基于声波透射法的桩基无损测试分析

刘群 龚贵林

摘 要：针对高速公路桩基隐蔽性强、振动大、检测精度低、方法单一等缺点，以陕西省富平县某高速环路工程为依托，利用小波--Arima的高斯方差处理方法，对声波透射法无损检测的准确性进行分析。分析表明：声速、声时、波幅、频率等参数为判定依据，参数之间存在着一定的差异，在12、13、23测距断面中，最大方差为0.215，对于变异系数，误差最大的是在12测距断面频率检测中的24.80%，最小的是23测距波幅检测中的0.3%，与规范相对，采用高斯方差处理方法满足规范方差、误差处理要求，此桩为Ⅰ类桩。

关键词：声波透射；桩基；检测；高斯方差

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

0 引言

随着我国基础建设不断发展，高速公路作为一项重要的国家资源，每年都以3.6%的速度持续增长，高速公路要通过崇山峻岭，桩基础的应用也越来越多，桩基础属于地下隐蔽工程，监测桩基的质量难度非常大。[1]目前，桩基质量保证有载荷试验，钻芯法和无损检测等方法，载荷试验是通过对桩基施加设计荷载，检查强度是否达到设计要求，其优点是满足工程设计要求，缺点是监测速度慢，费用大；钻芯法是通过对桩基钻取一定的结构主体，以监测桩基是否满足要求，其优点是监测直观、精确，缺点是监测面小、对桩基结构损伤很大，因此，目前桩基的无损监测比较流行。[2-4]无损检测中，主要包括：高、低应力测试方法，两种方法对应力测试条件、反射面、信号频幅等都有较高要求，而声波透射法具有测试结果精确、细致、全面等优点，该方法被广泛应用到高速公路的桩基检测中。[5-6]在应用过程中，也存在一些问题，主要集中在波速传播不均匀、波形认识难度大、声测管的位置安装，超声脉冲波发射的连续性等问题，学者李凤兰[7]通过声波透视技术对不同龄期、不同设计强度的混凝土试块进行声速测定， 基于统计分析方法建立起混凝土强度与声速的关系式， 确定了桩基监测的理论基础。贾良、聂红宾[8-10]等人通过超声透视对冻融损伤碳纤维混凝土进行研究，揭示了碳纤维混凝土冻融损伤的破坏规律。贾栋、徐树标[11]等人依据超声波透射法检测的原理，判据桩基的损伤程度。张国林[12]等人基于超声透射和低应变反射波基本原理， 对不同缺陷的基桩进行对比试验，讨论了桩基损伤检测的精度。上述学者对声波透射法检测桩基都有一定的研究，但是研究的基础都是在理论或者工程试件中，都没有以实际工程讨论声波透射法检测的误差率，以及如何减小误差，本文以陕西省渭南市富平县某环北高速桩基为项目依托，利用声波透射法对桩基进行检测，将声速、波幅、频率、声时等参数对比分析，查看各个参数之间存在的判定误差，通过小波--Arima的高斯方差处理方法对数据进行处理，并与规范限值对比，查看误差处理对真实工程精度提高。

1 检测试验

该工程位于陕西省渭南市富平县某环北路工程K1+560桥，桥梁桩基深度22m，桩直径1.1m，采用混凝土灌注桩基础，混凝土设计强度等级为C30，采用的仪器是RS-ST06DT非金属超声波检测仪，采用柱状径向振动、主频为35kHz的换能器。

声波透射前打开管顶堵头，同时在检测管内注满清水作为耦合剂，检测时每2根检测管编为一组，用钢尺测量两测管中心距离，分组按50cm沿桩剖面移动测点。测试点随机重复抽测10%～20%，同时对同一桩基进行取芯法损伤检测，具体测试过程如图1-6所示，2018年7月13日完成了桥梁0-0#、0-1#、0-2#以及1-0#、1-1#、1-2#桩基检测，依据现行桩基检测规程和现场检测检查的资料。

2 试验数据与分析

在检测管布设的12、13、23位置发射、接收声波，采集数据如图7-10所示，图7为三个位置声速对比分析，13、23测距在桩基深度为17米左右，发展趋势基本相同，桩基深度在17米到22米，23测距声速突然加大，说明此处的介质比较疏松，混凝土不够密实；12测距的声速刚开始直线上升，到桩基深度为5米左右时，声速基本平稳，到深度为18米时，声速下降，说明介质阻碍大，损失严重，接受声速小。图8为声波透射检测中波幅不同位置对比分析：12测距与13测距曲线的发展趋势基本相同，12测距波幅在桩深5、12米左右，波幅波动比较大，23测距波幅幅值比较小，曲线发展比较平稳。各个测距波幅可分析得出：12与13测距的幅值比23幅值大，说明声音传播过程中能量比较大，在传播过程中，12测距的幅值变化很大，说明在桩基深度5、12米处，灌注樁基混凝土密实度不均匀造成的。图9为声时对比分析图，12、13测距声时曲线在桩基深度5米前，声时逐渐变小，5-20米之间比较平稳，20-22米之间，反而增加，23测距声时曲线在桩深15米以内，数值比较平稳，在桩深6米左右时，声时数值稍有波动，在桩深17米以后，声时值随着桩身加深突然下降，说明，12、13测距曲线说明，在此断面进行声波透射时，刚开始桩基随着深度加深，声时数值越来越小，桩基在深度20米以内，灌注桩随着深度越来越密实，而在23测距断面透射时发现，声时数据比较平稳，桩深17米左右时，数值直线下降，说明此处断面在17米以下随着深度增加，混凝土越来越密实。图10为频率对比分析图，12、13、23测距曲线比较平稳，随着桩身加深数值没有太大变化，说明通过三个断面发出的频率测得桩基混凝土均匀，其中部分深度略不均匀，其中，12测距曲线分别在1、14、18、22米处数值有突变，13测距在桩深10、12米处数值突变，说明通过频率反应，这几处混凝土不均匀。

