用于基桩检测声波透射法的纵向剖面等效桩径计算方法

摘要

本发明属于工程测量领域，公开了一种用于基桩检测声波透射法的纵向剖面等效桩径计算方法，包括：采用低通采集技术和宽频带接收技术，依次测量剖面各点实时声波信号，获得剖面波速变化图；并进行傅里叶变换，得到剖面声波信号频谱图；根据波速变化图和设计桩径计算各点预估特征频率，在频谱图中寻找各待测点预估特征频率附近的实际特征频率；根据剖面波速变化图和所述实际特征频率标识图，计算剖面各测点桩径，获得剖面各测点桩径变化图；对同一横截面不同测线获得的桩径进行比较和平均，获得所述截面的平均等效桩径，构成新的剖面等效桩径变化图，绘制等效桩径随深度变化曲线。本发明方法弥补了桩基检测行业在混凝土灌注桩桩径检测上的空缺。

说明书

技术领域

本发明属于工程测量领域，更具体地，涉及一种基于声波透射频域分析计算桩径的方法。

背景技术

超声波穿过混凝土介质的过程中，介质本身性能和结构会对声波信号的各种声学参数产生影响。现阶段，在混凝土质量检测中一般考察的声学参数有波速、振幅、频率和波形。

波速的变化：声波在材料不同的混凝土中传播的速度不同。一般情况下，混凝土介质的内部结构越致密，弹性模量越高，孔隙率越低，那么声波的波速和混凝土的强度也越高；声波在混凝土内部传播，当遇到缺陷(空洞、混凝土离析、缩颈、局部疏松等)，接收波声时大于正常部位。

声波振幅的变化：由于接收波的后续波受到叠加波的干扰，会影响分析结果，因此，声波振幅通常指首波的振幅。接收波的振幅与声波穿过混凝土介质后的能量衰减相关，而衰减的大小可以在某程度上反映出混凝土的强度。接收波的波幅越低，声波穿过混凝土的衰减程度就越严重。当超声波在混凝土内部传播，遇到缺陷(空洞、混凝土离析、缩颈、局部疏松等)，振幅下降。波幅可以很直接的在接收波的波形图中观察出，与混凝土的质量息息相关，对混凝土缺陷的感应也是比较强，因此波幅是判断混凝土缺陷很重要参数。

声波主频率的变化：超声波检测中的脉冲波为是含有很多不同频率成分的复频波。这种复频波在穿过混凝土介质后，不同频率成分的波衰减程度相异，频率越高，衰减程度越大。随着声波传播距离的增大，高频部分的量越来越少，导致接收波的主频率降低。当然，除了传播距离之外，当声波在传播过程中遇到缺陷，波的衰减加剧，造成接收波的主频率也会显著下降。

声波波形的变化：脉冲波在混凝土中传播遇到缺陷会在缺陷的界面处发生反射、折射和绕射等,各种不同的波由于传播路径不同到达接收换能器的时间不同，导致不同相位和频率的波发生叠加，从而使接收波的波形畸变。所以，接收波的波形变化也是判断混凝土缺陷的依据。

声波透射法检测技术用于检测混凝土灌注桩的完整性。在基桩成孔，混凝成桩前，在桩身内部预埋几根声测管作为声波发射和接收换能器的上下通道，在混凝土强度达标后开始检测，用声波检测仪沿桩的纵向方向以一定间距自下而上逐点检测。通过对声波穿过桩身的各截面的波形和声学参数的处理、分析，从而推断桩身混凝土的完整性，确定缺陷的位置，范围，程度。然而当下声波透射法检测桩身完整性领域，尚未有提出测试实际桩身直径的有益方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于声波透射频域分析计算桩径的方法，其目的在于提出测试实际桩身直径的方案，由此解决现有技术中无法测试实际桩身直径的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于基桩检测声波透射法的纵向剖面等效桩径计算方法，其特征在于，所述方法包括：

