帶承臺(tái)基樁的完整性檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種帶承臺(tái)基樁的完整性檢測系統(tǒng)，其包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括用于擊發(fā)的力錘及檢測器線纜集成，力錘錘擊樁身產(chǎn)生擊發(fā)信號(hào)，由檢波器對應(yīng)力波進(jìn)行波場原始數(shù)據(jù)的收集，所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對波場原始數(shù)據(jù)分別進(jìn)行上行波與下行波的波場分離，濾除下行波，得到上行波的VSP偏移圖像，根據(jù)應(yīng)力波的走時(shí)確定樁身缺陷所在位置，根據(jù)應(yīng)力波能量及速度的變異情況確定樁身缺陷的類型及程度。
【專利說明】帶承臺(tái)基粧的完整性檢測系統(tǒng)
所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種樁基檢測設(shè)備系統(tǒng)，可檢測帶有上部結(jié)構(gòu)類型樁基的完整性，適用于在港口工程及橋梁結(jié)構(gòu)的檢測診斷和維修加固領(lǐng)域，對在役碼頭、橋梁的樁頂非自由基樁的完整性檢測有較高的準(zhǔn)確性，可為樁基的損傷提供公正、準(zhǔn)確、可靠的檢測數(shù)據(jù)，為樁基可否繼續(xù)使用提供支撐依據(jù)。
【背景技術(shù)】
[0002]截止到2012年底，我國各類港口擁有生產(chǎn)用泊位31826個(gè)，擁有各種公路橋梁共計(jì)68.94萬座，這些在役結(jié)構(gòu)中很大一部分已邁入“高齡”行列，已經(jīng)不能很好的滿足結(jié)構(gòu)的使用需要，老舊結(jié)構(gòu)的技術(shù)檢測與維修改造已成為維持交通基礎(chǔ)設(shè)施正常運(yùn)作的最主要手段。而在高樁碼頭工程和橋梁工程中，樁基是結(jié)構(gòu)重要的組成部分，樁基的破壞會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部破壞或整體倒塌，對這類結(jié)構(gòu)的安全起關(guān)鍵作用。為了保證樁基質(zhì)量，對基樁損傷檢測是保證結(jié)構(gòu)安全使用、安全維護(hù)和安全管理的必要技術(shù)措施。基樁檢測領(lǐng)域涉及設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收、服役各個(gè)階段。通過檢測，對評價(jià)樁基礎(chǔ)的可靠度和剩余壽命進(jìn)行評估，從而為有關(guān)部門的改造設(shè)計(jì)和維修加固決策提供切實(shí)依據(jù)，同時(shí)亦是司法鑒定、事故索賠的關(guān)鍵判據(jù)。
[0003]樁基檢測技術(shù)在我國雖然起步較晚，但是發(fā)展比較快。國內(nèi)基樁檢測領(lǐng)域，最常用的方法是基于反射波理論的低應(yīng)變法，其基本原理是在樁頂豎向激振，彈性波沿著樁身向下傳播，當(dāng)樁身存在明顯波阻抗差異的界面(如樁底、斷樁和嚴(yán)重離析等)或樁身截面積發(fā)生變化(如縮頸或擴(kuò)頸)，將產(chǎn)生發(fā)射波，經(jīng)接收、放大、濾波和數(shù)據(jù)處理，可識(shí)別來自不同部位的反射信息。通過對反射信息進(jìn)行分析，判斷樁身混凝土的完整性，判定樁身缺陷的程度及其位置。低應(yīng)變法測試樁的完整性技術(shù)，已在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，取得了較大的成功。但反射波法理論基礎(chǔ)是假定樁為連續(xù)彈性的一維均質(zhì)桿件，且樁端自由；對于樁頂上有樁帽或承臺(tái)情況下樁的完整性檢測，是近年來在對在役碼頭或已建橋梁的檢測評估時(shí)遇到的一個(gè)重要難點(diǎn)，主要問題如下:
[0004](I)由于上部結(jié)構(gòu)樁帽或承臺(tái)的存在，樁基無損檢測時(shí)無法在樁頂(最為有利的激振位置)直接進(jìn)行激振，也難以找到合適的位置安裝檢測信號(hào)的接收裝置(例如速度傳感器或加速度傳感器)。同時(shí)，由于服役階段的橋梁或高樁碼頭所處的自然環(huán)境和場地情況的特殊性，現(xiàn)場檢測通常會(huì)受潮位、正常作業(yè)時(shí)間、可到達(dá)位置、施工人員安全等因素的影響，對檢測方法適用性提出了嚴(yán)格的要求，操作復(fù)雜、耗時(shí)過長或者占地面積較大的檢測方法是不適用的。
