黃鵬, 于澤泉, 潘慧明

(1.廣州市高速公路有限公司, 廣東 廣州 510555;2.廣東建科交通工程質(zhì)量檢測中心有限公司, 廣東 廣州 510030;3.廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司, 廣東 廣州 510500)

聲波透射法(超聲波法)利用聲波檢測儀沿樁身縱軸方向以一定間距逐點檢測樁身混凝土截面的聲學(xué)參數(shù),確定基樁的位置、范圍、程度,推斷檢測范圍內(nèi)混凝土質(zhì)量[1]。超聲波檢測基樁完整性主要是依據(jù)接收信號中波速、波幅、主頻的變化對樁身混凝土缺陷進(jìn)行定性判別。該方法采用概率法,可在很大程度上區(qū)分混凝土施工過程的偶然誤差和過失誤差,但非常依賴檢測人員的現(xiàn)場經(jīng)驗,缺少自動化和智能化。經(jīng)過近些年的發(fā)展,聲學(xué)參數(shù)從單因素向多因素發(fā)展,判斷從定性或經(jīng)驗性向定量發(fā)展?；炷翞轲椝苄圆牧?其密實度、強度等存在一定波動,而聲學(xué)參數(shù)的數(shù)值統(tǒng)計基本符合正態(tài)分布,若樁身存在由外界惡劣環(huán)境或人為過失導(dǎo)致的缺陷(夾泥、蜂窩、離析等),則缺陷位置混凝土質(zhì)量、聲波透過缺陷混凝土的聲學(xué)參數(shù)將偏離正態(tài)分布。但混凝土并非理想的各向同性材料,施工中引起的空間范圍內(nèi)強度、密實度波動并不能一概而論地當(dāng)作缺陷進(jìn)行分析,不同類別的偏差也會導(dǎo)致聲學(xué)參數(shù)測試值產(chǎn)生波動。

根據(jù)前人的研究成果,波速、波幅等聲學(xué)參數(shù)對不同形式混凝土質(zhì)量問題的敏感程度存在不小差異。波速和波幅分別反映混凝土材料的彈性性質(zhì)和塑性性質(zhì)。在基樁聲波投射法檢測多參量判據(jù)方面,劉雨嵐等對樁基缺陷部位進(jìn)行多角度、多層次研究,分析了超聲波法檢測樁身完整性常見缺陷對應(yīng)聲學(xué)參數(shù)的特性[2];張宏等介紹了超聲波法檢測基樁的優(yōu)點及運用模糊數(shù)學(xué)中多元綜合判據(jù)評價基樁質(zhì)量的理論依據(jù),并結(jié)合工程實例進(jìn)行分析判斷,證明采用多元綜合判據(jù)比采用單元判據(jù)更能真實、準(zhǔn)確地對基樁質(zhì)量進(jìn)行評價[3];鄒蘭林等采用小波分析結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樁基檢測方法,根據(jù)樁基中超聲波傳播特點,利用小波分析對采集的超聲波信號進(jìn)行小波包分解,通過小波分析獲取超聲波信號特征向量并構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),識別樁基缺陷位置及缺陷類型[4]。但運用復(fù)雜數(shù)學(xué)方法對單一聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析,很難得出評價基樁完整性的有效指標(biāo)。在樁身混凝土缺陷判別過程中,采用多個聲學(xué)參數(shù)對缺陷范圍和嚴(yán)重程度進(jìn)行綜合分析更具有科學(xué)性、合理性。本文采用多因素綜合概率分析(NFP)法,研究超聲波檢測基樁混凝土缺陷的多參量判別方法。

1 混凝土強度與超聲波速度的關(guān)系

在外部因素影響下,混凝土?xí)a(chǎn)生離析、蜂窩、溝槽等病害,表現(xiàn)為抗壓強度降低。混凝土質(zhì)量指標(biāo)包括抗壓強度、水灰比、和易性、耐久性、氯離子質(zhì)量濃度、含氣量等,通過超聲波檢測的聲學(xué)參數(shù)很難直接反映混凝土的所有指標(biāo)。本文建立混凝土強度與超聲波速度之間的關(guān)系,作為衡量混凝土質(zhì)量的指標(biāo)之一。

