CN113970303A - 一种基于超声波的支盘桩轮廓检测系统及检测方法 - Google Patents

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CN113970303A CN202111247201.8A CN202111247201A CN113970303A CN 113970303 A CN113970303 A CN 113970303A CN 202111247201 A CN202111247201 A CN 202111247201A CN 113970303 A CN113970303 A CN 113970303A
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Abstract

本发明公开了一种基于超声波的支盘桩轮廓检测系统及检测方法，该系统包括支盘桩、测量模块、超声波试验模块、计算模块，支盘桩包括中心的取芯通道及桩外的若干测斜管；测量模块用于测量测斜管的倾斜角及测斜管管口相对于取芯通道通道口的位置；超声波试验模块用于在取芯通道与测斜管之间进行超声波跨孔透射试验，并得到超声波的传输时间；计算模块用于计算得到测斜管在不同深度处与取芯通道的相对位置，以及取芯通道到支盘桩桩体边缘的距离，从而得到支盘桩轮廓。采用超声波检测技术，通过测量声测管及测斜管的位置关系，计算得到支盘桩的轮廓尺寸，直观的得到支盘桩的轮廓形态，通过计算得到的轮廓尺寸误差小，较好的满足实验分析要求。

Description

一种基于超声波的支盘桩轮廓检测系统及检测方法
技术领域
本发明涉及支盘桩检测，具体是涉及一种基于超声波的支盘桩轮廓检测系统及检测方法。
背景技术
挤扩支盘桩是一种新型变截面灌注桩，相较于其他桩型，其单桩抗压和抗拔性能好，桩长相对短，替代超长直杆摩擦桩有优势。支盘桩的承力盘和分支是桩体上重要的受力构件，分担桩体荷载的主要部分，其质量状况直接影响支盘桩的承载性能。支盘桩承力盘和分支的浇筑过程在地下完成，具有一定的不确定性，因此支盘桩成型后承力盘和分支的检测成为必要的质量控制环节。
针对挤扩支盘桩的检测，时下工程上仅进行常规钻孔灌注桩的检测项目。通过原位静载试验，分析竖向荷载作用下挤扩支盘桩的荷载传递机理和变形特性，由此发现支盘承载力特性。但不能直接判定桩体承力盘和分支的形状轮廓状态，无法反映其空间分布情况。
发明内容
发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种直观、精确得到支盘桩空间分布的基于超声波的支盘桩轮廓检测系统。
本发明还提供一种基于超声波的支盘桩轮廓检测方法。
技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种基于超声波的支盘桩轮廓检测系统，包括支盘桩、测量模块、超声波试验模块、计算模块，所述支盘桩中心设置取芯通道，取芯通道沿支盘桩中心轴自支盘桩上表面向下延伸，支盘桩外设置若干测斜管；所述测量模块用于测量每个测斜管的倾斜角及测斜管管口相对于取芯通道通道口的位置；所述超声波试验模块用于在取芯通道与每个测斜管之间进行超声波跨孔透射试验，并得到取芯通道在不同深度位置与测斜管之间超声波的传输时间；所述计算模块用于计算得到每个测斜管在不同深度处与取芯通道的相对位置，以及根据超声波在支盘桩内的传播速度、超声波在支盘桩周土中的传播速度、测斜管与取芯通道的相对位置、取芯通道与测斜管之间超声波的传输时间计算得到取芯通道到支盘桩桩体边缘的距离，从而得到支盘桩轮廓。
进一步的，所述支盘桩内预埋有若干声测管，一个测斜管对应一个声测管，所述测斜管管口中心、声测管管口中心、取芯通道通道口中心位于同一条直线上，且声测管位于测斜管和取芯通道之间，所述测斜管深度与支盘桩桩长相同；所述声测管、测斜管的倾斜度均小于1％。
