CN1699705A - 现场浇注桩的无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种现场浇注桩的无损检测方法和其中记录有执行该方法程序的计算机可读存储介质。该无损检测方法包括下列步骤：(a)使用者在桩的头部用锤敲击产生一个信号(S100)；(b)发送在步骤(a)中敲击锤产生的弹性波和阻抗，并通过多个安排在不同角度的地音探测器接收(S200)；(c)基于步骤(b)传输的弹性波和阻抗，通过合并和分析弹性波和阻抗的速度，根据弹性波速度的结果，对形状、质量状态和测试目标结果进行处理和传输(S300)；以及(d)对步骤(c)中传输到主机的数据进行图像处理，并将其在图像显示器上进行显示(S400)。

Description

现场浇注桩的无损检测方法

技术领域

本发明涉及一种现场浇注混凝土桩的无损检测方法及其中记录有执行这种方法程序的计算机可读存储介质。本发明特别涉及一种现场浇注混凝土桩的无损检测方法，以及其中记录有执行这种方法程序的计算机可读存储介质，该方法能够检测打入桩的长度或打入过程中桩是否被损坏，该方法通过用锤在桩上施加冲击，以产生弹性波和阻抗，再用多个地音探测器接收弹性波和阻抗来检测，所述桩是在生产车间制造的如混凝土、钢材桩，并通过打入到海底或地下很深的地方来建造。

背景技术

一般来说，随着社会的进步和发展，超结构物(如大楼、桥梁等)在不断地增加。为了承受超结构物，应当将它们牢固地建立在被深深打入海底和地下岩层中的基桩上，以承受强风和大的冲击而不会倒塌。因此，建造这些桩以承受设计的载荷就变得非常重要。

打当基桩时，通过打桩机施加一个很大的冲击力将它们打入地下。然而，在打入过程中，由于打桩机有很大冲击力，混凝土桩容易破损或损坏，或者桩被地下的异物隔断，从而使其仍残留在地中而没有到达岩层，即底座。因此，这些桩不能承受来自于高层建筑和大桥的大的载荷，以致发生一些事故，如大楼或桥梁的倾斜和倒塌。因此，精确地评估桩是否损坏、桩是否与地层相接触等等的需求日益增长。

为了对桩进行鉴定，传统方法是，挖掘桩或建筑结构的外围区域，用肉眼观察那里是否有损坏存在及其位置。这种方法的好处在于能直观地检查和判断，但这种方法的问题在于进行直接的挖掘是很困难的，因为需要大规模的挖掘，不得不采用大型的设备和大量的劳力，从而导致需大量的时间和成本。

人们已提出的第二种方法，是通过用相同的锤敲击，产生波并接收波来检查桩的长度的方法。然而，该方法只能检测桩的长度，因为只有沿着同一介质传播的弹性波的速度可以被一个地音探测器检测到，从而导致在检测诸如桩断面的缩小、桩前端部分的主要缺陷等等问题时受到限制。

此外，人们已提出的第三种检测异常存在的方法是在混凝土桩的中心附近钻孔，通过测角器测量混凝土桩的位移和周边。该方法同样存在的问题是为了找到相对面的缺陷，需要钻大量的孔，从而需大量的时间和成本。

最后，有人提出一种测量大型桩质量的方法，它通过将PVC管埋在现场浇注的桩中，用超声波进行测量。该方法的优点在于桩的质量可以得到精确地评估，但这种方法只适用于大直径的现场浇注桩，其问题在于它不可能测量在生产车间制造好、通过打桩机打到地下的桩和底座等。

为了解决上述问题，采用了如图1所示的使用弹性冲击波的无损检测方法。

参考图1，在一种传统的冲击波方法中，通过用锤敲击弹性波发生单元而产生弹性波，且该弹性波被安置在与锤子同一条直线上的接收单元2接收。这时，仅仅通过计算由储备有微处理器的主机3接收的弹性波的速度就可计算出打入桩的长度。于是，用户能够在基于波的形状在输出单元4的显示器上检查桩的长度。

然而，在传统技术中，弹性波产生锤与接收单元相互一对一地通信，并且只有弹性波的速度被提取出来。因此，这里存在的一个问题是只通过提取的速度不可能执行全面的质量检查(关于桩断面的损失、桩是否与岩层接触等等)，另一个问题是由于建筑结构的形状未知，质量测试结果的可靠性受到了削弱。

