本發(fā)明屬于工程測量領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于基樁檢測聲波透射法的聲測管彎曲現(xiàn)象識別方法。

背景技術(shù)：

超聲波穿過混凝土介質(zhì)的過程中，介質(zhì)本身性能和結(jié)構(gòu)會對聲波信號的各種聲學(xué)參數(shù)產(chǎn)生影響。現(xiàn)階段，在混凝土質(zhì)量檢測中一般考察的聲學(xué)參數(shù)有波速、振幅、頻率和波形。

聲波波速的變化：聲波在材料不同的混凝土中傳播的速度不同。一般情況下，混凝土介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)越致密，彈性模量越高，孔隙率越低，那么聲波的波速和混凝土的強(qiáng)度也越高；聲波在混凝土內(nèi)部傳播，當(dāng)遇到缺陷(空洞、混凝土離析、縮頸、局部疏松等)，接收波聲時大于正常部位。

聲波振幅的變化：由于接收波的后續(xù)波受到疊加波的干擾，會影響分析結(jié)果，因此，聲波振幅通常指首波的振幅。接收波的振幅與聲波穿過混凝土介質(zhì)后的能量衰減相關(guān)，而衰減的大小可以在某程度上反映出混凝土的強(qiáng)度。接收波的波幅越低，聲波穿過混凝土的衰減程度就越嚴(yán)重。當(dāng)超聲波在混凝土內(nèi)部傳播，遇到缺陷(空洞、混凝土離析、縮頸、局部疏松等)，振幅下降。波幅可以很直接的在接收波的波形圖中觀察出，與混凝土的質(zhì)量息息相關(guān)，對混凝土缺陷的感應(yīng)也是比較強(qiáng)，因此波幅是判斷混凝土缺陷很重要參數(shù)。

聲波主頻率的變化：超聲波檢測中的脈沖波為是含有很多不同頻率成分的復(fù)頻波。這種復(fù)頻波在穿過混凝土介質(zhì)后，不同頻率成分的波衰減程度相異，頻率越高，衰減程度越大。隨著聲波傳播距離的增大，高頻部分的量越來越少，導(dǎo)致接收波的主頻率降低。當(dāng)然，除了傳播距離之外，當(dāng)聲波在傳播過程中遇到缺陷，波的衰減加劇，造成接收波的主頻率也會顯著下降。

聲波波形的變化：脈沖波在混凝土中傳播遇到缺陷會在缺陷的界面處發(fā)生反射、折射和繞射等，各種不同的波由于傳播路徑不同到達(dá)接收換能器的時間不同，導(dǎo)致不同相位和頻率的波發(fā)生疊加，從而使接收波的波形畸變。所以，接收波的波形變化也是判斷混凝土缺陷的依據(jù)。

聲波透射法檢測技術(shù)用于檢測混凝土灌注樁的完整性。在基樁成孔，混凝成樁前，在樁身內(nèi)部預(yù)埋幾根聲測管作為聲波發(fā)射和接收換能器的上下通道，在混凝土強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后開始檢測，用聲波檢測儀沿樁的縱向方向以一定間距自下而上逐點(diǎn)檢測。通過對聲波穿過樁身的各截面的波形和聲學(xué)參數(shù)的處理、分析，從而推斷樁身混凝土的完整性，確定缺陷的位置，范圍，程度。然而當(dāng)下聲波透射法檢測樁身完整性領(lǐng)域，聲測管發(fā)生彎曲現(xiàn)象時與混凝土樁身出現(xiàn)質(zhì)量問題時往往出現(xiàn)相同的測試信號，分析中難以區(qū)分。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于基樁檢測聲波透射法的聲測管彎曲現(xiàn)象識別方法，由此解決現(xiàn)有技術(shù)中無法識別聲測管彎曲現(xiàn)象的問題。

本發(fā)明提供了一種基于基樁檢測聲波透射法的聲測管彎曲現(xiàn)象識別方法，所述方法包括：

利用聲波儀的低通采集技術(shù)和寬頻帶接收技術(shù)，依次全剖面獲得發(fā)射換能器和接收換能器所在平面測線的500Hz以上頻段聲波信號，得到全剖面實(shí)測聲波信號；

