CN114034266A - 一种优化阻尼换能器的声波法基桩嵌岩深度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种优化阻尼换能器的声波法基桩嵌岩深度检测方法，包括：S1：在基桩上的探测孔内选取多个检测点；S2：利用具有探头阻尼的换能器对多个检测点进行探测，获得多组声波图；S3：在多组声波图中截取界面回波区域，得到多个回波能量的归一化反射能量系数r的值；S4：以探测孔的深度为纵坐标、r为横坐标，得到混凝土桩与围岩界面归一化反射系数曲线图；S5：判断嵌岩面的位置：曲线中出现明显突变或者拐点处的纵坐标值即为嵌岩面的深度。本发明利用超声反射法检测混凝土灌注桩嵌岩深度，为建筑基桩抗拔力评价提供重要参考指标；采用具有探头阻尼的换能器，减小或消除杂波信号，便于对有用信号的分析。
Description
技术领域
本发明属于嵌岩深度探测技术领域，具体为一种优化阻尼换能器的声波法基桩嵌岩深度检测方法。
背景技术
建筑物基桩是决定建筑物稳定性和安全性的重要因素，当地下水位较高且地下室尺寸较大时，水浮力可能会大于建筑物自重和压重之和，建筑物结构稳定性会受到影响。地层包括土体层和岩体层，土体层位于岩体层上方，基桩抗拔承载能力主要由土体提供的抗拔力和嵌岩端岩体提供的抗拔力以及自身自重这三部分组成，其中岩体提供的抗拔力是影响基桩抗拔承载能力的主要因素。对于基桩抗拔力的检测主要通过抗拔静载试验、自平衡试验等方式进行检测，静载试验不合格率较高，费时费力，设备成本高，不易操作。而衡量嵌岩端岩体抗拔力的重要参数是基桩嵌入岩体层的深度，即嵌岩深度。进一步的，土体层和岩体层的分界面为中风化层和强风化层的分界面。然而目前对混凝土灌注桩的质量检测方法，如低应变法、钻芯法、高应变法和静载法等所检测指标均不能检测嵌岩深度。
超声波在不同介质中的传播速度不同，可以利用它的这一特性对基桩进行研究，然而声波换能器发射声波和接收声波时，发出的信号会对反射的信号造成影响，不利于识别反射波。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种优化阻尼换能器的声波法基桩嵌岩深度检测方法，利用超声反射法检测混凝土灌注桩嵌岩深度，为建筑基桩抗拔力评价提供重要参考指标；检测方法简单易操作，检测成本低、效率高、准确率高；可以利用钻芯法钻取的钻芯孔作为超声法检测的探测孔，无需另外钻取探测孔；采用具有探头优化阻尼的换能器，加大了声波的衰减，实现换能器采样的数据随着时间变化而发生衰减，减小或消除杂波信号，减小发出信号对反射回的信号的影响，便于对有用信号的分析，更便于识别反射波。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种优化阻尼换能器的声波法基桩嵌岩深度检测方法，包括如下步骤：
步骤S1：在基桩上的探测孔内选取多个检测点；
步骤S2：利用具有探头阻尼的换能器对探测孔内多个检测点进行探测，获得多组声波时域信号图；
步骤S3：在多组声波时域信号图中截取界面回波区域，得到多个回波能量的归一化反射能量系数r的值；
步骤S4：以探测孔的深度为纵坐标、基桩与围岩界面归一化反射能量系数r为横坐标，得到基桩与围岩界面归一化反射系数曲线图；
步骤S5：根据步骤S4曲线图判断嵌岩面的位置：曲线中出现明显突变或者拐点处的纵坐标值即为嵌岩面的深度，所述嵌岩深度为基桩的长度减去嵌岩面的深度。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述基桩深度为L1，探测孔深度为L2，则L1≤L2。
多个检测点沿着探测孔深度方向间隔布置。
换能器包括晶体和阻尼结构，晶体用于发射或接收声波，晶体的横截面为环形，阻尼结构的横截面为环形，阻尼结构连接在晶体的外表面。
