声波透射法检测中声测管斜管的管距修正研究

2018-05-04陈洪祥

城市道桥与防洪 2018年4期

王军，周滨，孙根，陈洪祥

（1.广东潮惠高速公路有限公司，广东广州 510100；2.同济大学地下建筑与工程系，上海市 200092；3.宁波市慈城古县城开发建设有限公司，浙江宁波 315031）

0 引言

桩基工程属于隐蔽工程，其施工完成后的质量检测对于结构安全至关重要。声波透射法作为目前最常用的桩基质量检测技术手段之一，具有操作简便、检测范围广、检测细致全面、数据丰富可靠等优点。在声波透射法检测中，波速是用于判别桩身完整性最重要的声学参数；但波速并不是通过声波仪直接测量得到的，而是通过在基桩顶部测得的声测管间距除以声波在两根声测管所夹混凝土中的传播时间得到[1-4]。

在实际检测过程中，若两根声测管相互平行，则在某测点i处，根据桩顶声测管间距和声波实际传播时间计算得到的声速，与该测点的实际声速值是相同的。但在实际工程中，若施工人员在声测管焊接过程中发生操作失误，或在灌注混凝土过程中过量灌注挤压钢筋笼，就会产生声测管弯曲、倾斜等不利情况，导致同一个检测剖面的实际测距与量测的桩顶声测管间距之间有差距，造成计算所得到的声速值偏大或偏小，容易引起桩身完整性的误判；当声速值发生严重偏差时，甚至无法分析实测数据，导致检测失败；更有甚者，当声测管弯曲到一定程度时，声测换能器无法下降至桩底，或卡在声测管中无法提起，不仅不能进行基桩检测，还会造成仪器受损。

针对上述问题，本文以长沙市万家丽路快速化改造工程桩基完整性检测为背景，结合多年的工程经验，整理总结了常用的声测管斜管管距修正方法，并以实际工程数据对比分析了各修正方法的效果，最后综合考虑多方面因素，给出了声测管斜管管距修正的最优方法。

1 常用管距修正方法

1.1 投影法

采用投影法进行管距修正时，首先要根据实测数据进行拟合计算得到该斜管在空间中的直线方程，然后利用空间中点与点之间的距离公式求得某一剖面下的真实管距。

投影法修正管距的步骤如下：

设在第i个测试面，将3根声测管投影在该水平面上，如图1（a）所示；将倾斜的声测管设为1管，其投影为1-1i，其余两根声测管正常，其在该水平面的投影为两个点。剖面1-2和1-3的计算管距为D12和D13，实际管距为D21i和D31i。假设桩身混凝土均匀，以桩顶声速值为基准，若桩顶混凝土存在缺陷，则取桩顶下2～4 m混凝土声速平均值为基准，将第i个测试面测得的声时值通过计算得到该测试面的声测管近似实际间距。建立平面坐标（x，y），绘制两个以2管和3管为圆心、以近似实际间距为半径的圆，如图1所示，确定1i的位置；然后用坐标的形式将1管、2管、3管在测试面上的投影表示出来，并将其坐标分别向x轴和y轴投影。建立方程：

以1管顶端为原点，建立如图1b所示空间相对坐标（x′，y′，z），z轴沿着桩身竖直向下，x′轴和 y′轴分别平行于原坐标的x轴和y轴；从桩顶到桩底，对不同的测试面采用相同的处理方法来获得斜管在x′z平面和y′z平面上的管距散点图进行一元线性回归分析，得到斜管在两个平面上的回归方程。

通过这两条空间直线且垂直于该直线所在平面的两个平面的交线即为斜管在空间坐标系中的直线方程：

最后通过空间坐标转换，得到斜管在空间坐标（x，y，z）中的直线方程：

根据斜管直线方程，可以求出任何测试平面任意两根声测管之间的管距，该管距可近似为修正后的声测管实际管距。

图1 投影法示意图

1.2 扇形扫测法

扇形扫测法修正管距的步骤如下：

（1）以实测声速-深度曲线的突变点为分界点将曲线划分为若干段，但是某一深度的测点声速值用上下扇形扫测后的平均值代替。

（2）将在某一水平测试面测得的声速值和通过扇形扫测所得声速值的平均值来拟合，得到拟合曲线f（z）。

（3）假定桩身混凝土均匀，并以桩顶混凝土声速为基准，若桩顶混凝土存在缺陷，则取桩顶往下2～4 m混凝土声速平均值为基准。由

得

因此

式中：f（z）为v（z）的拟合曲线；v（z）为实测声速-深度曲线；D0为桩顶声测管间距；t（z）为实测声时；D（z）为修正后的深度为z的声测管间距；v0为桩顶混凝土声速；v′（z）为修正后的混凝土声速。

