CN101477084B - 采用弹性波透射方式检测混凝土桩桩身完整性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用弹性波透射方式检测混凝土桩桩身完整性的方法，其步骤是：(1)埋管：在桩体内沿桩长方向事先埋设至少一根内径为20mm-150mm的管子；(2)仪器准备；(3)接收信号：在桩底用电火花激发，在桩顶接收透射信号；(4)信号处理；(5)桩身完整性判别：根据桩身混凝土波速、弹性波衰减指数和透射波的主频变化特征判定桩身完整性，评价桩身质量。本发明只需要一根管子畅通即可检测，减少了声测管的数量，可节约钢材，并能减轻现有声波透射法因声测管堵塞而无法检测的问题，克服了现有声波透射法换能器需进入管内并容易卡住的问题，社会和经济效益显著。

Description

采用弹性波透射方式检测混凝土桩桩身完整性的方法
技术领域
本发明属于建筑桩基领域，尤其是一种采用弹性波透射方式检测混凝土桩桩身完整性的方法。
背景技术
对混凝土桩桩身进行完整性检测是建筑桩基行业的必要步骤，也是保证建筑桩基质量的有效手段。目前，桩身完整性检测的方法较多，主要有以下几种方法：1.低应变反射波法：该方法是用棒或者锤敲击桩顶产生弹性波，该弹性波沿桩身向下传播，遇到阻抗界面时会产生反射波和透射波，反射波向上传播到达桩顶时，被安装在桩顶的传感器接收，根据接收到的波形信号，来判断桩身质量。2.声波透射法：该方法是在混凝土桩内事先埋设声测管(至少2根)，检测时发射换能器位于一根声测管内，接收换能器位于另一根声测管内。发射换能器产生脉冲超声波，在桩体内传播，接收换能器接收从桩体传来的超声波，根据接收信号的走时、波幅、频率、和波形特征，来评价桩身质量。该方法发射和接收换能器通常位于同一高度，同时向上(下)移动，也可以位于不同高度，但受换能器指向性和超声波在桩体内衰减的影响，两换能器的高差不会超过10米(一般在2米以内)。3.高应变动力测桩法：该方法和低应变反射波法原理相同，不同之处在于该方法的激发设备为数千牛至数百千牛的重锤；能估算反射界面的反射系数，进而计算桩的完整性系数β值。4.钻芯法：该方法是在桩顶向下沿桩身钻孔，并取出桩体芯样，来评价桩身质量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种采用弹性波透射方式检测混凝土桩桩身完整性的方法，通过该方法可以检测长度超过50米的混凝土灌注桩的桩身质量。
本发明的目的是这样实现的：
一种采用弹性波透射方式检测混凝土桩桩身完整性的方法，检测方法的步骤是：
(1).埋管：在桩体内沿桩长方向事先埋设至少一根内径为20mm～150mm的管子，以能通达电火花震源的电极为标准；
(2).仪器准备：将埋在桩体内的管子灌满水，将电火花震源电极下到管内桩底位置，在桩顶安装检波器，将检波器连在弹性波检测仪器上；
(3).现场检测：开启检测仪器，启动电火花震源，在桩顶检测接收到来自桩底的透射波信号，上提电火花震源，重复激发接收，即得到不同电火花震源深度位置到桩顶的弹性波透射信号；
(4).信号处理：首先分段计算桩身混凝土弹性波速；其次，计算桩身弹性波幅衰减指数；最后对检测到的波型进行傅立叶变换，得到不同深度电火花震源透射到桩顶弹性波的主频率f；
(5).桩身完整性判别：根据桩身混凝土波速、弹性波衰减指数和透射波的主频变化特征评价桩身质量；以上3个量值明显减小位置桩身存在缺陷，可判定缺陷位置；根据其量化指标评价缺陷的程度，根据缺陷数量、程度及位置评价桩身完整性。
而且，所述步骤(2)中电火花震源的步距控制在0.5m～5m；相临透射波到达时间和/或波幅变化较大时，减小电火花电极移动步距，并加密测点。
而且，所述分段计算桩身混凝土弹性波速是通过第一数学模型实现的，第一数学模型为：vi＝Δhi/Δti；