利用声波仪的低通采集技术和宽频带接收技术，依次全剖面获得发射换能器和接收换能器所在平面测线的500Hz以上频段声波信号；

针对所述全剖面实测声波信号，计算各待测点实时波速，获得全剖面波速变化图；

针对所述全剖面实测声波信号进行傅里叶变换，得到全剖面声波信号频谱图；

根据已知设计桩径和所述待测点实时波速，计算各点的预估特征频率，并利用刻度在所述全剖面声波信号频谱图中自动进行连续标识；

根据所述全剖面声波信号频谱图，在所述预估特征频率附近找到实际特征频率，修改所述自动完成的标识形成实际特征频率标识图；

根据所述全剖面波速变化图和所述实际特征频率标识图，计算全剖面各测点桩径，获得全剖面各测点桩径变化图；

根据不同剖面获得的各测点桩径变化图，对同一横截面不同测线获得的桩径进行比较和平均，获得所述截面的平均桩径，构成新的全剖面桩径变化图，绘制桩径随深度变化曲线。

本发明的一个实施例中，所述声波仪和接收换能器，用于接收500Hz以上的信号。

本发明的一个实施例中，为确保宽频带响应和接收能力，所用发射换能器和接收换能器不能采用相同的谐振峰，发射换能器谐振峰不得高于接收换能器谐振峰频率值的三分之二。

本发明的一个实施例中，针对所述全剖面实测声波信号，计算各待测点实时波速，具体为：

针对所述全剖面实测声波信号，根据到时和声测管管间距，计算实时波速，获得全剖面波速变化图。

本发明的一个实施例中，针对所述全剖面实测声波信号进行傅里叶变换，得到全剖面声波信号频谱图，具体为：

利用声波仪对所述接收换能器获取的对应各待测位置的实时声波信号中的500Hz以上频段信号进行全剖面的傅里叶变换，获得各待测点的全剖面声波信号频谱图。

本发明的一个实施例中，根据所述全剖面波速变化图中各测点的实时波速和设计桩径计算各相应点的预估特征频率，并利用刻度在所述全剖面声波信号频谱图中自动进行连续标识，具体为：

利用公式f_m＝kc/2D_d求取待测点预估特征频率，其中f_m为求取的预估特征频率，k为修正系数取k＝1.0，c为待测点实时波速，D_d为已知设计桩径；

根据所述预估特征频率，依序在所述全剖面声波信号频谱图中自动进行逐点标识。

本发明的一个实施例中，根据所述全剖面声波信号频谱图，在所述预估特征频率附近找到实际特征频率值，修改所述自动完成的标识，形成实际特征频率标识图，具体为：

在所述全剖面高精度频谱图中，在所述预估特征频率附近查找谐振峰，获取真正的特征频率并予以标识，形成实际特征频率标识图。

本发明的一个实施例中，所述根据所述全剖面波速变化图和所述实际特征频率标识图，计算全剖面各测点桩径，具体为：

D′＝kc/2f_m′

其中，D′为求取的所述待测位置的实际桩径，k为修正系数取，k＝1.0,c为测量得到的待测位置的实时波速，f_m′为所述待测位置的实际特征频率值。

总体而言，由于混凝土灌注桩由于地下施工因素，无法观察，其成桩质量必须通过测试确定，相对于现有的其他测试方法，声波透射法的准确度更高。当下的检测工作中由于现有的声波测试技术对于无法检测混凝土灌注桩的实际直径；频域分析方法在很大程度上弥补了当下测试中存在的以上几项问题，使得测试结果更易分析判断，具有更高的可行度，从而有利于保证工程质量以及促进了行业的发展。当下的工程实践中，没有对混凝土灌注桩桩径的测试提出行之有效的方法。该项技术的发明弥补了桩基检测行业在混凝土灌注桩桩径检测上的空缺。

附图说明

图1是本发明实施例中用于基桩检测声波透射法的纵向剖面等效桩径计算方法；

图2是本发明实施例中常规对测法的原理示意图；

图3是本发明实施例中一种声波检测仪的结构示意图；

图4是本发明实施例中一种圆环式径向换能器的结构示意图；

图5是本发明实施例中试验模型1号灌注桩的结构示意图；

图6是本发明实施例中试验模型2号灌注桩的结构示意图；

图7是本发明实施例中1#灌注桩在4.9m处的频谱示意图；

图8是本发明实施例中1#灌注桩在0.5m处的接收信号频谱示意图；

图9是本发明实施例中1#灌注桩在1.3m处的接收信号频谱示意图；

图10是本发明实施例中1#灌注桩在3.1m处的接收信号频谱示意图；

图11是本发明实施例中1#灌注桩在6.0m处的接收信号频谱示意图；

图12是本发明实施例中1#灌注桩在7.6m处的接收信号频谱示意图；

图13是本发明实施例中1#灌注桩在8.5m处的接收信号频谱示意图；

图14是本发明实施例中2#灌注桩在1.1m处的接收信号频谱示意图；

图15是本发明实施例中2#灌注桩在3.0m处的接收信号频谱示意图；

图16是本发明实施例中2#灌注桩在4.5m处的接收信号频谱示意图；

图17是本发明实施例中2#灌注桩在6.7m处的接收信号频谱示意图；

图18是本发明实施例中2#灌注桩在7.4m处的接收信号频谱示意图；

图19是本发明实施例中整个桩身等效直径的全剖面桩径变化图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

