基于超聲波透射法對(duì)樁基檢測(cè)的應(yīng)用研究

重慶交通大學(xué) 400074

摘要：超聲波透射法樁基檢測(cè)是利用超聲波在混凝土傳播過程中聲學(xué)參數(shù)和波形產(chǎn)生的變化，對(duì)樁身缺陷的位置、范圍、程度及力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行推斷和表征的基樁測(cè)試方法。本文通過分析超聲波在混凝土中的傳播特點(diǎn)，了解頻譜泄露產(chǎn)生的原因以及在不同窗函數(shù)下的頻譜形狀，確認(rèn)此次實(shí)驗(yàn)中所采用的窗函數(shù)。接著分別模擬不同截面固定長(zhǎng)度的樁進(jìn)行試驗(yàn)，通過計(jì)算分析，確認(rèn)頻譜圖低頻部分的值的意義。然后通過斜測(cè)法對(duì)樁基進(jìn)行聲波檢測(cè)，得出在樁基內(nèi)無缺陷情況下，除頂部底部的面部效應(yīng)，所得頻譜圖都是反應(yīng)出聲波在該接收器水平面內(nèi)的傳播規(guī)律。最后模擬樁內(nèi)部存在缺陷，在不同位置不同大小來比較頻譜圖差異，實(shí)驗(yàn)所得精度均滿足在誤差范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：超聲波檢測(cè)；頻譜泄露；窗函數(shù)；低頻頻率；斜測(cè)法

1.前言

混凝土灌注樁易出現(xiàn)各種各樣的質(zhì)量問題，如何測(cè)定缺陷的位置，并準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)成為基樁質(zhì)量檢測(cè)的一個(gè)核心問題[1]。超聲波檢測(cè)法在灌注樁檢測(cè)中具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。本文說明了頻譜分析中頻譜泄露產(chǎn)生的原因以及不同窗函數(shù)下頻譜分析的特點(diǎn)，確定使用的窗函數(shù)。在應(yīng)用研究方面，分析了完整樁聲波檢測(cè)得到頻譜圖低頻頻率意義，對(duì)樁進(jìn)行斜測(cè)，分析不同接收點(diǎn)數(shù)據(jù)的意義，最后進(jìn)行不同缺陷大小、位置的檢測(cè)[2]。

2.基樁缺陷的超聲波透射法檢測(cè)

當(dāng)超聲波經(jīng)混凝土傳播后，它將攜帶有關(guān)混凝土材料性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與組成的信息，準(zhǔn)確測(cè)定超聲波經(jīng)混凝土傳播后各種聲學(xué)參數(shù)的量值及變化，就可以推斷混凝土的性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與組成情況。當(dāng)混凝土無缺陷時(shí)，混凝土是連續(xù)體，超聲波在其中正常傳播。但當(dāng)混凝土存在缺陷時(shí)，混凝土連續(xù)性中斷，缺陷區(qū)與混凝土之間成為界面（空氣與混凝土）。在界面上，超聲波傳播情況發(fā)生變化，發(fā)生反射、散射和繞射。

基樁的超聲波透射法檢測(cè)需要分析和處理的主要聲學(xué)參數(shù)是聲速、波幅、主頻，同時(shí)要注意對(duì)實(shí)測(cè)波形的觀察和記錄。如何在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)樁的完整性、連續(xù)性、強(qiáng)度等級(jí)等做出判斷，是超聲法檢測(cè)的關(guān)鍵。此次采用聲場(chǎng)陰影區(qū)重疊法。

3.頻譜泄露與窗函數(shù)

對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換，就要對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行截?cái)啵財(cái)鄷?huì)使譜分析精度受到影響。也就是說，當(dāng)信號(hào)周期為，采樣周期為，數(shù)據(jù)窗內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)為整數(shù)N時(shí)，必須滿足（3-1）式

（3-1）

非整周期截取數(shù)據(jù)，則會(huì)產(chǎn)生頻譜泄漏影響測(cè)量結(jié)果。采取簡(jiǎn)單的措施很難使數(shù)據(jù)窗記錄的是整數(shù)個(gè)周期。當(dāng)（3-1）式不成立時(shí)，由此卷積得到的FFT頻譜與信號(hào)的真實(shí)頻譜存在誤差，產(chǎn)生泄露失真。目前主要使用加窗來減少誤差。