其中，vi——相临电火花震源位置间混凝土弹性波速(km/s)；
Δhi——相临电火花震源位置间距离(m)；
Δti——相临电火花震源位置检测到透射波首波到达时间差(ms)；通过计算，得到弹性波速。
而且，所述桩身弹性波幅衰减指数计算方式是先按下列第二数学模型的幂函数回归计算桩顶接收到透射波幅(A)与震源深度深度(h)关系式；
第二数学模型为：A＝a·hb
其中，a——与震源能量有关的回归系数；
b——与弹性波传播距离有关的衰减系数；
h——电火花震源位置到桩顶的距离(m)；
A——桩顶接收到的弹性波幅值(mv)。
回归可得到系数a、b后，按第三数学模型计算电火花在各深度(hi)激发，桩预接收到弹性波幅相对衰减指数(Ii)；
第三数学模型为：Ii＝Ai·hi -b/a
对检测到的波型进行傅立叶变换，得到不同深度电火花震源透射到桩顶弹性波的主频率f。
本发明与现有方法对比，其优点和积极效果体现在如下几方面：
1.本发明与低应变反射波法相比，弹性波的传播距离减少为原来的一半，并且避免了反射界面处因透射产生的能量损失，因此接收信号更强，可检测长桩(50米以上，可达到80米)；并且可分段检测，更加精细。
2.本发明与高应变动力测桩法相比，除具有上述优点外，还具有设备轻巧的特点。
3.本发明与声波透射法相比，只需要有一根管子畅通即可检测，减少了声测管的数量，可节约钢材，并能减轻现有声波透射法因声测管堵塞而无法检测的问题，克服了现有声波透射法换能器需进入管内并容易卡住的问题，而本方法的电火花震源的电极是一根同轴电缆，不会卡在管内，即便卡了，损失的也只是一根导线而已。社会和经济效益显著。
4.本发明与钻芯法相比，本方法具有设备轻巧，速度快，无破损，成本低的优点。
附图说明
图1为本发明的安装结构示意图；
图2为桩身混凝土弹性波速随深度的变化曲线(即Vi-h曲线)；
图3为弹性波在桩身传播的相对衰减指数随震源深度的变化曲线(Ii-h曲线)；
图4为f随深度的变化曲线(f-h曲线)。
具体实施方式
下面结合附图详细叙述本发明的实施例；需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种采用弹性波透射方式检测混凝土桩桩身完整性的方法，该检测方法的步骤是：
(1).埋管：在桩体内沿桩长方向事先埋设一根(也可以根据需要埋设多根)内径为20mm～150mm的管子，以能通达电火花震源的电极为标准，材质可以是钢材或塑料，壁厚以桩施工过程中不损坏管子为准。当混凝土桩施工完成，且桩身混凝土强度达到预期目标后，进行检测。
(2).仪器准备：将埋在桩体内的管子灌满水，将电火花震源电极下到管内桩底位置，在桩顶安装检波器，将检波器连在弹性波检测仪器上，这些仪器设备均为市售产品。
(3).接收信号：开启检测仪器，启动电火花震源，即可得到桩底到桩顶的弹性波透射信号。上提电火花震源，重复激发接收，即可得到不同电火花震源深度位置到桩顶的弹性波透射信号。上提电火花震源的步距可根据需要确定，一般控制在0.5m～5m；相临透射波到达时间和(或)波幅变化较大时，宜减小电火花电极移动步距，加密测点，见图1。电火花震源在不同深度激发，在桩顶检测到的一组弹性波透射波形信号。
(4).信号处理：首先按下面的第一数学模型分段计算桩身混凝土弹性波速：
第一数学模型为：vi＝Δhi/Δti
其中，vi——相临电火花震源位置间混凝土弹性波速(km/s)；
Δhi——相临电火花震源位置间距离(m)；
Δti——相临电火花震源位置检测到透射波首波到达时间差(ms)。
通过计算，得到弹性波速。图2为桩身混凝土弹性波速随深度的变化曲线(即Vi-h曲线)。
其次，计算桩身弹性波幅衰减指数
先按下列第二数学模型的幂函数回归计算桩顶接收到透射波幅(A)与震源深度深度(h)关系式。
