专利名称:桩质量无损检验的水电效应法及其装置的制作方法
本发明涉及一种桩质量无损检验的方法，特别是一种瞬态强迫振动的应力波法。主要采用桩的自功率谱来判断桩的缺陷。
桩基在桥梁和建筑工程中被广泛应用，特别是不同直径的钻孔灌注桩应用更广，在欧洲已占全部用桩量的70%。钻孔桩和打入桩由于种种原因，会产生断裂，有夹杂物和混凝土疏松等缺陷。据国外统计，鉆孔桩的损坏率为5～10%，这往往会造成很大危害。经典的鉆岩蕊检查法虽然比较可靠，但是费力，费时，费用高，只能做抽样检查，不能对多数桩普遍检验。而静载试验法不能提供质量不好的原因，只是给出结果。目前桥梁工程中遇到的单桩长度由几米到几百米，直径由1米到2米;土层由淤泥、黄土到风化岩;桩头有的在水面以上，有的在水面以下。检验手段应该在这些情况下都能应用。此外对于群桩、单排桩以及在施工现埸噪声较大和有交通干扰情况下的质量检验问题也应该加以考虑。为了确保工程质量，为桩的竣工验收服务，需要有一种检验钢筋混凝土桩基的简便、可靠的方法。这是工程界多年渴望解决的研究课题。无损检验技术在机械制造业中发展较快，应用较广。但在土木工程中，应用于象桩这样插入土中的弹性细长杆件，因受到多种复杂因素的影响，技术难度较大。十多年来提出的技术方法多种多样，如应力波传播法、予埋管声波探测法、力阻抗法、冲击法等。详细情况见中国杂志《国外公路》1983年第1期Pg50“国外桩基质量无损检验技术的发展”。但至今还没有一种方法能同时满足可探性、准确性和高效性的要求。
本发明的任务就是要克服以往检测方法的缺点，提出一种新的检测方法，具有测试准确，信噪比高，使用方便，功能多，成本低等显著优点。仅就振源而言，它与海洋石油地震勘探中电火花振源有相似之处。该种方法用于桩质量无损检验尚属首次。
本发明的任务是以如下方式完成的1、采用水电效应振源 当电极在水中瞬间高压放电时，电极间隙附近范围很小的水介质迅速升温气化，形成高温高压气团，因而形成很强大的脉冲压力波，这就是所谓的水电效应。应用水电效应振源发射窄脉冲，宽频带的声波作为桩的激振力，其特点是不改变响应信号的频谱。其能量大，压力高达几千个大气压，足以使振动波由桩顶传到桩底又反射回桩顶，从而使得响应信号的幅值较大。而超声波由于衰减过大，则不具备这一优点。该脉冲力作用时间很短，只有数十微秒。产生的声波在频率域f＜1000HZ是宽频带，因而不改变响应信号的频谱，这一点很重要。采用该法试验速度快，激振方便，重复性好。各次激振的能量，可以控制得大致相等。
2、应用水声法接收响应信号 桩受激励后，同时产生纵波、横波和表面波。沿桩反射到桩顶的纵波，能反映整个桩身结构的完整性，是需要要接收的有用信号，后两项是干扰信号。为了清晰地鉴别纵波，必须设法滤去横波和表面波，以提高所记录信号的信噪比。一般的方法是采用滤波器，但当桩的直径较大时，表面波的频率趋近于输入脉冲的频率，因此不再能够用滤波器。利用水的剪切模量为零，不能传递剪应变的特性，在桩顶安装蓄水管，以水介质滤去反射回桩顶面的横波和表面波，它们皆属剪切波。然后用水听器接收信号。因振源信号是窄脉冲，宽频带，所用的水听器和接收仪器也是宽频带的，故包括振源、桩、水听器在内的整个系统的频谱能够如实地反映桩的频谱，这样接收的信号可以较好地消除测试系统的影响。水听器亦称检波器，本试验采用的实际上是一个压电晶体传感器，放在水中就可以接收桩头响应的振动加速度信号，用磁带录音机记录信号，则横波和表面波即被排除。所录信号中还包括了水管径向振动和管内水的垂直向及水平向的反射信号，这些信号的频率都大于1000HZ，用低通滤波器滤去，整个试验重复进行多次，每次时间间隔5～15秒，对信号数据进行平均运算，从而可以消除信号的随机误差，即可以消除信号中的环境噪声。采取以上几方面的措施后，使信号的信噪比大大提高，可达到40db以上。即使周围有交通干扰和施工现埸干扰，也可准确地进行测试，大大便利了检验工作的进行。
3、响应信号的处理用信号数据处理机或用数字信号频谱仪 水听器接收的信号，用磁带录音机记录，经低通滤波器滤去不需要的高频信号后，送入信号数据处理机做快速付立叶变换，进行变换信号形态的工作。把时域内波形曲线变换到频率域内得出自功率谱等。对混杂有噪音的信号进行自功率谱分析，能更好地突出有用信息，从而进一步去掉信号中不需要的随机成份，包括测试系统带入的干扰。该法通过转换模拟信号为数据信号，可对信号数据进行自动处理，比之模拟分析要优越得多。