假設(shè)混凝土是組合材料與內(nèi)部微小裂隙組成的各向同性材料,參考文獻(xiàn)[5],可運用聲波速度作如下定義:

(1)

式中:D0為混凝土初始損傷變量;vp0為混凝土未受荷載作用時的波速;vpf為混凝土母體(無損傷)的波速。

以冪函數(shù)曲線表示混凝土強度σc與D0的關(guān)系[5]:

σc=AD0-B

(2)

式中:A、B為與混凝土彈性模量Ec、泊松比υ、相位角φ相關(guān)的參數(shù),在同一混凝土中,A、B為常數(shù)。

將式(1)代入式(2),建立波速與混凝土強度關(guān)系如下:

(3)

式中:C與混凝土Ec、υ、φ相關(guān)的參數(shù),在同一混凝土中為常數(shù)。

采用450 mm×450 mm×150 mm混凝土試件,養(yǎng)護(hù)條件為(20±5) ℃,相對濕度90%,混凝土標(biāo)號分別為C30、C35、C40、C50、C60、C80,每組3個試件,通過測試其抗壓強度與波速,研究波速與混凝土破壞強度的關(guān)系,得出波速與混凝土強度關(guān)系曲線(見圖1)。

圖1 波速與混凝土破壞強度的關(guān)系

鑒于由式(3)得出的曲線關(guān)系并不方便直接反映σc-D0的關(guān)系,對式(3)進(jìn)行指數(shù)變換,得:

σc=A1eB1vp0

(4)

根據(jù)式(4),混凝土破壞強度與波速基本呈正相關(guān)關(guān)系,當(dāng)混凝土強度等級大于40 MPa時,超聲波在混凝土中的傳播速度顯著增大。

2 多參量綜合判據(jù)與樁身缺陷識別理論

DBJ/T 15-60—2019《建筑地基基礎(chǔ)檢測規(guī)范》[6]中樁身各深度剖面完整性函數(shù)I(j,i)及JTG/T 3512—2020《公路工程基樁檢測技術(shù)規(guī)程》[7]中主要判別特征均來源于波幅、波速,兩規(guī)范還將實測波形是否畸變作為補充的判別依據(jù)。向子明闡述超聲波透射法在橋梁大直徑樁基完整性檢測中的應(yīng)用,引入有效接收聲場的概念,通過對各聲測剖面的波速、波幅、頻率等聲學(xué)參數(shù)變化的綜合分析,定性確定了樁身可能存在缺陷的位置,提出基于波速判據(jù)、波幅判據(jù)及PSD判據(jù)的3種樁基缺陷判別方法,并對實際工程檢測結(jié)果的各項判據(jù)進(jìn)行了分析和對比[8]。本文選取波速、波幅、主頻建立基樁完整性判別模型。

根據(jù)工程實際經(jīng)驗,各種單一的判據(jù)對不同類型缺陷的敏感程度各不相同,且數(shù)量級不同,波速一般為3 800～4 500 m/s,波幅一般為90～120 dB,主頻一般為35～55 kHz。由于各聲學(xué)參數(shù)數(shù)量級不同,采用層次分析法對各參數(shù)賦予權(quán)重會導(dǎo)致某一聲學(xué)參數(shù)對完整性判別指標(biāo)占主導(dǎo),其余參數(shù)變化基本無影響,波速、波幅、主頻各自的最大值處用單一參量判斷即為混凝土質(zhì)量最佳位置。為此,對各參量進(jìn)行歸一化,將聲測線位置與該剖面混凝土質(zhì)量最佳位置進(jìn)行對比,體現(xiàn)該位置的混凝土質(zhì)量水平。聲測線位置聲學(xué)參數(shù)與混凝土質(zhì)量最佳位置聲學(xué)參數(shù)比值為0～1。