发明内容

本发明是考虑到现有技术的问题进行设计的，从而本发明的一个目的是提供一种现场浇注桩的无损检测方法，以及一种计算机可读的存储介质，其中储存有执行该方法的程序，该方法能够轻松检测到不能达到的区域，包括桩打入到海底和地下的长度，桩是否接触到岩层等等，以及通过用锤进行敲击以在目标物体的表面产生弹性波，并通过多个地音探测器接收弹性波和沿着目标物传播的阻抗，及对信息进行分析来测试质量是否正常。

本发明的另一个目的是提供一种现场浇注桩的无损检测方法，其在单个进程的每一部分执行一次质量测试，通过采用多个地音探测器将沿着圆形桩传播的阻抗合并起来，提供三维的图像来缩短工作时间。

为了实现上述目的，根据本发明，提供一种现场浇注桩的无损检测方法，用于埋入海底或地下很深的混凝土桩的质量状态的检测，包括下列步骤：(a)使用者在桩的头部用锤敲击产生信号(S100)；(b)发送在步骤(a)中敲击锤子产生的弹性波和阻抗，并用多个地音探测器接收(S200)，每个地音探测器被安排在不同角度；(c)基于步骤(b)传输的弹性波和阻抗，通过合并和分析弹性波的速度和阻抗，根据弹性波速度的结果对形状、质量状态和测试目标结果进行处理和传输(S300)；以及(d)对步骤(c)中传输到主机的数据进行图像处理，并将其在图像显示器上进行显示(S400)。

优选地，在步骤(c)中，通过步骤(b)接收到的弹性波和阻抗信息，相对于测试目标物的前表面和后表面的每一部分，合并形成一个波形，并将其立体地显示并在一个数据存储装置中储存，同时将该波形在图像输出装置上显示，以检查桩在质量上是否正常。

根据本发明的一个方面，提供了一种计算机可读的存储介质，其中储存有执行现场浇注桩的无损检测方法的程序。

附图说明

参考所附的附图，通过具体实施例的说明，本发明的其它目的和方面变得清楚起来，其中：

图1是采用弹性波的传统无损检测装置示意性结构的框图；

图2是根据本发明的无损检测方法的示意性结构的框图；

图3是说明在锤敲击区安装地音探测器的实施例的平面图；以及

图4是解释根据本发明的无损检测方法的流程图；

图5示出了压力转化波及回声效应；

图6示出了Beta(β)法。

具体实施方式

以下，将参考附图对本发明的一个优选实施例进行更详细的说明。

图2是根据本发明的无损检测方法的示意性结构的框图；图3是说明在锤敲击区安装地音探测器的实施例的平面图；图4是解释根据本发明的无损检测方法的流程图；图5示出了压力转化波及回声效应；而图6图6示出了Beta(β)法。

参考图2，本发明包括桩10、锤20、地音探测器30、主机40和图像显示器50。

桩10包括在建筑工地建造的预浇制的加预应力的混凝土桩(PC)、预拉伸的旋制高强度混凝土桩(PHC)和钢管桩等等。

用锤20敲击作为测试目标的桩10的头部，如在解释图3的例子的桩10的平面图中所示。锤20与主机40相连，以产生弹性波和阻抗，并且在锤敲击时，以数值形式表示敲击力。

在用锤20敲击桩10之后，地音探测器30接收冲击波和桩10的阻抗。冲击波接收到达桩10的尾部、然后到达桩10的头部的时间，而阻抗将沿着桩10表面传播的数据发送到主机40。并且，至少应当安装两个地音探测器30，以立体地接收阻抗并再现它。即如图3所示，将它们安装在桩10直径的另一边。

主机40与锤20、地音探测器30和图像显示器50相连。锤20在桩10上敲击产生的力和从地音探测器30传送的数据被处理器中的程序处理，结果被传送到图像显示器50上(后面将说明)。

图像显示器50在桩长度显示器51和桩立体图形显示器52上显示由主机40传送的结果。桩10的损坏和质量状态可以通过桩10的长度和形状的立体再现来知道。

根据本发明实施例的如此构成的现场浇注桩的无损检测方法的应用如下。

首先，将锤20、多个安装在桩10头部的地音探测器30以及图像显示器50都与主机40相连，输入初始值和介质密度，随后用锤20进行敲击。地音探测器30接收到达桩10尾部然后返回到桩10头部的冲击波的速度，以及沿着桩10表面传播然后返回到桩10头部的阻抗的数据值，并将该数据值传送到主机40。并且，由于主机40中的处理器具有一个以上能对上述储存在其中的数据进行处理的程序，它计算出桩10的长度，并将桩10的立体图形转化成数据后传送给图像显示器50。已经接收了数据的图像显示器50根据用户的选择，显示桩10长度的图像或桩10的立体图像，从而可以了解桩的确切状态。

