CN106770668A - 一种用于单孔的基桩质量声波透射法检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工程测量领域，公开了一种基于单孔的基桩质量声波透射法检测方法，包括：采用低通采集、宽频带响应和接收技术，利用单孔连续下放发射和接收换能器，依次测量待测位置实时声波信号，并对所述信号进行傅里叶变换，获得各点声波信号频谱图；根据设计桩径和场区经验波速计算预估特征频率；在所述频谱图预估特征频率附近找到实际特征频率；根据所述实际特征频率和设计桩径，求得所述待测点波速；根据所述波速获得全剖面波速变化图，进而给出待测基桩质量完整性评价。本发明方法克服了传统方法必须通过跨孔作业、必须准确获知待测点管间距以及必须防止斜测等问题，使得因堵管而形成的单声测管以及单抽芯孔也可进行声波透射法检测。

Description

一种用于单孔的基桩质量声波透射法检测方法

技术领域

本发明属于工程测量技术领域，更具体地，涉及一种用于单孔的基桩质量声波透射法检测方法。

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、范围和程度。然而当下声波透射法检测桩身完整性领域，尚未有能够使发射和接收换能器在同一平面防止斜测的方法，也没有在因堵塞形成的单声测管以及单抽芯孔中进行声波透射法基桩质量检测的方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于单孔的基桩质量声波透射法检测方法，其目的在于提出单孔测试方法，通过利用低通采集技术和宽频带接受技术，有效获取待测位置的实时声波信号；并通过傅里叶变换得到全剖面声波信号频谱图；然后利用特征频域分析方法求得预估特征频域并获取实际特征频域；根据所述实际特征频率值标识图，和已知的设计桩径，求得所述全剖面各待测位置的声波波速，获得全剖面波速变化图；最后根据所述全剖面波速变化图，分析基桩完整性质量评价。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于单孔的基桩质量声波透射法检测方法，包括：

通过单孔连续下放发射换能器和接收换能器，利用低通采集技术和宽频带接收技术，获得接收换能器对应各待测位置的实时声波信号中的500Hz以上的频段信号，得到全剖面实测声波信号；

针对所述全剖面实测声波信号进行傅里叶变换，得到全剖面声波信号频谱图；

类比场区经验波速，根据已知设计桩径计算各待测位置的预估特征频率值，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值附近找到实际特征频率，修改所述自动完成的标识形成实际特征频率标识图；

根据所述实际特征频率值标识图和已知的设计桩径，求得所述全剖面各待测位置的声波波速，获得全剖面波速变化图；

根据所述全剖面波速变化图，分析基桩完整性质量评价。

本发明的一个实施例中，所述接收换能器，用于接收500Hz以上的信号。

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：

利用声波仪对所述接收换能器获取的对应各待测位置的实时声波信号中的500Hz以上频段信号进行全剖面的傅里叶变换，获得各待测点的全剖面声波信号频谱图。

本发明的一个实施例中，类比场区经验波速，根据已知设计桩径计算各待测位置的预估特征频率值，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/2D_d求取预估特征频率值，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为场区经验波速，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，形成实际特征频率标识图。

本发明的一个实施例中，根据所述实际特征频率值标识图，和已知的设计桩径，求得所述全剖面各待测位置的声波波速，具体为：

C＝2D_df_m′/k

其中，D_d为设计桩径，k为修正系数取k＝1.0，c为测量得到的待测位置的实时声波波速，f_m′为所述待测位置的实际特征频率值。

本发明的一个实施例中，所述全剖面波速变化图是根据所述全剖面各待测点声波波速，绘制的声波波速变化曲线。

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。当下的检测工作中由于现有的声波测试技术大多采用的是跨孔声波透射法，而少用单孔声波透射法，相较于单孔测试技术，跨孔测试技术必须准确获知待测点管间距以及发射和接收换能器必须位于同一平面防止斜测等问题，而且因为声测管堵塞时会影响跨孔测试技术使得测试无法进行，而单孔测试技术则不存在这些问题。单孔测试技术在因堵塞而形成的单声测管以及单抽芯孔中也可以进行声波透射法基桩质量检测，在混凝土基桩质量检测方面，测试理论和测试方法方面均形成突破。

