CN109115884A - 一种基于声波透射法的基桩完整性检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声波透射法的基桩完整性检测系统，操作人员将超声波检测仪设置在欲检测基桩的声测管后，输入工程资料并启动超声波检测仪，通过发射换能器和接收换能器之间声波传递，即可获取欲检测基桩的波能数据，同时将波能数据和工程资料自动传输至云计算模块，从而判断出欲检测基桩的完整性程度，无需检测人员自行对波能数据进行分析，实现基桩完整性检测的自动化，避免了因人力分析错误带来的检测偏差，从而能得到更精确的基桩完整性数据，大大提高了检测的效率，降低了出错率。

Description

一种基于声波透射法的基桩完整性检测系统

方法领域

本发明属于基桩检测领域，主要涉及一种基于声波透射法的基桩完整性检测系统。

背景方法

钻孔灌注桩基础属于隐蔽工程，其混凝土的浇筑质量对支撑上部结构的稳定性和安全性至关重要。由于受到工程场地水文地质条件、技术人员水平及施工工序等因素的影响，灌注桩桩身容易出现夹泥夹砂、孔洞、离析、断桩等现象，因此桩基础在使用前需进行相应的完整性检测，为可靠判断其承载力奠定基础。现行建筑基桩完整性检测方法主要有钻芯法、低应变法、高应变法和声波透射法，每种方法都有其各自的技术特点和适用范围。而声波透射法以其相对灵活轻便、安全可靠、经济合理、适用范围广等特点，被广泛应用于建筑、水利、交通等工程的桩基完整性检测中。

声波透射法是通过观测和分析声波在不同介质中的传播速度、振动幅值等声学参数来判别桩身的完整性，现有的技术中检测流程一般包括：先在桩基内的声测管安放声波发射换能器和接收换能器，然后收发换能器之间的声波数据，接着借助声测仪记录和存储检测数据，根据既定判别方法和声波数据判定桩身完整性，最后编制检测报告。然而，目前的检测精度和检测效率很大程度上依赖于判别方法的选用以及施工环境的影响；施工期间声测管倾斜、不同高度混凝土介质不均匀等，均会导致声测数据沿深度发生变化，同一声测剖面上各测点的首至波时不同，使得采用数学统计法或者PSD法计算的临界值和异常点与实际不符，为避免造成误判需人工对部分声测数据进行修正，以致消耗大量人力和时间，降低了检测效率。

发明内容

本发明目的在于针对现有方法的缺陷，提供一种基于声波透射法的基桩完整性检测系统，无需检测人员自行对波能数据进行筛选修正，实现基桩完整性检测的自动化，大大提高了检测的效率，降低了出错率。

为解决上述技术问题，本发明通过以下方法方案进行实施：

一种基于声波透射法的基桩完整性检测系统，包括现场检测模块、通讯传输模块、云计算模块；所述现场检测模块通过所述通讯传输模块连接至所述云计算模块；

所述现场检测模块包括超声波检测仪；所述超声波检测仪连接至所述通讯传输模块；所述超声波检测仪包括控制器、发射换能器、接收换能器；所述发射换能器和所述接收换能器分别通过电缆连接至所述控制器；

所述控制器，用于在接收到用户的发送指令时，发送声波发射指令至所述发射换能器，接收所述接收换能器的波能数据，接收用户输入的工程资料；

所述发射换能器设置于欲检测基桩的第一声测管内，用于在所述第一声测管内上下移动，根据所述声波发射指令向所述接收换能器发射声波；所述声波发射指令指示声波发射的频率和时间周期；

所述接收换能器设置于所述欲检测基桩的第二声测管内，用于在所述第二声测管内上下移动，接收所述发射换能器发射的声波，并将接收到的声波转换成波能数据传输至所述控制器；所述接收换能器与所述发射换能器处于同一高度并同时上下移动；所述工程资料包括所述第一声测管和所述第二声测管之间的中心距、所述欲检测基桩的混凝土的压缩波速；所述波能数据包括声波的声波能量和声时，所述声时为声波到达所述接收换能器的时间；

