本發(fā)明屬于工程測量領域，更具體地，涉及一種基于聲波透射頻域分析計算樁徑的方法。

背景技術：

超聲波穿過混凝土介質的過程中，介質本身性能和結構會對聲波信號的各種聲學參數(shù)產生影響。現(xiàn)階段，在混凝土質量檢測中一般考察的聲學參數(shù)有波速、振幅、頻率和波形。

波速的變化：聲波在材料不同的混凝土中傳播的速度不同。一般情況下，混凝土介質的內部結構越致密，彈性模量越高，孔隙率越低，那么聲波的波速和混凝土的強度也越高；聲波在混凝土內部傳播，當遇到缺陷(空洞、混凝土離析、縮頸、局部疏松等)，接收波聲時大于正常部位。

聲波振幅的變化：由于接收波的后續(xù)波受到疊加波的干擾，會影響分析結果，因此，聲波振幅通常指首波的振幅。接收波的振幅與聲波穿過混凝土介質后的能量衰減相關，而衰減的大小可以在某程度上反映出混凝土的強度。接收波的波幅越低，聲波穿過混凝土的衰減程度就越嚴重。當超聲波在混凝土內部傳播，遇到缺陷(空洞、混凝土離析、縮頸、局部疏松等)，振幅下降。波幅可以很直接的在接收波的波形圖中觀察出，與混凝土的質量息息相關，對混凝土缺陷的感應也是比較強，因此波幅是判斷混凝土缺陷很重要參數(shù)。

聲波主頻率的變化：超聲波檢測中的脈沖波為是含有很多不同頻率成分的復頻波。這種復頻波在穿過混凝土介質后，不同頻率成分的波衰減程度相異，頻率越高，衰減程度越大。隨著聲波傳播距離的增大，高頻部分的量越來越少，導致接收波的主頻率降低。當然，除了傳播距離之外，當聲波在傳播過程中遇到缺陷，波的衰減加劇，造成接收波的主頻率也會顯著下降。

聲波波形的變化：脈沖波在混凝土中傳播遇到缺陷會在缺陷的界面處發(fā)生反射、折射和繞射等,各種不同的波由于傳播路徑不同到達接收換能器的時間不同，導致不同相位和頻率的波發(fā)生疊加，從而使接收波的波形畸變。所以，接收波的波形變化也是判斷混凝土缺陷的依據(jù)。

聲波透射法檢測技術用于檢測混凝土灌注樁的完整性。在基樁成孔，混凝成樁前，在樁身內部預埋幾根聲測管作為聲波發(fā)射和接收換能器的上下通道，在混凝土強度達標后開始檢測，用聲波檢測儀沿樁的縱向方向以一定間距自下而上逐點檢測。通過對聲波穿過樁身的各截面的波形和聲學參數(shù)的處理、分析，從而推斷樁身混凝土的完整性，確定缺陷的位置，范圍，程度。然而當下聲波透射法檢測樁身完整性領域，尚未有提出測試實際樁身直徑的有益方法。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種基于聲波透射頻域分析計算樁徑的方法，其目的在于提出測試實際樁身直徑的方案，由此解決現(xiàn)有技術中無法測試實際樁身直徑的技術問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于基樁檢測聲波透射法的縱向剖面等效樁徑計算方法，其特征在于，所述方法包括：

利用聲波儀的低通采集技術和寬頻帶接收技術，依次全剖面獲得發(fā)射換能器和接收換能器所在平面測線的500Hz以上頻段聲波信號；

針對所述全剖面實測聲波信號，計算各待測點實時波速，獲得全剖面波速變化圖；

針對所述全剖面實測聲波信號進行傅里葉變換，得到全剖面聲波信號頻譜圖；

根據(jù)已知設計樁徑和所述待測點實時波速，計算各點的預估特征頻率，并利用刻度在所述全剖面聲波信號頻譜圖中自動進行連續(xù)標識；

根據(jù)所述全剖面聲波信號頻譜圖，在所述預估特征頻率附近找到實際特征頻率，修改所述自動完成的標識形成實際特征頻率標識圖；

根據(jù)所述全剖面波速變化圖和所述實際特征頻率標識圖，計算全剖面各測點樁徑，獲得全剖面各測點樁徑變化圖；

根據(jù)不同剖面獲得的各測點樁徑變化圖，對同一橫截面不同測線獲得的樁徑進行比較和平均，獲得所述截面的平均樁徑，構成新的全剖面樁徑變化圖，繪制樁徑隨深度變化曲線。

