模糊數學在超聲波檢測樁基完整性中的應用

陳向陽,王志鑫

(長沙理工大學,湖南長沙 410004)

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模糊數學在超聲波檢測樁基完整性中的應用

陳向陽,王志鑫

(長沙理工大學,湖南長沙 410004)

摘要:現有規范對于樁基完整性的評判過于簡單,所用方法過于籠統,而且對于有些樁基的完整性很難準確判定。文中根據超聲波透射法檢測樁基所得波速、波幅和波形,利用模糊數學對樁基完整性進行分析,以準確判斷樁基的完整性。

關鍵詞:橋梁;樁基;超聲波;模糊數學;完整性

目前,在超聲波透射法檢測中,在利用接收器接收的信號確定缺陷的有無、大小、形狀和性質時常會遇到這樣的問題,即缺陷信號與散射波信號之間及不同類型缺陷信號之間的特征比較模糊,很難對它們作出十分精確的判斷。

作為隱蔽工程,樁基礎一般在地下或水下,具有技術要求高、工序繁雜、施工難度大等特點,在施工過程中很容易出現質量問題,對于樁基的檢測研究尤為重要。運用超聲波檢測樁基時,一般采用波速、波幅和PSD(功率譜密度)值進行樁身完整性判斷,由于對導致異常聲測曲線的缺陷的大小、性質判斷不精確,很難對樁基完整性進行精確判別。為此,該文運用模糊數學對超聲波樁基檢測中出現的較模糊的缺陷作出判別。

1 基于模糊數學的樁基完整性判別

除波速、波幅外,波形也能直觀地反映樁基的完整性,波形畸變的厲害程度與樁基質量有一定關系。因此,應用模糊數學建立的評判因素集為{波速,波幅,波形}。波速、波幅、波形對于判斷樁基檢測完整性有不同程度的影響,賦予相應權重為A={0.6,0.3,0.1}。

1.1 隸屬度函數確定

常用的隸屬度函數有偏大型、中間型和偏小型3種。在樁基檢測中,優秀的采用偏大型,合格的采用一般型,不合格的采用偏小型。其函數形式,偏大型為:

中間型為:

偏小型為:

1.2 置信區間的劃分

在超聲波樁基檢測中,通過發射器發出的波速在不同介質中的傳播速度不同,從而不同程度地反映樁基的質量。因此,波速通常作為判斷樁基完整性的主要參數之一。波速臨界值是界定波速是否異常的參照值,可根據臨界值確定波速的置信區間。波速臨界值vc=vm-2σv(vm為波速平均值,σv為波速標準差)。取a=vm-2σv,b=vm,c=vm+ 2σv。

波幅的大小是聲波在傳播中衰減程度的具體體現。超聲波在砼中傳播的衰減情況可由波幅測值的變化直接反映,并且波幅遇到缺陷時突變明顯進而反映樁基的質量。因此,波幅可用于判斷樁基的完整性。不過波幅容易受儀器性能、換能器耦合情況、測距等非缺陷因素的影響,故不可單憑波幅情況進行判別。波幅臨界值是界定波幅是否異常的參照值,可根據臨界值確定波幅的置信區間。波幅臨界值Ac=Am-6(Am為波幅平均值)。取a=Am-6,b=Am,c=Am+6。

波形對于判斷樁基完整性有參考作用,波速和波幅也從側面影響波形的好壞。當超聲波在有缺陷的砼中傳播時,缺陷的復雜界面使其傳播路徑復雜化,產生繞射、反射、折射等,最后形成一個波形畸變的超聲波信號,波形畸變越厲害則砼缺陷越嚴重。波形的好壞可反映樁基的質量,但波形易受非缺陷因素的影響,只能作為輔助參考。波形的置信函數不是通過計算得到,而是通過綜合分析確定。

1.3 模糊評判分析

采用超聲波的波速、波幅和波形作為評判因素域,即U={波速,波幅,波形},評判論域V={優秀,合格,不合格},則模糊關系矩陣R=U×V。根據賦予的權重和模糊矩陣得出綜合評判矩陣B=A· R,由此判斷樁基缺陷的有無及程度。