下面采用矩形窗、漢寧窗、布萊克曼窗做matlab仿真[10]，分析窗函數(shù)的選擇問題。

設(shè)待分析連續(xù)信號(hào)為 x（t）=cos（2πft），其中 f=100 Hz，設(shè)采樣頻率 fs= 600 Hz采樣長(zhǎng)度分別為 32。利用 Matlab 軟件加矩形窗、漢寧窗和布萊克曼窗可以得到如圖3-1所示的仿真結(jié)果。

圖3-1不同加窗處理方式頻域圖

總結(jié)三種不同加窗的特點(diǎn)

（1）矩形窗主頻精度最高，而且寬度最窄，但是頻譜泄露最為嚴(yán)重。

（2）漢寧窗主瓣高度明顯降低，但是寬度變寬，頻譜泄露減小。

（3）布萊克曼窗主瓣精度最低，并且主瓣寬度最寬，但是幾乎沒有了頻譜泄露。

4.應(yīng)用實(shí)例

4.1完整樁的數(shù)值模擬

4.1.1波速驗(yàn)證

分別模擬截面為，長(zhǎng)度為2m的樁。材料性質(zhì)彈性模量為EX=MPa，密度為，泊松比為，30KHZ正弦激勵(lì)波，采用常規(guī)對(duì)測(cè)接收，A為點(diǎn)發(fā)射，B為點(diǎn)接收。

圖4-1 完整樁結(jié)構(gòu)圖

接受波低頻部分有一個(gè)最高的凸起，為了分析其意義。首先從得到接收波和發(fā)射波首波峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間的差值作為初至?xí)r間，為，計(jì)算得到的波速。

聲波在樁中傳播速度公式為：

（4-2）

混凝土灌注樁材料參數(shù)代入公式（4-2）得到理論波速為4.49km/h，

誤差滿足精度要求。

所有數(shù)據(jù)列入表中

表4-1 不同截面樁計(jì)算值

截面形狀計(jì)算速度（km/s）精度（%）

4.56

4.46

4.431.6

0.1

1.3

所得精度滿足在誤差范圍內(nèi)，所以說明可以選擇頻譜圖來進(jìn)行低頻峰值驗(yàn)證。

4.1.2振諧法分析

設(shè)計(jì)五種不同截面尺寸的完整樁來做聲波檢測(cè)，分析低頻值。完整樁材料參數(shù)同上，橫截面為邊長(zhǎng)是的正方形。發(fā)射30KHZ正弦激勵(lì)波。在樁距離頂部1m設(shè)置常規(guī)對(duì)測(cè)接收，讀出低頻部分的最大幅值及對(duì)應(yīng)頻率，列入表4-2

表4-2 不同樁徑低頻幅值

樁徑（m）頻率（Hz）幅值（）

0.40

0.48

0.60

0.72

0.805641

4863

3696

3307

31133.875

3.293

1.963

1.821

1.650

低頻部分的峰值究竟有什么意義，現(xiàn)考慮低頻值是否表示聲波在樁中橫向傳播的頻率。由公式

（4-3）

得出

（4-4）

將所得到低頻部分峰值所對(duì)應(yīng)頻率值代入公式（4-4），c為理論波速，之前已經(jīng)計(jì)算得出

表4-3 不同樁徑計(jì)算值

截面形狀計(jì)算樁徑（m）精度（%）

0.72

0.678

0.61

0.46

0.3989.85

5.7

3.80

3.80

0.5

可以得出結(jié)論：

低頻部分頻率的峰值反映了聲波在樁中傳播的時(shí)間，但是精度會(huì)隨著隨著樁徑增大而度有所降低。是因?yàn)樵趥鞑ミ^程中由于聲能衰減以及其他外部因素的影響，樁徑越大，影響越大。

4.1.3完整樁斜側(cè)法

樁基的聲波檢測(cè)分為平測(cè)法與斜測(cè)法。所謂斜測(cè)法就是改變接收點(diǎn)的位置，即接收點(diǎn)與發(fā)射點(diǎn)不在同一水平面上。取樁，從樁頂?shù)綐兜滓来蚊扛?.1m安裝一個(gè)接收器，所得低頻部分峰值頻率，計(jì)算樁徑和精度。

