基于聲波透射法的樁基無損測試分析

劉群 龔貴林

摘 要：針對高速公路樁基隱蔽性強、振動大、檢測精度低、方法單一等缺點，以陜西省富平縣某高速環路工程為依托，利用小波--Arima的高斯方差處理方法，對聲波透射法無損檢測的準確性進行分析。分析表明：聲速、聲時、波幅、頻率等參數為判定依據，參數之間存在著一定的差異，在12、13、23測距斷面中，最大方差為0.215，對于變異系數，誤差最大的是在12測距斷面頻率檢測中的24.80%，最小的是23測距波幅檢測中的0.3%，與規范相對，采用高斯方差處理方法滿足規范方差、誤差處理要求，此樁為Ⅰ類樁。

關鍵詞：聲波透射；樁基；檢測；高斯方差

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.098

0 引言

隨著我國基礎建設不斷發展，高速公路作為一項重要的國家資源，每年都以3.6%的速度持續增長，高速公路要通過崇山峻嶺，樁基礎的應用也越來越多，樁基礎屬于地下隱蔽工程，監測樁基的質量難度非常大。[1]目前，樁基質量保證有載荷試驗，鉆芯法和無損檢測等方法，載荷試驗是通過對樁基施加設計荷載，檢查強度是否達到設計要求，其優點是滿足工程設計要求，缺點是監測速度慢，費用大；鉆芯法是通過對樁基鉆取一定的結構主體，以監測樁基是否滿足要求，其優點是監測直觀、精確，缺點是監測面小、對樁基結構損傷很大，因此，目前樁基的無損監測比較流行。[2-4]無損檢測中，主要包括：高、低應力測試方法，兩種方法對應力測試條件、反射面、信號頻幅等都有較高要求，而聲波透射法具有測試結果精確、細致、全面等優點，該方法被廣泛應用到高速公路的樁基檢測中。[5-6]在應用過程中，也存在一些問題，主要集中在波速傳播不均勻、波形認識難度大、聲測管的位置安裝，超聲脈沖波發射的連續性等問題，學者李鳳蘭[7]通過聲波透視技術對不同齡期、不同設計強度的混凝土試塊進行聲速測定， 基于統計分析方法建立起混凝土強度與聲速的關系式， 確定了樁基監測的理論基礎。賈良、聶紅賓[8-10]等人通過超聲透視對凍融損傷碳纖維混凝土進行研究，揭示了碳纖維混凝土凍融損傷的破壞規律。賈棟、徐樹標[11]等人依據超聲波透射法檢測的原理，判據樁基的損傷程度。張國林[12]等人基于超聲透射和低應變反射波基本原理， 對不同缺陷的基樁進行對比試驗，討論了樁基損傷檢測的精度。上述學者對聲波透射法檢測樁基都有一定的研究，但是研究的基礎都是在理論或者工程試件中，都沒有以實際工程討論聲波透射法檢測的誤差率，以及如何減小誤差，本文以陜西省渭南市富平縣某環北高速樁基為項目依托，利用聲波透射法對樁基進行檢測，將聲速、波幅、頻率、聲時等參數對比分析，查看各個參數之間存在的判定誤差，通過小波--Arima的高斯方差處理方法對數據進行處理，并與規范限值對比，查看誤差處理對真實工程精度提高。

1 檢測試驗

該工程位于陜西省渭南市富平縣某環北路工程K1+560橋，橋梁樁基深度22m，樁直徑1.1m，采用混凝土灌注樁基礎，混凝土設計強度等級為C30，采用的儀器是RS-ST06DT非金屬超聲波檢測儀，采用柱狀徑向振動、主頻為35kHz的換能器。

聲波透射前打開管頂堵頭，同時在檢測管內注滿清水作為耦合劑，檢測時每2根檢測管編為一組，用鋼尺測量兩測管中心距離，分組按50cm沿樁剖面移動測點。測試點隨機重復抽測10%～20%，同時對同一樁基進行取芯法損傷檢測，具體測試過程如圖1-6所示，2018年7月13日完成了橋梁0-0#、0-1#、0-2#以及1-0#、1-1#、1-2#樁基檢測，依據現行樁基檢測規程和現場檢測檢查的資料。