第二数学模型为：A＝a·hb
其中，a——与震源能量有关的回归系数；
b——与弹性波传播距离有关的衰减系数；
h——电火花震源位置到桩顶的距离(m)；
A——桩顶接收到的弹性波幅值(mv)。
回归可得到系数a、b后，按第三数学模型计算电火花在各深度(hi)激发，桩顶接收到弹性波幅相对衰减指数(Ii)：
第三数学模型为：Ii＝Ai·hi -b/a
图3为弹性波在桩身传播的相对衰减指数随震源深度的变化曲线(Ii-h曲线)。
对检测到的波型进行傅立叶变换，得到不同深度电火花震源透射到桩顶弹性波的主频率f。图4为f随深度的变化曲线(f-h曲线)。
(5).桩身完整性判别：根据桩身混凝土波速、弹性波衰减指数和透射波的主频变化特征评价桩身质量。以上3个量值明显减小位置桩身存在缺陷，可判定缺陷位置；可进一步根据其量化指标评价缺陷的程度。根据缺陷数量、程度及位置评价桩身完整性。
本发明的经济效果明显，主要体现在：目前高速铁路、客运专用铁路在大规模建设，为了适应高速需求，线路大部分为桥梁，桥梁基桩长度大部分在40米以上。而现有技术长度超过40长的桩，要用声波透射法检测，每根桩上要埋3～4根声测管，工程费用可观。京沪高速铁路粗略估算这笔费用达到50亿元人民币以上，并且容易堵管，耽误工期。如果采用本技术，声测管能减少1/3～1/2，经济效果在15亿～25亿元人民币。
环境效果：减少声测管，有利于节约钢材，资源节约，节约能源，有一定的环境效果。

Claims (2)

1.一种采用弹性波透射方式检测混凝土桩桩身完整性的方法，其特征在于：检测方法的步骤是：
(1).埋管：在桩体内沿桩长方向事先埋设至少一根内径为20mm～150mm的管子，以能通达电火花震源的电极为标准；
(2).仪器准备：将埋在桩体内的管子灌满水，将电火花震源电极下到管内桩底位置，在桩顶安装检波器，将检波器连在弹性波检测仪器上；
(3).现场检测：开启检测仪器，启动电火花震源，在桩顶检测接收到来自桩底的透射波信号，上提电火花震源，重复激发接收，即得到不同电火花震源深度位置到桩顶的弹性波透射信号；
(4).信号处理：首先分段计算桩身混凝土弹性波速；所述分段计算桩身混凝土弹性波速是通过第一数学模型实现的，第一数学模型为：vi＝Δhi/Δti；
其中，vi——相临电火花震源位置间混凝土弹性波速(km/s)；
Δhi——相临电火花震源位置间距离(m)；
Δti——相临电火花震源位置检测到透射波首波到达时间差(ms)；通过计算，得到弹性波速；
其次，计算桩身弹性波幅衰减指数；所述桩身弹性波幅衰减指数计算方式是先按下列第二数学模型的幂函数回归计算桩顶接收到透射波幅(A)与震源深度深度(h)关系式；
第二数学模型为：A＝a·hb
其中，a——与震源能量有关的回归系数；
b——与弹性波传播距离有关的衰减系数；
h——电火花震源位置到桩顶的距离(m)；
A——桩顶接收到的弹性波幅值(mv)。
回归可得到系数a、b后，按第三数学模型计算电火花在各深度(hi)激发，桩顶接收到弹性波幅相对衰减指数(Ii)；
第三数学模型为：Ii＝Ai·hi -b/a
对检测到的波型进行傅立叶变换，得到不同深度电火花震源透射到桩顶弹性波的主频率f；
(5).桩身完整性判别：根据桩身混凝土波速、弹性波衰减指数和透射波的主频变化特征评价桩身质量；以上3个量值明显减小位置桩身存在缺陷，可判定缺陷位置；根据其量化指标评价缺陷的程度，根据缺陷数量、程度及位置评价桩身完整性。
2.根据权利要求1所述的采用弹性波透射方式检测混凝土桩桩身完整性的方法，其特征在于：所述步骤(3)中电火花震源的步距控制在0.5m～5m；相临透射波到达时间和/或波幅变化较大时，减小电火花电极移动步距，并加密测点。
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