现在，将参考图3逐步地解释如上构建的本发明的操作。

首先，将锤20、地音探测器30和图像显示器50都与主机40相连。

当完成上述操作时，用户用锤20在桩10的头部进行敲击以产生一信号(S100)。

这时产生的信号产生一个冲击波和一个阻抗波。该冲击波被用于短程冲击波法中，其中诸如锤20之类的东西产生一个冲击波，接收端接收产生的冲击波以能够通过冲击超声波穿过物体花费的时间和脉冲的振幅来检测物体的长度、深度和强度等。通过这种方法，如果一个外部的短程冲击作用在一特定的物体上，在作用方向上将显现出密度的一个很大变化值，以及在包括超声区域的很宽的频带范围内的弹性波的很大的变化值。从而，采用前述的冲击波检测混凝土、钢管等的状态成为可能。

混凝土厚度的计算公式：

L＝(1/2)*V₁*Tr*(1/10)

其中，L是厚度(厘米)，V₁是传播速度(千米/秒)，Tr是反射所需的时间(μ秒)。

考虑阻抗，当一个特定的冲击施加到桩10的头部时，该冲击导致桩10表面瞬间的压缩和颗粒移动。在混凝土桩的情况下，由瞬间压缩力产生的压力波的速度约为3500-4000米/秒。该压力波的传播速度与桩10的材料有关。如果材料是均一的，压力波具有一恒定值，用下式2.1表示：

$c=\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}----\left(2.1\right)$

其中，c是压力波的传播速度，E是桩的弹性模量，p是桩的密度。

并且，如果这里不存在地层阻抗效应，可以认为在桩10头部压力波的改变是由于桩阻抗的改变引起的。如果桩10材料是相同的，可以认为它取决于横截面积的变化。

表明桩10横截面积变化的桩阻抗Z被定义如下：

$Z=\frac{\mathrm{EA}}{c}=A\sqrt{E_{\mathrm{\ρ}}}----\left(2.2\right)$

其中，A是桩的横截面积。

桩10头部粒子速度受到在桩10头部变化的阻抗产生的压力反射波和张力反射波到达的影响。图5是用来解释具有横截面积变化和地层阻力分量的桩10中反射波的回声效应，其中压力波的路径通过时间与贯穿长度的关系来表示。横截面方向效应(CR)表示由横截面减小引起的反射波效应。并且，冲击效应表明当一个初始作用在桩10头部的冲击波在桩的前端部反射回来时产生一个波的效应。第二横截面效应(CR)是当横截面减少效应产生的反射波到达桩10的头部再反射回来时发生的第二次效应。地层阻力同样产生一个反射波，具有与初始压力波相反的方向。

作为采用上述理论进行测试的一个结果，如果假设存在一个阻抗变化，有可能采用后面提到的Beta法评估阻抗变化的程度。

如图6所示，如果假设桩10的阻抗在离桩10头部x远处从Z₁变化到Z₂，一个向下运动的初始输入波F_i发生反射，分成一上行波Fu和一下行波Fd。在阻抗变化发生的横截面的两个相对端部进行力的平衡，这种关系可以用下式2.3表示：

F_d＝F_i+F_u    (2.3)

其中，Fi是下行初始输入波，F_u是上行反射波，F_d是下行反射波。

为了满足波的连续性，在任何相对的横截面两端的阻抗的变化值应当相同，粒子速度可以用下式表达：

V_d＝V_i+V_u    (2.4)

其中V_d是下行粒子速度，V_i是初始输入波的粒子速度，V_u是上行粒子速度。

粒子速度与力的关系用下式表示：

F_d＝Z₂V_d

F_i＝Z₁V_i    (2.5)

F_u＝(-Z₁)V_u

如果将上述关系应用到式2.4，可以得到下列关系式：

$\frac{\mathrm{Fd}}{Z_2}=\frac{\mathrm{Fi}}{Z_1}-\frac{\mathrm{Fu}}{Z_1}----\left(2.6\right)$

其中，整因子β定义如下：

$\mathrm{\β}=\frac{Z_2}{Z_1}----\left(2.7\right)$

如果将式2.7应用到式2.6，可以得到下式：

F_d＝β(F_i-F_u)    (2.8)

如果将式2.8代入式2.3，可以得到下式2.9：

F_i+F_u＝β(F_i-F_u)或者

$\mathrm{Fu}=-\mathrm{Fi}\left(\frac{1-\mathrm{\β}}{1+\mathrm{\β}}\right)----\left(2.9\right)$