所述通讯传输模块，用于在接收到用户的传输指令时，将所述现场检测模块的所述波能数据、所述工程资料传输至所述云计算模块；

所述云计算模块，用于使用预设的波能分析方法对所述波能数据和所述工程资料进行数据分析，判断所述欲检测基桩的完整性程度。

进一步的，所述波能数据包括所述接收换能器在多个检测剖面不同高度位置接收到的所述发射换能器发射的声波的波能和声时；所述检测剖面由所述欲检测基桩内的任意两根声测管组成；

所述云计算模块用于执行以下步骤实现对所述波能数据和所述工程资料的数据分析，判断所述欲检测基桩的完整性程度：

S1、计算所述接收换能器在预设时间内第i检测剖面第j高度位置接收到的所述发射换能器发射的声波的总波能M_ij，计算公式如下：

其中：i、j、k和n均为正整数；A_p(ζ)为所述接收换能器在ζ声时接收的波能；为所述接收换能器在第i检测剖面第j高度位置的第k时刻接收到的声波的声时，其中l_i为第i检测剖面两声测管之间的中心距，V_p为所述欲检测基桩的混凝土的压缩波速；M_ij为第i检测剖面第j高度位置在时间段内的总波能，且为所述发射声波的时间周期的4～6倍；

S2、使用梯形积分方法对所述总波能M_ij的计算公式进行求解，公式如下：

其中：m为正整数；Δt为所述接收换能器接收所述声波的时间步长；

S3、对所述总波能M_ij进行无量纲处理，得到所述接收换能器在预设时间内第i检测剖面第j高度位置接收的无量纲总波能计算公式如下：

S4、将所述无量纲总波能与预设阈值比较，当所述无量纲总波能小于所述预设阈值时，所述云计算模块判定所述欲检测基桩的所述第i检测剖面的第j高度位置存在缺陷，接着凭借两者差值大小进一步判别桩基的缺陷级别；否则，所述云计算模块判定所述欲检测基桩的所述第i检测剖面的第j高度位置正常。

进一步的，所述云计算模块还用于执行以下步骤实现所述预设阈值的设定：

S5、通过执行步骤S1-S3得到所述接收换能器在第i检测剖面的h个高度位置接收得到的无量纲总波能

S6、将所有所述无量纲总波能进行排序后，剔除h′个最小数值和h′个最大数值，计算所述接收换能器在第i检测剖面接收的平均相对总波能计算公式如下：

其中，h和h′为正整数，且h′＝2h/5；

S7、将设置为所述预设阈值。

进一步的，所述现场检测模块还包括摄影模块，所述摄影模块连接至所述通讯传输模块，所述摄影模块用于在操作人员对所述欲检测基桩进行检测时录制现场的音视频数据，并将所述音视频数据通过所述通讯传输模块传输至所述云计算模块。

进一步的，所述通讯传输模块还包括加密模块，所述加密模块用于在传输数据时，将欲传输的数据进行加密；所述云计算模块还包括解密模块，所述解密模块用于在接收数据时，将接收到的加密后的数据进行解密。

进一步的，所述超声波检测仪还包括传动机构，所述传动机构分别连接至所述控制器和所述电缆，所述控制器在接收到用户的发送指令时发送牵引命令给所述传动机构；所述传动机构用于接收所述控制器发送的所述牵引命令，根据所述牵引命令牵引所述电缆以控制所述发射换能器和所述接收换能器的同时上下移动；所述牵引指令指示所述传动机构的牵引速度。

进一步的，所述传动机构包括驱动马达和传动轮；

所述传动轮固定连接至所述驱动马达的驱动轴，所述传动轮连接所述电缆；

所述驱动马达连接至所述控制器，接收所述牵引指令，并根据所述牵引指令转动所述驱动轴，带动所述传动轮牵引所述电缆，以控制所述发射换能器和所述接收换能器的同时上下移动。

进一步的，所述云计算模块还包括报告生成模块，所述报告生成模块用于将所述欲检测基桩的完整性程度填写入预先生成的报告文本中以生成所述欲检测基桩的检测报告。

进一步的，所述现场检测模块还包括第一储存器；所述储存器用于储存所述波能数据、所述工程资料、所述地理位置信息和所述影像资料。

进一步的，所述现场检测模块还包括GPS定位仪，所述GPS定位仪连接至所述通讯传输模块，用于获取所述欲检测基桩的地理位置信息，通过所述通讯传输模块将所述地理位置信息传输至所述云计算模块；所述云计算模块将所述地理位置信息和预存的所述欲检测基桩的地理位置信息进行对比，验证所述波能数据的真实性。

与现有方法相比，本发明的有益方法效果如下：

本发明公开的一种基于声波透射法的基桩完整性检测系统，操作人员将超声波检测仪设置在欲检测基桩的声测管后，输入工程资料并启动超声波检测仪，通过发射换能器和接收换能器之间声波传递，即可获取欲检测基桩的波能数据，同时将波能数据和工程资料自动传输至云计算模块，从而判断出欲检测基桩的完整性程度，无需检测人员自行对波能数据进行筛选修正，实现基桩完整性检测的自动化，避免了因人为分析疏忽带来的完整性判别偏差，从而能得到更精确的基桩完整性判别结果，大大提高了检测的效率，降低了出错率。

附图说明

图1为本发明中所述的基于声波透射法的基桩完整性检测系统的结构示意图；

图2为本发明中所述的超声波检测仪11的结构示意图；

图3为本发明中所述的云计算模块的预设的波能分析方法的步骤示意图；

图4为本发明中所述的云计算模块设定预设阈值的步骤示意图。

具体实施方式

为了充分地了解本发明的目的、特征和效果，以下将结合附图与具体实施方式对本发明的构思、具体步骤及产生的方法效果作进一步说明。

如图1所示，本发明公开了一种基于声波透射法的基桩完整性检测系统，包括现场检测模块1、通讯传输模块2、云计算模块3；现场检测模块1通过通讯传输模块2连接至云计算模块3；

现场检测模块1包括超声波检测仪11；超声波检测仪11连接至通讯传输模块2；

具体的如图2所示，超声波检测仪11包括控制器111、发射换能器112、接收换能器113；发射换能器112和接收换能器113分别通过电缆114连接至控制器111；

控制器111，用于在接收到用户的发送指令时，发送声波发射指令至发射换能器112，接收接收换能器113的波能数据，接收用户输入的工程资料；

发射换能器112设置于欲检测基桩4的第一声测管41内，用于在第一声测管41内上下移动，根据声波发射指令向接收换能器113发射声波；声波发射指令指示声波发射的频率和时间周期；

接收换能器113设置于欲检测基桩的第二声测管42内，用于在第二声测管42内上下移动，接收发射换能器112发射的声波，并将接收到的声波转换成波能数据传输至控制器111；接收换能器113与发射换能器112处于同一高度并同时上下移动；工程资料包括第一声测管41和第二声测管42之间的中心距、欲检测基桩4的混凝土的压缩波速；波能数据包括声波的声波能量和声时，声时为声波到达接收换能器113的时间；

通讯传输模块，用于在接收到用户的传输指令时，将现场检测模块1的波能数据、工程资料传输至云计算模块3；

云计算模块3，用于使用预设的波能分析方法对波能数据和工程资料进行数据分析，判断欲检测基桩的完整性优劣程度。

通过上述设置，操作人员将超声波检测仪设置在欲检测基桩的声测管后，输入工程资料并启动超声波检测仪，通过发射换能器和接收换能器之间声波传递，即可获取欲检测基桩的波能数据，同时将波能数据和工程资料自动传输至云计算模块，从而判断出欲检测基桩的完整性优劣程度，无需检测人员自行对波能数据进行分析，实现基桩完整性检测的自动化，避免了因人为分析疏忽带来的完整性判别偏差，从而能得到更精确的基桩完整性判别结果，大大提高了检测的效率，降低了出错率。

具体的，如图2所示，现场检测模块1还包括摄影模块12，摄影模块12连接至通讯传输模块2，摄影模块12用于在操作人员对欲检测基桩4进行检测时录制现场的音视频数据，并将音视频数据通过通讯传输模块2传输至云计算模块。

具体的，如图2所示，现场检测模块1还包括GPS定位仪13，GPS定位仪13连接至通讯传输模块2，用于获取欲检测基桩4的地理位置信息，通过通讯传输模块2将地理位置信息传输至云计算模块3；云计算模块3将地理位置信息和预存的欲检测基桩4的地理位置信息进行对比，验证波能数据的真实性。

在实际工程检测中，换能器采集数据后，一般先暂存在声波检测仪内，然后再由检测人员统一送到实验室进行数据解释和桩基完整性判别。在此过程中，基桩检测点原址、声波检测数据等均存在被随意篡改的可能，从而影响到检测数据的真实性和可信度。若后期出现工程事故，则难以进行查证追责。因此通过设置摄影模块和GPS定位仪，对检测过程进行录像，并记录基桩的地理位置，再将录像和地理位置传输至云计算模块，可以对地理位置进行核验，从而确保基桩的波能数据的真实性，同时在核验出现问题时，可以对录像进行检查，以确认问题起因，或对检测过程进行监督核查，降低了数据被篡改的风险，还可以及时发现检测过程中存在的操作问题，从而大大提高了系统的安全性。

具体的，波能数据包括接收换能器在多个检测剖面的多个不同的高度位置接收到的发射换能器发射的声波的波能和声时；检测剖面由欲检测基桩内的任意两根声测管组成；如图3所示，云计算模块用于执行以下步骤实现对波能数据和工程资料的数据分析，判断欲检测基桩的完整性优劣程度：

S1、计算接收换能器在预设时间内第i检测剖面第j高度位置接收到的发射换能器发射的声波的总波能M_ij，计算公式如下：

其中：i、j、k和n均为正整数；A_p(ζ)为接收换能器在ζ声时接收的波能；为接收换能器在第i检测剖面第j高度位置的第k时刻接收到的声波的声时，其中l_i为第i检测剖面两声测管之间的中心距，V_p为欲检测基桩的混凝土的压缩波速；M_ij为第i检测剖面第j高度位置在时间段内的总波能，且为发射声波的时间周期的4-6倍；

S2、使用梯形积分方法对总波能M_ij的计算公式进行求解，公式如下：

其中：m为正整数；Δt为接收换能器接收声波的时间步长；

S3、对总波能M_ij进行无量纲处理，得到接收换能器在预设时间内第i检测剖面第j高度位置接收的无量纲总波能计算公式如下：

S4、将无量纲总波能与预设阈值比较，当无量纲总波能小于预设阈值时，云计算模块判定欲检测基桩的第i检测剖面的第j高度位置存在缺陷；否则，云计算模块判定欲检测基桩的第i检测剖面的第j高度位置正常。

通过执行上述步骤S1-S4，云计算模块使用数学统计方法计算出接收换能器在同一高度位置接收多次声波的总波能，再对总波能进行无量纲处理，消除因换能器发射的简谐频率不同导致的波能差异，使得在指定时间段内不同简谐击振的总波能能够进行指标对比和奇异点归类判别，最后将无量纲总波能与预设的阈值进行比较，从而得到欲检测基桩在这一高度位置的完整性情况，相比于传统的声波检测技术，本发明中的云计算模块所得到的基桩完整性结论基于大量的声波数据的分析，且无需人工去分析每一声波数据，在保证了结论的准确性的同时节省人力和物力。

具体的，如图4所示，云计算模块还用于执行以下步骤实现预设阈值的设定：

S5、通过执行步骤S1-S3得到接收换能器在第i检测剖面的h个高度位置接收得到的无量纲总波能

S6、将所有无量纲总波能进行排序后，剔除h′个最小数值和h′个最大数值，计算接收换能器在第i检测剖面接收的平均相对总波能计算公式如下：

其中，h和h′为正整数，且h′＝2h/5；

S7、将设置为预设阈值。

通过实施上述步骤S5-S7，云计算平台将多个高度位置的总波能进行平均求值，以得到预设阈值，使得这一预设阈值代表了欲检测基桩的平均完整性情况，使用这一预设阈值作为各高度位置总波能的比较对象，可以更精确地得到各高度位置的完整性情况。