分析數(shù)據(jù)得出：

（1）距樁頂0.5m到1.5m的中間部分樁徑計(jì)算值精度滿足在允許誤差范圍內(nèi)。

（2）在樁的頂部0.1m到0.4m和底部1.6m到1.9m精度超出允許范圍，通過分析這是由于面部效應(yīng)引起的。

4.2缺陷樁分析

4.2.1缺陷大小、位置檢測(cè)

現(xiàn)在討論當(dāng)樁內(nèi)部有缺陷時(shí)，低頻部分的意義。模型為混凝土灌注樁，橫截面為邊長(zhǎng)是0.8m的正方形，樁長(zhǎng)L=2m，在樁內(nèi)部中心處分別設(shè)置邊長(zhǎng)為0.12m，0.2m，0.32m，0.4m的正方形，厚度為0.05m的缺陷，參數(shù)同上。給以30Hz正弦激勵(lì)波。

分析結(jié)果得出：

（1）缺陷越大，越能檢測(cè)出缺陷的存在。

（2）當(dāng)精度計(jì)算不能顯示出缺陷存在，這是由于缺陷較小無法測(cè)出來，可以忽略不計(jì)。

現(xiàn)在移動(dòng)缺陷的位置，之前缺陷離接收點(diǎn)的距離為0.3m，現(xiàn)選取離接收點(diǎn)分別為0.1m與0.6m，缺陷位置不同對(duì)應(yīng)低頻部分最高點(diǎn)的頻率和計(jì)算出的樁徑及精度。

分析數(shù)據(jù)得出：

（1）缺陷較小的時(shí)候，若靠近接收點(diǎn)和發(fā)射點(diǎn)，能夠通過計(jì)算判斷出缺陷存在；而缺陷位置位于樁的中間部分不容易看出有缺陷存在。

（2）缺陷較大的時(shí)候不管缺陷位于什么地方都能清楚的測(cè)量出來。實(shí)際測(cè)量中由于并不知道缺陷真實(shí)的位置，所以只能借此判斷出缺陷的存在，至于缺陷的精確位置還需找到其他方法來判斷。

4.2.2斜測(cè)法檢測(cè)缺陷位置

到目前所模擬的檢測(cè)缺陷均在發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)的直線上，而缺陷是有具體長(zhǎng)寬的。為了獲得缺陷具體形狀大小，采用在完整樁檢測(cè)法中使用過的斜測(cè)法。

設(shè)置大小為的缺陷，缺陷底部距離樁底部的位置為1.1m，每隔0.1m設(shè)置一個(gè)接收點(diǎn)，從距離樁底0.9m到1.6m每隔0.1m設(shè)置一個(gè)接收點(diǎn)。

分析結(jié)果得出：

（1）在有缺陷的1.1m到1.5m之內(nèi)精度誤差明顯偏大（大于10%），可以判斷出在此范圍內(nèi)有缺陷存在。

（2）當(dāng)改變接收點(diǎn)，所得數(shù)據(jù)不滿足精度的時(shí)候便能反應(yīng)出缺陷的存在，通過多個(gè)面多個(gè)點(diǎn)斜測(cè)就能判斷出缺陷精確的位置。

5.結(jié)論

（1）加窗可以改善頻譜泄露，非金屬材料進(jìn)行聲波檢測(cè)一般加矩形窗效果比較好。

（2）完整樁所得低頻頻率反映了聲波在樁中水平面?zhèn)鞑r(shí)間，但樁徑越大所得頻率誤差越大

（3）斜測(cè)法的不同接收點(diǎn)所得到的數(shù)據(jù)差別不大（除面部效應(yīng)外），都是反映聲波在接收點(diǎn)所在水平面上的傳播規(guī)律

（4）缺陷位置能夠通過斜測(cè)法測(cè)試出來，但缺陷很小的時(shí)候不一定能夠檢測(cè)出來。

參考文獻(xiàn)：

[1]王雪峰，吳世明.樁基動(dòng)測(cè)技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2001：8-133

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