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

发布时间：2017-08-07 15:33

  本文关键词：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

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【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。
【关键词】：基桩完整性 声波透射法 圆环式径向换能器 指向性 有限元
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU473.16
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-12
• 主要符号12-13
• 1 绪论13-23
• 1.1 引言13-17
• 1.1.1 研究背景13
• 1.1.2 基桩检测的发展概况13-15
• 1.1.3 各种检测方法的优缺点15-16
• 1.1.4 研究意义16-17
• 1.2 国内外研究现状17-20
• 1.2.1 换能器辐射声场的研究现状18
• 1.2.2 声波数值模拟的研究现状18-20
• 1.3 研究内容和技术路线20-23
• 1.3.1 研究内容20-21
• 1.3.2 研究技术路线21-23
• 2 声波透射法检测原理分析23-43
• 2.1 引言23
• 2.2 桩身缺陷成因分析23-24
• 2.3 声波透射法检测设备24-27
• 2.3.1 声测管24-25
• 2.3.2 声波仪25-26
• 2.3.3 换能器26-27
• 2.4 声波透射法检测基本理论27-31
• 2.4.1 波的类型28-29
• 2.4.2 声波在两种介质界面上的传播规律29-30
• 2.4.3 声波在固体介质中传播时能量的衰减30
• 2.4.4 声波在混凝土中传播特点30-31
• 2.5 声学参数与混凝土质量的关系31-33
• 2.5.1 声速与混凝土质量的关系31-32
• 2.5.2 波幅与混凝土质量的关系32
• 2.5.3 主频与混凝土质量的关系32-33
• 2.5.4 波形与混凝土质量的关系33
• 2.6 声波透射法传统检测步骤分析33-40
• 2.6.1 现场检测33-35
• 2.6.2 检测数据分析判定35-40
• 2.6.3 声测管弯斜修正40
• 2.7 换能器辐射声场的指向性和不足之处40-42
• 2.8 本章小结42-43
• 3 检测所用圆环式径向换能器辐射声场推导43-63
• 3.1 引言43
• 3.2 声源辐射理论43-47
• 3.2.1 声场物理量43-44
• 3.2.2 均匀球面声波44-45
• 3.2.3 脉动半球辐射体45-47
• 3.3 圆形平面活塞换能器声场分布与指向性47-49
• 3.4 圆环式径向换能器远场区声压分布与指向性的推导49-60
• 3.4.1 换能器辐射声场远场区声压分布49-54
• 3.4.2 换能器辐射声场指向性函数54-55
• 3.4.3 换能器辐射声场指向特性的影响因素55-60
• 3.4.4 斜测合适夹角的确定60
• 3.5 本章小结60-63
• 4 基桩声波透射法检测的数值模拟研究63-83
• 4.1 引言63-64
• 4.2 COMSOL Multiphysics简介64-65
• 4.3 波动方程与动力分析有限元数值解法65-67
• 4.3.1 各向同性弹性波的波动方程65-66
• 4.3.2 动力分析有限元数值解法66-67
• 4.4 声波在完整桩中传播的数值模拟算例67-73
• 4.4.1 二维完整桩数值模型的建立67-68
• 4.4.2 波源和边界条件的设置68
• 4.4.3 空间步长和时间步长的选择68-69
• 4.4.4 辐射声场分布特性验证69-73
• 4.5 声波在缺陷桩中传播的数值模拟研究73-81
• 4.5.1 脉冲复频波源的选取74-75
• 4.5.2 完整桩的声学参数75-77
• 4.5.3 竖直缺陷对声学参数的影响77-80
• 4.5.4 水平缺陷对声学参数的影响80-81
• 4.6 本章小结81-83
• 5 工程应用83-91
• 5.1 基桩完整性类别判定83-85
• 5.2 单桩实例分析85-89
• 5.3 本章小结89-91
• 6 结论及展望91-93
• 6.1 结论91-92
• 6.2 展望92-93
• 致谢93-95
• 参考文献95-99
• 附录99
• A．作者在攻读硕士学位期间发表的论文著作目录99
• B．作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目目录99

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本文编号：635370