一种用于基桩检测声波透射法的声测管弯曲现象识别方法与流程

本发明属于工程测量领域，更具体地，涉及一种用于基桩检测声波透射法的声测管弯曲现象识别方法。

背景技术：

超声波穿过混凝土介质的过程中，介质本身性能和结构会对声波信号的各种声学参数产生影响。现阶段，在混凝土质量检测中一般考察的声学参数有波速、振幅、频率和波形。

声波波速的变化：声波在材料不同的混凝土中传播的速度不同。一般情况下，混凝土介质的内部结构越致密，弹性模量越高，孔隙率越低，那么声波的波速和混凝土的强度也越高；声波在混凝土内部传播，当遇到缺陷(空洞、混凝土离析、缩颈、局部疏松等)，接收波声时大于正常部位。

声波振幅的变化：由于接收波的后续波受到叠加波的干扰，会影响分析结果，因此，声波振幅通常指首波的振幅。接收波的振幅与声波穿过混凝土介质后的能量衰减相关，而衰减的大小可以在某程度上反映出混凝土的强度。接收波的波幅越低，声波穿过混凝土的衰减程度就越严重。当超声波在混凝土内部传播，遇到缺陷(空洞、混凝土离析、缩颈、局部疏松等)，振幅下降。波幅可以很直接的在接收波的波形图中观察出，与混凝土的质量息息相关，对混凝土缺陷的感应也是比较强，因此波幅是判断混凝土缺陷很重要参数。

声波主频率的变化：超声波检测中的脉冲波为是含有很多不同频率成分的复频波。这种复频波在穿过混凝土介质后，不同频率成分的波衰减程度相异，频率越高，衰减程度越大。随着声波传播距离的增大，高频部分的量越来越少，导致接收波的主频率降低。当然，除了传播距离之外，当声波在传播过程中遇到缺陷，波的衰减加剧，造成接收波的主频率也会显著下降。

声波波形的变化：脉冲波在混凝土中传播遇到缺陷会在缺陷的界面处发生反射、折射和绕射等，各种不同的波由于传播路径不同到达接收换能器的时间不同，导致不同相位和频率的波发生叠加，从而使接收波的波形畸变。所以，接收波的波形变化也是判断混凝土缺陷的依据。

声波透射法检测技术用于检测混凝土灌注桩的完整性。在基桩成孔，混凝成桩前，在桩身内部预埋几根声测管作为声波发射和接收换能器的上下通道，在混凝土强度达标后开始检测，用声波检测仪沿桩的纵向方向以一定间距自下而上逐点检测。通过对声波穿过桩身的各截面的波形和声学参数的处理、分析，从而推断桩身混凝土的完整性，确定缺陷的位置，范围，程度。然而当下声波透射法检测桩身完整性领域，声测管发生弯曲现象时与混凝土桩身出现质量问题时往往出现相同的测试信号，分析中难以区分。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于基桩检测声波透射法的声测管弯曲现象识别方法，由此解决现有技术中无法识别声测管弯曲现象的问题。