2 實例分析

2.1 超聲波檢測結果

某橋梁樁基長度為7.4 m,直徑為1.2 m,采用C25砼。設置3根聲測管,檢測儀器為RSM -SY6。1-2剖面0～4 m處的檢測數據見表1。

表1 0～4 m的檢測數據

1-2剖面跨距為850 mm,波速平均值vm= 4.460 km/s,波幅平均值Am=102 dB;標準差:σv=0.065,σA=3.9;臨界值:vc=4.33 km/s,Ac=96 d B。通過表1可以看出:2.4～2.8 m處波速、波幅明顯偏低,該范圍存在缺陷。

2.2 樁基完整性模糊評判

利用模糊數學分析該樁基,分別計算2.0、2.6 m兩個測點處的模糊矩陣,對其完整性進行評價。

2.2.1 求波速的隸屬函數

把波速的平均值vm=4.460 km/s、標準差σv= 0.065、臨界值vc=4.33 km/s帶入式(1)～(3),得優秀的波速的隸屬函數為:

合格的隸屬函數為:

不合格的隸屬函數為:

在深度2.0 m處,波速v=4.57 km/s,帶入式(4)～(6),得到2.0 m處波速的隸屬函數為U1× V1=(0.85,0.15,0)。在深度2.6 m處,波速v= 4.067 km/s,帶入式(4)～(6),得到2.6 m處波速的隸屬函數為u1×v1=(0,0,1)。

2.2.2 求波幅的隸屬函數

同理,把波幅的平均值、標準差、臨界值帶入式(1)～(3),得優秀的波幅的隸屬函數為:

合格的隸屬函數為:

不合格的隸屬函數為:

在深度2.0 m處,波幅A=100.6 dB,帶入式(7)～(9),得到2.0 m處波幅的隸屬函數U2×V2=(0,0.77,0.23)。在深度2.6 m處,波幅A=93 dB,帶入式(7)～(9),得到2.6 m處波幅的隸屬函數u2×v2=(0,0,1)。

2.2.3 求波形的隸屬函數

超聲波檢測得到的2.0、2.6 m處波形分別見圖1、圖2。

圖1 2.0 m處第10個測點的檢測波形

圖2 2.6 m處第13個測點的檢測波形

分析圖1、圖2所示波形,2.0 m處波形首波陡峭,波幅高,第一個周期的后半周達到較高振幅,波形無畸變,確定隸屬函數U3×V3=(0.8,0.2,0); 2.6 m處波形首波平緩,波幅小,向后延遲,第一個周期的后半周和第二周期波幅仍小,波形有畸變,確定隸屬函數u3×v3=(0,0.1,0.9)。

2.2.4 模糊評判分析

根據上述分析結果,在深度2.0 m處,波速的隸屬函數為U1×V1=(0.85,0.15,0),波幅的隸屬函數為U2×V2=(0,0.77,0.23),波形的隸屬函數為U3×V3=(0.8,0.2,0),從而得2.0 m測點處的模糊矩陣為:

在深度2.6m處,波速的隸屬函數為u1×v1=(0,0,1),波幅的隸屬函數為u2×v2=(0,0,1),波形的隸屬函數為u3×v3=(0,0.1,0.9),得2.6 m測點處的模糊矩陣為:

從而得到深度2.0、2.6 m處的綜合評判矩陣分別為:

根據評判結果,2.0 m測點處該剖面為優秀,2.6 m測點處該剖面為不合格,與實測結果一致。

3 結語

該文采用的模糊綜合判定方法充分考慮了影響砼質量評價中的各聲學參數,從實例計算結果來看,利用該評價方法可準確判斷樁基完整性,得出的結果與實際工程相符,對于判斷樁身是否存在缺陷具有較好的可靠性。

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收稿日期:2015-03-07

中圖分類號:U446.2

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0205-03