CN103669428B - 带承台基桩的完整性检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带承台基桩的完整性检测系统，其包括数据采集系统和数据分析系统，所述数据采集系统包括用于击发的力锤及检测器线缆集成，力锤锤击桩身产生击发信号，由检波器对应力波进行波场原始数据的收集，所述数据分析系统对波场原始数据分别进行上行波与下行波的波场分离，滤除下行波，得到上行波的VSP偏移图像，根据应力波的走时确定桩身缺陷所在位置，根据应力波能量及速度的变异情况确定桩身缺陷的类型及程度。

Description

带承台基桩的完整性检测系统

所属技术领域

本发明涉及一种桩基检测设备系统，可检测带有上部结构类型桩基的完整性，适用于在港口工程及桥梁结构的检测诊断和维修加固领域，对在役码头、桥梁的桩顶非自由基桩的完整性检测有较高的准确性，可为桩基的损伤提供公正、准确、可靠的检测数据，为桩基可否继续使用提供支撑依据。

背景技术

截止到2012年底，我国各类港口拥有生产用泊位31826个，拥有各种公路桥梁共计68.94万座，这些在役结构中很大一部分已迈入“高龄”行列，已经不能很好的满足结构的使用需要，老旧结构的技术检测与维修改造已成为维持交通基础设施正常运作的最主要手段。而在高桩码头工程和桥梁工程中，桩基是结构重要的组成部分，桩基的破坏会导致结构局部破坏或整体倒塌，对这类结构的安全起关键作用。为了保证桩基质量，对基桩损伤检测是保证结构安全使用、安全维护和安全管理的必要技术措施。基桩检测领域涉及设计、施工及验收、服役各个阶段。通过检测，对评价桩基础的可靠度和剩余寿命进行评估，从而为有关部门的改造设计和维修加固决策提供切实依据，同时亦是司法鉴定、事故索赔的关键判据。

桩基检测技术在我国虽然起步较晚，但是发展比较快。国内基桩检测领域，最常用的方法是基于反射波理论的低应变法，其基本原理是在桩顶竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗差异的界面(如桩底、断桩和严重离析等)或桩身截面积发生变化(如缩颈或扩颈)，将产生发射波，经接收、放大、滤波和数据处理，可识别来自不同部位的反射信息。通过对反射信息进行分析，判断桩身混凝土的完整性，判定桩身缺陷的程度及其位置。低应变法测试桩的完整性技术，已在国内外广泛应用，取得了较大的成功。但反射波法理论基础是假定桩为连续弹性的一维均质杆件，且桩端自由；对于桩顶上有桩帽或承台情况下桩的完整性检测，是近年来在对在役码头或已建桥梁的检测评估时遇到的一个重要难点，主要问题如下：

(1)由于上部结构桩帽或承台的存在，桩基无损检测时无法在桩顶(最为有利的激振位置)直接进行激振，也难以找到合适的位置安装检测信号的接收装置(例如速度传感器或加速度传感器)。同时，由于服役阶段的桥梁或高桩码头所处的自然环境和场地情况的特殊性，现场检测通常会受潮位、正常作业时间、可到达位置、施工人员安全等因素的影响，对检测方法适用性提出了严格的要求，操作复杂、耗时过长或者占地面积较大的检测方法是不适用的。

(2)现役码头、桥梁桩基长度一般较长，通常穿过性质不同的数个土层，且大部分位于水面及泥面以下，桩土作用机理复杂，表现出较为强烈的非线性。一维应力波理论基于对波传播过程的线性描述，对于长细比较大、入土深度有限的简单情况，其精度可以满足要求。但对于码头、桥梁桩基，尤其是群桩支撑起的三维结构来说，由于三维效应影响作用，传统低应变检测方法效果不理想。