3 工程数据数值分析

透射分析法桩基损伤判定方法有很多种，根据相关文献[13]主要有：声影判定法，图像判定法、概率判定法、PSD判定法。在此分析过程中，目前我国规范采用概率数值判定法，但在工程实际中，当概率数值法难以判定时，也采用PSD方法分析，为了适应工程需要，本文主要从概率数值法中利用小波-Arima理论减小误差，以提高检测精度。

将各个时段的声时值或声速值以及波幅值、频率值按照从大到小顺序排列。对于透射法中声时值、声速值、波幅值及频率值（一般常选择声速值）中按照两个极值偏离正态分布程度，剔除差异较大数值，剔除方法有多种，本文基于小波及Arima误差修正的相关理论进行误差处理。

声波透射中，以声速为样本，那么正态分布函数可以写成，，其中，是任意一个样本值，是目标值，存在着误差，假设，的均值为0，方差为，按照高斯方差分布处理[14]。

可写成公式（1）：

其中表示中间变量，可以写成公式（2）：

w为参数向量，wi是权重，为核函数，i为样本变量[14]。

声波透射法检测每次是间断独立，因此，樣本函数ti为相互独立，则似然函数为公式（3）：

式中：t为目标变量，表示为： =（t0，t1……，ti）T，w为=（w0，w1……，wi）T，A为基函数，表示为=[A（x0），A（x1） ……，A（xi）]，A（xi）=[0，K（xi，x1），K（xi，x1） ……，K（xi， xi）]T。

参数w服从均值为0，方差为为高斯分布，其中为超参数，其决定权值先验分布，公式为（4）[15]：

根据似然函数和权值先验分布，则函数 w后验分布为公式（5）[14]：

将基于声波透射检测的桩基数据导入Origin 2017 软件中，同时将小波—Arima误差数据分析公式编辑后进行数据处理，得到的最大值、最小值、变异系数等参数如表1-3所示。在实际检测中通常选择一至两项或者将参数综合分析，常用的是声时和声速，而将波幅值、PSD方法综合使用[16]。

4 结论

通过对陕西省渭南市富平县某环北路工程K1+560桥进行声波透射检测，以声波、声时、频率以及波幅等参数进行分析，通过小波-Arima的高斯方差处理，得到以下结论：

（1）通过对12、13、23测距断面的声波、声时、频率以及波幅等参数分析，各个参数间分析存在一定误差。以声波为判定依据，23测距在桩基深度在17米到22米，混凝土不够密实；12测距在深度为18米时，混凝土损失严重。以波幅为判定参数：12测距波幅在桩深5、12米左右，灌注桩基混凝土密实度不均匀。以声时为判定参数分析，12、13测距桩基在深度20米以内，灌注桩随着深度越来越密实，而在23测距在17米以下随着深度增加，混凝土越来越密实。以振幅为判定参数进行分析， 12测距曲线分别在1、14、18、22米处数值有突变，13测距在桩深10、12米处混凝土不均匀。

（2）通过小波-Arima的高斯方差处理，在12、13、23断面测距中，声波的方差值最大为0.215，变异系数分别为4.1%、1.7%、1.6%；声时方差值最大为8.2，变异系数分别为4.2%、1.6%、5.1%；频率的方差值最大为10.525，变异系数分别为24.80%、16.10%、12.30% ；波幅的最大方差值为2.3，，变异系数分别为2.20%、0.80%、0.30%，分别与规范仪器方差、误差限制对比[17]，满足规范要求，大大提高工程监测精度。

（3）查阅桩基规范[18]，位于陕西富平的某环北路工程K1+560桥桩基、桩身完好，为Ⅰ类桩基。

参考文献：

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[18]DB37/T5044-2015 建筑桩基检测技术规范（修订）（附条文说明）[S].2015.

陕西铁路工程职业技术学院科研基金项目（2017-Ky061）

作者简介：刘群（1966-），女，江西萍乡人，本科，工程师，主要从事土木工程检测类的教学与研究工作。