响。研究空洞缺陷大小对超声波检测的影响，只改变空洞尺寸的大小，所以本图 6 不同时间的声场变化图 7 接收换能器中数