阻尼结构包括胶和钨粉，胶和钨粉混合。
胶和钨粉的质量比例为10:1～10:5。
对已经进行钻芯法检测的基桩，可将进行钻芯法时钻取的钻芯孔作为所述探测孔，对于未有钻芯孔的基桩，需在所述基桩上钻一个探测孔。
步骤S3中，根据基桩的尺寸和声波在基桩中的传播速度计算反射波位置，从而确定界面回波区域，所述界面回波为基桩和围岩之间的界面反射的声波，通过界面回波得到各检测点混凝土桩与围岩界面归一化反射能量系数。
步骤S3中，各检测点基桩与围岩界面归一化反射能量系数的计算公式为：
式中r——基桩与围岩界面的归一化反射能量系数；
R0——基桩内参考区间声波平均能量；
Ri——第i个检测点位置混凝土桩与围岩界面反射波能量；
其中R0按如下公式计算：
式中Xij——第i检测点j时刻的反射波幅度；
n1——第i检测点位置归一化参考反射波能量计算时间区间起点；
n2——第i检测点位置归一化参考反射波能量计算时间区间终点；
N——归一化参考反射系数能量计算测点起点；
其中Ri按如下公式计算：
式中Xij——第i检测点j时刻的混凝土桩与围岩界面反射波幅度；
m1——第i检测点位置混凝土桩与围岩界面反射波能量计算时间区间起点；
m2——第i检测点位置混凝土桩与围岩界面反射波能量计算时间区间终点。
本发明的有益效果是：利用超声反射法检测混凝土灌注桩嵌岩深度，为建筑基桩抗拔力评价提供重要参考指标；检测方法简单易操作，检测成本低、效率高、准确率高；可以利用钻芯法钻取的钻芯孔作为超声法检测的探测孔，无需另外钻取探测孔；采用具有探头阻尼的换能器，加大了声波的衰减，实现换能器采样的数据随着时间变化而发生衰减，减小或消除杂波信号，减小发出信号对反射回的信号的影响，便于对有用信号的分析，更便于识别反射波。
附图说明
图1是本发明的嵌岩桩示意图。
图2是本发明的检测方法流程示意图。
图3是本发明的换能器的晶体和阻尼结构示意图。
图4是本发明的未添加钨粉和添加了钨粉的换能器的反射波示意图。
图5本发明某实际检测基桩26.0m-33.0m孔中检测间距为0.1m的反射波形。
图6本发明实际检测基桩26.0m-33.0m孔中检测间距为0.1m的反射系数曲线图
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
所述基桩1为混凝土灌注桩。所述检测方法为声波检测法，其原理为：混凝土灌注桩设置在地层中，其周围被围岩包围。超声波在混凝土桩中的速度为3500～4500m/s,超声波在围岩的强风化层中的传播速度较低，通常小于超声波在混凝土灌注桩中的传播速度，超声波在围岩的中风化层的传播速度较高。混凝土灌注桩、强风化围岩及中风化围岩的声阻抗存在明显的差异，从而混凝土灌注桩与强风化围岩之间的界面反射系数不同于混凝土灌注桩与中风化围岩之间的界面反射系数，通过超声波探头在混凝土灌注桩的钻孔内某个深度点上进行激发和接收，就能得到混凝土桩与强风化围岩之间的界面上或混凝土桩与中风化围岩之间的界面上的反射波。设所述中风化围岩和强风化围岩之间的界面为嵌岩面3，如图1所示。
设混凝土灌注桩的密度为ρ桩，超声波在混凝土灌注桩中的速度为V桩；强风化围岩的密度为ρ强，超声波在强风化围岩的速度为V强；中风化围岩的密度为ρ中，超声波在中风化围岩的速度为V中。这些参数都可以通过基桩施工之前测量得到或取芯测试得到，进而得到混凝土灌注桩、强风化围岩、中风化围岩的声阻抗的值，分别为Z桩、Z强、Z中。
设入射波为s(t)，反射波为x(t)，基桩1与围岩的反射系数为r，则有x(t)＝r·s(t)。
由于入射波都是在混凝土灌注桩内传播，传播到混凝土灌注桩与强风化围岩之间的界面和混凝土灌注桩与中风化围岩之间的界面上的时间和能量相同，因此，界面反射系数与反射波振幅或反射波强度成正比。