进一步的，所述取芯通道内、声测管管内、测斜管管内均注满清水，声测管、测斜管管底均采用地漏封底。
本发明还采用一种基于超声波的支盘桩轮廓检测方法，包括以下步骤：
(1)将待检测的支盘桩中心进行钻孔取芯得到取芯通道，在待检测的支盘桩周围布设若干测斜管；
(2)测量每个测斜管的倾斜角及测斜管管口相对于取芯通道通道口的位置，计算得到每个测斜管在不同深度处与取芯通道的相对位置；
(3)在取芯通道与每个测斜管之间进行超声波跨孔透射试验，得到取芯通道在不同深度位置与测斜管之间超声波的传输时间；
(4)根据超声波在支盘桩内的传播速度、超声波在支盘桩周土中的传播速度、步骤(2)得到的相对位置以及步骤(3)得到的传输时间，计算得到取芯通道到支盘桩桩体边缘的距离，从而得到支盘桩轮廓。
进一步的，还包括步骤(5)对步骤(4)得到的支盘桩轮廓进行修正；所述步骤(3)中超声波在支盘桩支盘斜面处的传播路径为折线，根据超声波折射原理修正得到支盘斜面处取芯通道到支盘桩桩体边缘的实际距离。
进一步的，所述步骤(2)具体步骤为：
(21)以支盘桩取芯通道中心为原点、正北方向为Y轴正方向，正东方向为X轴正方向，建立总体坐标系；
(22)所述测斜管设置有两个相互垂直的导向槽，分别为第一导向槽和第二导向槽，第一导向槽所在平面与第二导向槽所在平面相交于测斜管中心轴，分别测量每个测斜管管口第一导向槽所在直线与Y轴的夹角为α；
(23)测量每个测斜管管口中心在总体坐标系中的坐标；
(24)测量每个测斜管的倾斜角，得到每个测斜管在不同深度位置的管心与测斜管管口中心在X轴方向和Y轴方向的位移变化量；
(25)计算得到每个测斜管在不同深度位置的管心在总体坐标系中的坐标。
进一步的，所述步骤(3)具体步骤为：
(31)根据实验要求预先设置检测点距、采样间隔；
(32)将发射换能器放入取芯通道孔底，同时将接收换能器放入一个测斜管管底，发射换能器与接收换能器位于同一水平高度；
(33)发射换能器与接收换能器水平同步上升，根据预先设置的检测点距、采样间隔记录测试点的超声波传输时间；
(34)更换测斜管放入接收换能器，重新进行步骤(32)和步骤(33)，直到所有测斜管都进行了试验。
进一步的，所述步骤(4)中超声波在支盘桩内传播速度的测算方法为：将发射换能器与接收换能器分别放入两个声测管，测量超声波的传输时间，并测量两个声测管测试点之间的距离，计算得出超声波在支盘桩桩身内的传播速度。
进一步的，所述步骤(4)中超声波在支盘桩周土中传播速度的测算方法为：将发射换能器与接收换能器分别放入两个测斜管，测量超声波的传输时间，并根据步骤(2)中得到的测斜管与取芯通道的相对位置，计算得到两个测斜管测试点之间的距离，计算得出超声波在支盘桩周土中的传播速度。
进一步的，所述步骤(4)中取芯通道到支盘桩桩体边缘的距离的具体计算公式为：
Figure BDA0003321249050000031
其中，i表示测斜管试验时的第i个测点，bi表示取芯通道孔壁到支盘桩桩体边缘的距离，vc表示超声波在支盘桩桩身内的传播速度，vs表示超声波在支盘桩周土中的传播速度，vw表示超声波在水中的传播速度，ti表示取芯通道与测斜管之间超声波的传输时间，L表示取芯通道与测斜管之间的水平直线距离，d表示声测管外径。
有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是采用超声波检测技术，通过测量声测管及测斜管的位置关系，计算得到支盘桩的轮廓尺寸，直观的得到支盘桩的轮廓形态，通过计算得到的轮廓尺寸误差小，较好的满足实验分析要求。
附图说明
图1所示为本发明中支盘桩轮廓检测系统原理示意图；