本发明提供了一种基于基桩检测声波透射法的声测管弯曲现象识别方法，所述方法包括：

利用声波仪的低通采集技术和宽频带接收技术，依次全剖面获得发射换能器和接收换能器所在平面测线的500Hz以上频段声波信号，得到全剖面实测声波信号；

针对所述全剖面实测声波信号，计算实时声波波速，同时得到全剖面平均波速，并获得全剖面波速变化图；

针对所述全剖面实测声波信号进行傅里叶变换，得到全剖面声波信号频谱图；

根据已知设计桩径和所述全剖面平均波速，计算各点的预估特征频率，并利用刻度在所述全剖面声波信号频谱图中自动进行连续标识；

根据所述全剖面声波信号频谱图，在所述预估特征频率附近找到谐振峰对应的实际特征频率，修改所述自动完成的标识形成实际特征频率标识图；

提取所述全剖面波速变化图中波速异常区域，并与所述实际特征频率标识图进行比对，区分弯管效应和桩身缺陷。

本发明的一个实施例中，所述声波仪和接收换能器，能够接收500Hz以上的声波信号。

本发明的一个实施例中，为确保宽频带响应和接收能力，所用发射换能器和接收换能器不能采用相同的谐振峰，发射换能器谐振峰不得高于接收换能器谐振峰频率值的三分之二。

本发明的一个实施例中，针对所述全剖面实测声波信号，计算实时波速，获得全剖面波速变化图，并计算得到全剖面平均波速，具体为：

针对所述全剖面实测声波信号，根据到时和声测管管间距，计算实时声波波速，根据各待测点实时波速平均计算得到全剖面平均波速，同时获得全剖面波速变化图。

本发明的一个实施例中，针对所述全剖面实测声波信号进行傅里叶变换，得到全剖面声波信号频谱图，具体为：

利用声波仪获取全剖面实时声波信号，并进行全剖面傅里叶变换，获得全剖面各待测点声波信号频谱图。

本发明的一个实施例中，根据全剖面声波全剖面平均波速和设计桩径计算各待测点的预估特征频率，并利用刻度在所述全剖面声波信号频谱图中自动进行连续标识，具体为：

利用公式f_m＝kc_a/2D_d求取的预估特征频率，其中f_m为求取的预估特征频率值，k为修正系数取，k＝1.0，C_a为全剖面平均波速，D_d为已知设计桩径；

根据所述预估特征频率，依序在所述全剖面声波信号频谱图中自动进行逐点标识。

本发明的一个实施例中，根据所述全剖面声波信号频谱图，在所述预估特征频率值附近找到实际特征频率值，修改所述自动完成的标识，形成实际特征频率标识图，具体为：

在所述全剖面声波信号频谱图中，在所述预估特征频率附近查找谐振峰，获取真正的特征频率并予以标识，形成实际特征频率标识图。

本发明的一个实施例中，提取所述全剖面波速变化图中波速异常区域，并与所述实际特征频率标识图进行比对，区分弯管效应和桩身缺陷，具体为：

比较所述全剖面波速变化图和所述实际特征频率标识图，如果波速异常区域实际特征频率正常，则属于弯管效应，其波速异常与桩身质量无关；若波速偏低区域实际特征频率同时高出所述预估特征频率10％以上，则所述波速偏低区域存在桩身质量问题。

总体而言，由于混凝土灌注桩由于地下施工因素，无法观察，其成桩质量必须通过测试确定，相对于现有的其他测试方法，声波透射法的准确度更高。对于由于测试中出现的可能由于声测管弯管或是混凝土桩身质量问题造成的信号异常难以区分；测试结果往往因人而异，带有很大的人为因素，难免导致不可避免的争议，甚至还有出现误判。该项方法利用频域分析方法在很大程度上解决了当下测试中存在的问题，使得由于声测管弯管或是混凝土桩身质量问题造成的信号异常更易分析判断，具有更高的可行度，从而有利于保证工程质量以及促进了行业的发展。

附图说明

图1是本发明实施例中用于基桩检测声波透射法的声测管弯曲现象识别方法；

图2是本发明实施例中常规对测法的原理示意图；

图3是本发明实施例中一种声波检测仪的结构示意图；

图4是本发明实施例中一种圆环式径向换能器的结构示意图；

图5是本发明实施例中试验模型1号灌注桩的结构示意图；

图6是本发明实施例中试验模型2号灌注桩的结构示意图；

图7是本发明实施例中声测管弯管与缺陷示意图；

图8是本发明实施例中测管实测波速-待测位置深度曲线示意图；

图9是本发明实施例中测管计算桩径-待测位置深度曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种基于基桩检测声波透射法的声测管弯曲现象识别方法，在某测量位置处的波速明显异常于其他正常波速值时，计算该测量位置处的预估特征频率值，并根据预估特征频率以及声波信号频域图判断，是否出现弯管还是桩身缺陷。所述方法包括如下步骤：

