基于灰色聚類理論的大直徑樁超聲波檢測(cè)研究

陳廣略CHEN Guang-lue

（佛山市南海區(qū)建筑工程質(zhì)量檢測(cè)站，佛山 528000）

0 引言

樁基礎(chǔ)是一種重要的結(jié)構(gòu)形式，其長(zhǎng)期耐久性是影響環(huán)境保護(hù)的重要因素。混凝土現(xiàn)澆樁由于施工難度大、工藝復(fù)雜、隱蔽性強(qiáng)，在施工過程中更容易產(chǎn)生孔洞、裂縫、嵌套、頸縮等缺陷，對(duì)環(huán)境安全和建筑耐久性構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。聲波透射法是檢測(cè)混凝土現(xiàn)澆樁缺陷并對(duì)其完整性進(jìn)行生態(tài)評(píng)價(jià)的有效方法。

目前，對(duì)樁完整性的判斷主要依靠檢測(cè)技術(shù)人員的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，其結(jié)果過于主觀，給樁基礎(chǔ)完整性的評(píng)價(jià)帶來了不確定因素，從而給評(píng)價(jià)樁基礎(chǔ)的生態(tài)影響帶來了困難。許多學(xué)者將模糊數(shù)學(xué)、非線性最小二乘、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、層次分析法和灰色理論等方法與聲波透射法相結(jié)合，對(duì)樁完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)[2~5]。本文根據(jù)聲波測(cè)樁的基本原理和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，確定聲時(shí)、聲速、振幅和頻率作為評(píng)價(jià)因子，并運(yùn)用灰色聚類理論構(gòu)建模型，對(duì)樁基完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，從而對(duì)大直徑樁的完整性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

1 檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法的理論基礎(chǔ)

1.1 灰色聚類評(píng)價(jià)方法

灰色系統(tǒng)是根據(jù)人們使用顏色來描述其對(duì)事物的認(rèn)知程度的控制論來命名的，“灰色”表示有些信息是清晰的，而有些信息是模糊的，這種系統(tǒng)稱為灰色系統(tǒng)。研究灰色系統(tǒng)的目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)事物的準(zhǔn)確認(rèn)知和描述，其方法是研究在信息缺失的情況下準(zhǔn)確信息的發(fā)展和生成。灰色聚類是指根據(jù)幾種灰色類型對(duì)不同聚類指標(biāo)的聚類對(duì)象的白化權(quán)進(jìn)行匯總，通過計(jì)算各指標(biāo)的綜合效果來判斷聚類對(duì)象的類型，最終得到評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

1.2 灰色評(píng)價(jià)集的建立

單位表示為i，i∈I=｛1，2，3，…n}，I 為被評(píng)估單元的集合。

項(xiàng)目表示為j，j∈J=｛1，2，3，…m}，J 為被評(píng)估項(xiàng)目的集合。

灰色類型表示為k，k∈K=｛1，2，3，…f}，K 為被評(píng)估的灰色類型的集合。當(dāng)K=1 時(shí)，這種灰色類型代表好；當(dāng)K=f 時(shí)，這種灰色類型代表差。

由I、J 和K 三個(gè)集合組成的系統(tǒng)稱為灰色評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

2 工程實(shí)例分析

2.1 基本情況

本文以某工程樁為例進(jìn)行分析計(jì)算，并將該工程樁采用模糊數(shù)學(xué)方法和現(xiàn)場(chǎng)巖心取樣的結(jié)果進(jìn)行比較。樁徑1500mm，樁長(zhǎng)17.9m，樁身混凝土強(qiáng)度C25，樁身內(nèi)嵌3 根管量管，呈等邊三角形分布。每段每400mm 測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，量程為985mm。

分析后得到如下結(jié)果：

Vm=4.294（聲速平均值），Am=94.096（振幅平均值）

Tm=234.548（聲時(shí)平均值），F(xiàn)m=64.475（頻率平均值）

Vs=0.572（頻率標(biāo)準(zhǔn)差），As=6.877（振幅標(biāo)準(zhǔn)差）

Ts=39.575（聲音時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差），F(xiàn)s=16.166（頻率標(biāo)準(zhǔn)差）

該工程樁在8.3m~12m 處，聲時(shí)、聲頻、聲速、聲幅均有異常；在17.5m~17.9m 處聲時(shí)和聲速異常，但振幅和頻率正常。以上兩個(gè)地方都是憑經(jīng)驗(yàn)判斷有缺陷的。但是在0.7m 和2.3m 的地方，只有頻率異常，而根據(jù)正常判斷，聲時(shí)、聲速、振幅都是正常的，因此如果憑經(jīng)驗(yàn)判斷，很容易認(rèn)為是測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生了誤差，而0.7m 和2.3m 的兩個(gè)地方則被判斷為正常，沒有缺陷。

2.2 灰色聚類評(píng)價(jià)集的建立

在超聲樁測(cè)量中，基本聲學(xué)參數(shù)包括聲時(shí)、聲速、振幅和頻率。因此，評(píng)價(jià)項(xiàng)目集合用j∈J={聲時(shí)、聲速、振幅、頻率}表示。

評(píng)估單元的集合表示為i∈I= {1，2，3，4}，即斷面0.7m（單元1）、2.3m（單元2）、10.3m（單元3）和17.5 m（單元4）的四個(gè)測(cè)點(diǎn)單位。