本發(fā)明的一個實施例中，所述聲波儀和接收換能器，用于接收500Hz以上的信號。

本發(fā)明的一個實施例中，為確保寬頻帶響應和接收能力，所用發(fā)射換能器和接收換能器不能采用相同的諧振峰，發(fā)射換能器諧振峰不得高于接收換能器諧振峰頻率值的三分之二。

本發(fā)明的一個實施例中，針對所述全剖面實測聲波信號，計算各待測點實時波速，具體為：

針對所述全剖面實測聲波信號，根據(jù)到時和聲測管管間距，計算實時波速，獲得全剖面波速變化圖。

本發(fā)明的一個實施例中，針對所述全剖面實測聲波信號進行傅里葉變換，得到全剖面聲波信號頻譜圖，具體為：

利用聲波儀對所述接收換能器獲取的對應各待測位置的實時聲波信號中的500Hz以上頻段信號進行全剖面的傅里葉變換，獲得各待測點的全剖面聲波信號頻譜圖。

本發(fā)明的一個實施例中，根據(jù)所述全剖面波速變化圖中各測點的實時波速和設計樁徑計算各相應點的預估特征頻率，并利用刻度在所述全剖面聲波信號頻譜圖中自動進行連續(xù)標識，具體為：

利用公式f_m＝kc/2D_d求取待測點預估特征頻率，其中f_m為求取的預估特征頻率，k為修正系數(shù)取k＝1.0，c為待測點實時波速，D_d為已知設計樁徑；

根據(jù)所述預估特征頻率，依序在所述全剖面聲波信號頻譜圖中自動進行逐點標識。

本發(fā)明的一個實施例中，根據(jù)所述全剖面聲波信號頻譜圖，在所述預估特征頻率附近找到實際特征頻率值，修改所述自動完成的標識，形成實際特征頻率標識圖，具體為：

在所述全剖面高精度頻譜圖中，在所述預估特征頻率附近查找諧振峰，獲取真正的特征頻率并予以標識，形成實際特征頻率標識圖。

本發(fā)明的一個實施例中，所述根據(jù)所述全剖面波速變化圖和所述實際特征頻率標識圖，計算全剖面各測點樁徑，具體為：

D′＝kc/2f_m′

其中，D′為求取的所述待測位置的實際樁徑，k為修正系數(shù)取，k＝1.0,c為測量得到的待測位置的實時波速，f_m′為所述待測位置的實際特征頻率值。

總體而言，由于混凝土灌注樁由于地下施工因素，無法觀察，其成樁質量必須通過測試確定，相對于現(xiàn)有的其他測試方法，聲波透射法的準確度更高。當下的檢測工作中由于現(xiàn)有的聲波測試技術對于無法檢測混凝土灌注樁的實際直徑；頻域分析方法在很大程度上彌補了當下測試中存在的以上幾項問題，使得測試結果更易分析判斷，具有更高的可行度，從而有利于保證工程質量以及促進了行業(yè)的發(fā)展。當下的工程實踐中，沒有對混凝土灌注樁樁徑的測試提出行之有效的方法。該項技術的發(fā)明彌補了樁基檢測行業(yè)在混凝土灌注樁樁徑檢測上的空缺。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例中用于基樁檢測聲波透射法的縱向剖面等效樁徑計算方法；

圖2是本發(fā)明實施例中常規(guī)對測法的原理示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例中一種聲波檢測儀的結構示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例中一種圓環(huán)式徑向換能器的結構示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例中試驗模型1號灌注樁的結構示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例中試驗模型2號灌注樁的結構示意圖；