附图说明

图1是本发明实施例中一种用于单孔的基桩质量声波透射法检测方法示意图；

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1.5m处的声波透射法频域分析图；

图6是本发明实施例中5.75m处的声波透射法频域分析图；

图7是本发明实施例中13.0m处的声波透射法频域分析图；

图8是本发明实施例中20.0m处的声波透射法频域分析图；

图9是本发明实施例中25.5m处的声波透射法频域分析图；

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。

传统基桩完整性声波透射检测法必须通过跨孔作业、必须准确获知待测点管间距、发射和接收换能器必须位于同一平面防止斜测等问题，并且声测管堵塞过多无法进行跨孔测试；为了改善声波透射法以及解决问题就需要寻找一种新的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于单孔的基桩质量声波透射法检测方法，通过利用低通采集技术和宽频带接受技术，有效获取待测位置的实时声波信号；并通过傅里叶变换得到全剖面声波信号频谱图；然后利用特征频域分析方法求得预估特征频域并获取实际特征频域；根据所述实际特征频率值标识图，和已知的设计桩径，求得所述全剖面各待测位置的声波波速，获得全剖面波速变化图；最后根据所述全剖面波速变化图，分析基桩完整性质量评价。

理论基础：在声波透射法检测混凝土灌注桩完整性实际应用中，接收波中包含着由低到高的各种频率成分，这其中在低频段的某一频率，反应桩身截面信息，将其称为特征频率f_m′。可通过该特征频率利用公式计算c＝2D_df_m′/k，c为测量得到的待测位置的实时声波波速，测点截面桩身设计直径D_d,k为修正系数取k＝1.0。

如图1所示，本发明提供了一种基于单孔的基桩质量声波透射法检测方法，包括：

通过单孔连续下放发射换能器和接收换能器，利用低通采集技术和宽频带接收技术，获得接收换能器对应各待测位置的实时声波信号中的500Hz以上的频段信号，得到全剖面实测声波信号；

针对所述全剖面实测声波信号进行傅里叶变换，得到全剖面声波信号频谱图；

类比场区经验波速，根据已知设计桩径计算各待测位置的预估特征频率值，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；

根据所述实际特征频率值标识图和已知的设计桩径，求得所述全剖面各待测位置的声波波速，获得全剖面波速变化图；

根据所述全剖面波速变化图，分析基桩完整性质量评价。

下面结合实验说明上述说明，试验方法为如图2所示的单孔测试方法，具体地：

(A)仪器选择与参数设定

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，接收换能器主频为60kHz。实测信号由单孔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，所述接收换能器，需要能够接收500Hz以上的信号。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

通过单孔连续下放发射换能器和接收换能器，利用低通采集技术和宽频带接收技术，获得接收换能器对应各待测位置的实时声波信号中的500Hz以上的频段信号，得到全剖面实测声波信号，

(C)数据处理

a获得声波信号频谱图

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；具体地，可以利用声波仪对所述接收换能器获取的对应各待测位置的实时声波信号中的500Hz以上频段信号进行全剖面的傅里叶变换，获得各待测点的全剖面声波信号频谱图。

b确定实际特征频率

类比场区经验波速，根据已知设计桩径计算各待测位置的预估特征频率值，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；

按公式计算测点预估特征频率f_m＝kc/2D_d，其中f_m为求取的预估特征频率，k为修正系数取k＝1.0，c为场区经验波速，D_d为设计直径。

进一步地，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，形成实际特征频率标识图。

具体地，结合桩身设计、声时、声幅、主频以及时域波形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，所对应的便是真正的特征频率，并予以标识。

c求得待测位置的声波波速

根据确定的完整桩身截面实际特征频率值f_m′，按公式反算待测位置的声波波速c＝2D_df_m′/k，其中，D_d为设计桩径求，k为修正系数取k＝1.0并根据所述的全剖面各待测点声波波速。并进一步，可以绘制声波波速变化曲线，进而给出基桩质量完整性评价。

