郭颖佳

清远市交通运输工程质量检测站有限公司

摘 要： 提出基于声波透射法的桥梁桩基缺陷无损检测方法。通过利用超声仪、探头、声测管等声波透射专业设备，对桥梁桩基进行现场测量，采用滤波技术去除声波透射信号中的噪声获取高质量信号，利用离散小波变换方式将信号时间域变换为频率域，再对声波透射信号声速及波幅等参数进行综合分析识别，从而判断桥梁桩基是否存在缺陷问题及缺陷部位。实验证明，该设计方法的漏检率低于传统方法，在桥梁桩基缺陷无损检测方面具有良好的应用前景。

关键词： 声波透射法;桥梁桩基;缺陷部位;无损检测;超声仪;

作者简介： 郭颖佳（1989—），女，广东清远人，工程师，研究方向为公路桥梁工程检测。;

0 引言

桩基作为桥梁的主要基础结构，具有适应性强、抗震性能好、承载力高和沉降量较小等特点，在桥梁施工建设中发挥着重要作用，如何保障桥梁桩基的施工质量和检测质量显得尤为重要。影响桥梁桩基质量的因素较多，为保证桥梁的施工建设质量，在工程质量验收阶段需要检测桥梁桩基缺陷，如果不能及时发现和修复桩基缺陷，很可能会导致桥梁桩基断桩、混凝土离析等事故的发生。由于现有的检测方法在实际应用中存在漏检率较高的问题，已经无法满足桥梁桩基缺陷检测需求，为此提出基于声波透射法的桥梁桩基缺陷无损检测方法。

1 桥梁桩基缺陷无损检测方法

声波透射法是将声波发射换能器和接收换能器分别放置于被测介质的不同位置中，测得两者的间距，通过发射换能器发射一组或多组声波，当声波穿过介质到达接收换能器时，接收换能器便能接收到该组的声波信号，由此通过分析接收到声波的各项声学特征和参数信号，从而达到检测介质声波的波速，借以判定介质均匀性的目的。因其具有检测桩长不受限制、检测结果精确可靠等方面优点，被普遍应用于桥梁桩基缺陷的无损检测工作中。

1.1 桥梁桩基现场测量

桥梁桩基无损检测是在检测过程中不会对桥梁桩基造成损害的一种检测技术，本文研究采用声波透射法对桩基进行检测。声波透射法是根据超声波在不同介质之间传播特征判断桩基是否存在缺陷，对桥梁桩基和桩身的现场测量是缺陷检测排查工作的首要步骤。检测装置主要包括超声仪、探头、声测管，探头实际是一个声波换能器，其主要作用是将电能转换为声能。根据桩基缺陷检测需求，采用声波换能器、非金属超声检测仪，通过声波换能器向桥梁桩基发射超声脉冲信号，信号到达水、混凝土、空气发生反射，超声仪再接收反射信号[1]。超声探头通过声测管进入桥梁桩基内部，声测管的材质会对声波产生一定影响。目前常用的管材主要有塑料和金属两种，此次根据材料的声学性质选择声测管材料。超声仪通过探头发送的声波脉冲信号，要经过水-声测管、声测管-桩基混凝土、桩基混凝土-声测管以及声测管-水4次声能损失，图1为声波脉冲信号传播示意图。

图1 声波脉冲信号传播示意图 *载下**原图

如图1所示，声波脉冲信号经过不同界面时都会产生不同程度的损失，因此声能投射系数也有所不同，其计算公式为：

式（1）中：ε为声波脉冲信号传播界面的声能投射系数；z1为界面左侧介质的声阻抗；z2为界面右侧介质的声阻抗[2]。可以根据介质的声速和密度计算出声阻抗，其计算公式为：

式（2）中：x为声波脉冲信号在介质中传播速度；p为介质材料密度；e为阻抗系数[3]。表1为各材料声学参数表。

表1 各材料声学参数表 *载下**原图

由表1数据可知，采用金属、塑料两种材质的声测管时，声能投射率分别为3.64%、34.15%，声能透射率越高，表示声波脉冲信号传输损失越小，声测管对信号的影响越小，因此选择塑料材质的声测管。在桥梁桩基混凝土施工时，将声测管埋设到混凝土中，声测管内径在5.5～6.5cm之间，内壁要保持光滑，且内部没有杂物，在埋设过程中要使声测管与桥梁桩基平行，与水平地面垂直，声测管管口要高出桥梁桩头15～20cm[4]。如果桥梁桩径小于1.25m，桩口位置需要埋设3～4根声测管；如果桥梁桩径大于1.25m，桩口位置则需要埋设5～6根声测管，声测管呈三角形布置，管的间距应相等[5]。将探头从声测管管口处下放到管底，探头的另一端与超声仪连接，根据桥梁桩基实际情况设定检测装置的测量参数，包括发射脉冲电压、接收放大器频宽、增益、衰减器衰减值、衰减器分辨率、衰减器误差以及测时范围。开启超声仪和探头开关开始检测，测量完单根桩基所有剖面后，将测量数据上传计算机，再测量下一根桩基，直到所有桩基测量完毕，将声测管管口密封，以便后续复检，最后将采集到的声波信号按照桥梁桩基编号分类存储。

1.2 声波信号去噪处理

考虑受检测现场环境影响，采集到的部分声波脉冲信号会存在一定噪声，噪声信号会影响声波波形和频率的真实性，因此采用滤波技术对声波脉冲信号进行滤波处理，其滤波过程如下。