基于上述原理，可以利用声波检测技术获取混凝土灌注桩内不同深度的反射波特性，从而判断嵌岩面3的位置。利用声波进行检测时，声波换能器需要放入混凝土灌注桩内的探测孔2内。
基于上述原理，一种优化阻尼换能器的声波法基桩嵌岩深度检测方法，包括如下步骤：
步骤S1：在基桩1上的探测孔2内选取多个检测点。
所述基桩1深度为L1，探测孔2深度为L2，则L1＜L2。
此步骤中，较佳的，所述探测孔2和基桩1共中心线。
此步骤中，多个检测点沿着探测孔2深度方向间隔布置。相邻检测点之间的垂直水平面方向的距离为100mm。
所述基桩1为混凝土灌注桩，对已经进行钻芯法检测的混凝土灌注桩，可将进行钻芯法时钻取的钻芯孔作为所述探测孔2。对于未有钻芯孔的混凝土灌注桩，需在所述基桩1上钻一个超声反射法检测孔，即所述探测孔2。钻孔要求可参考钻芯法的相关要求。
所述探测孔2直径为80mm～120mm，较佳的，取100mm。
步骤S2：利用具有探头阻尼的换能器对探测孔2内多个检测点进行探测，获得多组声波时域信号图。某实际检测基桩时，在探测孔中深度为26.0m-33.0m的区间设置检测点，相邻检测点的间距为0.1m，反射波形如图5所示。对应的，每个检测点获得一个波形图。
声波换能器包括发射端和接收端。较佳的，发射端和接收端的连线与所述基桩1中心线平行，且发射端位于接收端的上方。发射端和接收端之间的距离为10～100mm。较佳的，声波换能器的激励频率为30kHz～40kHz。
本步骤中，所采用的换能器如图3所示，换能器包括晶体4和阻尼结构5，晶体4用于发射或接收声波。晶体4的横截面为环形，阻尼结构5的横截面为环形，阻尼结构5连接在晶体4的外表面。阻尼结构5包括胶和钨粉，胶和钨粉混合。胶和钨粉的质量比例为10:1～10:5。将胶和钨粉混合后，可将混合物(即阻尼结构5)粘接在晶体4外表面。
图4为针对相同检测对象获得的数据，图4中上图为换能器未加钨粉的波形；下图为添加15％钨粉探头，即胶和钨粉的质量比例为10:1.5。由波形图可以明显看出添加钨粉提高了换能器的阻尼，波形衰减明显增大。
步骤S3：在步骤S2获得的多组声波时域信号图中截取界面回波区域，得到多个界面回波区域的混凝土桩与围岩界面归一化反射能量系数r。
所述界面回波为基桩1和围岩之间的界面反射的声波。每组声波时域信号图可截取到一组界面回波区域，获得一个混凝土桩与围岩界面归一化反射能量系数。
此步骤中，根据基桩1的尺寸和声波在基桩1中的传播速度计算反射波位置，从而确定界面回波区域。计算时，声波的发射方向上换能器和基桩1圆周面之间的距离的两倍为声波从发射到被接收走过的距离(当换能器位于基桩1中心线上时，声波走过的距离为基桩1的直径)，声波走过的距离除以声波传播速度得到界面回波从发射到反射回换能器耗费的时间，根据时域信号图中的横坐标时间，即可确定时域信号图中界面回波的位置。
此步骤中，各检测点混凝土桩与围岩界面归一化反射能量系数的计算公式为：
式中r——归一化桩与围岩界面反射能量系数；
R0——混凝土桩内参考区间声波平均能量；
Ri——第i个测点位置混凝土桩与围岩界面反射波能量；
其中R0按如下公式计算：
式中Xij——第i测点j时刻的反射波幅度；
n1——第i测点位置归一化参考反射波能量计算时间区间起点；
n2——第i测点位置归一化参考反射波能量计算时间区间终点；
N——归一化参考反射系数能量计算测点起点；
其中Ri按如下公式计算：
式中Xij——第i测点j时刻的混凝土桩与围岩界面反射波幅度；
m1——第i测点位置混凝土桩与围岩界面反射波能量计算时间区间起点；
m2——第i测点位置混凝土桩与围岩界面反射波能量计算时间区间终点。
步骤S4：以探测孔2的深度为纵坐标、混凝土桩与围岩界面归一化反射能量系数r为横坐标，得到混凝土桩与围岩界面归一化反射系数曲线图。某实际检测基桩26.0m-33.0m孔中检测间距为0.1m的反射系数曲线图如图6所示。