图2所示为本发明中总体坐标系示意图；
图3所示为本发明中测斜管的横截面示意图；
图4所示为本发明中测量超声波在支盘桩内传播速度时的原理示意图；
图5所示为本发明中测量超声波在支盘桩周土中传播速度时的原理示意图；
图6所示为本发明中超声波在支盘桩支盘斜面处传播路径示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例中一种基于超声波的支盘桩轮廓检测系统，包括支盘桩、测量模块、超声波试验模块、计算模块，支盘桩中心转孔得到取芯通道，在本实施例中，取芯直径为100mm，取芯通道内灌满水；支盘桩内预埋有若干声测管，声测管捆绑在加强箍筋边缘，支盘桩外设置若干测斜管，一个测斜管对应一个声测管，测斜管管口中心、声测管管口中心、取芯通道通道口中心位于同一条直线上，且声测管位于取芯通道和与之对应的测斜管之间；在本实施例中，支盘桩内预埋有三根声测管，支盘桩外设置三根测斜管，测斜管距离支盘桩中心2m，测斜管与支盘桩边缘距离至少为0.5m，测斜管深度与支盘桩桩长相同，且声测管、测斜管的倾斜度均小于1％，声测管材料采用一定规格的供水管，保证有一定的抗压强度，防止管破裂；测斜管材料采用一定规格的铝合金管或PVC管，保证有一定的抗压强度，防止管破裂；声测管、测斜管管内均注满清水，声测管、测斜管管底均采用地漏封底。
测量模块包括测斜仪、GPS工程测量仪，测斜管管内设置两个相互垂直的导向槽，分别为第一导向槽和第二导向槽，第一导向槽、第二导向槽的宽度大于测斜管的内径，且小于测斜管的外径，第一导向槽所在平面与第二导向槽所在平面相交于测斜管中心轴，测斜仪通过导向槽测量每个测斜管的倾斜角，得到不同深度时，测斜管管心相对于测斜管管口中心的位移变化量，GPS工程测量仪测量测斜管管口相对于取芯通道通道口的位置。
超声波试验模块包括发射换能器与接收换能器，将发射换能器和接收换能器分别放入取芯通道和测斜管之间进行超声波跨孔透射试验，并得到不同深度下取芯通道与测斜管之间超声波的传输时间。
计算模块计算得到不同深度下每个测斜管与取芯通道的相对位置，以及根据超声波在支盘桩内的传播速度、超声波在支盘桩周土中的传播速度、不同深度下每个测斜管与取芯通道的相对位置、不同深度下取芯通道与测斜管之间超声波的传输时间计算得到取芯通道到支盘桩桩体边缘的距离，从而得到支盘桩轮廓。
实施例2
本实施例中一种基于超声波的支盘桩轮廓检测方法，包括以下步骤：
(1)将待检测的支盘桩中心进行钻孔取芯得到取芯通道，取芯通道内灌满水，支盘桩内预埋有若干声测管，待检测的支盘桩周围布设若干测斜管，在本实施例中设置三根声测管，三根测斜管，测斜管位置方向沿支盘桩中心到声测管中心，测斜管深度与支盘桩桩长一致，声测管、测斜管的倾斜度要求小于1％；
(2)测量每个测斜管的倾斜角及测斜管管口相对于取芯通道通道口的位置，计算得到不同深度下，每个测斜管与取芯通道的相对位置；具体步骤为：
(21)以支盘桩取芯通道中心为原点、正北方向为Y轴正方向，正东方向为X轴正方向，建立总体坐标系；
(22)如图3所示，测斜管设置有两个相互垂直的导向槽，分别为第一导向槽和第二导向槽，第一导向槽所在平面与第二导向槽所在平面相交于测斜管中心轴，在测斜管管口横截面中，第一导向槽所在直线与Y轴的夹角为α；
(23)利用GPS工程测量仪测量每个测斜管管口中心在总体坐标系中的坐标为(XOn，YOn)，其中，n表示第n个测斜管，n＝1、2…N，N表示测斜管总数；
(24)利用测斜仪通过导向槽测量每个测斜管的倾斜角，得到深度Z时，每个测斜管管心与测斜管管口中心在第一导向槽方向的位移变化量OB和在第二导向槽方向的位移变化量OE，位移变化量OB在X轴方向和Y轴方向的投影为OA和OC，位移变化量OE在X轴方向和Y轴方向的投影为OD和OF；有