針對所述全剖面實(shí)測聲波信號，計算實(shí)時聲波波速，同時得到全剖面平均波速，并獲得全剖面波速變化圖；

針對所述全剖面實(shí)測聲波信號進(jìn)行傅里葉變換，得到全剖面聲波信號頻譜圖；

根據(jù)已知設(shè)計樁徑和所述全剖面平均波速，計算各點(diǎn)的預(yù)估特征頻率，并利用刻度在所述全剖面聲波信號頻譜圖中自動進(jìn)行連續(xù)標(biāo)識；

根據(jù)所述全剖面聲波信號頻譜圖，在所述預(yù)估特征頻率附近找到諧振峰對應(yīng)的實(shí)際特征頻率，修改所述自動完成的標(biāo)識形成實(shí)際特征頻率標(biāo)識圖；

提取所述全剖面波速變化圖中波速異常區(qū)域，并與所述實(shí)際特征頻率標(biāo)識圖進(jìn)行比對，區(qū)分彎管效應(yīng)和樁身缺陷。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述聲波儀和接收換能器，能夠接收500Hz以上的聲波信號。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，為確保寬頻帶響應(yīng)和接收能力，所用發(fā)射換能器和接收換能器不能采用相同的諧振峰，發(fā)射換能器諧振峰不得高于接收換能器諧振峰頻率值的三分之二。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，針對所述全剖面實(shí)測聲波信號，計算實(shí)時波速，獲得全剖面波速變化圖，并計算得到全剖面平均波速，具體為：

針對所述全剖面實(shí)測聲波信號，根據(jù)到時和聲測管管間距，計算實(shí)時聲波波速，根據(jù)各待測點(diǎn)實(shí)時波速平均計算得到全剖面平均波速，同時獲得全剖面波速變化圖。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，針對所述全剖面實(shí)測聲波信號進(jìn)行傅里葉變換，得到全剖面聲波信號頻譜圖，具體為：

利用聲波儀獲取全剖面實(shí)時聲波信號，并進(jìn)行全剖面傅里葉變換，獲得全剖面各待測點(diǎn)聲波信號頻譜圖。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，根據(jù)全剖面聲波全剖面平均波速和設(shè)計樁徑計算各待測點(diǎn)的預(yù)估特征頻率，并利用刻度在所述全剖面聲波信號頻譜圖中自動進(jìn)行連續(xù)標(biāo)識，具體為：

利用公式f_m＝kc_a/2D_d求取的預(yù)估特征頻率，其中f_m為求取的預(yù)估特征頻率值，k為修正系數(shù)取，k＝1.0，C_a為全剖面平均波速，D_d為已知設(shè)計樁徑；

根據(jù)所述預(yù)估特征頻率，依序在所述全剖面聲波信號頻譜圖中自動進(jìn)行逐點(diǎn)標(biāo)識。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，根據(jù)所述全剖面聲波信號頻譜圖，在所述預(yù)估特征頻率值附近找到實(shí)際特征頻率值，修改所述自動完成的標(biāo)識，形成實(shí)際特征頻率標(biāo)識圖，具體為：

在所述全剖面聲波信號頻譜圖中，在所述預(yù)估特征頻率附近查找諧振峰，獲取真正的特征頻率并予以標(biāo)識，形成實(shí)際特征頻率標(biāo)識圖。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，提取所述全剖面波速變化圖中波速異常區(qū)域，并與所述實(shí)際特征頻率標(biāo)識圖進(jìn)行比對，區(qū)分彎管效應(yīng)和樁身缺陷，具體為：

比較所述全剖面波速變化圖和所述實(shí)際特征頻率標(biāo)識圖，如果波速異常區(qū)域?qū)嶋H特征頻率正常，則屬于彎管效應(yīng)，其波速異常與樁身質(zhì)量無關(guān)；若波速偏低區(qū)域?qū)嶋H特征頻率同時高出所述預(yù)估特征頻率10％以上，則所述波速偏低區(qū)域存在樁身質(zhì)量問題。