从声波脉冲信号集B中随机抽选一个声波脉冲序列，该序列用公式表示为：

式（3）中：X为声波脉冲序列；x为声波传播深度；y为声波脉冲信号传播速度或幅度；n为序列组数量[6]。设定一个长度为A的滤波窗口，令滤波窗口划过声波脉冲序列X，计算出该序列中值，将中值代替声波脉冲序列X原始值，输出一个新的声波脉冲序列，以此滤除掉原始声波脉冲信号序列中的小波动，完成信号去噪处理。声波透射法数值模拟模型各接收点接收信号数据如表2所示。

表2 声波透射法数值模拟模型各接收点接收信号数据 *载下**原图

1.3 桥梁桩基缺陷检测

桥梁桩基缺陷检测主要根据声波透射信号的幅值、频率等信息，而采集的声波透射信号是按照时间进行排序，无法直观地观测到声波透射信号波形变化规律。因此在上述基础上采用离散小波变换技术，将声波透射信号的时间域变换为频率域，使声波透射信号变换的物理概念更加清晰。离散小波变换公式为：

式（4）中：F(w)为经过离散小波变换的声波透射信号频域形式；f (t)为给定的时域声波透射信号；i为离散小波变换核；w为基本窗函数；d为小波基函数[7]。离散小波变换是一种积分形式，主要利用函数将原始声波透射信号表示成一簇时频局域基函数。为简化计算，用离散小波变换函数代替公式（4）中离散小波变换，用公式表示为：

式（5）中：f(x)为离散小波变换函数；a为离散小波伸缩因子；t为离散小波时间尺度因子；b为声波透射信号平移因子[8]。利用离散小波变换函数将原始声波透射信号时间域进行分解，再利用公式（4）将分解后的信号重组为频率域的声波透射信号。用声波检测仪沿桩的埋深方向以一定的测距逐点检测声波穿过桩身各横截面的波速、波幅、声时等声学参数；然后利用分析软件对数据进行处理和分析，确定桩身混凝土缺陷的位置、范围及程度，从而判定桩身完整性类别。

此次选取波幅、波速作为缺陷判断因子，分析变换后的声波透射信号，确定可疑信号，再将各个检测点的声学参数值按照由大到小排序，利用以下公式判断信号是否为声速异常信号：

式（6）中：m为声速异常情况判断值；α为声速平均值；γ为声速最大值；s为声速标准差。将判断值与声波透射信号比较，在无缺陷情况下声波传播速度是逐渐衰减的。当桩基内存在空洞、裂缝等缺陷，信号传播阻碍减小，传播速度会突然提高。因此，当声波透射信号传播速度大于m值时，表示该信号为声速异常信号[9]。对波幅异常的判断按照以下公式：

式（7）中：A为波幅异常情况判断值；n为桥梁桩基检测面测点数量；Api为声波透射信号平均波幅。在无缺陷情况下声波透射信号在频率域内呈规律性变化，波幅较小，当桩基内存在空洞、裂缝等缺陷，信号波形会发生突变，波幅升高。因此，当声波透射信号波幅大于A值时，表示该信号为波幅异常信号[10]。确定异常信号后，采用多因素概率法分析异常信号，计算出检测点处存在缺陷概率，用公式表示为：

式（8）中：P为桥梁桩基检测点处存在缺陷的概率；Z为概率保证系数；κ为声速、波幅两个参数之积为样本的标准差。根据实际情况设定一个阈值，如果公式（8）计算结果大于阈值，表示该检测点存在缺陷，反之不存在缺陷，以此完成桥梁桩基缺陷无损检测。

2 实验论证

为验证检测方法的有效性和适用性，以某桥梁工程为例，该桥梁全长1 500m，宽度为8.56m，桥梁桩基数量共18根，桩基高度为15.42m，桩基直径为156.48cm，桩身采用C42混凝土。桥梁桩基主筋采用20根JGK钢筋，钢筋直径为23.41mm；箍筋采用JDG钢筋，钢筋直径为5.62mm，采取通长布置；加劲筋采用JDG钢筋，钢筋直径为3.48mm，钢筋的间距为3.66cm。实验将18根混凝土灌注桩作为实验桩，设定68个检测面、1 364个检测点，准备5台超声仪和5个探头，根据桥梁桩基情况将超声仪发射脉冲电压设置为250V，接收放大器频宽设置为45.26kHz，衰减器衰减值为56.42dB，衰减器分辨率为1.25dB，衰减器误差为0.1%，测时范围为1564.25us。通过现场测量共采集到1.26GB的声波透射信号。通过分析声波透射信号的变换情况，共检测出1 624个缺陷参数。实验以漏检率作为两种方法的检测精度评价指标，随机抽选8个桩基的检测数据，使用OHFS软件计算得出漏检率，最后记录数据，如表3所示。

表3 两种方法漏检率对比 *载下**原图

单位：%

*载下**原表

分析表3中的数据可以得出以下结论：设计方法对桥梁桩基缺陷无损检测的漏检率最高仅为0.62%，在对#05、#07桥梁桩基缺陷检测中，漏检率为零。将所有缺陷参数都检测完成后得出，传统方法的漏检率最高为5.74%，远远高于本设计方法。实验结果证明，在桥梁桩基缺陷无损检测中，文中设计的方法相较传统方法，更能够适用于桥梁桩基缺陷的无损检测工作。

3 结语

本文针对传统桥梁桩基缺陷无损检测方法存在的不足和弊端，以声波透射法作为理论依据，提出了一种新的桥梁桩基缺陷无损检测思路。验证了声波透射法检测技术能够对声测管之间的混凝土进行全面检测，其具有干扰因素少，不受桩径和桩长影响，检测结果准确率高的特点，而且还能够进行定量判定，可靠性高，结果准确。此次研究对提高桥梁桩基安全性和稳定性，提高桥梁桩基缺陷检测精度具有重要意义。

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