理论上桩身实际直径与成孔直径，亦桩的设计直径相一致。但往往人为或是机械施工的不确定性的存在，可能出现孔径过大或是过小的现象。地质土层、地下水、以及其他因素，导致的局部孔壁坍塌，使得成桩局部扩径，实际截面直径的大小检测缺乏行之有效的检测方法。这些都归根结底都是桩身实际直径确定问题，当下声波透射法检测桩身完整性领域，尚未有提出测试实际桩身直径。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于声波透射频域分析方法，通过预先埋设的声测管测试各个待测位置截面的桩身直径，得出整个桩身不同位置的直径。上述测量结果可以进一步用于与设计桩径比较，检验出在误差允许的范围内局部或整个桩段的施工桩径是否符合设计要求。

理论基础：在声波透射法检测混凝土灌注桩完整性实际应用中，接收波中包含着由低到高的各种频率成分，这其中在低频断的某一频率，反应桩身截面信息，将其称为特征频率f_m′。可通过该特征频率利用公式D′＝kc/2f_m′计算测点截面桩身直径D′,k为修正系数取，k＝1.0，c为测点的实时波速。

如图1所示，本发明提供了一种用于基桩检测声波透射法的纵向剖面等效桩径计算方法，所述方法包括：

利用声波仪的低通采集技术和宽频带接收技术，依次全剖面获得发射换能器和接收换能器所在平面测线的500Hz以上频段声波信号；

针对所述全剖面实测声波信号，计算各待测点实时波速，获得全剖面波速变化图；

针对所述全剖面实测声波信号进行傅里叶变换，得到全剖面声波信号频谱图；

根据已知设计桩径和所述待测点实时波速，计算各点的预估特征频率，并利用刻度在所述全剖面声波信号频谱图中自动进行连续标识；

根据所述全剖面声波信号频谱图，在所述预估特征频率附近找到实际特征频率，修改所述自动完成的标识形成实际特征频率标识图；

根据所述全剖面波速变化图和所述实际特征频率标识图，计算全剖面各测点桩径，获得全剖面各测点桩径变化图；

根据不同剖面获得的各测点桩径变化图，对同一横截面不同测线获得的桩径进行比较和平均，获得所述截面的平均桩径，构成新的全剖面桩径变化图，绘制桩径随深度变化曲线。

首先结合实验说明本发明方法，试验方法为如图2所示的常规对测法，具体地：

(A)仪器选择与参数设定

试验所使用仪器为如图2所示的非金属超声波检测仪，配有如图3所示的圆环式径向换能器，发射换能器主频分别为40kHz，接收换能器主频为60kHz。实测信号均由1#、2#圆桩(如图4、图5所示)声波透射法检测获得。仪器参数设置为：采样步距为10cm，采样点数为2048个，采样间隔为3μs，通频带设置为10Hz-60kHz，延迟时间0μs，发射电压500v，信号后处理使用超声分析系统软件。

其中，所述接收换能器，需要能够接收500Hz以上的信号。另外，为确保宽频带响应和接收能力，所用发射换能器和接收换能器不能采用相同的谐振峰，发射换能器谐振峰不得高于接收换能器谐振峰频率值的三分之二。

(B)实验方法

常规对测，利用声波仪的低通采集技术和宽频带接收技术，依次全剖面获得发射换能器和接收换能器所在平面测线的500Hz以上频段声波信号；

(C)数据处理

a获得全剖面声波信号频谱图

可以针对所述全剖面实测声波信号，计算各待测点实时波速，获得全剖面波速变化图；具体地，可以针对所述全剖面实测声波信号，根据到时和声测管管间距，计算实时波速，获得全剖面波速变化图。

针对所述全剖面实测声波信号进行傅里叶变换，得到全剖面声波信号频谱图；具体地，利用声波仪对所述接收换能器获取的对应各待测位置的实时声波信号中的500Hz以上频段信号进行全剖面的傅里叶变换，获得各待测点的全剖面声波信号频谱图。

b，确定预估特征频率

根据已知设计桩径和所述待测点实时波速，计算各点的预估特征频率，并利用刻度在所述全剖面声波信号频谱图中自动进行连续标识；具体地，利用公式f_m＝kc/2D_d求取待测点预估特征频率，其中f_m为求取的预估特征频率，k为修正系数取k＝1.0，c为待测点实时波速，D_d为已知设计桩径；根据所述预估特征频率，依序在所述全剖面声波信号频谱图中自动进行逐点标识。