圖7是本發(fā)明實施例中1#灌注樁在4.9m處的頻譜示意圖；

圖8是本發(fā)明實施例中1#灌注樁在0.5m處的接收信號頻譜示意圖；

圖9是本發(fā)明實施例中1#灌注樁在1.3m處的接收信號頻譜示意圖；

圖10是本發(fā)明實施例中1#灌注樁在3.1m處的接收信號頻譜示意圖；

圖11是本發(fā)明實施例中1#灌注樁在6.0m處的接收信號頻譜示意圖；

圖12是本發(fā)明實施例中1#灌注樁在7.6m處的接收信號頻譜示意圖；

圖13是本發(fā)明實施例中1#灌注樁在8.5m處的接收信號頻譜示意圖；

圖14是本發(fā)明實施例中2#灌注樁在1.1m處的接收信號頻譜示意圖；

圖15是本發(fā)明實施例中2#灌注樁在3.0m處的接收信號頻譜示意圖；

圖16是本發(fā)明實施例中2#灌注樁在4.5m處的接收信號頻譜示意圖；

圖17是本發(fā)明實施例中2#灌注樁在6.7m處的接收信號頻譜示意圖；

圖18是本發(fā)明實施例中2#灌注樁在7.4m處的接收信號頻譜示意圖；

圖19是本發(fā)明實施例中整個樁身等效直徑的全剖面樁徑變化圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

理論上樁身實際直徑與成孔直徑，亦樁的設計直徑相一致。但往往人為或是機械施工的不確定性的存在，可能出現(xiàn)孔徑過大或是過小的現(xiàn)象。地質土層、地下水、以及其他因素，導致的局部孔壁坍塌，使得成樁局部擴徑，實際截面直徑的大小檢測缺乏行之有效的檢測方法。這些都歸根結底都是樁身實際直徑確定問題，當下聲波透射法檢測樁身完整性領域，尚未有提出測試實際樁身直徑。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種基于聲波透射頻域分析方法，通過預先埋設的聲測管測試各個待測位置截面的樁身直徑，得出整個樁身不同位置的直徑。上述測量結果可以進一步用于與設計樁徑比較，檢驗出在誤差允許的范圍內局部或整個樁段的施工樁徑是否符合設計要求。

理論基礎：在聲波透射法檢測混凝土灌注樁完整性實際應用中，接收波中包含著由低到高的各種頻率成分，這其中在低頻斷的某一頻率，反應樁身截面信息，將其稱為特征頻率f_m′?？赏ㄟ^該特征頻率利用公式D′＝kc/2f_m′計算測點截面樁身直徑D′,k為修正系數(shù)取，k＝1.0，c為測點的實時波速。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種用于基樁檢測聲波透射法的縱向剖面等效樁徑計算方法，所述方法包括：

利用聲波儀的低通采集技術和寬頻帶接收技術，依次全剖面獲得發(fā)射換能器和接收換能器所在平面測線的500Hz以上頻段聲波信號；

針對所述全剖面實測聲波信號，計算各待測點實時波速，獲得全剖面波速變化圖；

針對所述全剖面實測聲波信號進行傅里葉變換，得到全剖面聲波信號頻譜圖；

根據(jù)已知設計樁徑和所述待測點實時波速，計算各點的預估特征頻率，并利用刻度在所述全剖面聲波信號頻譜圖中自動進行連續(xù)標識；

根據(jù)所述全剖面聲波信號頻譜圖，在所述預估特征頻率附近找到實際特征頻率，修改所述自動完成的標識形成實際特征頻率標識圖；

根據(jù)所述全剖面波速變化圖和所述實際特征頻率標識圖，計算全剖面各測點樁徑，獲得全剖面各測點樁徑變化圖；

根據(jù)不同剖面獲得的各測點樁徑變化圖，對同一橫截面不同測線獲得的樁徑進行比較和平均，獲得所述截面的平均樁徑，構成新的全剖面樁徑變化圖，繪制樁徑隨深度變化曲線。