由于桩内缺陷的存在，其反射脉冲的频谱已不同于完整桩的频谱，因此采用频谱分析来识别桩的缺陷和反射声波的能力是重要的。对声波的反射脉冲，通常利用的仅仅是脉冲幅值的大小或脉冲到达的时间，而忽略了信号中其它许多有用信息，因而不能充分判断缺陷的性质，较完善的信号处理应包括自功率谱，相位谱分析及波形图和其它许多参数。因而对分析结果进行二次处理。一般情况下对水听器接收的信号，经过信号处理机的一次处理，自动绘出波形图，从而得到桩头反力;经过二次处理，变换到频域后又得到自功率谱，从而可知主频数值、幅值比和波速。
若为现埸接收，可以采用数字信号频谱仪进行分析。
对重要工程，增加速度计，安置在桩侧壁或蓄水管外，接收桩头振动速度信号，除了同样可得出上述信号数据外，还可与水听器的信号同时进行传递函数分析，如一通道为力，二通道为速度时，得到导纳幅值 (V)/(F) ～f曲线以及相位谱，由传递函数可算出导纳平均值，并可提出频率差，动刚度，对上述信息起复核、校验的作用。
4、制定判断桩完整性的标准 将上述10种信息经过分析、对比和验证，对反映不同缺陷的信号进行归纳、分类，与桩的完整性建立对应关系，并以此为根据，制定判断桩完整性的标准。以下是桩完整性的综合判据表。
判断桩完整性的综合判据表一、基本判据 (对水听器的信号进行数据处理而得)
在绝大多数情况下，应用基本判据即可以判断桩的完整性。但由于实际桩的复杂性和试验误差所致，有时会遇到少量不完全符合上述条件的桩，这时则需要应用辅助判据做进一步的细致判断。
二、辅助判据 (对水听器和速度计的信号进行数据处理而得)
以下将结合附图对水电效应装置做进一步详细说明图1是水电效应振源的原理电路图。
图2是水电效应装置的示图及信号接收框图。
图3是信号数据处理框图。
装置分为三大部分，即1)桩顶部分安置于桩顶的，有足够刚度的钢筋混凝土蓄水管(1)，高0.8～2米，壁厚5～10厘米，其直径与桩(5)的直径接近，蓄水管中心线与桩的轴线相重合，工作时蓄满水。将同轴电极(2)置于管内水中距桩顶面0.3～0.5米的位置，位于桩的轴线上，使桩在较均匀的脉冲压力作用下产生纵向振动。水听器(3)放在靠近桩顶面中心，但又不和桩接触的位置较好，间距为1～3厘米，这样可以尽快地接收到水介质滤波以后的反射信号。
上述混凝土管可以用钢管代替，其高度0.8～2米，壁厚1～2厘米。
2)产生冲击大电流的小型装置其电路图如图1所示，其中交流电源220伏经过升压变压器T11、T21，高压硅整流器D1及限流电阻R1向电容器C1充电，为充电回路。由电容器C1、辅助间隙K1、放电电缆及放电电极(2)构成放电回路。按鈕K2、电容C2、电阻R2、整流器D2、升压变压器T22与K1则为点火系统。由于装置中设计了定电压自动点火电路，当重复激发时，可以使每次激发的能量基本相等。振源控制台将充电、放电及点火系统都集中在一起，增加调节电位器和计数器，实行自动控制。调节电位器的时间间隔在5～15秒之间任意选定。
放电的电极(2)，在本例中是一同轴电极，它与上述产生冲击大电流的小型装置相连。放电参数一般为2～10微法，6000～12000伏而以4微法，9000伏为佳，其产生能量为162焦耳。遇到桩的阻尼大时，可适当加大能量至250焦耳。
3)接收和处理信号的仪器设备现埸接收和分析信号的仪器是由磁带录音机和数字信号频谱仪组成。
接收和带回室内分析所录信号的仪器框图如图2和图3所示。
在桩侧壁或桩顶的蓄水管外安置速度计(4)，它可以和水听器一起与传声放大器、多通道磁带录音机、低通滤波器、信号处理机、X-Y记录仪相连。
水电效应法的优点在于一、准确度高。目前已测试了632根桩。对单桩已对长度6～60米，直径0.6～1.8米，长径比的最大值为66的桩做过检验，基本上和破坏性的抽样检验结果一致，对缺陷位置的予估偏差为95%的置信区间是(-0.65米，1.35米)。