具体的，通讯传输模块还包括加密模块，加密模块用于在传输数据时，将欲传输的数据进行加密；云计算模块还包括解密模块，解密模块用于在接收数据时，将接收到的加密后的数据进行解密。

通过上述设置，通讯传输模块在传输时可将数据加密，云计算模块接到数据再解密，保证了数据在传输过程中的安全性。

具体的，超声波检测仪还包括传动机构，传动机构分别连接至控制器和电缆，控制器在接收到用户的发送指令时发送牵引命令给传动机构；传动机构用于接收控制器发送的牵引命令，根据牵引命令牵引电缆以控制发射换能器和接收换能器的同时上下移动；牵引指令指示传动机构的牵引速度。

具体的，传动机构包括驱动马达和传动轮；

传动轮固定连接至驱动马达的驱动轴，传动轮连接电缆；

驱动马达连接至控制器，接收牵引指令，并根据牵引指令转动驱动轴，带动传动轮牵引电缆，以控制发射换能器和接收换能器的同时上下移动。

具体的，云计算模块还包括报告生成模块，报告生成模块用于将欲检测基桩的完整性优劣程度填写入预先生成的报告文本中以生成欲检测基桩的检测报告。

通过设置报告生成模块，云计算平台在得到完整性结果后可直接导出检测报告，无需人工编写报告，节省人力物力。

具体的，现场检测模块还包括第一储存器；储存器用于储存波能数据、工程资料、地理位置信息和影像资料。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通方法人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本方法领域中方法人员依本发明构思在现有方法基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的方法方案，均应该在由本权利要求书所确定的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于声波透射法的基桩完整性检测系统，其特征在于，包括现场检测模块、通讯传输模块、云计算模块；所述现场检测模块通过所述通讯传输模块连接至所述云计算模块；

所述现场检测模块包括超声波检测仪；所述超声波检测仪连接至所述通讯传输模块；所述超声波检测仪包括控制器、发射换能器、接收换能器；所述发射换能器和所述接收换能器分别通过电缆连接至所述控制器；

所述控制器，用于在接收到用户的发送指令时，发送声波发射指令至所述发射换能器，接收所述接收换能器的波能数据，接收用户输入的工程资料；

所述发射换能器设置于欲检测基桩的第一声测管内，用于在所述第一声测管内上下移动，根据所述声波发射指令向所述接收换能器发射声波；所述声波发射指令指示声波发射的频率和时间周期；

所述接收换能器设置于所述欲检测基桩的第二声测管内，用于在所述第二声测管内上下移动，接收所述发射换能器发射的声波，并将接收到的声波转换成波能数据传输至所述控制器；所述接收换能器与所述发射换能器处于同一高度并同时上下移动；所述工程资料包括所述第一声测管和所述第二声测管之间的中心距、所述欲检测基桩的混凝土的压缩波速；所述波能数据包括声波的声波能量和声时，所述声时为声波到达所述接收换能器的时间；

所述通讯传输模块，用于在接收到用户的传输指令时，将所述现场检测模块的所述波能数据、所述工程资料传输至所述云计算模块；

所述云计算模块，用于使用预设的波能分析方法对所述波能数据和所述工程资料进行数据分析，判断所述欲检测基桩的完整性优劣程度。

2.根据权利要求1所述的基于声波透射法的基桩完整性检测系统，其特征在于，所述波能数据包括所述接收换能器在多个检测剖面不同高度位置接收到的所述发射换能器发射的声波的波能和声时；所述检测剖面由所述欲检测基桩内的任意两根声测管组成；

所述云计算模块用于执行以下步骤实现对所述波能数据和所述工程资料的数据分析，判断所述欲检测基桩的完整性程度：

S1、计算所述接收换能器在预设时间内第i检测剖面第j高度位置接收到的所述发射换能器发射的声波的总波能M_ij，计算公式如下：

其中：i、j、k和n均为正整数；A_p(ζ)为所述接收换能器在ζ声时接收的波能；为所述接收换能器在第i检测剖面第j高度位置的第k时刻接收到的声波的声时，其中l_i为第i检测剖面两声测管之间的中心距，V_p为所述欲检测基桩的混凝土的压缩波速；M_ij为第i检测剖面第j高度位置在时间段内的总波能，且为所述发射声波的时间周期的4～6倍；