首先結合實驗說明本發(fā)明方法，試驗方法為如圖2所示的常規(guī)對測法，具體地：

(A)儀器選擇與參數(shù)設定

試驗所使用儀器為如圖2所示的非金屬超聲波檢測儀，配有如圖3所示的圓環(huán)式徑向換能器，發(fā)射換能器主頻分別為40kHz，接收換能器主頻為60kHz。實測信號均由1#、2#圓樁(如圖4、圖5所示)聲波透射法檢測獲得。儀器參數(shù)設置為：采樣步距為10cm，采樣點數(shù)為2048個，采樣間隔為3μs，通頻帶設置為10Hz-60kHz，延遲時間0μs，發(fā)射電壓500v，信號后處理使用超聲分析系統(tǒng)軟件。

其中，所述接收換能器，需要能夠接收500Hz以上的信號。另外，為確保寬頻帶響應和接收能力，所用發(fā)射換能器和接收換能器不能采用相同的諧振峰，發(fā)射換能器諧振峰不得高于接收換能器諧振峰頻率值的三分之二。

(B)實驗方法

常規(guī)對測，利用聲波儀的低通采集技術和寬頻帶接收技術，依次全剖面獲得發(fā)射換能器和接收換能器所在平面測線的500Hz以上頻段聲波信號；

(C)數(shù)據(jù)處理

a獲得全剖面聲波信號頻譜圖

可以針對所述全剖面實測聲波信號，計算各待測點實時波速，獲得全剖面波速變化圖；具體地，可以針對所述全剖面實測聲波信號，根據(jù)到時和聲測管管間距，計算實時波速，獲得全剖面波速變化圖。

針對所述全剖面實測聲波信號進行傅里葉變換，得到全剖面聲波信號頻譜圖；具體地，利用聲波儀對所述接收換能器獲取的對應各待測位置的實時聲波信號中的500Hz以上頻段信號進行全剖面的傅里葉變換，獲得各待測點的全剖面聲波信號頻譜圖。

b，確定預估特征頻率

根據(jù)已知設計樁徑和所述待測點實時波速，計算各點的預估特征頻率，并利用刻度在所述全剖面聲波信號頻譜圖中自動進行連續(xù)標識；具體地，利用公式f_m＝kc/2D_d求取待測點預估特征頻率，其中f_m為求取的預估特征頻率，k為修正系數(shù)取k＝1.0，c為待測點實時波速，D_d為已知設計樁徑；根據(jù)所述預估特征頻率，依序在所述全剖面聲波信號頻譜圖中自動進行逐點標識。

c，確定實際特征頻率

根據(jù)所述全剖面聲波信號頻譜圖，在所述預估特征頻率附近找到實際特征頻率，修改所述自動完成的標識形成實際特征頻率標識圖；具體地，在所述全剖面高精度頻譜圖中，在所述預估特征頻率附近查找諧振峰，獲取真正的特征頻率并予以標識，形成實際特征頻率標識圖。

d，確定實際樁身直徑

根據(jù)確定的完整樁身截面實際特征頻率值f_m′，按公式反算實際樁身直徑D′＝kc/2f_m′，進而研究不同接收換能器主頻，不同樁身直徑，不同測距下，計算直徑與設計直徑誤差，驗證計算方法的正確性。

e，繪制等效樁徑隨深度變化曲線

進一步地，可以根據(jù)所述全剖面波速變化圖和所述實際特征頻率標識圖，計算全剖面各測點等效樁徑，獲得全剖面各測點等效樁徑變化圖；

根據(jù)不同剖面獲得的各測點樁徑變化圖，對同一橫截面不同測線獲得的樁徑進行比較和平均，獲得所述截面的平均樁徑，構成新的全剖面樁徑變化圖，繪制樁徑隨深度變化曲線。