（4）绘制管距修正后的声速-深度曲线v′（z），如图2所示。

图2 扇形扫测法管距修正原理示意图

1.3 神经网络法

神经网络本质是一种数学模型，大量神经元节点依据不同的连接方式建立复杂的网络，每个节点中包含一个特定的输出函数，即激励函数[5]。

图3 BP神经网络结构图

在神经网络法中，通过声测管的弯曲函数D（z）=f（z）来修正声测管管距：

式中：v′（z）为深度z处的修正后声速值；t（z）为深度z处的实测声时值；D（z）为深度z处的声测管间距；f（z）为声测管弯曲函数。

构造两层B P神经网络模型（见图3），来对声测管弯曲函数进行逼近，隐层神经单元个数为5。

实现函数逼近的步骤如下：

（1）定义样本输入矢量P和目标矢量t。

（2）初始化网络设置，设置矢量 w1、b1、w2、b2。

（3）利用MATLAB软件，采用自适应学习率调整算法对B P神经网络进行训练，训练完成即代表函数逼近实现。

最后将逼近得到的函数代入公式，求得声测管斜管管距修正后不同深度的声速值。

2 不同管距修正方法的实例比较

针对上节总结梳理的三种常用的管距修正方法，本节结合长沙市万家丽路快速化改造工程桩基完整性检测中遇到的实际问题，采用三种不同的方法进行修正，并计算修正后的实际声速值，再根据规范要求计算其声速平均值，对不同方法的修正效果进行综合评估。

2.1 试桩基本情况

本节选取的声波透射法实测桩的基本信息见表1。

图4 实测声速-深度曲线

选择试桩的实测声速-深度曲线如图4所示，曲线在8 m左右的深度处开始下弯，至15 m左右处又逐渐上扬。以曲线的转折点即15 m处为分界点，对实测曲线进行拟合，然后再对管距进行修正。

2.2 修正效果分析

如图5所示分别为投影法、扇形扫测法和神经网络法对实例中选取的剖面实测曲线的修正结果。修正曲线能够在反映桩身质量缺陷的基础上，将其他非桩身质量缺陷引起的异常声速值修正至混凝土正常声速范围内。为评估不同方法的修正效果，对其修正后的声速值进行统计，对比分析。

表2中：

图5 修正后剖面声速-深度曲线

式中：Δv为声测管弯曲剖面修正后声速平均值与非弯曲剖面声速平均值的差值；v¯是声测管非弯曲剖面的声速平均值；vi是对声测管剖面修正后的声速平均值。

表2 不同方法修正效果对比

通过表2所反映的Δv，其数值大小客观反映了不同管距修正方法的效果。分析如下：

（1）投影法拟合曲线精度低，误差最大，拟合效果也最差。

（2）扇形扫测法避免了声速波动带来的影响，规避了系统误差，拟合效果较好。

（3）神经网络法通过B P神经网络对声测管弯曲函数实现逼近，其精度最高，拟合效果也最好。

2.3 不同修正方法综合评价

在查阅大量文献的基础上，结合个人工程经验，从简易性、工作量、适用范围和精确度四个维度对三种修正方法进行评估，每个评估因素分上、中、下三个相对指标（见表3）。

在综合评价前，从修正过程和修正效果两个角度出发，对以上四个评估要素进行重要性排序。首先，修正管距的目的是获得某深度处的真实声测管间距，故修正效果的重要性大于修正过程，即适用范围和精确度两个评估要素相对简易性和工作量而言更重要；然后，修正的精度直接影响桩身完整性的判别，故精确度的重要性大于适用范围；最后，由于声波透射法检测采集得到的数据量巨大，伴随而来的数据处理工作量也会大大增加，因此工作量的重要性大于简易性。综上所述，重要性排序为：精确度＞适用范围＞工作量＞简易性。