需要说明的是，强风化层和中风化层的界面(即嵌岩面3)的大概深度范围可以提前通过地质资料等渠道获知。
步骤S5：根据步骤S4得到的曲线图判断嵌岩面3位置：曲线中出现明显突变或者拐点处的纵坐标值即为嵌岩面3的深度，所述嵌岩深度为基桩1的长度减去嵌岩面3的深度。本基桩的嵌岩面位置为30.2m处，所述嵌岩深度为基桩1的长度减去嵌岩面3的深度为2.8m。
本方案中可以较准确的检测基桩1所在地的嵌岩面3的深度，而基桩1的深度已知，基桩1的深度减去嵌岩面3的深度便是基桩1嵌入岩体的深度，即嵌岩深度。
较佳的，检测时所述探测孔2内填充有清水。
最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种优化阻尼换能器的声波法基桩嵌岩深度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：在基桩(1)上的探测孔(2)内选取多个检测点；
步骤S2：利用具有探头阻尼的换能器对探测孔(2)内多个检测点进行探测，获得多组声波时域信号图；
步骤S3：在多组声波时域信号图中截取界面回波区域，得到多个归一化反射能量系数r的值；
步骤S4：以探测孔(2)的深度为纵坐标、基桩(1)与围岩界面归一化反射能量系数r为横坐标，得到基桩(1)与围岩界面归一化反射系数曲线图；
步骤S5：根据步骤S4曲线图判断嵌岩面(3)的位置：曲线中出现明显突变或者拐点处的纵坐标值即为嵌岩面(3)的深度，所述嵌岩深度为基桩(1)的长度减去嵌岩面(3)的深度。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述基桩(1)深度为L1，探测孔(2)深度为L2，则L1≤L2。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：多个检测点沿着探测孔(2)深度方向间隔布置。
4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：换能器包括晶体(4)和阻尼结构(5)，晶体(4)用于发射或接收声波，晶体(4)的横截面为环形，阻尼结构(5)的横截面为环形，阻尼结构(5)连接在晶体(4)的外表面。
5.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：阻尼结构(5)包括胶和钨粉，胶和钨粉混合。
6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：胶和钨粉的质量比例为10:1～10:5。
7.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：对已经进行钻芯法检测的基桩(1)，可将进行钻芯法时钻取的钻芯孔作为所述探测孔(2)，对于未有钻芯孔的基桩(1)，需在所述基桩(1)上钻一个探测孔(2)。
8.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤S3中，根据基桩(1)的尺寸和声波在基桩(1)中的传播速度计算反射波位置，从而确定界面回波区域，所述界面回波为基桩(1)和围岩之间的界面反射的声波。
9.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤S3中各检测点基桩(1)与围岩界面归一化反射能量系数的计算公式为：
式中r——基桩与围岩界面的归一化反射能量系数；
R0——基桩内参考区间声波平均能量；
Ri——第i个检测点位置基桩与围岩界面反射波能量；
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