示例：

以1#樁為例，該樁樁徑為1m，深度為4.9m處測點信號頻域如圖6所示。該點實測波速4265m/s，特征頻率估算值為f_m′＝kc/2D_d＝2465/(2×1)＝2133Hz。

由結果圖易知，f_m′＝2133Hz附近存在三個峰值點，從小到大分別為：1628Hz，2116Hz，2441Hz。樁徑計算見表1。

表1特征頻率與計算樁徑

通過上表計算，可見特征頻率的存在與計算方法的正確性。

說明：a.結合聲時、聲幅、主頻以及時域波形可初步判斷測點截面完整性。若截面完好，則預估特征頻率值f_m約等于實際特征頻率值f_m′；

b.實測證明：完整樁段部分，按f_m′計算出的D′與D_d的最大相對誤差不超過10％，大多數(shù)測點的相對誤差很小。頻譜圖中，與f_m′相鄰的左右兩個峰值點計算出的樁徑與設計樁徑的相對誤差均超過10％。并且，f_m′作為反映樁身直徑信息的基頻，在頻譜圖中存在2階、3階乃至更高階峰值點。以上證明：實際特征頻率值f_m′是唯一的。

以下結合具體實施例說明本發(fā)明計算樁徑的方法：

聲波透射頻域分析方法工程應用1-計算樁身直徑

1樁徑計算流程

(1)在已知設計樁徑D_d的情況下，讀取儀器測得該待測位置的實時波速_c。

(2)按公式計算待測位置預估特征頻率f_m＝kc/2D_d。

(3)觀察信號頻譜圖低頻部分，在預估特征頻率值f_m附近找到實際特征頻率值f_m′。

(4)將c與實際特征頻率值f_m′代入公式D′＝kc/2f_m′，求得該待測位置處的樁徑D′。

2完整樁身部分的直徑計算方法

2.11號灌注樁測試

對1號灌注樁進行檢測，發(fā)射探頭主頻為40kHz，接收探頭主頻為60kHz，采用常規(guī)對測，測管3-4(非徑向方向)間距為0.485m。

1號樁樁徑為1.0m，測管深度為8.5m，從樁底到樁頂每隔0.1m采集一次共采集85個實測信號，對其進行頻域分析并采用上述方法計算各待測位置處樁徑。由于待測位置數(shù)據(jù)較多，選取完整部分的深度分別為0.5m、1.3m、3.1m、6.0m、7.6m、8.5m處的待測位置計算樁徑，儀器實測信號頻譜圖如圖8-13所示。根據(jù)步驟(1-4)在圖8-13中讀取特征頻率并計算樁徑，其結果如表2所示。

表2樁身待測位置3-4頻域計算結果

2.2 2號灌注樁測試

儀器設定不變，對2號樁1-3測管進行檢測，其樁徑為0.8m，測管深度為9.0m，從樁底到樁頂每隔0.1m采集一次共采集90個實測信號，同樣采用上述方法進行分析。其中選取深度為1.1m、3.0m、4.5m、6.7m、7.4m處儀器實測信號頻譜圖如圖14-18圖下。

根據(jù)步驟1-4在圖中讀取特征頻率并計算樁徑，其結果如表3所示。

表3樁身待測位置1-3頻域計算結果

以上數(shù)據(jù)均為隨機選取的完整樁的部分待測位置，其樁徑計算結果與設計結果吻合較好，誤差在合理范圍內，由于篇幅有限，沒有將所有完整樁段待測位置的結果全部列出，實測的結果表明，選擇特征頻率計算完整樁段的直徑計算方法是正確可行的，而且不論沿著徑向還是斜向方向，均可以得到較好的測試結果。

進一步地，還可以根據(jù)上述測量樁徑的方法，沿基樁的徑向方向，測量基樁上多個測點的等效樁徑并對多個測點的等效樁徑取平均值獲得平均等效樁徑，然后對樁身軸向重復上述測量過程，獲得如圖19所示的整個樁身實際直徑的全剖面樁徑變化圖。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。