(3)低应变法测试桩的完整性技术，已在国内外广泛应用，取得了较大的成功，但反射波法理论基础是假定桩为连续弹性的一维均质杆件且桩端自由。应用应力反射波损伤检测方法检测基桩完整性时，对于单一的基桩，没有上部结构时，检测到的波形异常为桩体缺陷引起。而对于桩顶上有桩帽或承台的基桩，其结构形式已无法满足反射波检测法的基本假设，由于其上部结构的存在，在面板与纵横梁接触面、纵横梁与桩帽接触面、桩帽与桩顶接触面以及基桩损伤处等均会出现应力波的多次反射与传播，对检测到的波形异常的解读具有多解性，也是很复杂的，即波形的异常可以是桩体缺陷引起，也有可能是上部结构的多次反射所致，给基桩损伤检测带来很大的困难。

总体来讲，目前国内外对有上部结构的基桩完整性检测未能给出可靠的方法，特别是未设计发明出有效的基桩检测的设备或装置。因此，本专利针对这一技术难题，发明一种适用并可靠的带承台基桩完整性检测的设备系统，以填补国内外在役码头、桥梁的桩顶非自由基桩完整性测试方法的空白。

发明内容

本发明的目的是为了开发和研制一种适用并可靠的桩基完整性检测设备系统，适合在役码头、桥梁的桩顶非自由基桩完整性检测。

本发明为基于声波散射偏移成像理论的VSP(Vertical Sonic Profile)基桩测试系统设备，其采用桩身1点激发，多道接收。整个系统设备包括配套的采集系统与分析系统。VSP系统在正确分析被测桩基波场特点的基础上，采用方向滤波技术，将向上传播的上行波场和向下传播的下行波场分离开来。在此基础上，采用先进的弹性波偏移成像技术，能够准确直观的检测成桥桩的桩长和缺陷等。

作为本发明中的采集系统，其特征在于包括主机机箱、电脑、拖缆、锤子等硬件设备。配备数据采集软件(DMT)，主要用于检测数据的采集。

作为本发明中的分析系统，其特征在于用于波场分离和缺陷统计等数据的分析处理，采用方向滤波及偏移成像技术，通过软件窗口可直接读出成桥桩的缺陷、桩底位置及桩长等。

作为本发明中的主机机箱，是集成了主机、USB模块、VSP拖缆适配器等部件的一体式机箱，在主机箱体外部留有数据线、电源线、USB、触发线等接口。

作为本发明中的拖缆，为一体式防水检波器线缆，通道数可根据实际情况进行增减，各道距固定等匀。利用拖缆中多道接收系统组成的观测系统，可追踪上部结构的下行波和下部缺陷的上行波，确定各自的位置。通过编制的程序，利用波场分离及偏移成像技术采集数据，使结果更加直观便捷。

作为本发明中的锤子，为专业的震源锤，并通过信号调理器产生触发信号。具有激发能量大，触发延迟小的特点。

VSP带承台基桩完整性检测设备系统，具有设备小巧灵活、安全可靠、测试精度高、防水、密封性强等特点，特别适合于在役码头、桥梁的桩顶非自由基桩完整性检测。

附图说明

图1本发明VSP采集系统安装示意图。

图2是现场采集到的原始信号波形图。

图3是下行波场示意图。

图4是上行波场示意图。

图5是测试结果示意图。

具体实施方式

本发明采用的是基于声波散射偏移成像理论的VSP基桩测试系统，采用一点激发多道接收的方式。在本例中，根据主机的实际情况，采用的是十六道接收的方式，在设备能力容许的情况下可达到最佳的精度。

