聲波透射法檢測中聲測管斜管的管距修正研究

王 軍，周 濱，孫 根，陳洪祥

（1.廣東潮惠高速公路有限公司，廣東 廣州 510100；2.同濟大學地下建筑與工程系，上海市 200092；3.寧波市慈城古縣城開發建設有限公司，浙江 寧波 315031）

0 引言

樁基工程屬于隱蔽工程，其施工完成后的質量檢測對于結構安全至關重要。聲波透射法作為目前最常用的樁基質量檢測技術手段之一，具有操作簡便、檢測范圍廣、檢測細致全面、數據豐富可靠等優點。在聲波透射法檢測中，波速是用于判別樁身完整性最重要的聲學參數；但波速并不是通過聲波儀直接測量得到的，而是通過在基樁頂部測得的聲測管間距除以聲波在兩根聲測管所夾混凝土中的傳播時間得到[1-4]。

在實際檢測過程中，若兩根聲測管相互平行，則在某測點i處，根據樁頂聲測管間距和聲波實際傳播時間計算得到的聲速，與該測點的實際聲速值是相同的。但在實際工程中，若施工人員在聲測管焊接過程中發生操作失誤，或在灌注混凝土過程中過量灌注擠壓鋼筋籠，就會產生聲測管彎曲、傾斜等不利情況，導致同一個檢測剖面的實際測距與量測的樁頂聲測管間距之間有差距，造成計算所得到的聲速值偏大或偏小，容易引起樁身完整性的誤判；當聲速值發生嚴重偏差時，甚至無法分析實測數據，導致檢測失敗；更有甚者，當聲測管彎曲到一定程度時，聲測換能器無法下降至樁底，或卡在聲測管中無法提起，不僅不能進行基樁檢測，還會造成儀器受損。

針對上述問題，本文以長沙市萬家麗路快速化改造工程樁基完整性檢測為背景，結合多年的工程經驗，整理總結了常用的聲測管斜管管距修正方法，并以實際工程數據對比分析了各修正方法的效果，最后綜合考慮多方面因素，給出了聲測管斜管管距修正的最優方法。

1 常用管距修正方法

1.1 投影法

采用投影法進行管距修正時，首先要根據實測數據進行擬合計算得到該斜管在空間中的直線方程，然后利用空間中點與點之間的距離公式求得某一剖面下的真實管距。

投影法修正管距的步驟如下：

設在第i個測試面，將3根聲測管投影在該水平面上，如圖1（a）所示；將傾斜的聲測管設為1管，其投影為1-1i，其余兩根聲測管正常，其在該水平面的投影為兩個點。剖面1-2和1-3的計算管距為D12和D13，實際管距為D21i和D31i。假設樁身混凝土均勻，以樁頂聲速值為基準，若樁頂混凝土存在缺陷，則取樁頂下2～4 m混凝土聲速平均值為基準，將第i個測試面測得的聲時值通過計算得到該測試面的聲測管近似實際間距。建立平面坐標（x，y），繪制兩個以2管和3管為圓心、以近似實際間距為半徑的圓，如圖1所示，確定1i的位置；然后用坐標的形式將1管、2管、3管在測試面上的投影表示出來，并將其坐標分別向x軸和y軸投影。建立方程：

以1管頂端為原點，建立如圖1b所示空間相對坐標（x′，y′，z），z軸沿著樁身豎直向下，x′軸和 y′軸分別平行于原坐標的x軸和y軸；從樁頂到樁底，對不同的測試面采用相同的處理方法來獲得斜管在x′z平面和y′z平面上的管距散點圖進行一元線性回歸分析，得到斜管在兩個平面上的回歸方程。

通過這兩條空間直線且垂直于該直線所在平面的兩個平面的交線即為斜管在空間坐標系中的直線方程：

最后通過空間坐標轉換，得到斜管在空間坐標（x，y，z）中的直線方程：

根據斜管直線方程，可以求出任何測試平面任意兩根聲測管之間的管距，該管距可近似為修正后的聲測管實際管距。

圖1 投影法示意圖

1.2 扇形掃測法

扇形掃測法修正管距的步驟如下：

（1）以實測聲速-深度曲線的突變點為分界點將曲線劃分為若干段，但是某一深度的測點聲速值用上下扇形掃測后的平均值代替。

（2）將在某一水平測試面測得的聲速值和通過扇形掃測所得聲速值的平均值來擬合，得到擬合曲線f（z）。

（3）假定樁身混凝土均勻，并以樁頂混凝土聲速為基準，若樁頂混凝土存在缺陷，則取樁頂往下2～4 m混凝土聲速平均值為基準。由

得

因此

式中：f（z）為v（z）的擬合曲線；v（z）為實測聲速-深度曲線；D0為樁頂聲測管間距；t（z）為實測聲時；D（z）為修正后的深度為z的聲測管間距；v0為樁頂混凝土聲速；v′（z）為修正后的混凝土聲速。