OA＝OB×sinα；OC＝OB×cosα
OD＝OE×sinα；OF＝OE×cosα
(25)计算得到深度Z时，每个测斜管管心在总体坐标系中的坐标(XZn，YZn):
XZn＝XOn+OE×cosα-OB×sinα,
YZn＝YOn+OB×cosα-OE×sinα
(26)计算得到深度Z时，取芯通道与测斜管之间的水平直线距离LZn:
Figure BDA0003321249050000051
(3)在取芯通道与每个测斜管之间进行超声波跨孔透射试验，得到不同深度下取芯通道与测斜管之间超声波的传输时间；具体步骤为：
(31)根据实验要求预先设置检测点距、采样间隔；
(32)将发射换能器放入取芯通道孔底，同时将接收换能器放入一个测斜管管底，发射换能器与接收换能器位于同一水平高度；
(33)发射换能器与接收换能器水平同步上升，根据预先设置的检测点距、采样间隔记录测试点的超声波传输时间；
(34)更换测斜管放入接收换能器，重新进行步骤(32)和步骤(33)，直到所有测斜管都进行了试验。
(4)计算取芯通道到支盘桩桩体边缘的距离，具体步骤为：
(41)测算超声波在支盘桩内传播速度vc：如图4所示，将发射换能器与接收换能器分别放入两个声测管，测量超声波的传输时间，并测量两个声测管测试点之间的距离，计算得出超声波在支盘桩桩身内的传播速度vc，将发射换能器与接收换能器分别依次放入1，2，3号声测管中，分别测算1-2，2-3，3-1两管之间超声波的传播速度，综合考虑得到采用的超声波传播速度vc，使得采用的超声波在支盘桩桩身内的传播速度vc测量结果更精确。
(42)测算超声波在支盘桩周土中传播速度vs：如图5所示，将发射换能器与接收换能器分别放入两个测斜管，测量超声波的传输时间，并根据步骤(2)的距离LZn，计算得出超声波在支盘桩周土中的传播速度vs，将发射换能器与接收换能器分别依次放入5，6，7号测斜管中，分别测算5-6，6-7，7-5两管之间超声波的传播速度，综合考虑得到采用的超声波传播速度vs，使得采用的超声波在支盘桩周土中的传播速度vs测量结果更精确。
(43)如图1所示，为径向换能器在取芯通道与测斜孔之间的检测剖面。采用桩内发射桩外接收的检测方案。发射换能器在取芯通道中发出声波，透过耦合介质水以及检测管管壁，进入混凝土内部，到达桩土交界面后，透射进入桩周土体，最后穿过测斜管管壁，被测斜管中的接收换能器接收。经过数据采集及处理后，建立首波到达时间与桩身轮廓尺寸等式关系，从而计算支盘桩桩体轮廓，取芯通道到支盘桩桩体边缘的距离的具体计算公式为：
Figure BDA0003321249050000061
L＝ai+bi+d
Figure BDA0003321249050000062
其中，i表示测斜管试验时的第i个测点，ai表示第i个测点中接收换能器所在测斜管到桩体外边缘的距离，bi表示取芯通道孔壁到支盘桩桩体边缘的距离，vc表示超声波在支盘桩桩身内的传播速度，vs表示超声波在支盘桩周土中的传播速度，vw表示超声波在水中的传播速度，ti表示取芯通道与测斜管之间超声波的传输时间，L表示取芯通道与测斜管之间的水平直线距离(即发射探头中心与接收探头中心的水平直线距离)，d表示声测管外径。将每个测点都算出，并绘制出支盘桩轮廓。
考虑到检测管直径相对于检测声波传播路径长度为很小的值，可以将上面的式子简化为：
Figure BDA0003321249050000063
(5)对步骤(4)得到的支盘桩轮廓进行修正；由Snell定律可知，在有一定倾斜角度的桩土界面中，声波实际的传递路径为一段折线，联系支盘桩几何关系，超声波在支盘桩支盘斜面处的传播路径为折线，根据超声波折射原理修正得到支盘斜面处取芯通道到支盘桩桩体边缘的实际距离。如图6所示，超声波由A点的发射换能器以球形范围发射，其中超声波传播的某一路径为AB，在桩土交界面B点处遵循Snell定律透射，入射角为α，出射角为β，且两角度满足下式关系：