c，确定实际特征频率

根据所述全剖面声波信号频谱图，在所述预估特征频率附近找到实际特征频率，修改所述自动完成的标识形成实际特征频率标识图；具体地，在所述全剖面高精度频谱图中，在所述预估特征频率附近查找谐振峰，获取真正的特征频率并予以标识，形成实际特征频率标识图。

d，确定实际桩身直径

根据确定的完整桩身截面实际特征频率值f_m′，按公式反算实际桩身直径D′＝kc/2f_m′，进而研究不同接收换能器主频，不同桩身直径，不同测距下，计算直径与设计直径误差，验证计算方法的正确性。

e，绘制等效桩径随深度变化曲线

进一步地，可以根据所述全剖面波速变化图和所述实际特征频率标识图，计算全剖面各测点等效桩径，获得全剖面各测点等效桩径变化图；

根据不同剖面获得的各测点桩径变化图，对同一横截面不同测线获得的桩径进行比较和平均，获得所述截面的平均桩径，构成新的全剖面桩径变化图，绘制桩径随深度变化曲线。

示例：

以1#桩为例，该桩桩径为1m，深度为4.9m处测点信号频域如图6所示。该点实测波速4265m/s，特征频率估算值为f_m′＝kc/2D_d＝2465/(2×1)＝2133Hz。

由结果图易知，f_m′＝2133Hz附近存在三个峰值点，从小到大分别为：1628Hz，2116Hz，2441Hz。桩径计算见表1。

表1特征频率与计算桩径

通过上表计算，可见特征频率的存在与计算方法的正确性。

说明：a.结合声时、声幅、主频以及时域波形可初步判断测点截面完整性。若截面完好，则预估特征频率值f_m约等于实际特征频率值f_m′；

b.实测证明：完整桩段部分，按f_m′计算出的D′与D_d的最大相对误差不超过10％，大多数测点的相对误差很小。频谱图中，与f_m′相邻的左右两个峰值点计算出的桩径与设计桩径的相对误差均超过10％。并且，f_m′作为反映桩身直径信息的基频，在频谱图中存在2阶、3阶乃至更高阶峰值点。以上证明：实际特征频率值f_m′是唯一的。

以下结合具体实施例说明本发明计算桩径的方法：

声波透射频域分析方法工程应用1-计算桩身直径

1桩径计算流程

(1)在已知设计桩径D_d的情况下，读取仪器测得该待测位置的实时波速_c。

(2)按公式计算待测位置预估特征频率f_m＝kc/2D_d。

(3)观察信号频谱图低频部分，在预估特征频率值f_m附近找到实际特征频率值f_m′。

(4)将c与实际特征频率值f_m′代入公式D′＝kc/2f_m′，求得该待测位置处的桩径D′。

2完整桩身部分的直径计算方法

2.11号灌注桩测试

对1号灌注桩进行检测，发射探头主频为40kHz，接收探头主频为60kHz，采用常规对测，测管3-4(非径向方向)间距为0.485m。

1号桩桩径为1.0m，测管深度为8.5m，从桩底到桩顶每隔0.1m采集一次共采集85个实测信号，对其进行频域分析并采用上述方法计算各待测位置处桩径。由于待测位置数据较多，选取完整部分的深度分别为0.5m、1.3m、3.1m、6.0m、7.6m、8.5m处的待测位置计算桩径，仪器实测信号频谱图如图8-13所示。根据步骤(1-4)在图8-13中读取特征频率并计算桩径，其结果如表2所示。

表2桩身待测位置3-4频域计算结果

2.2 2号灌注桩测试

仪器设定不变，对2号桩1-3测管进行检测，其桩径为0.8m，测管深度为9.0m，从桩底到桩顶每隔0.1m采集一次共采集90个实测信号，同样采用上述方法进行分析。其中选取深度为1.1m、3.0m、4.5m、6.7m、7.4m处仪器实测信号频谱图如图14-18图下。

根据步骤1-4在图中读取特征频率并计算桩径，其结果如表3所示。

表3桩身待测位置1-3频域计算结果

以上数据均为随机选取的完整桩的部分待测位置，其桩径计算结果与设计结果吻合较好，误差在合理范围内，由于篇幅有限，没有将所有完整桩段待测位置的结果全部列出，实测的结果表明，选择特征频率计算完整桩段的直径计算方法是正确可行的，而且不论沿着径向还是斜向方向，均可以得到较好的测试结果。

进一步地，还可以根据上述测量桩径的方法，沿基桩的径向方向，测量基桩上多个测点的等效桩径并对多个测点的等效桩径取平均值获得平均等效桩径，然后对桩身轴向重复上述测量过程，获得如图19所示的整个桩身实际直径的全剖面桩径变化图。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。