具体来说，本发明的基桩测试系统由两大部分组成：数据采集系统和数据分析系统。其工作流程主要分为3个过程：分别是现场采集、数据处理和成果解释。

如图1所示，基桩7插设于软基内，有部分桩身处于水面9与泥面10之间，桩顶具有上部结构8，例如承台。

所述数据采集系统包括用于击发的力锤1，所述力锤通过缆线与VSP采集仪2相连。力锤1须以垂直于桩身的方向对处于上部结构8以下的桩身部位进行锤击。所述数据采集系统还包括检测器线缆集成，所述检测器线缆集成包括若干个沿桩身间隔相同距离排布于同一铅垂线上的检波器5，编号为N1、N2、，，N16,每一检波器5经由各自的拖缆与VSP采集仪2相连，构成16通道的检测器线缆集成。在拖缆的上端用扎带11将其固定于桩身，拖缆的末端设置有配重6，以保证检波器与桩身的距离。

力锤1锤击桩身产生击发信号，由所述的N1,N2，，，N16号检波器5对应力波进行波场原始数据的收集，完成数据采集的任务。

接着由数据分析系统对来自于N1,N2，，，Nn的波场原始数据分别进行上行波与下行波的波场分离，滤除下行波，得到上行波的VSP偏移图像，根据应力波的走时确定桩身缺陷所在位置，根据应力波的散射强度和频率确定桩身缺陷的面积及程度。

其中数据处理流程主要包括：

(1)方向滤波：对上行波与下行波进行分离；

(2)速度扫描：确定桩体混凝土波速；

(3)偏移成像：根据记录数据确定桩体结构损伤位置及大小。

桩顶存在上部结构时，在波场中存在两种不同方向传播的波场，称之为上行波场和下行波场。本发明的VSP系统采用方向滤波技术，将向上传播的上行波场和向下传播的下行波场分离开来，在此基础上，采用先进的弹性波偏移成像技术，能够准确直观的检测出桥桩的桩长和缺陷等。

由于弹性波为体波，其波前为一球形。当在桩身侧面激发时，其所形成的波场以激发点为中心，向周围呈三维球状扩散。若桩身横截面较小，波场较大，当传播距离超过一定距离时，波前可以看做平面，此时便可按一维杆波场计算。但是与小应变不同是，此时存在两个波前，一个向上传播，一个向下传播a1。向上传播的波场，遇上部结构物时，先后发生2次反射，分别形成向下传播的反射波a2和a3。与a1一起向下传播。当遇到下部阻抗异常的界面时，首先是a1发生了反射形成反射波b1，随后a2和a3也分别发生反射形成b2，b3，b1、b2、b3一起向上传播，被在桩身处布置的检波器记录下来。

这样所记录的波场中，存在分别向上传播和向下传播的两组波场。这是存在上部结构的桩身波场的重要特点。

上部结构的反射波向下传播，依次通过检波器，称下行波。下部结构的反射波向上传，称上行波。上行波和下行波的视速度相反，一个为正，另一个为负，用方向滤波技术滤除下行波，利用上行波的偏移成像获取结构缺陷的图像。

带承台基桩与上部结构和地下岩体连接成为一个振动体系。这些连接部位存在结构截面差异和波阻抗的变化，振动中会形成反射。桩身内部缺陷也表现为波阻抗变化，振动中形成散射。桩内缺陷与结构连接部位的波阻抗变化有如下特点：截面变化越大、缺陷越大，散射能量越强，散射波的频率越低。散射波的走时与缺陷的位置有关，距离越远，走时越长。利用多道接收系统组成的观测系统，可追踪上部结构的下行波和下部缺陷的上行波，确定各自的位置，或滤除下行波。散射强度、频率和走时是缺陷解释的三大依据。利用偏移成像技术，可充分利用多道检测器记录的优势及运动学和动力学信息，使结果更加直观便捷。

数据分析系统包括

(1)波场分离模块

波场分离是指根据带承台基桩的弹性波场特点，采用FK变换滤波技术，将上行波场和下行波场分离的过程。

上行波场与下行波场的传播方向截然相反，因此可以利用此特征进行波场分离。众所周知，一条测线记录的信号可表示为测线距离x和时间t的二元函数:

g＝g(x,t)