NFP法運用波速v、波幅A、頻率f3個聲學(xué)參數(shù)(波幅與波速對缺陷敏感,主要體現(xiàn)在波幅和波速急劇下降;以主頻體現(xiàn)波形畸變),通過綜合分析獲得綜合判據(jù)臨界值作為缺陷判據(jù)。利用概率統(tǒng)計方法,根據(jù)正態(tài)分布原理,缺陷混凝土聲學(xué)參數(shù)實測值主要集中在異常值區(qū)間內(nèi),且小于統(tǒng)計臨界值,則正?；炷僚c混凝土統(tǒng)計臨界值之比大于等于1,小于1判定為異常值。算法如下:

(5)

式中:K(i)為聲測線完整性評價指標(biāo);vi為檢測剖面第i條聲測線的實際波速與該剖面最大波速的比值;fi為檢測剖面第i條聲測線的實際主頻與該剖面最大主頻的比值;Ai為檢測剖面第i條聲測線的實際波幅與該剖面最大波幅的比值;m為概率保證系數(shù);σi為vifiAi對單個檢測剖面所有計算值的標(biāo)準(zhǔn)差。

通過測試聲測線的波速、波幅、主頻參數(shù),計算得到聲測線完整性評價指標(biāo)K(i)。K(i)≥1,表示聲測線完整;K(i)<1,表示聲測線存在缺陷,K(i)越低,偏離異常概率統(tǒng)計值的程度越高,缺陷程度越大。

將聲測線完整性函數(shù)I(j,i)與完整性評價指標(biāo)K(i)對比,若I(j,i)=1,且K(i)>1,記為符合樣本。選取836條包含完整混凝土與缺陷混凝土的聲測線,通過調(diào)整概率保證系數(shù)m的取值,降低兩種聲測線完整性判斷結(jié)果不符合項的數(shù)量,確定適合多參量法的概率保證系數(shù)m。概率保證系數(shù)m與聲測線完整性判斷結(jié)果不符合數(shù)量n的關(guān)系見圖2。由圖2可知:m=2.2時,兩者判斷不符合數(shù)量僅為9個,準(zhǔn)確率達(dá)到98.9%。

圖2 概率保證系數(shù)m與聲測線完整性判斷結(jié)果

此外,現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)會受其他聲源或換能器振動、老化等因素影響,超聲波數(shù)據(jù)存在各種聲源信號疊加,導(dǎo)致儀器無法準(zhǔn)確自動識別首波位置,造成聲學(xué)參數(shù)曲線異常。如圖3所示,未處理波形數(shù)據(jù)圖存在大量“跳波”情況,根據(jù)波速v-深度h曲線、波幅A-深度h曲線進(jìn)行判讀會出現(xiàn)大量低于臨界值的異常值,無法進(jìn)行準(zhǔn)確判斷;進(jìn)行首波人工判讀,該剖面聲測線的波幅與波速均大于臨界值。

如圖4所示,兩波形均為完整混凝土波形,且沒有明顯畸變。未調(diào)整波形經(jīng)傳統(tǒng)方法自動判讀難以反映基樁完整性實際類別,而采用完整性評價指標(biāo)K(i)可計算得出混凝土質(zhì)量水平。

傳統(tǒng)聲測數(shù)據(jù)需要考慮由其他聲源或換能器振動、老化等因素產(chǎn)生的雜波對單波曲線的影響,但以上因素不會導(dǎo)致波速、波幅和主頻同時變小,即K(i)<1。因此,多參量法在處理雜波影響的基樁完整性判別方面具有良好效果。