總體而言，由于混凝土灌注樁由于地下施工因素，無法觀察，其成樁質(zhì)量必須通過測試確定，相對于現(xiàn)有的其他測試方法，聲波透射法的準(zhǔn)確度更高。對于由于測試中出現(xiàn)的可能由于聲測管彎管或是混凝土樁身質(zhì)量問題造成的信號異常難以區(qū)分；測試結(jié)果往往因人而異，帶有很大的人為因素，難免導(dǎo)致不可避免的爭議，甚至還有出現(xiàn)誤判。該項方法利用頻域分析方法在很大程度上解決了當(dāng)下測試中存在的問題，使得由于聲測管彎管或是混凝土樁身質(zhì)量問題造成的信號異常更易分析判斷，具有更高的可行度，從而有利于保證工程質(zhì)量以及促進(jìn)了行業(yè)的發(fā)展。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例中用于基樁檢測聲波透射法的聲測管彎曲現(xiàn)象識別方法；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中常規(guī)對測法的原理示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中一種聲波檢測儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中一種圓環(huán)式徑向換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中試驗?zāi)Ｐ?號灌注樁的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中試驗?zāi)Ｐ?號灌注樁的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例中聲測管彎管與缺陷示意圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例中測管實(shí)測波速-待測位置深度曲線示意圖；

圖9是本發(fā)明實(shí)施例中測管計算樁徑-待測位置深度曲線示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1所示，為了解決上述問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于基樁檢測聲波透射法的聲測管彎曲現(xiàn)象識別方法，在某測量位置處的波速明顯異常于其他正常波速值時，計算該測量位置處的預(yù)估特征頻率值，并根據(jù)預(yù)估特征頻率以及聲波信號頻域圖判斷，是否出現(xiàn)彎管還是樁身缺陷。所述方法包括如下步驟：

利用聲波儀的低通采集技術(shù)和寬頻帶接收技術(shù)，依次全剖面獲得發(fā)射換能器和接收換能器所在平面測線的500Hz以上頻段聲波信號，得到全剖面實(shí)測聲波信號；

針對所述全剖面實(shí)測聲波信號，計算實(shí)時聲波波速，同時得到全剖面平均波速，并獲得全剖面波速變化圖；

針對所述全剖面實(shí)測聲波信號進(jìn)行傅里葉變換，得到全剖面聲波信號頻譜圖；

根據(jù)已知設(shè)計樁徑和所述全剖面平均波速，計算各點(diǎn)的預(yù)估特征頻率，并利用刻度在所述全剖面聲波信號頻譜圖中自動進(jìn)行連續(xù)標(biāo)識；

根據(jù)所述全剖面聲波信號頻譜圖，在所述預(yù)估特征頻率附近找到諧振峰對應(yīng)的實(shí)際特征頻率，修改所述自動完成的標(biāo)識形成實(shí)際特征頻率標(biāo)識圖；

提取所述全剖面波速變化圖中波速異常區(qū)域，并與所述實(shí)際特征頻率標(biāo)識圖進(jìn)行比對，區(qū)分彎管效應(yīng)和樁身缺陷。

本發(fā)明實(shí)施例中的試驗方法為如圖2所示的常規(guī)對測法，具體地：

A)儀器選擇與參數(shù)設(shè)定

利用聲波儀的低通采集技術(shù)和寬頻帶接收技術(shù)，依次全剖面獲得發(fā)射換能器和接收換能器所在平面測線的500Hz以上頻段聲波信號，得到全剖面實(shí)測聲波信號；

試驗所使用儀器為如圖3所示的非金屬超聲波檢測儀，配有如圖4所示的圓環(huán)式徑向換能器，發(fā)射換能器主頻分別為40kHz、60kHz，接收換能器主頻為60kHz。實(shí)測信號均由1#、2#圓樁(如圖5、圖6所示)聲波透射法檢測獲得。儀器參數(shù)設(shè)置為：采樣步距為10cm，采樣點(diǎn)數(shù)為2048個，采樣間隔為3μs，通頻帶設(shè)置為10Hz-60kHz，延遲時間0μs，發(fā)射電壓500v，信號后處理使用超聲分析系統(tǒng)軟件。