[0005](2)現(xiàn)役碼頭、橋梁樁基長度一般較長，通常穿過性質(zhì)不同的數(shù)個(gè)土層，且大部分位于水面及泥面以下，樁土作用機(jī)理復(fù)雜，表現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的非線性。一維應(yīng)力波理論基于對波傳播過程的線性描述，對于長細(xì)比較大、入土深度有限的簡單情況，其精度可以滿足要求。但對于碼頭、橋梁樁基，尤其是群樁支撐起的三維結(jié)構(gòu)來說，由于三維效應(yīng)影響作用，傳統(tǒng)低應(yīng)變檢測方法效果不理想。[0006](3)低應(yīng)變法測試樁的完整性技術(shù)，已在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，取得了較大的成功，但反射波法理論基礎(chǔ)是假定樁為連續(xù)彈性的一維均質(zhì)桿件且樁端自由。應(yīng)用應(yīng)力反射波損傷檢測方法檢測基樁完整性時(shí)，對于單一的基樁，沒有上部結(jié)構(gòu)時(shí)，檢測到的波形異常為樁體缺陷引起。而對于樁頂上有樁帽或承臺(tái)的基樁，其結(jié)構(gòu)形式已無法滿足反射波檢測法的基本假設(shè)，由于其上部結(jié)構(gòu)的存在，在面板與縱橫梁接觸面、縱橫梁與樁帽接觸面、樁帽與樁頂接觸面以及基樁損傷處等均會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力波的多次反射與傳播，對檢測到的波形異常的解讀具有多解性，也是很復(fù)雜的，即波形的異常可以是樁體缺陷引起，也有可能是上部結(jié)構(gòu)的多次反射所致，給基樁損傷檢測帶來很大的困難。
[0007]總體來講，目前國內(nèi)外對有上部結(jié)構(gòu)的基樁完整性檢測未能給出可靠的方法，特別是未設(shè)計(jì)發(fā)明出有效的基樁檢測的設(shè)備或裝置。因此，本專利針對這一技術(shù)難題，發(fā)明一種適用并可靠的帶承臺(tái)基樁完整性檢測的設(shè)備系統(tǒng)，以填補(bǔ)國內(nèi)外在役碼頭、橋梁的樁頂非自由基樁完整性測試方法的空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是為了開發(fā)和研制一種適用并可靠的樁基完整性檢測設(shè)備系統(tǒng)，適合在役碼頭、橋梁的樁頂非自由基樁完整性檢測。
[0009]本發(fā)明為基于聲波散射偏移成像理論的VSP (Vertical Sonic Profile)基樁測試系統(tǒng)設(shè)備，其采用樁身I點(diǎn)激發(fā)，多道接收。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備包括配套的采集系統(tǒng)與分析系統(tǒng)。VSP系統(tǒng)在正確分析被測樁基波場特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用方向?yàn)V波技術(shù)，將向上傳播的上行波場和向下傳播的下行波場分離開來。在此基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的彈性波偏移成像技術(shù)，能夠準(zhǔn)確直觀的檢測成橋樁的樁長和缺陷等。
[0010]作為本發(fā)明中的采集系統(tǒng)，其特征在于包括主機(jī)機(jī)箱、電腦、拖纜、錘子等硬件設(shè)備。配備數(shù)據(jù)采集軟件(DMT)，主要用于檢測數(shù)據(jù)的采集。
[0011]作為本發(fā)明中的分析系統(tǒng)，其特征在于用于波場分離和缺陷統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)的分析處理，采用方向?yàn)V波及偏移成像技術(shù)，通過軟件窗口可直接讀出成橋樁的缺陷、樁底位置及樁長等。
[0012]作為本發(fā)明中的主機(jī)機(jī)箱，是集成了主機(jī)、USB模塊、VSP拖纜適配器等部件的一體式機(jī)箱，在主機(jī)箱體外部留有數(shù)據(jù)線、電源線、USB、觸發(fā)線等接口。
[0013]作為本發(fā)明中的拖纜，為一體式防水檢波器線纜，通道數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行增減，各道距固定等勻。利用拖纜中多道接收系統(tǒng)組成的觀測系統(tǒng)，可追蹤上部結(jié)構(gòu)的下行波和下部缺陷的上行波，確定各自的位置。通過編制的程序，利用波場分離及偏移成像技術(shù)采集數(shù)據(jù)，使結(jié)果更加直觀便捷。
[0014]作為本發(fā)明中的錘子，為專業(yè)的震源錘，并通過信號(hào)調(diào)理器產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。具有激發(fā)能量大，觸發(fā)延遲小的特點(diǎn)。
[0015]VSP帶承臺(tái)基樁完整性檢測設(shè)備系統(tǒng)，具有設(shè)備小巧靈活、安全可靠、測試精度高、防水、密封型強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適合于在役碼頭、橋梁的樁頂非自由基樁完整性檢測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1本發(fā)明VSP采集系統(tǒng)安裝示意圖。[0017]圖2是現(xiàn)場采集到的原始信號(hào)波形圖。