二、功能多既可检验单桩(包括桩头在水下的桩)，又可检验排架墩下的柱及群桩。对桩身完整与否，一道或多道断裂面的位置、直径变化及混凝土的质量(通过波速高低)均可提出正确判断。或已知波速时，反求桩长。而法国的阻抗法，只能测单桩，且长径比小于20(在松软土层可达30，则属例外)，并且不能测群桩及排架墩下的桩。
三、用这种方法，信噪比高，抗干扰能力强，无论何时都可进行检验，不需中断附近交通。检验速度快，每根桩的正式检验时间仅需几分钟。法国的阻抗法，则只能在晚间进行。
四、经济效益显著每根桩的检验成本费比传统鉆岩蕊法低很多倍，以30米长的桩为例，每根可节约8000元。
权利要求
1.一种桩质量无损检验的应力波法，激振方式为瞬态强迫振动，其特征在于采用水电效应振源发射窄脉冲、宽频带的声波作为桩的激振力，用可以滤去剪切波的具有宽频带的水听器接收响应信号，用磁带录音机记录储存该信号，经低通滤波器滤去其中不需要的高频信号后，输入信号处理机做快速付里叶变换，去掉信号中不需要的随机成份和进行由时域到频率域的变换信号形态的工作，最后由X-Y记录仪自动绘出波形图、频谱图和自动率谱图，从而得到桩头反力、基频、幅值比、波速等多种信息。将上述信息经过分析，对比和验证，对反映不同缺陷的信号进行归纳，分类，与桩的完整性建立对应关系，并以此为根据，制定判断桩完整性的标准。
2.如权利要求
1所述的方法，其特征在于在桩侧壁或桩顶的蓄水管外安置速度计，获得的速度响应信号与水听器接收的信号同时进行传递函数分析，得到可以校核上述信息的导纳幅值 (V)/(F) ～f曲线以及频率差、动刚度。
3.如权利要求
1所述的水电效应法，其特征在于磁带录音机所录信号中的频率大于1000HZ的水管径向振动和水的垂直向及水平向反射信号用低通滤波器滤去。
4.如权利要求
1、2所述的方法，其特征在于整个试验重复进行多次，每次时间间隔5～15秒，对信号数据进行平均运算，以消除信号的随机误差。
5.如权利要求
1、2所述的方法，其特征在于它既适用于单桩，也适用于排架墩下的柱及群桩。
6.一种为使用上述水电效应法而专门设计的专用装置，其特征在于它由一个安置在桩顶的具有足够刚度的蓄水管(1)、置于管内水中的放电电极(2)和水听器(3)组成。电极(2)与一个产生冲击大电流的小型装置相连。水听器与磁带录音机、低通滤波器、信号处理机和X-Y记录仪相连接。
7.如权利要求
6所述的装置，其特征在于所说的蓄水管是钢筋混凝土管或钢管，它们的直径比桩的直径略小，其轴线与桩的轴线重合，测试时蓄满水。
8.如权利要求
7所述的混凝土或钢的蓄水管，其特征在于混凝土管高为0.8～2米，壁厚5～10厘米。钢管高度0.8～2米，壁厚1～2厘米。
9.如权利要求
6所述的装置，其特征在于所说电极是一个同轴电极，置于管内中心线上距桩顶面0.3～0.5米处，放电参数为2～10微法，6000～12000伏，而以4微法，9000伏为佳。
10.如权利要求
6所述的装置，其特征在于所说水听器放在桩的轴线上，距桩顶1～3厘米处。当用于现埸分析时，它与磁带录音机、数字信号频谱仪相连接。当用于室内分析时，它与磁带录音机、低通滤波器、信号处理机、X-Y记录仪相连接。
11.如权利要求
6所述的装置，其特征在于在桩侧壁或桩顶的蓄水管外安置速度计，它可以和水听器一起与传声放大器、多通道磁带录音机、低通滤波器、信号处理机、X-Y记录仪相连接。
专利摘要
本发明提供了一种桩质量无损检验的新方法，主要采用桩的自功率谱来判断桩的缺陷。该法采用水电效应振源发射的声波作为桩的激振力，用水听器接收响应信号，磁带录音机记录信号，滤波后输入信号处理机做快速副里叶变换，进行变换信号形态的工作。从而能得到反映桩缺陷的多种信息。以此为根据，制定判断桩完整性的标准。本法中水介质的作用一是滤波，二是作为振源介质，使该法具有测试准确，信噪比高，使用方便，功能多，成本低等显著优点。
文档编号G01N29/04GK85104819SQ85104819
公开日1987年1月14日 申请日期1985年6月19日
发明者赵学勐, 张用谦, 李达祥 申请人:西安公路研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan