声波透射法测桩中过滤分析法的应用

　　摘要本文主要介绍声波透射测桩中过滤法与常用的概率分析法对比、及过滤法原理，及使用过滤法测试的判定建议，并应用到工程实践当中。
　　关键词概率法；过滤法；首波初至；相对能量；瀑布图
　　1前言
　　随着中国城市化步伐的加快，高层建筑越来越多，桩基础以其良好的抗震性能和较大承载能力使用更加广泛。然而，桩基础属于隐蔽工程，施工质量难以保证，因而基桩完整性检测显得尤为重要，目前声波投射法测桩可靠度高，且不受桩长影响而被广泛应用于检测预埋声测管的灌注桩。
　　如今国内对声波透射法测试数据分析主要采用概率法和PSD判剧[1]，前者理论依据是随机误差引起的混凝土质量（强度）的波动符合正态分布，而混凝土的质量与声学参数存在相关性，以此认为混凝土声学参数也服从正态分布[2]（混凝土质量与声速相关性多为幂函数，而非线性）。作为辅助的PSD判据法又称：相邻两测点间声时的斜率和差值的成积判据[4]，它抛弃了声时按正态分布假定，超声波在传播介质性质发生变化缺陷区发生突变，声时值在缺陷区变化规律是不连续函数，缺陷边界上函数斜率增大。以上方法均建立在声时是一个绝对量，声时的准确判读十分关键，即首波初至时间(FAT)判定将非常重要，将影响到其他声学参数(声速、首波波幅)。发射换能器发出的超声波属于机械波，测试过程中容易受外界信噪环境的干扰，这时首波将难以读取。
　　考虑了系统延迟、水和测管的耦合声时，且声波传输距离统一按桩顶测管设定，理论上参加统计的应该是同等条件下获取的声时，但实际上测管距离很难保证一致，这些都表明使用相对声时进行统计更显合理。CHA声波透射测试系统采用过滤法的数据处理技术，它是通过对首波判断[3]、引入相对能量概念[3]、对瀑布图[3]分析的一种综合的判定和解释的方法。
　　2首波初至时间(FAT)的确定
　　概率法当中，声时是一个绝对量，即超声波在混凝土里传播的净时间，然而基桩完整检测中我们通常只关心缺陷的有无及大小，一般不建议推断桩身强度，过滤法分析则将声时看作相对量，引入阈值概念对首波初至进行判读，包括AT-ABS绝对阈值和AT-REL相对阈值，AT-ABS阈值使用占满量程的绝对百分数作为阈值，AT-REL阈值是系统通过找出实测信号峰值，然后以峰值的相对百分数为阈值，当实测信号第一次同时超过AT-ABS和AT-REL阈值的时间定为首波初值时间，并以此计算声时(如图1所示)。绝对阈值保证接收信号微弱时采能集到首波，相对阈值能动态地统一首波判断标准。

　　图1通过AT-ABS、AT-REL阈值判定首波
　　3相对能量
　　通过上述方法采集到的为相对声时，首波幅值不能全面反映接收信号的强度。过滤法因此引入相对能量的概念，即从首波初至时间开始对后续一时间段接收信号的电压进行积分，积分范围可以根据需要选定，一般为18~60个采样点。过滤法中使用相对能量计算比只采用首波波幅能更合理分辨实际接收信号的强弱。图2两竖向虚线间为相对能量积分范围。
　　图2相对能量计算长度
　　4瀑布图定位缺陷
　　过滤法中使用瀑布图，又称波列图，可以形象地的表现出桩身特性。其工作原理是经过接收换能器将接收的振动信号转化为电信号(电压值)，系统将电压默认为不同颜色(通常为显示清晰+10V对应绿色、0V对应白色、-10V对应黑色)，每个测点显示图像与其原始接收波形相对应，通过观察瀑布图可快速发现、定位缺陷，大致判断缺陷程度，以便作出进一步分析。
　　5工程实践
　　福州某立交桥工程的钻孔灌注桩，桩径Ф1.5m，桩长26m，共埋设三根声测管。图4左边窗口为声时、PSD曲线、相对能量的深度曲线图，右边为瀑布图。
　　过滤法认为声时(波速)和能量(波幅)对识别缺陷同样重要，提出以下为判定建议：
　　1、FAT延迟(相对统计初至时间)0到10%，并能量减少＜6dB认为正常；
　　2、FAT延迟11-20%，并能量减少＜9dB认为有疑惑；
　　3、FAT延迟21-30%，并能量减少在6-12dB之间认为质量低或小缺陷；
　　4、FAT延迟＞31%，并能量减少＞12dB判定为缺陷。

　　图41-2剖面测试图
　　图4、图5具有明显的相似性，右边瀑布土均在0.5m、4m处出现空白区域，查看左方各曲线对应位置，1-2剖面0.5m处FAT延迟37%，能量减少7.9dB，4m处FAT延迟15%，能量减少14.5dB；2-3剖面0.5m处FAT延迟43%，能量减少13.7dB，4m处FAT延迟11%，能量减少13.8dB。两剖面在0.5m处质量低或小缺陷，4m处为疑惑区域。
　　
　　图52-3剖面测试图
　　图61-3剖面声时和能量深度曲线，均反映出桩身混凝土质量良好，19.6m处PSD曲线产生突变，而该点能量没有明显减少，瀑布图正常，究其原因为测试时受外界干扰信号影响系统测读。

　　图61-3剖面测试图
　　6结语
　　过滤法采用相对声时和相对能量进行计算，反映超声波经过混凝土调解后的变化更接近于实际，高分辨的瀑布图省去查看每个测点的接收波形，可快速定位缺陷作进一步分析，提高工作效率。
　　
　　参考文献
　　[1]建筑基桩检测技术规范(JGJ106-2003).北京：中国建筑工业出版社，2003
　　[2]陈凡等编著.基桩质量检测技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2003
　　[3]韩亮译.跨孔声波透射法测试仪手册[M].欧美大地仪器设备中国有限公司
　　[4]姜卫方、高飞编著.基桩检测人员上岗考试题库[M].北京：中国建筑工业出版社，2008