[0018]圖3是下行波場示意圖。
[0019]圖4是上行波場示意圖。
[0020]圖5是測試結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明采用的是基于聲波散射偏移成像理論的VSP基樁測試系統(tǒng)，采用一點(diǎn)激發(fā)多道接收的方式。在本例中，根據(jù)主機(jī)的實(shí)際情況，采用的是十六道接收的方式，在設(shè)備能力容許的情況下可達(dá)到最佳的精度。
[0022]具體來說，本發(fā)明的基樁測試系統(tǒng)由兩大部分組成:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。其工作流程主要分為3個(gè)過程:分別是現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理和成果解釋。
[0023]如圖1所示，基樁7插設(shè)于軟基內(nèi)，有部分樁身處于水面9與泥面10之間，樁頂具有上部結(jié)構(gòu)8，例如承臺(tái)。
[0024]所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括用于擊發(fā)的力錘1，所述力錘通過纜線與VSP采集儀2相連。力錘I須以垂直于樁身的方向?qū)μ幱谏喜拷Y(jié)構(gòu)8以下的樁身部位進(jìn)行錘擊。所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還包括檢測器線纜集成，所述檢測器線纜集成包括若干個(gè)沿樁身間隔相同距離排布于同一鉛垂線上的檢波器5,編號(hào)為N1、N2、，, N16,每一檢波器5經(jīng)由各自的拖纜4與VSP采集儀2相連，構(gòu)成16通道的檢測器線纜集成。在拖纜的上端用扎帶11將其固定于樁身，拖纜的末端設(shè)置有配重6，以保證檢波器與樁身的距離。
[0025]力錘I錘擊樁身產(chǎn)生擊發(fā)信號(hào)，由所述的NI, N2,,, N16號(hào)檢波器5對應(yīng)力波進(jìn)行波場原始數(shù)據(jù)的收集，完成數(shù)據(jù)采集的任務(wù)。
[0026]接著由數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對來自于NI，N2,，，Nn的波場原始數(shù)據(jù)分別進(jìn)行上行波與下行波的波場分離，濾除下行波，得到上行波的VSP偏移圖像，根據(jù)應(yīng)力波的走時(shí)確定樁身缺陷所在位置，根據(jù)應(yīng)力波的散射強(qiáng)度和頻率確定樁身缺陷的面積及程度。
[0027]其中數(shù)據(jù)處理流程主要包括:
[0028]( I)方向?yàn)V波:對上行波與下行波進(jìn)行分離；
[0029](2)速度掃描:確定樁體混凝土波速；
[0030](3)偏移成像:根據(jù)記錄數(shù)據(jù)確定樁體結(jié)構(gòu)損傷位置及大小。
[0031]樁頂存在上部結(jié)構(gòu)時(shí)，在波場中存在兩種不同方向傳播的波場，稱之為上行波場和下行波場。本發(fā)明的VSP系統(tǒng)采用方向?yàn)V波技術(shù)，將向上傳播的上行波場和向下傳播的下行波場分離開來，在此基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的彈性波偏移成像技術(shù)，能夠準(zhǔn)確直觀的檢測出橋粧的粧長和缺陷等。
[0032]由于彈性波為體波，其波前為一球形。當(dāng)在樁身側(cè)面激發(fā)時(shí)，其所形成的波場以激發(fā)點(diǎn)為中心，向周圍呈三維球狀擴(kuò)散。若樁身橫截面較小，波場較大，當(dāng)傳播距離超過一定距離時(shí)，波前可以看做平面，此時(shí)便可按一維桿波場計(jì)算。但是與小應(yīng)變不同是，此時(shí)存在兩個(gè)波前，一個(gè)向上傳播，一個(gè)向下傳播al。向上傳播的波場，遇上部結(jié)構(gòu)物時(shí)，先后發(fā)生2次反射，分別形成向下傳播的反射波a2和a3。與al —起向下傳播。當(dāng)遇到下部阻抗異常的界面時(shí)，首先是al發(fā)生了反射形成反射波bl，隨后a2和a3也分別發(fā)生反射形成b2，b3，bl、b2、b3 —起向上傳播，被在樁身處布置的檢波器記錄下來。[0033]這樣所記錄的波場中，存在分別向上傳播和向下傳播的兩組波場。這是存在上部結(jié)構(gòu)的樁身波場的重要特點(diǎn)。
[0034]上部結(jié)構(gòu)的反射波向下傳播，依次通過檢波器，稱下行波。下部結(jié)構(gòu)的反射波向上傳，稱上行波。上行波和下行波的視速度相反，一個(gè)為正，另一個(gè)為負(fù)，用方向?yàn)V波技術(shù)濾除下行波，利用上行波的偏移成像獲取結(jié)構(gòu)缺陷的圖像。