2 試驗數據與分析

在檢測管布設的12、13、23位置發射、接收聲波，采集數據如圖7-10所示，圖7為三個位置聲速對比分析，13、23測距在樁基深度為17米左右，發展趨勢基本相同，樁基深度在17米到22米，23測距聲速突然加大，說明此處的介質比較疏松，混凝土不夠密實；12測距的聲速剛開始直線上升，到樁基深度為5米左右時，聲速基本平穩，到深度為18米時，聲速下降，說明介質阻礙大，損失嚴重，接受聲速小。圖8為聲波透射檢測中波幅不同位置對比分析：12測距與13測距曲線的發展趨勢基本相同，12測距波幅在樁深5、12米左右，波幅波動比較大，23測距波幅幅值比較小，曲線發展比較平穩。各個測距波幅可分析得出：12與13測距的幅值比23幅值大，說明聲音傳播過程中能量比較大，在傳播過程中，12測距的幅值變化很大，說明在樁基深度5、12米處，灌注樁基混凝土密實度不均勻造成的。圖9為聲時對比分析圖，12、13測距聲時曲線在樁基深度5米前，聲時逐漸變小，5-20米之間比較平穩，20-22米之間，反而增加，23測距聲時曲線在樁深15米以內，數值比較平穩，在樁深6米左右時，聲時數值稍有波動，在樁深17米以后，聲時值隨著樁身加深突然下降，說明，12、13測距曲線說明，在此斷面進行聲波透射時，剛開始樁基隨著深度加深，聲時數值越來越小，樁基在深度20米以內，灌注樁隨著深度越來越密實，而在23測距斷面透射時發現，聲時數據比較平穩，樁深17米左右時，數值直線下降，說明此處斷面在17米以下隨著深度增加，混凝土越來越密實。圖10為頻率對比分析圖，12、13、23測距曲線比較平穩，隨著樁身加深數值沒有太大變化，說明通過三個斷面發出的頻率測得樁基混凝土均勻，其中部分深度略不均勻，其中，12測距曲線分別在1、14、18、22米處數值有突變，13測距在樁深10、12米處數值突變，說明通過頻率反應，這幾處混凝土不均勻。

3 工程數據數值分析

透射分析法樁基損傷判定方法有很多種，根據相關文獻[13]主要有：聲影判定法，圖像判定法、概率判定法、PSD判定法。在此分析過程中，目前我國規范采用概率數值判定法，但在工程實際中，當概率數值法難以判定時，也采用PSD方法分析，為了適應工程需要，本文主要從概率數值法中利用小波-Arima理論減小誤差，以提高檢測精度。

將各個時段的聲時值或聲速值以及波幅值、頻率值按照從大到小順序排列。對于透射法中聲時值、聲速值、波幅值及頻率值（一般常選擇聲速值）中按照兩個極值偏離正態分布程度，剔除差異較大數值，剔除方法有多種，本文基于小波及Arima誤差修正的相關理論進行誤差處理。

聲波透射中，以聲速為樣本，那么正態分布函數可以寫成，，其中，是任意一個樣本值，是目標值，存在著誤差，假設，的均值為0，方差為，按照高斯方差分布處理[14]。

可寫成公式（1）：

其中表示中間變量，可以寫成公式（2）：

w為參數向量，wi是權重，為核函數，i為樣本變量[14]。

聲波透射法檢測每次是間斷獨立，因此，樣本函數ti為相互獨立，則似然函數為公式（3）：

式中：t為目標變量，表示為： =（t0，t1……，ti）T，w為=（w0，w1……，wi）T，A為基函數，表示為=[A（x0），A（x1） ……，A（xi）]，A（xi）=[0，K（xi，x1），K（xi，x1） ……，K（xi， xi）]T。

參數w服從均值為0，方差為為高斯分布，其中為超參數，其決定權值先驗分布，公式為（4）[15]：

根據似然函數和權值先驗分布，則函數 w后驗分布為公式（5）[14]：

將基于聲波透射檢測的樁基數據導入Origin 2017 軟件中，同時將小波—Arima誤差數據分析公式編輯后進行數據處理，得到的最大值、最小值、變異系數等參數如表1-3所示。在實際檢測中通常選擇一至兩項或者將參數綜合分析，常用的是聲時和聲速，而將波幅值、PSD方法綜合使用[16]。

4 結論

通過對陜西省渭南市富平縣某環北路工程K1+560橋進行聲波透射檢測，以聲波、聲時、頻率以及波幅等參數進行分析，通過小波-Arima的高斯方差處理，得到以下結論：

（1）通過對12、13、23測距斷面的聲波、聲時、頻率以及波幅等參數分析，各個參數間分析存在一定誤差。以聲波為判定依據，23測距在樁基深度在17米到22米，混凝土不夠密實；12測距在深度為18米時，混凝土損失嚴重。以波幅為判定參數：12測距波幅在樁深5、12米左右，灌注樁基混凝土密實度不均勻。以聲時為判定參數分析，12、13測距樁基在深度20米以內，灌注樁隨著深度越來越密實，而在23測距在17米以下隨著深度增加，混凝土越來越密實。以振幅為判定參數進行分析， 12測距曲線分別在1、14、18、22米處數值有突變，13測距在樁深10、12米處混凝土不均勻。

（2）通過小波-Arima的高斯方差處理，在12、13、23斷面測距中，聲波的方差值最大為0.215，變異系數分別為4.1%、1.7%、1.6%；聲時方差值最大為8.2，變異系數分別為4.2%、1.6%、5.1%；頻率的方差值最大為10.525，變異系數分別為24.80%、16.10%、12.30% ；波幅的最大方差值為2.3，，變異系數分別為2.20%、0.80%、0.30%，分別與規范儀器方差、誤差限制對比[17]，滿足規范要求，大大提高工程監測精度。

（3）查閱樁基規范[18]，位于陜西富平的某環北路工程K1+560橋樁基、樁身完好，為Ⅰ類樁基。

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陜西鐵路工程職業技術學院科研基金項目（2017-Ky061）

作者簡介：劉群（1966-），女，江西萍鄉人，本科，工程師，主要從事土木工程檢測類的教學與研究工作。