評(píng)價(jià)灰色類型的集合表示為k∈K={好，一般，合格和不合格}。

2.3 灰色聚類評(píng)價(jià)初始樣本矩陣的建立

dij被排序?yàn)轫?xiàng)目j 的單位i 的樣本值，i∈I，j∈J。

2.4 樣本矩陣的平均和白化權(quán)函數(shù)的閾值

2.4.1 樣本矩陣平均

由于聲時(shí)存在最大值，增大對(duì)樣本值不利，而聲速、振幅和頻率的增大對(duì)樣本值有利。

①聲時(shí)平均

②振幅平均

③聲速平均

④頻率平均

綜上所述，可以得到以下結(jié)論:

2.4.2 白化權(quán)函數(shù)閾值的平均

①聲音時(shí)間白化函數(shù)閾值。

在聲時(shí)數(shù)值計(jì)算中，以聲時(shí)均值與聲時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差的2 倍之差作為判斷是否存在缺陷的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)用概率值的置信區(qū)間表示[Tm-2σ，Tm+2σ]時(shí)，在區(qū)間內(nèi)下降的概率為90%，因此剩余的百分比落在區(qū)間外，超出區(qū)間的百分比視為異常。設(shè)聲音時(shí)間的置信區(qū)間為：

聲時(shí)間閾值的平均值為：

②振幅白化函數(shù)閾值的平均。

根據(jù)判據(jù)，以振幅缺陷判別臨界值為參考，置信度區(qū)間設(shè)為：

因此，振幅閾值的平均值為：

③聲速白化函數(shù)閾值的平均。

根據(jù)判據(jù)，以聲速缺陷識(shí)別臨界值為參考，置信度區(qū)間設(shè)為：

聲速閾值的平均值為：

④頻率白化函數(shù)閾值的平均。

根據(jù)準(zhǔn)則，以頻率缺陷識(shí)別臨界值為參考，置信度區(qū)間設(shè)為：

因此，頻率閾值的平均值為

綜上所述，得到的白化函數(shù)閾值矩陣為：

2.5 灰色聚類評(píng)價(jià)值的確定

2.5.1 白化函數(shù)折減系數(shù)的確定

2.5.2 確定各單元的灰色聚類評(píng)價(jià)值和灰色類型

①0.7m 處測(cè)點(diǎn)計(jì)算如下：

1）單元1 第一個(gè)灰色類型的評(píng)價(jià)值

2）單元1 的第二個(gè)灰色類型的評(píng)價(jià)值

3）單元1 的第三種灰色類型的評(píng)價(jià)值

4）單元1 第四個(gè)灰色類型的評(píng)價(jià)值

總之

即當(dāng)k=2 時(shí)，屬于第二灰色類型的單元1 具有一般質(zhì)量。

②采用與單元1 相同的算法，單元2（測(cè)點(diǎn)在2.3m處）的計(jì)算結(jié)果如下：

即當(dāng)k=2 時(shí)，屬于第二種灰色類型的單元2 具有一般質(zhì)量。

③單元3（測(cè)點(diǎn)在10.3m 處）計(jì)算結(jié)果如下：

即當(dāng)k=4 時(shí)，屬于第四種灰色類型的單元3 質(zhì)量不合格。

④單元4（測(cè)點(diǎn)在17.5m 處）計(jì)算結(jié)果如下：

即當(dāng)k=3 時(shí)，屬于第三灰色類型的單元4 質(zhì)量合格。

綜上所述，單元1 和單元2 質(zhì)量一般；單元3 質(zhì)量不合格；單元4 質(zhì)量合格。根據(jù)灰色聚類評(píng)價(jià)，判定該樁為缺陷樁。

如表1 所示，比較了灰色聚類理論、模糊數(shù)學(xué)和核心抽樣的結(jié)果。如表1 所示，采用灰色聚類分析法對(duì)樁的缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)是可行的。它可以綜合聲波、聲速、振幅、頻率等多個(gè)指標(biāo)來判斷缺陷的大致范圍和嚴(yán)重程度。由于指標(biāo)權(quán)重不同，模糊數(shù)學(xué)的評(píng)價(jià)結(jié)果略有不同。因此，與模糊數(shù)學(xué)方法相比，灰色聚類分析方法更加簡(jiǎn)單明。

表1 采用不同的方法評(píng)價(jià)樁的完整性

3 結(jié)論

根據(jù)本文的研究，可以得出以下結(jié)論：

①采用灰色聚類評(píng)價(jià)方法，將聲波、聲速、幅值、頻率等多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合，確定對(duì)環(huán)境有危害的缺陷的范圍和嚴(yán)重程度；②從實(shí)例中樁的灰色聚類評(píng)價(jià)可以看出，單元1 和單元2 質(zhì)量一般；單元3 質(zhì)量不合格；單元4 質(zhì)量合格，判定該樁為缺陷樁；③通過與核心抽樣檢驗(yàn)結(jié)果和模糊數(shù)學(xué)評(píng)判法的比較，發(fā)現(xiàn)灰色聚類評(píng)價(jià)方法結(jié)果更加準(zhǔn)確，與模糊數(shù)學(xué)方法相比，灰色聚類分析方法更加簡(jiǎn)單明。