Figure BDA0003321249050000071
超声波透过桩土界面后，以出射角射出，其传播路径为BC，传播路径AB、BC长度分别为X1、X2，超声波传递时间如下所示：
Figure BDA0003321249050000072
由传播路径所形成的几何形状，有如下等价关系：
Figure BDA0003321249050000073
L×sin(90°-θ)＝X1×sinα+X2×sinβ (4)
其中，θ为支盘桩支盘斜面与水平面夹角，该角度可以测得。根据方程组可解得入射角为α，出射角为β，传播轨迹长度X1、X2。
求解过程如下：
将式(1)、式(2)代入式(4)，得到：
Figure BDA0003321249050000074
由于θ为已知角，令γ＝90°-θ，由式(3)，有：
Figure BDA0003321249050000075
Figure BDA0003321249050000081
由式(1)可得：
Figure BDA0003321249050000082
Figure BDA0003321249050000083
将式(1)、式(8)、式(9)代入式(7)中，有：
Figure BDA0003321249050000084
将式(10)代入式(5)中，令
Figure BDA0003321249050000085
得到：
Figure BDA0003321249050000086
又根据式(1)，有：
Figure BDA0003321249050000087
Figure BDA0003321249050000088
将式(13)代入式(11)中，有：
Figure BDA0003321249050000089
Figure BDA0003321249050000091
令
Figure BDA0003321249050000092
将式(15)代入式(14)，有
Figure BDA0003321249050000093
其中仅有入射角为α为未知数，代入其他参数计算即可得到α。
在三角形ABE中可用其几何关系计算出AE的长度，即支盘桩在该路径下实际轮廓长度，从而得到修正后的支盘桩轮廓。该超声波检测方法能直观地得到支盘桩的轮廓形态以及计算轮廓尺寸，测量结果误差小，能满足实验分析要求。

Claims (10)

1.一种基于超声波的支盘桩轮廓检测系统，其特征在于，包括支盘桩、测量模块、超声波试验模块、计算模块，所述支盘桩中心设置取芯通道，取芯通道沿支盘桩中心轴自支盘桩上表面向下延伸，支盘桩外设置若干测斜管；
所述测量模块用于测量每个测斜管的倾斜角及测斜管管口相对于取芯通道通道口的位置；
所述超声波试验模块用于在取芯通道与每个测斜管之间进行超声波跨孔透射试验，并得到取芯通道在不同深度位置与测斜管之间超声波的传输时间；
所述计算模块用于计算得到每个测斜管在不同深度处与取芯通道的相对位置，以及根据超声波在支盘桩内的传播速度、超声波在支盘桩周土中的传播速度、测斜管与取芯通道的相对位置、取芯通道与测斜管之间超声波的传输时间计算得到取芯通道到支盘桩桩体边缘的距离，从而得到支盘桩轮廓。
2.根据权利要求1所述的支盘桩轮廓检测系统，其特征在于，所述支盘桩内预埋有若干声测管，一个测斜管对应一个声测管，所述测斜管管口中心、声测管管口中心、取芯通道通道口中心位于同一条直线上，且声测管位于测斜管和取芯通道之间，所述测斜管深度与支盘桩桩长相同；所述声测管、测斜管的倾斜度均小于1％。
3.根据权利要求2所述的支盘桩轮廓检测系统，其特征在于，所述取芯通道内、声测管管内、测斜管管内均注满清水，声测管、测斜管管底均采用地漏封底。