利用声波仪的低通采集技术和宽频带接收技术，依次全剖面获得发射换能器和接收换能器所在平面测线的500Hz以上频段声波信号，得到全剖面实测声波信号；

针对所述全剖面实测声波信号，计算实时声波波速，同时得到全剖面平均波速，并获得全剖面波速变化图；

针对所述全剖面实测声波信号进行傅里叶变换，得到全剖面声波信号频谱图；

根据已知设计桩径和所述全剖面平均波速，计算各点的预估特征频率，并利用刻度在所述全剖面声波信号频谱图中自动进行连续标识；

根据所述全剖面声波信号频谱图，在所述预估特征频率附近找到谐振峰对应的实际特征频率，修改所述自动完成的标识形成实际特征频率标识图；

提取所述全剖面波速变化图中波速异常区域，并与所述实际特征频率标识图进行比对，区分弯管效应和桩身缺陷。

本发明实施例中的试验方法为如图2所示的常规对测法，具体地：

A)仪器选择与参数设定

利用声波仪的低通采集技术和宽频带接收技术，依次全剖面获得发射换能器和接收换能器所在平面测线的500Hz以上频段声波信号，得到全剖面实测声波信号；

试验所使用仪器为如图3所示的非金属超声波检测仪，配有如图4所示的圆环式径向换能器，发射换能器主频分别为40kHz、60kHz，接收换能器主频为60kHz。实测信号均由1#、2#圆桩(如图5、图6所示)声波透射法检测获得。仪器参数设置为：采样步距为10cm，采样点数为2048个，采样间隔为3μs，通频带设置为10Hz-60kHz，延迟时间0μs，发射电压500v，信号后处理使用超声分析系统软件。

其中，所述声波仪和接收换能器，能够接收500Hz以上的声波信号。另外，为确保宽频带响应和接收能力，所用发射换能器和接收换能器不能采用相同的谐振峰，发射换能器谐振峰不得高于接收换能器谐振峰频率值的三分之二。

(B)实验方法

针对所述全剖面实测声波信号，计算实时声波波速，同时得到全剖面平均波速，并获得全剖面波速变化图；

常规对测，分别采用主频为40kHz、60kHz的换能器发射，主频为60kHz的换能器接收，采集两组试验信号。

(C)数据处理

a判断波速是否发生异常

针对所述全剖面实测声波信号进行傅里叶变换，得到全剖面声波信号频谱图；

针对所述全剖面实测声波信号，根据到时和声测管管间距，计算实时声波波速，获得全剖面声波波速变化图，判断波速相较场地经验波速和其他实测波速是否发生异常。

具体地，针对所述全剖面实测声波信号，根据到时和声测管管间距，计算实时声波波速，根据各待测点实时波速平均计算得到全剖面平均波速，同时获得全剖面波速变化图。

b确定预估特征频率

根据已知设计桩径和所述全剖面平均波速，计算各点的预估特征频率，并利用刻度在所述全剖面声波信号频谱图中自动进行连续标识；

具体地，按公式计算测点预估特征频率f_m＝kc_a/2D_d，D_d为设计直径，其中f_m为求取的预估特征频率值，k为修正系数取k＝1.0，c_a为全剖面平均波速；根据所述预估特征频率，依序在所述全剖面频谱图中自动进行逐点标识。

c确定实际特征频率

根据所述全剖面声波信号频谱图，在所述预估特征频率附近找到谐振峰对应的实际特征频率，修改所述自动完成的标识形成实际特征频率标识图；

具体地，在所述全剖面高精度频谱图中，在所述预估特征频率附近查找谐振峰，获取真正的特征频率，并予以标识。

d识别声测管弯曲现象

所述区域波速异常，而所述实际特征频率基本没有发生变化，则所述波速异常属于弯管效应，与桩身质量无关；所述区域波速偏低，与此同时，所述实际特征频率高出设定阈值，则属于桩身质量问题。