其中，所述聲波儀和接收換能器，能夠接收500Hz以上的聲波信號。另外，為確保寬頻帶響應(yīng)和接收能力，所用發(fā)射換能器和接收換能器不能采用相同的諧振峰，發(fā)射換能器諧振峰不得高于接收換能器諧振峰頻率值的三分之二。

(B)實(shí)驗方法

針對所述全剖面實(shí)測聲波信號，計算實(shí)時聲波波速，同時得到全剖面平均波速，并獲得全剖面波速變化圖；

常規(guī)對測，分別采用主頻為40kHz、60kHz的換能器發(fā)射，主頻為60kHz的換能器接收，采集兩組試驗信號。

(C)數(shù)據(jù)處理

a判斷波速是否發(fā)生異常

針對所述全剖面實(shí)測聲波信號進(jìn)行傅里葉變換，得到全剖面聲波信號頻譜圖；

針對所述全剖面實(shí)測聲波信號，根據(jù)到時和聲測管管間距，計算實(shí)時聲波波速，獲得全剖面聲波波速變化圖，判斷波速相較場地經(jīng)驗波速和其他實(shí)測波速是否發(fā)生異常。

具體地，針對所述全剖面實(shí)測聲波信號，根據(jù)到時和聲測管管間距，計算實(shí)時聲波波速，根據(jù)各待測點(diǎn)實(shí)時波速平均計算得到全剖面平均波速，同時獲得全剖面波速變化圖。

b確定預(yù)估特征頻率

根據(jù)已知設(shè)計樁徑和所述全剖面平均波速，計算各點(diǎn)的預(yù)估特征頻率，并利用刻度在所述全剖面聲波信號頻譜圖中自動進(jìn)行連續(xù)標(biāo)識；

具體地，按公式計算測點(diǎn)預(yù)估特征頻率f_m＝kc_a/2D_d，D_d為設(shè)計直徑，其中f_m為求取的預(yù)估特征頻率值，k為修正系數(shù)取k＝1.0，c_a為全剖面平均波速；根據(jù)所述預(yù)估特征頻率，依序在所述全剖面頻譜圖中自動進(jìn)行逐點(diǎn)標(biāo)識。

c確定實(shí)際特征頻率

根據(jù)所述全剖面聲波信號頻譜圖，在所述預(yù)估特征頻率附近找到諧振峰對應(yīng)的實(shí)際特征頻率，修改所述自動完成的標(biāo)識形成實(shí)際特征頻率標(biāo)識圖；

具體地，在所述全剖面高精度頻譜圖中，在所述預(yù)估特征頻率附近查找諧振峰，獲取真正的特征頻率，并予以標(biāo)識。

d識別聲測管彎曲現(xiàn)象

所述區(qū)域波速異常，而所述實(shí)際特征頻率基本沒有發(fā)生變化，則所述波速異常屬于彎管效應(yīng)，與樁身質(zhì)量無關(guān)；所述區(qū)域波速偏低，與此同時，所述實(shí)際特征頻率高出設(shè)定閾值，則屬于樁身質(zhì)量問題。

提取所述全剖面波速變化圖中波速異常區(qū)域，并與所述實(shí)際特征頻率標(biāo)識圖進(jìn)行比對，區(qū)分彎管效應(yīng)和樁身缺陷。

如圖7所示，為樁身混凝土出現(xiàn)缺陷的情況，缺陷包括空洞、混凝土離析、縮頸、局部疏松等。聲測管彎管則是由于設(shè)計或者施工方面的原因，造成聲測管在同節(jié)鋼筋籠中位置出現(xiàn)相對偏移。嚴(yán)格來說聲測管彎管并不算缺陷，但彎管處檢測到的信號往往會顯示出缺陷部位的特征，彎管處由于測點(diǎn)間距增大造成聲波到時增大，此時使用預(yù)設(shè)的管間距求出的波速無疑會減小，而當(dāng)管間距正常但樁身內(nèi)部存在缺陷時同樣也會出現(xiàn)波速下降的情況，二者實(shí)測信號各有異同，要想準(zhǔn)確區(qū)分有一定的難度。對于實(shí)際工程中出現(xiàn)波速突然減小情況，此時如何判斷樁身內(nèi)部情況一直都是工程重點(diǎn)與難點(diǎn)。頻域分析法可以很好的解決這一工程難題。