4.一种根据权利要求3所述的基于超声波的支盘桩轮廓检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将待检测的支盘桩中心进行钻孔取芯得到取芯通道，在待检测的支盘桩周围布设若干测斜管；
(2)测量每个测斜管的倾斜角及测斜管管口相对于取芯通道通道口的位置，计算得到每个测斜管在不同深度处与取芯通道的相对位置；
(3)在取芯通道与每个测斜管之间进行超声波跨孔透射试验，得到取芯通道在不同深度位置与测斜管之间超声波的传输时间；
(4)根据超声波在支盘桩内的传播速度、超声波在支盘桩周土中的传播速度、步骤(2)得到的相对位置以及步骤(3)得到的传输时间，计算得到取芯通道到支盘桩桩体边缘的距离，从而得到支盘桩轮廓。
5.根据权利要求4所述的支盘桩轮廓检测方法，其特征在于，还包括步骤(5)对步骤(4)得到的支盘桩轮廓进行修正；所述步骤(3)中超声波在支盘桩支盘斜面处的传播路径为折线，根据超声波折射原理修正得到支盘斜面处取芯通道到支盘桩桩体边缘的实际距离。
6.根据权利要求4所述的支盘桩轮廓检测方法，其特征在于，所述步骤(2)具体步骤为：
(21)以支盘桩取芯通道中心为原点、正北方向为Y轴正方向，正东方向为X轴正方向，建立总体坐标系；
(22)所述测斜管设置有两个相互垂直的导向槽，分别为第一导向槽和第二导向槽，第一导向槽所在平面与第二导向槽所在平面相交于测斜管中心轴，分别测量每个测斜管管口第一导向槽所在直线与Y轴的夹角为α；
(23)测量每个测斜管管口中心在总体坐标系中的坐标；
(24)测量每个测斜管的倾斜角，得到每个测斜管在不同深度位置的管心与测斜管管口中心在X轴方向和Y轴方向的位移变化量；
(25)计算得到每个测斜管在不同深度位置的管心在总体坐标系中的坐标。
7.根据权利要求4所述的支盘桩轮廓检测方法，其特征在于，所述步骤(3)具体步骤为：
(31)根据实验要求预先设置检测点距、采样间隔；
(32)将发射换能器放入取芯通道孔底，同时将接收换能器放入一个测斜管管底，发射换能器与接收换能器位于同一水平高度；
(33)发射换能器与接收换能器水平同步上升，根据预先设置的检测点距、采样间隔记录测试点的超声波传输时间；
(34)更换测斜管放入接收换能器，重新进行步骤(32)和步骤(33)，直到所有测斜管都进行了试验。
8.根据权利要求4所述的支盘桩轮廓检测方法，其特征在于，所述步骤(4)中超声波在支盘桩内传播速度的测算方法为：将发射换能器与接收换能器分别放入两个声测管，测量超声波的传输时间，并测量两个声测管测试点之间的距离，计算得出超声波在支盘桩桩身内的传播速度。
9.根据权利要求4所述的支盘桩轮廓检测方法，其特征在于，所述步骤(4)中超声波在支盘桩周土中传播速度的测算方法为：将发射换能器与接收换能器分别放入两个测斜管，测量超声波的传输时间，并根据步骤(2)中得到的测斜管与取芯通道的相对位置，计算得到两个测斜管测试点之间的距离，计算得出超声波在支盘桩周土中的传播速度。
10.根据权利要求4所述的支盘桩轮廓检测方法，其特征在于，所述步骤(4)中取芯通道到支盘桩桩体边缘的距离的具体计算公式为：
Figure FDA0003321249040000031
其中，i表示测斜管试验时的第i个测点，bi表示取芯通道孔壁到支盘桩桩体边缘的距离，vc表示超声波在支盘桩桩身内的传播速度，vs表示超声波在支盘桩周土中的传播速度，vw表示超声波在水中的传播速度，ti表示取芯通道与测斜管之间超声波的传输时间，L表示取芯通道与测斜管之间的水平直线距离，d表示声测管外径。
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