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张献民吕耀志谈声测管弯斜小波分析

2020-05-06

为消除声测管弯斜对桩基检测结果准确性的影响,根据一维小波分析原理,在深人分析声波透射法测管弯斜时检测信号特点的基础上,运用一维小波分析原理通过计算机模拟得到了弯斜识别效果最优的小波函数。建立了声测管弯斜修正模型,利用修正模型对实际工程中某桥梁桩基声测管发生弯斜的检测数据予以修正,修正后的数据不仅能够消除声测管弯斜对检测数据的影响,且保留了检测信号中有用的高频信息,取得了较好的修正效果。

    桩基础埋于地下属于隐蔽性工程,在施工、检测中稍有不慎极易造成工程质量隐患。声波透射检测法检测精度高,不受桩长、桩径限制,具有检测信号易采集和分析等优势,在灌注桩和地下连续墙的检测中得到广泛应用。虽然声波透射法在桩基检测中拥有众多优点,但预埋声测管管距变化(弯斜)问题却一直困扰着检测人员。由于检测时是将外漏于桩顶部的声测管间的距离当作桩身各处测管间的距离,因此声波透射法检测规程[13]中明确要求声测管应保持平行,即两声测管管距为一定值。实际的桩基础施工中往往做不到这一点,尤其是在没有放置钢筋笼的灌注桩中,声测管弯斜常会发生,影响检测的准确性,甚至造成误判、漏判,给工程质量带来隐患。可见,在桩身完整性判断前对声测管是否弯斜进行检测并对管距进行修正是十分必要的。相关学者在声波透射法检测桩基缺陷方面已经做了大量的研究工作,对声测管的弯斜判断和修正也做过很多研究,取得了一定效果。目前,工程中主要依靠拟合的方法来减小声测管弯斜对检测结果的影响,拟合时函数的选取具有很大的人为因素,且拟合的办法并不能自动识别出声测管是否弯斜、在何处弯斜。

    笔者在分析声测管弯斜原因和特点的基础上,提出将小波分析理论用于声测管弯斜的识别与修正,通过计算机模拟以及工程实例的检验,证实了该理论的可行性,在声测管弯斜修正方面取得了较好的效果。
    声测管作为声波透射法测桩的径向换能器的通道,埋设数量决定了每根桩中检测剖面的个数和检测精度。为了保证检测精度同时又不造成检测成本过高,规范对声测管的埋设做了具体规定:当桩径D簇800 mm时,设置2根管;桩径800<D簇2 000mm,设置不少于3根管;当D}2 000 mm时,设置不少于4根管,布置图如图1所示。检测时,沿箭头所指方向开始将声测管按顺时针方向编号。图中1检测剖面的编号分别为:1-2;1-2,1-3,2-3;1-2,1-3,1-4,2-3,2-4,3-4。当声测管的根数为n时,每根桩的检测剖面就有C个。

    在灌注桩的施工中易造成声测管的弯斜,且由于声测管埋于桩内,一旦发生弯斜很难被发现。造成声测管弯斜的原因有很多,主要有以下几个方面:a.在钻孔后安放钢筋笼的过程中钢筋笼的底部会在地面拖动,如果声测管固定不牢,很容易发生弯曲变形;b.声测管与钢筋笼焊接不牢固或绑扎间距过大时,在浇筑混凝土时声测管受混凝土挤压发生弯曲变形;。.当钢筋笼横截面上固定声测管的多边形或不是相等且平行的多边形,会导致固定在相应定点上的声测管在节点间不能保持平行。
    声波透射法检测桩基缺陷时得到的检测数据是在桩身内不同深度处的声时一波幅信号,根据在桩顶部测得的声测管之间的距离,可以计算得到桩身内不同深度处的波速和波幅。波速计算公式为