对上式做傅氏变换可得到它的二维谱G(k，f)，表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}G(k,f)=\∫{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}\∫{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}g(x,t)e^{-i(2\mathrm{\π}kx+2\mathrm{\π}ft)}dkdf\\ g(x,t)=\∫{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}\∫{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}G(x,t)e^{-i(2\mathrm{\π}kx+2\mathrm{\π}ft)}dxdt\end{array}\right.$

其中，k为对应于x的波数，f为对应于时间t的频率。

函数g＝g(x,t)离散化后的傅里叶表达式为:

$\left\{\begin{array}{c}{g}_{mn}=\frac{1}{MN}\underset{p=0}{\overset{M-1}{\Σ}}\underset{q=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{G}_{mn}{e}^{i2\mathrm{\π}(\frac{m}{M}p+\frac{n}{N}q)}\\ G_{mn}=\underset{p=0}{\overset{M-1}{\Σ}}\underset{q=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{g}_{mn}{e}^{i2\mathrm{\π}(\frac{m}{M}p+\frac{n}{N}q)}\end{array}\right.$

式中，m＝0，1，…，M-1，n＝0,1，…，N-1

上式表示离散函数的频谱变换关系，式中g_mn是以X＝M，T＝N为周期的序列，其时间域基频为d＝1/T，空间域基频为e＝1/X。二维谱G_mn的两个自变量为k＝me＝mM和频率f＝nd＝nN。频率波数之比为视速度大小由下式确定：

V*＝f/k＝nM/mN

在上述变换下，测线距离x和时间t的二元函数变换到了波数k和频率f的二元函数中。在该二元函数平面内，斜率即代表了速度。上行波场的速度为正(负)，下行波场的速度为负(正)。若在FK域中分别进行滤波，提取正或负的波场数据，然后再进行二维傅里叶反变换，则可以实现波场分离。在波场分离后的基础上，再进行处理，则可以避免不同方向波场产生的歧义。

由于上下行波场的传播方向相反，因此可以用数字信号处理技术中的F-K滤波方法进行波场分离。F-K滤波采用二维傅里叶变换，首先将时间—距离平面内的多个信号变换到频率—波数平面内。频率—波数平面中的斜率反应了波传播的视速度的大小和正负。因此，在时间—距离平面内混合在一起的上下行波场，变换到频率—波数平面后，将分别位于不同的象限。此时通过滤波器，将不同象限内的数据保留或清零，并做二维傅里叶反变换，从而分离出上行波场和下行波场的数据。在整个系统中，原始数据、上行波场、下行波场是3个独立的数据。上述步骤通过波场分离模块实现，首先将原始数据复制到上行波场模块和下行波场模块。上行波场模块和下行波场模块是储存有上行波场数据或下行波场数据的储存单元。然后，对上行波场模块施行FK技术滤除下行波得到上行波场，对下行波场模块施行FK技术滤除上行波得到下行波场。

(2)VSP散射偏移成像处理模块

VSP是基于散射偏移成像理论的检测方法。散射波遵从波动方程，弹性波遇到波阻抗变化界面时发生散射，散射波返回到接收点时被记录下来。弹性波的散射发生在介质波阻抗分布不均的部位，假定用α(r)表示均匀介质中局部平方波速的百分比异常，百分比异常的分布表征了弹性体的主要特征。则介质中的波动方程可表为：

$\mathrm{\α}\left(r\right)=\frac{v^2-v_0^2}{v^2}$

${\▿}^{2}U-\frac{{\∂}^{2}U}{v_0^2{\∂}^{2}t}=-\frac{\mathrm{\α}\left(r\right)}{v_0^2}\frac{{\∂}^{2}U}{{\∂}^{2}t}$

式中，U为总的弹性波场，它是由入射波场UI和散射波场US之和组成。

既然接收到的散射波是域内散射点散射能量的叠加，就可反过来根据观测到的散射记录资料，由克希霍夫偏移方法，重建波速异常体的空间结构图像，得到异常散射体的强度与位置分布：