[0035]帶承臺(tái)基樁與上部結(jié)構(gòu)和地下巖體連接成為一個(gè)振動(dòng)體系。這些連接部位存在結(jié)構(gòu)截面差異和波阻抗的變化，振動(dòng)中會(huì)形成反射。樁身內(nèi)部缺陷也表現(xiàn)為波阻抗變化，振動(dòng)中形成散射。樁內(nèi)缺陷與結(jié)構(gòu)連接部位的波阻抗變化有如下特點(diǎn):截面變化越大、缺陷越大，散射能量越強(qiáng)，散射波的頻率越低。散射波的走時(shí)與缺陷的位置有關(guān)，距離越遠(yuǎn)，走時(shí)越長。利用多道接收系統(tǒng)組成的觀測系統(tǒng)，可追蹤上部結(jié)構(gòu)的下行波和下部缺陷的上行波，確定各自的位置，或?yàn)V除下行波。散射強(qiáng)度、頻率和走時(shí)是缺陷解釋的三大依據(jù)。利用偏移成像技術(shù)，可充分利用多道檢測器記錄的優(yōu)勢及運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)信息，使結(jié)果更加直觀便捷。
[0036]數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)包括
[0037](1)波場分離模塊
[0038]波場分離是指根據(jù)帶承臺(tái)基樁的彈性波場特點(diǎn)，采用FK變換濾波技術(shù)，將上行波場和下行波場分離的過程。
[0039]上行波場與下行波場的傳播方向截然相反，因此可以利用此特征進(jìn)行波場分離。眾所周知，一條測線記錄的信號(hào)可表示為測線距離X和時(shí)間t的二元函數(shù):
[0040]g=g (X，t)
[0041]對上式做傅氏變換可得到它的二維譜G (k，f)，表示如下:
[0042]
【權(quán)利要求】
1.帶承臺(tái)基樁的完整性檢測系統(tǒng)，其特征在于:包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括用于擊發(fā)的力錘，所述力錘通過纜線與VSP采集儀相連，并以垂直于樁身的方向錘擊樁身；及檢測器線纜集成，所述檢測器線纜集成包括若干個(gè)沿樁身間隔排布于同一鉛垂線上的檢波器NI，N2，，，Nn，n為3 2的自然數(shù)，每一檢波器經(jīng)由各自的拖纜與VSP采集儀相連， 力錘錘擊樁身產(chǎn)生擊發(fā)信號(hào)，由所述的NI，N2,，，Nn檢波器對應(yīng)力波進(jìn)行波場原始數(shù)據(jù)的收集，所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對來自于N1，N2，，，Nn的波場原始數(shù)據(jù)分別進(jìn)行上行波與下行波的波場分離，濾除下行波，得到上行波的VSP偏移圖像，根據(jù)應(yīng)力波的走時(shí)確定樁身缺陷所在位置，根據(jù)應(yīng)力波能量及速度的變異情況確定樁身缺陷的類型及程度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶承臺(tái)基樁的完整性檢測系統(tǒng)，其特征在于:相鄰檢波器之間的距離相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶承臺(tái)基樁的完整性檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述檢測器線纜集成由16個(gè)檢波器和與之相連的16條拖纜集成在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶承臺(tái)基樁的完整性檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述拖纜的末端設(shè)置有配重，以保證傳感器與樁身的距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶承臺(tái)基樁的完整性檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述檢波器為防水檢波器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶承臺(tái)基樁的完整性檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)包括波場分離模塊和VSP散射偏移成像處理模塊，所述波場分離模塊將原始數(shù)據(jù)分別復(fù)制到上行波場模塊和下行波場模塊，然后對上行波場模塊施行FK技術(shù)濾除下行波得到上行波場，對下行波場模塊施行FK技術(shù)濾除上行波得到下行波場；所述VSP散射偏移成像處理模塊是根據(jù)克希霍夫偏移方法，重建波速異常體的空間結(jié)構(gòu)圖像，得到樁身缺陷的位置、大小以及樁底反射位置。
【文檔編號(hào)】E02D33/00GK103669428SQ201310648135
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】蘇林王, 趙冉, 應(yīng)宗權(quán), 趙永貴, 蔣輝, 劉培鴿, 李國豹, 林美鴻, 任朝軍, 王湛 申請人:中交四航工程研究院有限公司, 廣州港灣工程質(zhì)量檢測有限公司, 中交四航巖土工程有限公司, 廣州四航材料科技有限公司, 北京同度工程物探技術(shù)有限公司