    目前,提出的对声测管弯斜的修正主要有“投影法”、“多项式拟合法”和“神经网络法”等仁4一7〕,这些方法在声测管的弯斜修正方面取得了较好的效果,然而在解决声测管弯斜的识别与修正问题时,大都需要人工凭经验来判断,具有局限性。下面简要分析几种方法的特点:
    1)投影法:理论上清晰明确,但只能处理个别简单的弯曲情况,若有两根以上的声测管产生弯曲,此法就无能为力了。由于其适用范围的局限性,此法没有推广。
    2)多项式或三角函数拟合:由于声测管弯曲变化的多样性和难以预测性,且最小二乘法拟合建模需先给定建模函数形式,人为所选取的模型函数具有主观性,且对修正结果具有很大影响,使该方法的应用有一定的局限性;但因其理论简单、实用性强,目前工程中主要采用此方法。
    3)神经网络法:理论先进,但过于复杂,不易被工程界所接受,目前只停留在研究中,没有大规模工

声测管弯曲异常时检测数据的特点
    声测管一般为35^-50 mm的钢管、钢质波纹管或塑料管,为了达到一定的刚度,目前许多大直径灌注桩大都采用较贵的钢管作为声测管。固定在钢筋笼上的测管发生弯曲时曲率半径较大,其弯斜长度通常为10^30 m甚至更长,为幅值较高的渐变性异常。桩身缺陷产生的异常一般是幅值视缺陷而定的、突变性的窄范围异常Cs7。从频域的角度来看,前者可视为低频信号,后者可视为高频信号。这样就可以尝试分离这两种特点不同的信号,实现对检测数据的修正。图2和图3分别为相同强度和长度的正常桩检测信号和声测管发生弯斜时的检测信号。

    小波变换的实质是将信号展开成为一族小波基函数的加权和,这族基函数由一个带通函数平移和伸缩组成[Cs]。在离散信号的处理中,常用离散正交(或双正交)紧支集的二进小波变换〔s-io]。设小波函数为



    超声透射法测桩的检测数据在波速随深度的变化包含了很多信息:波速本身的随机波动、桩身缺陷信息和声测管弯斜对信号的影响等。采用不同小波系对采集的超声信号进行一维离散小波(Wavelet1-D)分解,由于一般的缺陷信号和噪声信号的频率相对声测管弯斜信号的频率很高,所以通过多层小波分解留下的低频信号可以反映声测管的弯斜情况。这样就可以找出声测管发生弯斜的区段以及弯斜的程度,对其进行修正。由于桩基缺陷对波速的影响是高频的,所以滤出信号中频率足够低的信号不会对信号的有用信息产生影响,与一般降噪不同的是滤去的“噪声”是低频的。

    某公路分离式立交桥13-4tt桩为钻孔灌注桩,桩径为120 cm,测试深度为62. 0 m,每根桩布置了3根声测管。从检测结果发现,剖面2^-3从47 m开始波速开始缓慢增大,到桩底波速已增大到5. 4 km以上时为明显异常。怀疑桩底部分声测管发生弯斜,故对其进行修正,如图3所示。

    对检测数据用Db‘小波进行弯斜点识别并对弯斜段进行修正,修正前、后的数据如图l0所示。用传统多项式拟合的方法对数据进行了修正,对比结果如图11所示。从图10可以看出,桩底声测管弯斜情况得到了修正,修正没有影响检测信号局部信息的传递,几乎保留了全部有用的高频信息,达到了很好的修正效果。从图n中发现,拟合虽然能够使底部声测管弯斜得到修正,但改变了部分高频信息且在非弯斜段对数据产生了影响,干扰了有用信息。可见,新的修正方法使超声透射法检测桩基的稳定性和准确性得以提高,能够减少错判和漏判的发生。

    基于信号处理中的小波分析理论,为声测管发生弯斜时检测数据的修正提供了新的思路及合理的理论修正模型。运用一维小波分析理论和计算机仿真模拟,得到了识别弯斜和修正数据的最佳小波基函数Db0。模拟结果显示,弯斜点的识别误差<400,修正误差小于0.3300,弯斜段线性识别的相关系数达到。.395以上。在对某桥梁桩基声测管弯斜数据修正中屏蔽了测管误差影响,保留了有用信息,取得了较好的修正效果。


来源:http://www.57269.net/news/202056433.html
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