圖3 儀器首波自動判讀波形與人工調(diào)整后波形對比

圖4 單波首波判讀正確與判讀異常

根據(jù)實測的836條聲測線進(jìn)行完整性評價指標(biāo)統(tǒng)計,結(jié)果見圖5。由圖5可知:樣本峰值為1.08,樣本的完整性評價指標(biāo)K(i)大部分為1.00～1.35。K(i)>1.35時,除個別點外,均為首波判讀錯誤引起的K(i)離散;0.85≤K(i)≤1.35時,該區(qū)間內(nèi)所有聲測線均為波速、波幅輕微或明顯異常、波形明顯畸變的情況,即聲測線位置存在輕微或明顯缺陷;K(i)<0.85時,該區(qū)間內(nèi)所有聲測線均為波速、波幅嚴(yán)重異常、波形明顯畸變的情況,即聲測線位置存在嚴(yán)重缺陷。

圖5 樣本聲測線K(i)散點圖

3 超聲波法多參量綜合判據(jù)的應(yīng)用

某工程1#樁,樁徑1 400 mm,樁長27.8 m。在鋼筋籠內(nèi)平均布置3根聲測管,檢測結(jié)果為1-2剖面完整,1-3剖面9.4～10.0 m深度處、2-3剖面9.5～9.9 m深度處聲測線參數(shù)嚴(yán)重異常、波形畸變嚴(yán)重,且波速-深度曲線、波幅-深度曲線在上述深度區(qū)間小于臨界值。

以1-3剖面9.6 m深度處為例,計算聲測線的完整性評價指標(biāo)K(i)。1-3剖面9.6 m深度處的聲測線波速為3 086 km/s,波幅為78.1 dB,主頻為25.5 kHz,m=2.2,代入式(5),計算得K(i)=0.83<1。同理可得1-3剖面9.4～10.0 m深度處、2-3剖面9.5～9.9 m深度處聲測線的完整性評價指標(biāo)K(i)(見表1、表2)。根據(jù)完整性評價指標(biāo)K(i),判定這兩個位置存在嚴(yán)重缺陷。1-3剖面單波波形見圖6,1-3、2-3剖面波速、波幅與深度的關(guān)系曲線見圖7。

表1 1-3剖面9.4～10.0 m深度處完整性評價指標(biāo)

表2 2-3剖面9.5～9.9 m深度處完整性評價指標(biāo)

圖6 1-3剖面9.6～9.7 m深度處單波波形

圖7 1-3、2-3剖面波速、波幅與深度的關(guān)系曲線

進(jìn)行鉆芯法驗證檢測,在2#聲測管向樁中心偏移10 cm位置鉆取混凝土芯樣,第8次鉆取的芯樣約9.5 m處出現(xiàn)混凝土破碎,長度為16 cm(見圖8),與多參量判別法的判別結(jié)果一致。

圖8 距2#聲測管10 cm位置的混凝土芯樣

4 結(jié)語

本文提取相關(guān)規(guī)范中評價樁身完整性的主要參數(shù),運用概率統(tǒng)計的方法,得出根據(jù)波速、波幅、主頻3個參數(shù)綜合判定樁身缺陷位置及嚴(yán)重程度的方法,提出一種超聲波檢測基樁完整性的多參量綜合判別方法,采用該方法計算得出定量結(jié)果,作為超聲波法檢測基樁完整性的有效補充。通過對836條聲測線進(jìn)行完整性評價指標(biāo)統(tǒng)計,樁身完整且聲測管埋設(shè)平直的樁身完整性評價指標(biāo)K(i)大部分為1.00～1.35。K(i)>1.35時,除個別點外,其他均為首波判讀錯誤引起的K(i)離散;0.85≤K(i)≤1.35時,該區(qū)間內(nèi)所有聲測線均為波速、波幅輕微或明顯異常、波形明顯畸變的情況,聲測線位置存在輕微或明顯缺陷;K(i)<0.85時,該區(qū)間內(nèi)聲測線均為波速、波幅嚴(yán)重異常、波形明顯畸變的情況,聲測線位置存在嚴(yán)重缺陷。該方法可有效降低因首波位置判讀不準(zhǔn)引起的臨界值變化的影響,是一種快速精確判讀基樁超聲波法檢測結(jié)果的方法。