具體地，比較所述全剖面波速變化圖和所述實(shí)際特征頻率標(biāo)識圖，如果波速異常區(qū)域?qū)嶋H特征頻率正常，則屬于彎管效應(yīng)，其波速異常與樁身質(zhì)量無關(guān)；若波速偏低區(qū)域?qū)嶋H特征頻率同時高高出閾值，則屬于樁身質(zhì)量問題。具體地，這個閾值可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，在此不做具體限定。

例如可以設(shè)置為10％，當(dāng)頻域出現(xiàn)的峰值點(diǎn)的頻域值與所述的預(yù)估特征頻域值相對誤差在10％以內(nèi)(包括10％)，可以判斷為聲測管彎管，當(dāng)頻域出現(xiàn)的峰值點(diǎn)的頻域值與所述的預(yù)估特征頻域值相對誤差在10％以上，判斷樁身混凝土出現(xiàn)缺陷。

以下結(jié)合具體實(shí)施例說明本發(fā)明基于聲波透射法特征頻域判斷彎管效應(yīng)的方法。

頻域分析方法工程應(yīng)用2-區(qū)分混凝土灌注樁彎管與缺陷

判斷步驟：

a讀取儀器測得某待測位置的實(shí)時波速C′很小，其余部分波速正常C。

b代入設(shè)計樁徑D_d與正常波速C反向計算出預(yù)估特征頻率值f_m。

c對時域信號進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換，若在預(yù)估特征頻率值f_m附近存在峰值點(diǎn)則說明出現(xiàn)彎管，樁身質(zhì)量沒有問題需要對待測位置波速進(jìn)行彎管修正。若頻域出現(xiàn)異常且特征峰值點(diǎn)f_m′遠(yuǎn)大于預(yù)估值，則說明樁身內(nèi)部存在缺陷。

以2號灌注樁為例，其3-4剖面實(shí)測波速-待測位置深度曲線呈“U”形彎曲，如圖8所示。待測位置速度不斷下降在5m左右達(dá)到極值后緩緩上升恢復(fù)正常，僅憑時域信號無法判斷該現(xiàn)象是由彎管還是缺陷造成。對所測得時域信號進(jìn)行頻譜變換并按照上述3個步驟進(jìn)行判斷，沿深度方向每隔一定距離均勻抽取部分待測位置。在圖中讀取特征頻率并計算樁徑，其結(jié)果如表1所示。

表1剖面3-4待測位置計算結(jié)果

在樁徑不變的情況下信號頻域不受待測位置間距影響，換言之若3-4剖面波速下降是由管距增大(彎管)造成，那么其接收信號頻域應(yīng)正常且特征值穩(wěn)定在某一頻率左右。反之頻域信號出現(xiàn)異常則說明樁身內(nèi)部存在缺陷。

據(jù)2號樁設(shè)計圖擋板置于3.9m處，對比試驗結(jié)果可知當(dāng)待測位置深度低于3.9m時波速、頻域以及計算樁徑均正常(如待測位置深度2.1m)，待測位置深度大于3.9m時波速、頻域及計算樁徑異常，計算出樁徑-深度曲線如圖8。根據(jù)模型樁設(shè)計圖與現(xiàn)場施工記錄，2號樁聲測管與其內(nèi)部鋼筋籠是焊接固定，不可能出現(xiàn)彎管，所以必定是樁頭處設(shè)置的擋板與沙袋阻礙了混凝土灌注造成下部缺陷。根據(jù)頻域信息進(jìn)行綜合判斷可以得知樁身內(nèi)部出現(xiàn)缺陷而非彎管，圖9計算結(jié)果有效樁徑不斷減小更加驗證了這一說法。使用常規(guī)方法很容易將該信號判斷為彎管進(jìn)而進(jìn)行速度修正最終漏判缺陷，可見聲波透射法頻域分析法可有效區(qū)分出缺陷與彎管。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。