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\γ}\right)=\underset{n}{\Σ}\frac{u_s\[{\mathrm{\γ}}_0,{\mathrm{\γ}}_s,t\]+\left(\right|{\mathrm{\γ}}_0-\mathrm{\γ}|+|{\mathrm{\γ}}_s-\mathrm{\γ}\left|\right)/v}{g_s{g}_o}$

其中，g₀g_s分别为入射波和散射波的格林函数。

通过对入射波、反射波速度进行计算与结果校验后，对基桩完整性测试结果实现偏移成像，得到整个基桩的测试结果图像，从而判断缺陷位置、大小及桩底反射。VSP偏移计算是根据散射原理，将波场中的同相轴偏移叠加至正确的空间位置，并用同相轴叠加的能量表示散射体的异常尺度。进行VSP计算后，可以查看每个坐标位置处的偏移计算路径，以判断计算结果是否正确。上述步骤通过VSP散射偏移成像模块实现，所述VSP散射偏移成像处理模块是根据克希霍夫偏移方法重建波段异常体结构图像的功能模块，具体包括VSP偏移计算模块和VSP成像模块。所述VSP偏移计算模块是根据均匀介质局部平方波数百分比异常值来判断基桩的阻抗不均匀部分。VSP成像模块是根据测量得到的传播时间与局部平方波数百分比的对应关系得到基桩的坐标与局部平方波数百分比的对应关系，从而根据该对应关系进行成像。

现以1#号试验桩的测试过程为例，介绍VSP系统及设备的测试过程。本例中，力锤敲击点距离承台1m，首个检波器距离承台3m。图2为现场采集到的原始信号波形图。图3是分离后的下行波场示意图。图4是滤除下行波后的上行波场示意图。图5是根据上行波场示意图所得到的测试结果解释，阀值采用23％，并标记出了缺陷及桩底所在位置。

最后，依据系统原理，并综合工程资料，对偏移图像进行解释分析，得出最终检测结论，完成检测报告。

Claims (5)

1.带承台基桩的完整性检测系统，其特征在于：包括数据采集系统和数据分析系统，

所述数据采集系统包括用于击发的力锤及检测器线缆集成，所述力锤通过缆线与VSP采集仪相连，并以垂直于桩身的方向锤击桩身；所述检测器线缆集成包括若干个沿桩身间隔排布于同一铅垂线上的检波器N1,N2，，，Nn,n为≧2的自然数，每一检波器经由各自的拖缆与VSP采集仪相连，力锤锤击桩身产生击发信号，由所述的N1,N2，，，Nn检波器对应力波进行波场原始数据的收集，

所述数据分析系统包括波场分离模块和VSP散射偏移成像处理模块，所述波场分离模块把来自于N1,N2，，，Nn的波场原始数据分别复制到上行波场模块和下行波场模块，然后对上行波场模块施行FK技术滤除下行波得到上行波场的VSP偏移图像，对下行波场模块施行FK技术滤除上行波得到下行波场的VSP偏移图像；所述VSP散射偏移成像处理模块是根据克希霍夫偏移方法，重建波速异常体的空间结构图像，得到桩身缺陷的位置、大小以及桩底反射位置，根据应力波的走时确定桩身缺陷所在位置，根据应力波能量及速度的变异情况确定桩身缺陷的类型及程度。

2.根据权利要求1所述的带承台基桩的完整性检测系统，其特征在于：相邻检波器之间的距离相等。

3.根据权利要求1所述的带承台基桩的完整性检测系统，其特征在于：所述检测器线缆集成由16个检波器和与之相连的16条拖缆集成在一起。

4.根据权利要求1所述的带承台基桩的完整性检测系统，其特征在于：所述拖缆的末端设置有配重，以保证传感器与桩身的距离。

5.根据权利要求1所述的带承台基桩的完整性检测系统，其特征在于：所述检波器为防水检波器。