S2、使用梯形积分方法对所述总波能M_ij的计算公式进行求解，公式如下：

其中：m为正整数；Δt为所述接收换能器接收所述声波的时间步长；

S3、对所述总波能M_ij进行无量纲处理，得到所述接收换能器在预设时间内第i检测剖面第j高度位置接收的无量纲总波能计算公式如下：

S4、将所述无量纲总波能与预设阈值比较，当所述无量纲总波能小于所述预设阈值时，所述云计算模块判定所述欲检测基桩的所述第i检测剖面的第j高度位置存在缺陷；否则，所述云计算模块判定所述欲检测基桩的所述第i检测剖面的第j高度位置正常。

3.根据权利要求2所述的基于声波透射法的基桩完整性检测系统，其特征在于，所述云计算模块还用于执行以下步骤实现所述预设阈值的设定：

S5、通过执行步骤S1-S3得到所述接收换能器在第i检测剖面的h个高度位置接收得到的无量纲总波能

S6、将所有所述无量纲总波能进行排序后，剔除h′个最小数值和h′个最大数值，计算所述接收换能器在第i检测剖面接收的平均相对总波能计算公式如下：

其中，h和h′为正整数，且h′＝2h/5；

S7、将设置为所述预设阈值。

4.根据权利要求1所述的基于声波透射法的基桩完整性检测系统，其特征在于，所述现场检测模块还包括摄影模块，所述摄影模块连接至所述通讯传输模块，所述摄影模块用于在操作人员对所述欲检测基桩进行检测时录制现场的音视频数据，并将所述音视频数据通过所述通讯传输模块传输至所述云计算模块。

5.根据权利要求1所述的基于声波透射法的基桩完整性检测系统，其特征在于，所述通讯传输模块还包括加密模块，所述加密模块用于在传输数据时，将欲传输的数据进行加密；所述云计算模块还包括解密模块，所述解密模块用于在接收数据时，将接收到的加密后的数据进行解密。

6.根据权利要求1所述的基于声波透射法的基桩完整性检测系统，其特征在于，所述超声波检测仪还包括传动机构，所述传动机构分别连接至所述控制器和所述电缆，所述控制器在接收到用户的发送指令时发送牵引命令给所述传动机构；所述传动机构用于接收所述控制器发送的所述牵引命令，根据所述牵引命令牵引所述电缆以控制所述发射换能器和所述接收换能器的同时上下移动；所述牵引指令指示所述传动机构的牵引速度。

7.根据权利要求6所述的基于声波透射法的基桩完整性检测系统，其特征在于，所述传动机构包括驱动马达和传动轮；

所述传动轮固定连接至所述驱动马达的驱动轴，所述传动轮连接所述电缆；

所述驱动马达连接至所述控制器，接收所述牵引指令，并根据所述牵引指令转动所述驱动轴，带动所述传动轮牵引所述电缆，以控制所述发射换能器和所述接收换能器的同时上下移动。

8.根据权利要求1所述的基于声波透射法的基桩完整性检测系统，其特征在于，所述云计算模块还包括报告生成模块，所述报告生成模块用于将所述欲检测基桩的完整性优劣程度填写入预先生成的报告文本中以生成所述欲检测基桩的检测报告。

9.根据权利要求1所述的基于声波透射法的基桩完整性检测系统，其特征在于，所述现场检测模块还包括第一储存器；所述储存器用于储存所述波能数据、所述工程资料、所述地理位置信息和所述影像资料。

10.根据权利要求1所述的基于声波透射法的基桩完整性检测系统，其特征在于，所述现场检测模块还包括GPS定位仪，所述GPS定位仪连接至所述通讯传输模块，用于获取所述欲检测基桩的地理位置信息，通过所述通讯传输模块将所述地理位置信息传输至所述云计算模块；所述云计算模块将所述地理位置信息和预存的所述欲检测基桩的地理位置信息进行对比，验证所述波能数据的真实性。