（4）繪制管距修正后的聲速-深度曲線v′（z），如圖2所示。

圖2 扇形掃測法管距修正原理示意圖

1.3 神經網絡法

神經網絡本質是一種數學模型，大量神經元節點依據不同的連接方式建立復雜的網絡，每個節點中包含一個特定的輸出函數，即激勵函數[5]。

圖3 BP神經網絡結構圖

在神經網絡法中，通過聲測管的彎曲函數D（z）=f（z）來修正聲測管管距：

式中：v′（z）為深度z處的修正后聲速值；t（z）為深度z處的實測聲時值；D（z）為深度z處的聲測管間距；f（z）為聲測管彎曲函數。

構造兩層B P神經網絡模型（見圖3），來對聲測管彎曲函數進行逼近，隱層神經單元個數為5。

實現函數逼近的步驟如下：

（1）定義樣本輸入矢量P和目標矢量t。

（2）初始化網絡設置，設置矢量 w1、b1、w2、b2。

（3）利用MATLAB軟件，采用自適應學習率調整算法對B P神經網絡進行訓練，訓練完成即代表函數逼近實現。

最后將逼近得到的函數代入公式，求得聲測管斜管管距修正后不同深度的聲速值。

2 不同管距修正方法的實例比較

針對上節總結梳理的三種常用的管距修正方法，本節結合長沙市萬家麗路快速化改造工程樁基完整性檢測中遇到的實際問題，采用三種不同的方法進行修正，并計算修正后的實際聲速值，再根據規范要求計算其聲速平均值，對不同方法的修正效果進行綜合評估。

2.1 試樁基本情況

本節選取的聲波透射法實測樁的基本信息見表1。

圖4 實測聲速-深度曲線

選擇試樁的實測聲速-深度曲線如圖4所示，曲線在8 m左右的深度處開始下彎，至15 m左右處又逐漸上揚。以曲線的轉折點即15 m處為分界點，對實測曲線進行擬合，然后再對管距進行修正。

2.2 修正效果分析

如圖5所示分別為投影法、扇形掃測法和神經網絡法對實例中選取的剖面實測曲線的修正結果。修正曲線能夠在反映樁身質量缺陷的基礎上，將其他非樁身質量缺陷引起的異常聲速值修正至混凝土正常聲速范圍內。為評估不同方法的修正效果，對其修正后的聲速值進行統計，對比分析。

表2中：

圖5 修正后剖面聲速-深度曲線

式中：Δv為聲測管彎曲剖面修正后聲速平均值與非彎曲剖面聲速平均值的差值；vˉ是聲測管非彎曲剖面的聲速平均值；vi是對聲測管剖面修正后的聲速平均值。

表2 不同方法修正效果對比

通過表2所反映的Δv，其數值大小客觀反映了不同管距修正方法的效果。分析如下：

（1）投影法擬合曲線精度低，誤差最大，擬合效果也最差。

（2）扇形掃測法避免了聲速波動帶來的影響，規避了系統誤差，擬合效果較好。

（3）神經網絡法通過B P神經網絡對聲測管彎曲函數實現逼近，其精度最高，擬合效果也最好。

2.3 不同修正方法綜合評價

在查閱大量文獻的基礎上，結合個人工程經驗，從簡易性、工作量、適用范圍和精確度四個維度對三種修正方法進行評估，每個評估因素分上、中、下三個相對指標（見表3）。

在綜合評價前，從修正過程和修正效果兩個角度出發，對以上四個評估要素進行重要性排序。首先，修正管距的目的是獲得某深度處的真實聲測管間距，故修正效果的重要性大于修正過程，即適用范圍和精確度兩個評估要素相對簡易性和工作量而言更重要；然后，修正的精度直接影響樁身完整性的判別，故精確度的重要性大于適用范圍；最后，由于聲波透射法檢測采集得到的數據量巨大，伴隨而來的數據處理工作量也會大大增加，因此工作量的重要性大于簡易性。綜上所述，重要性排序為：精確度＞適用范圍＞工作量＞簡易性。

表3 管距修正方法評估

表4 不同修正方法賦值統計表

將上述四個評估要素從左至右按其重要性從小到大依次賦予10%、20%、30%和40%的權重，再將每一個評估要素的上、中、下分別賦值為3、2、1，最后統計得到每種修正方法的真值；真值越大，則對修正方法的綜合評價越高（見表4）。

3 結語

采用聲波透射法進行基樁完整性檢測時，由于聲測管不平行而導致測得的聲速值偏大或偏小，影響了檢測人員對于樁身完整性的正確判別。本文針對這一問題進行了研究探討，力求尋找最優方法來修正斜管管距問題。主要結論如下：

（1）總結整理了三種常用的管距修正方法，即投影法、扇形掃測法和神經網絡法，分析其原理，并詳細闡述了修正步驟。

（2）將整理出來的修正方法運用到工程實例中，比較不同修正方法的修正效果和差異。并從簡易性、工作量、適用范圍和精確度四個維度出發，以賦權重的方式綜合評估了三種管距修正方法。其中，神經網絡法的綜合得分最高，修正效果最好。

綜上，本文建議采用神經網絡法來進行聲波透射法檢測中聲測管斜管的管距修正。

參考文獻：

[1]張永樂，楊建超,唐德高.混凝土中超聲波波速特征檢驗研究[J].河海大學學報：自然科學版，2008，36（3）:371-374.

[2]吳新旋，吳慧敏.混凝土無損檢測技術[M].北京:人民交通出版社，2002.

[3]JGJ 106—2014,建筑基樁檢測技術規范[S]．

[4]陳龍珠，沙玲,鄧俊杰.混凝土波速受檢測方法影響的研究[J].巖土工程學報，2006，28（6）:685-688.

[5]周喻，吳順川，焦建津，等.基于B P神經網絡的巖土體細觀力學參數研究[J].巖土力學，2011，32（12）:3821-3826.