示例：

该检测桩为武汉市汉阳区凤凰湾工程的扩盘桩，桩身直径为800mm，13m处第一次扩盘，直径为1800mm。

采用武汉岩海非金属超声仪RS-ST01C，将发射与接收换能器置于同一孔中(由于该桩未埋设声测管，所以将换能器置于抽芯孔中)进行检测，对所测数据进行频谱分析，根据波速计算结果为：在桩长13m处，声波波速为4320m/s，与设计数据基本吻合，误差为0.7％。表一为桩身中深度为1.5m，5.75m，13.0m，20.0m，25.5m五个点处的声波波速计算分析结果，五个点的频谱图见图5，图6，图7，图8，图9。

表1特征频率与计算桩径

通过上表，可见特征频率的存在与计算方法的正确性。

说明：a.结合声时、声幅、主频以及时域波形可初步判断测点截面完整性。若截面完好，则预估特征频率值f_m约等于实际特征频率值f_m′；

b.实测证明：完整桩段部分，按f_m′计算出的c与c₁的最大相对误差超过10％，说明声波波速还是有一定偏差，但大多数测点的相对误差很小。在扩颈位置，按按f_m′计算出的c与c₁的相对误差为0.7％，说明了理论的正确性。

Claims (8)

1.一种基于单孔的基桩质量声波透射法检测方法，其特征在于，所述方法包括：

通过单孔连续下放发射换能器和接收换能器，利用声波仪低通采集技术和宽频带接收技术，获得接收换能器对应各待测位置的实时声波信号中的500Hz以上频段信号，得到全剖面实测声波信号；

针对所述全剖面实测声波信号进行傅里叶变换，得到全剖面声波信号频谱图；

类比场区经验波速，根据已知设计桩径计算各待测位置的预估特征频率，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；

根据所述实际特征频率标识图和已知的设计桩径，求得所述全剖面各待测位置的声波波速，获得全剖面波速变化图；

根据所述全剖面波速变化图，给出基桩完整性质量评价。

2.如权利要求1所述的基于单孔的基桩质量声波透射法检测方法，其特征在于，所述接收换能器，用于接收500Hz以上的信号。

3.如权利要求1或2所述的基于单孔的基桩质量声波透射法检测方法，其特征在于，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。

4.如权利要求1或2所述的基于单孔的基桩质量声波透射法检测方法，其特征在于，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：

利用声波仪对所述接收换能器获取的对应各待测位置的实时声波信号中的500Hz以上频段信号进行全剖面傅里叶变换，获得各待测点的全剖面声波信号频谱图。

5.如权利要求1或2所述的基于单孔的基桩质量声波透射法检测方法，其特征在于，类比场区经验波速，根据已知设计桩径计算各待测位置的预估特征频率，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/2D_d求取预估特征频率，其中f_m为求取的预估特征频率，k为修正系数取k＝1.0，c为场区经验波速，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。

6.如权利要求1或2所述的基于单孔的基桩质量声波透射法检测方法，其特征在于，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，具体为：

针对所述全剖面声波信号频谱图，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，形成全剖面实际特征频率标识图。

7.如权利要求1或2所述的基于单孔的基桩质量声波透射法检测方法，其特征在于，根据所述全剖面实际特征频率值标识图，和所述已知的设计桩径，求得全剖面各待测位置的波速，具体为：

C＝2D_df′_m/k

其中，D_d为设计桩径，k为修正系数取k＝1.0，C为测量得到的待测位置实时波速，f′_m为所述待测位置的实际特征频率。

8.如权利要求1或2所述的基于单孔的基桩质量声波透射法检测方法，其特征在于，所述全剖面波速变化图是根据所述全剖面各待测点声波波速，绘制的声波波速变化曲线。