基于模糊理论的桩基超声波检测的研究

高 昕，王余鹏

(福建林业职业技术学院，福建 南平 353000)

1 引言

此次研究对象主要用超声波透射法检测文件身体的完整性，随着经济的发展，越来越关注我国工程建设时代的发展趋势。桩基一般属于隐蔽工程，施工阶段繁琐、困难，工程所需的技术问题也很高，因此桩基的安全很难保证，但很重要。桩基质量检测可以避免安全风险。在工程实践中，随着桩基础的长度、直径变得越来越大，对桩基质量进行了更严格的控制，利用桩基得超声波方法准确说明桩基质量，为桩基完整性提供了有力的理论依据。

此次研究旨在综合考虑超声波理论、音响参数及一些经典标准。内容包括详细说明声音传递方法的基本理论、测试技术和实践操作方法，并比较影响桩基完整性的各种声音参数。

2 超声波透射法的理论基础

2.1 声学基础

2.1.1 波动类型以及频率范围

波动类型有电磁波和机械波两种。超声波应该属于机械波的范围[1]。在混凝土中超声波检测声波频率为次声波0～20 Hz，超声波20 kHz～100 MHz，特超声波大于100 MHz。

2.1.2 混凝土中声波的传播特点

超声波在混凝土中广泛传播的特点。特性主要是：

(1)声波能量损失大

超声波在传递过程本身可能会因多种因素而发生能量衰减。另外，由于混凝土这种介质本身的不均匀性，声波能量的消失进一步扩大。

(2)由于方向分布、方向差异

超声波声频率的特性，波长和扩散角度增加，传播方向不规则，声音可能会消失得更快。

(3)声波传播路径变化

混凝土的特点是内部结构不统一。声阻抗接口不同，超声波传播时发生折射、散射等，声波在有缺陷的地方从直线传播到曲线。

2.2 检测方式

2.2.1 双孔检查(交叉孔检查)

双孔检查的基本过程是在浇筑混凝土之前，将两个或更多声检测管预埋在钢筋框架骨架中，并将收发探头分别放置在两个或更多声检测器中。两个探头从下向上拉，具体情况取决于实际情况。拉动地面的方法可以是手动或自动。

2.2.2 单孔检测

单孔检测方法类似于波速记录方法，单孔检测的要求是单孔检测只能有一个作为单通道。用于单孔测量的设备是发射超声波脉冲，通过水耦合进入桩身混凝土，等待接收部接收的双接收探头。接收器接收到超声波脉冲后，可以使用每个声学参数检测混凝土缺陷问题。

3 桩身混凝土具有的声学参数采集与处理

发射器发射超声波信号，最终被接收转换器接收。在此期间，信号旨在有效地提取主体的一些信息，以获取物理参数、凝固强度、内部缺陷、完整性质量几者之间的对应关系。

3.1 判断桩身缺陷的基本物理量

3.1.1 声时、声速

主要通过判断超声波通过所需的时间。平行声管将间隙分割成无线电波时传播的声速。超声波在混凝土内传播时，缺陷部分折扣传播时声速速度增加，声速传播时间比正常短。因此，如果声速声音有缺陷，则为判断的重要参数。

3.1.2 波幅

接收侧接收的声波振幅越小，在超波脉冲下减弱的程度也就越大。就是说混凝土很有可能有缺陷。振幅测量可以通过两种方法完成。第一，通过直接观察波来获得。其次，使用仪器衰减器进行了测量。其中振幅和振幅衰减量是文件体质量识别的重要数据参考。

3.1.3 主频率

超声波通过桩混凝土时，高频比低频波衰减快，接收方高频是低频波。这是频率漂移现象。波的测量在示波器中，时域信息从傅立叶变换变为频域，主频率及其振幅通过光谱图准确地发现。

3.1.4 波形

超声波在缺陷处传播方向、相位发生变化，光束路径不同，时间不同，波形发生变化，接收侧接收的波形因相位不同的光束叠加而容易扭曲。

3.2 频谱分析的原理及方法

在低频带中，将具有9 kHz至2.95 GHz频率的信号转换到第一反相器的基本混频器部分(MXR1)，以获得由第二反相器获得的第一中频F1IF(3.992 14 MHz)。第二中频F2IF(321.4 MHz)。在高频带中，将信号从2.75 GHz转换为22 GHz，并传递到预选器(YTF)，然后将预选信号输入到第一个逆变器的谐波混频器部分(MXR2)中，得到第二个。变频器它由逆变器转换以获得第三中频F3IF(21.4 MHz)。在此中频处，信号通过不同的带宽滤波器进行处理以选择信号，然后应用于线性和对数放大，检测，数字量化和显示(如图1所示)。