提取所述全剖面波速变化图中波速异常区域，并与所述实际特征频率标识图进行比对，区分弯管效应和桩身缺陷。

如图7所示，为桩身混凝土出现缺陷的情况，缺陷包括空洞、混凝土离析、缩颈、局部疏松等。声测管弯管则是由于设计或者施工方面的原因，造成声测管在同节钢筋笼中位置出现相对偏移。严格来说声测管弯管并不算缺陷，但弯管处检测到的信号往往会显示出缺陷部位的特征，弯管处由于测点间距增大造成声波到时增大，此时使用预设的管间距求出的波速无疑会减小，而当管间距正常但桩身内部存在缺陷时同样也会出现波速下降的情况，二者实测信号各有异同，要想准确区分有一定的难度。对于实际工程中出现波速突然减小情况，此时如何判断桩身内部情况一直都是工程重点与难点。频域分析法可以很好的解决这一工程难题。

具体地，比较所述全剖面波速变化图和所述实际特征频率标识图，如果波速异常区域实际特征频率正常，则属于弯管效应，其波速异常与桩身质量无关；若波速偏低区域实际特征频率同时高高出阈值，则属于桩身质量问题。具体地，这个阈值可根据实际情况设定，在此不做具体限定。

例如可以设置为10％，当频域出现的峰值点的频域值与所述的预估特征频域值相对误差在10％以内(包括10％)，可以判断为声测管弯管，当频域出现的峰值点的频域值与所述的预估特征频域值相对误差在10％以上，判断桩身混凝土出现缺陷。

以下结合具体实施例说明本发明基于声波透射法特征频域判断弯管效应的方法。

频域分析方法工程应用2-区分混凝土灌注桩弯管与缺陷

判断步骤：

a读取仪器测得某待测位置的实时波速C′很小，其余部分波速正常C。

b代入设计桩径D_d与正常波速C反向计算出预估特征频率值f_m。

c对时域信号进行频域转换，若在预估特征频率值f_m附近存在峰值点则说明出现弯管，桩身质量没有问题需要对待测位置波速进行弯管修正。若频域出现异常且特征峰值点f_m′远大于预估值，则说明桩身内部存在缺陷。

以2号灌注桩为例，其3-4剖面实测波速-待测位置深度曲线呈“U”形弯曲，如图8所示。待测位置速度不断下降在5m左右达到极值后缓缓上升恢复正常，仅凭时域信号无法判断该现象是由弯管还是缺陷造成。对所测得时域信号进行频谱变换并按照上述3个步骤进行判断，沿深度方向每隔一定距离均匀抽取部分待测位置。在图中读取特征频率并计算桩径，其结果如表1所示。

表1剖面3-4待测位置计算结果

在桩径不变的情况下信号频域不受待测位置间距影响，换言之若3-4剖面波速下降是由管距增大(弯管)造成，那么其接收信号频域应正常且特征值稳定在某一频率左右。反之频域信号出现异常则说明桩身内部存在缺陷。

据2号桩设计图挡板置于3.9m处，对比试验结果可知当待测位置深度低于3.9m时波速、频域以及计算桩径均正常(如待测位置深度2.1m)，待测位置深度大于3.9m时波速、频域及计算桩径异常，计算出桩径-深度曲线如图8。根据模型桩设计图与现场施工记录，2号桩声测管与其内部钢筋笼是焊接固定，不可能出现弯管，所以必定是桩头处设置的挡板与沙袋阻碍了混凝土灌注造成下部缺陷。根据频域信息进行综合判断可以得知桩身内部出现缺陷而非弯管，图9计算结果有效桩径不断减小更加验证了这一说法。使用常规方法很容易将该信号判断为弯管进而进行速度修正最终漏判缺陷，可见声波透射法频域分析法可有效区分出缺陷与弯管。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。