其中，上行反射波与初始输入波(下行)的比率α的定义如下式2.10所示：

$\mathrm{\α}=-\frac{\mathrm{Fu}}{\mathrm{Fi}}----\left(2.10\right)$

如果该等式换算成与β相关，则可以得到下式2.11：

$\mathrm{\β}=\frac{(1-\mathrm{\α})}{(1+\mathrm{\α})}----\left(2.11\right)$

如式2.12所示，在桩10头部的上行波用力与速度(乘上阻抗后转化为一个力)之间的间隙来表示。

2F_u＝F_top-Z₁V_top    (2.12)

在桩完整性测试(PIT)中，施加到桩10头部的力F_top常常在初始打击之后变为0。并且，冲击波可以用粒子速度表示，从而得到下式2.13：

$\mathrm{\α}=-\frac{F_u}{F_i}$ $Z_1\frac{V_{\mathrm{top}}}{2F_i}$ $\frac{V_{\mathrm{top}}}{2V_i}----\left(2.13\right)$

在PIT程序中，冲击速度V_i的振幅用100％表示(参考图2.2)。从而，值α仅仅是相对速度增加的量度。上式2.13表明应当取由阻抗变化产生的速度增加的一半。因此，桩10的前端部必须产生一个具有200％振幅的反射信号。当考虑到地层的摩擦阻力和桩的阻抗损失(内部衰减)时，很难期望反射波在2L/c位置处具有这样大的振幅。

实际情况下，采用指数放大的方法，使得反射波在2L/c处具有与初始脉冲波相同的振幅。

然而，在桩10前端部的值必须一直为“0”，从而在桩10头部的速度在计算值α时不能一分为二。

与之相反，在桩10头部附近的部分能量损失很小，从而在桩10头部的速度必须一分为二。

这可以用下式表示。

0.5V_top(在桩头部附近)＜α＜V_top(在桩前端部附近)

图2.2中底下的图形表示β与α的函数关系。

随后，地音探测器30接收到一弹性波和阻抗，并传送数据(S200)。

这时，可以在桩的头部安放多个地音探测器30，它们优选为位于彼此相对的边，每个都与直径隔开，以接收一个更加精确的数据值。

接着，基于接收到的弹性波和阻抗的速度结果继续在主机40中进行处理(S300)。并且，桩10基于接收到的弹性波和阻抗以立体的形式进行处理(S301)。

此外，主机40具有一个处理进程和一个能够以数据的形式再现桩10的长度和形状的程序，并分析和处理数据。

此外，已经接收了数据分析值的图像显示器50将数据分析值输出到图像显示器50中(S400)。

通过数据传送到图像显示器50，有可能在监视器上检查桩10的状态(图上未示出)。桩10的长度和桩10的质量状态在图像显示装置的监视器上立体地输出。

根据本发明的现场浇注桩的无损检测方法，通过鉴定桩是否由于桩具有无法达到的长度而损坏、桩是否与岩层接触、桩是否断裂等等问题，可靠性增加了，这些问题很容易地通过图像显示器就可以知道。并且，工作效率提高了，成本减少了，因为所有桩的状况都可以通过一个简单的测试来知道。

这里已经对本发明的特定的具体实施例进行了描述和说明，但这并不表明将本发明限制在这些公开内容的范围之内，而是可以在后述权利要求书的范围之内对其做出改变和修改。

Claims (3)

1.一种现场浇注桩的无损检测方法，用于埋入海底或地下很深的混凝土桩的质量状态的检测，包括下列步骤：

(a)使用者在桩的头部用锤敲击产生一个信号(S100)；

(b)发送在步骤(a)中敲击锤产生的弹性波和阻抗，并通过多个地音探测器接收(S200)，每个地音探测器被安排在不同角度；

(c)基于步骤(b)传输的弹性波和阻抗，通过合并和分析弹性波和阻抗的速度，根据弹性波速度的结果，对形状、质量状态和测试目标结果进行处理和传输(S300)；以及

(d)对步骤(c)中传输到主机的数据进行图像处理，并将其在图像显示器上进行显示(S400)。

2.根据权利要求1的方法，其中在步骤(c)中，通过步骤(b)接收到的弹性波和阻抗信息，相对于测试目标物的前表面和后表面的每一部分，合并形成一个波形，立体地显示并在一个数据存储装置中储存，同时将该波形在图像输出装置上显示，以检查桩在质量上是否正常。

3.一种其中记录有执行如权利要求1或2所述方法程序的计算机可读存储介质。

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