4 超声波桩身质量常用判据

4.1 直接法

这是一种通过现场原型测试直接获得测试项目结果的测试方法，或为接受施工提供基础。主要采用钻芯法来检查主体的完整性。从桩混凝土中直接穿刺岩心样品，以测量桩混凝土的质量和强度，确定桩基础上的沉积物和承重层，并确定桩主体。对于长承载力测试，可以使用单桩垂直压缩(拉伸)静载荷试验和单桩水平静载荷试验。

还用于确定土壤的水平阻力系数。如果桩体具有内置的应变测量传感器，则可以在相应的载荷下测量桩体的应力并计算桩体的弯矩。

4.2 半直接法

基于现场原型测试和理论假设以及工程经验和综合分析的测试方法，以获得测试项目结果。它主要包括以下三种转换方法：(1)低应变法。桩顶表面的低能量瞬态或稳态激发会产生应力波的纵向弹性振动，同时使用波理论和振动理论在桩的弹性范围内弹性振动桩，以保护桩的完整性。该方法主要包括反射波法，机械阻抗法和水力作用法[2]。(2)高应变法。如果用锤子在桩的顶部堆放桩，桩的动态位移接近常规静载荷试验桩的沉降水平[3]，因此可以充分利用桩周围的地质力学阻力并测量和计算单个桩的垂直压缩力。高应变动态测试可用于监视基于桩身的预生产的过程，并且可以通过降低检测成本来检查桩身主体的完整性，以实现清晰的物理语义，相对较高的检测精度和静态负载测试。(3)声音传输方法。从桩子中预埋声学测量管，将换能器放入两个声管中，然后使用偶联剂将其注入干净的水中，以使换能器处于同一高度。或者，通过在混凝土中传播声波，保持一定的高度差，发送和接收声音以及测试和分析声波参数(声波传播时间，幅度和主频率等)来评估主体的完整性。检测范围可以覆盖整个桩身，但采样的随机性较差，且对桩体的直径有一定的要求，检测成本很高。

5 模糊综合评判桩身完整性的必要性

5.1 综合评判的必要性

桩基混凝土硬化环境和条件以及影响混凝土质量的因素比上部结构复杂得多，难以预测，因此桩基混凝土一般比上部结构混凝土的声学测量误差更高。声速不够，与混凝土的弹性特性有关，与其他参数相比，声速测试值是目前技术水平下最稳定的指标，在各种情况下，无论测试者的经验因素如何，都能得到更一致的物理量。使用时钟速度判断缺陷的优点是波动很大。同时其振幅与混凝土的塑性相关，试验值相对稳定，对桩体缺陷敏感，但受多种非缺陷因素的影响，不同桩间的试验可比性较低，试验精度相对较低[4]。另外，根据现行单一指标基准法的判定结果也相反，测试者感到困惑，无法做出正确的判断，故采用模糊综合评判进行桩身完整性的评价势在必行。

5.2 运用模糊数学的必要性

当前测试通常计算声学参数的平均值以及样本标准偏差，根据声学参数-桩长曲线确定完整性可疑的位置，然后综合波形长度曲线进行最终评估。为了综合具有的声学参数反映的特点，采用现有的声学参数来判断桩身的缺陷程度，并根据当前检查者丰富的经验和技术水平判断定性分析水平。模糊数学可以解释和量化模糊的东西。将定性分析转换为定量分析，并在桩身完整性分析中应用[5]。

6 结语

桩基工程是工程中的重要部分，桩基的好坏直接关系到建设工程的质量、安全问题。根据声音参数幅度、声速、测量波形记录和波数等数据确定文件的连续性、完整性、强度等方面，最大限度地提高桩基础的施工质量、直径、长度、承载力、土壤深度、材质、进入相应轴承层的方式、效果等最重要，而今天常用的缺陷检测主要是有效地检测缺陷的位置和大小数值基准方法分为概率方法和PSD基准方法声波和声音相结合时的衰减可以综合分析确定的异常区域，然后使用倾斜方法作为辅助标准，在特定点周围的PSD值发生重大变化的情况下用作可疑的缺陷区域。超声波无损检测技术具有快速无损等多种优点，应用前景广阔，开发空间大。