陳向陽(yáng),王志鑫

(長(zhǎng)沙理工大學(xué),湖南長(zhǎng)沙 410004)

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模糊數(shù)學(xué)在超聲波檢測(cè)樁基完整性中的應(yīng)用

陳向陽(yáng),王志鑫

(長(zhǎng)沙理工大學(xué),湖南長(zhǎng)沙 410004)

摘要:現(xiàn)有規(guī)范對(duì)于樁基完整性的評(píng)判過(guò)于簡(jiǎn)單,所用方法過(guò)于籠統(tǒng),而且對(duì)于有些樁基的完整性很難準(zhǔn)確判定。文中根據(jù)超聲波透射法檢測(cè)樁基所得波速、波幅和波形,利用模糊數(shù)學(xué)對(duì)樁基完整性進(jìn)行分析,以準(zhǔn)確判斷樁基的完整性。

關(guān)鍵詞:橋梁;樁基;超聲波;模糊數(shù)學(xué);完整性

目前,在超聲波透射法檢測(cè)中,在利用接收器接收的信號(hào)確定缺陷的有無(wú)、大小、形狀和性質(zhì)時(shí)常會(huì)遇到這樣的問(wèn)題,即缺陷信號(hào)與散射波信號(hào)之間及不同類型缺陷信號(hào)之間的特征比較模糊,很難對(duì)它們作出十分精確的判斷。

作為隱蔽工程,樁基礎(chǔ)一般在地下或水下,具有技術(shù)要求高、工序繁雜、施工難度大等特點(diǎn),在施工過(guò)程中很容易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題,對(duì)于樁基的檢測(cè)研究尤為重要。運(yùn)用超聲波檢測(cè)樁基時(shí),一般采用波速、波幅和PSD(功率譜密度)值進(jìn)行樁身完整性判斷,由于對(duì)導(dǎo)致異常聲測(cè)曲線的缺陷的大小、性質(zhì)判斷不精確,很難對(duì)樁基完整性進(jìn)行精確判別。為此,該文運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)對(duì)超聲波樁基檢測(cè)中出現(xiàn)的較模糊的缺陷作出判別。

1 基于模糊數(shù)學(xué)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(zhì)量有一定關(guān)系。因此,應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)建立的評(píng)判因素集為{波速,波幅,波形}。波速、波幅、波形對(duì)于判斷樁基檢測(cè)完整性有不同程度的影響,賦予相應(yīng)權(quán)重為A={0.6,0.3,0.1}。

1.1 隸屬度函數(shù)確定

常用的隸屬度函數(shù)有偏大型、中間型和偏小型3種。在樁基檢測(cè)中,優(yōu)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(shù)形式,偏大型為:

中間型為:

偏小型為:

1.2 置信區(qū)間的劃分

在超聲波樁基檢測(cè)中,通過(guò)發(fā)射器發(fā)出的波速在不同介質(zhì)中的傳播速度不同,從而不同程度地反映樁基的質(zhì)量。因此,波速通常作為判斷樁基完整性的主要參數(shù)之一。波速臨界值是界定波速是否異常的參照值,可根據(jù)臨界值確定波速的置信區(qū)間。波速臨界值vc=vm-2σv(vm為波速平均值,σv為波速標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)。超聲波在砼中傳播的衰減情況可由波幅測(cè)值的變化直接反映,并且波幅遇到缺陷時(shí)突變明顯進(jìn)而反映樁基的質(zhì)量。因此,波幅可用于判斷樁基的完整性。不過(guò)波幅容易受儀器性能、換能器耦合情況、測(cè)距等非缺陷因素的影響,故不可單憑波幅情況進(jìn)行判別。波幅臨界值是界定波幅是否異常的參照值,可根據(jù)臨界值確定波幅的置信區(qū)間。波幅臨界值A(chǔ)c=Am-6(Am為波幅平均值)。取a=Am-6,b=Am,c=Am+6。

波形對(duì)于判斷樁基完整性有參考作用,波速和波幅也從側(cè)面影響波形的好壞。當(dāng)超聲波在有缺陷的砼中傳播時(shí),缺陷的復(fù)雜界面使其傳播路徑復(fù)雜化,產(chǎn)生繞射、反射、折射等,最后形成一個(gè)波形畸變的超聲波信號(hào),波形畸變?cè)絽柡t砼缺陷越嚴(yán)重。波形的好壞可反映樁基的質(zhì)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(shù)不是通過(guò)計(jì)算得到,而是通過(guò)綜合分析確定。

1.3 模糊評(píng)判分析

采用超聲波的波速、波幅和波形作為評(píng)判因素域,即U={波速,波幅,波形},評(píng)判論域V={優(yōu)秀,合格,不合格},則模糊關(guān)系矩陣R=U×V。根據(jù)賦予的權(quán)重和模糊矩陣得出綜合評(píng)判矩陣B=A· R,由此判斷樁基缺陷的有無(wú)及程度。

2 實(shí)例分析

2.1 超聲波檢測(cè)結(jié)果

某橋梁樁基長(zhǎng)度為7.4 m,直徑為1.2 m,采用C25砼。設(shè)置3根聲測(cè)管,檢測(cè)儀器為RSM -SY6。1-2剖面0～4 m處的檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 0～4 m的檢測(cè)數(shù)據(jù)

1-2剖面跨距為850 mm,波速平均值vm= 4.460 km/s,波幅平均值A(chǔ)m=102 dB;標(biāo)準(zhǔn)差:σv=0.065,σA=3.9;臨界值:vc=4.33 km/s,Ac=96 d B。通過(guò)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(píng)判

利用模糊數(shù)學(xué)分析該樁基,分別計(jì)算2.0、2.6 m兩個(gè)測(cè)點(diǎn)處的模糊矩陣,對(duì)其完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2.1 求波速的隸屬函數(shù)

把波速的平均值vm=4.460 km/s、標(biāo)準(zhǔn)差σv= 0.065、臨界值vc=4.33 km/s帶入式(1)～(3),得優(yōu)秀的波速的隸屬函數(shù)為:

合格的隸屬函數(shù)為:

不合格的隸屬函數(shù)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(shù)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(shù)為u1×v1=(0,0,1)。

2.2.2 求波幅的隸屬函數(shù)

同理,把波幅的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、臨界值帶入式(1)～(3),得優(yōu)秀的波幅的隸屬函數(shù)為:

合格的隸屬函數(shù)為:

不合格的隸屬函數(shù)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(shù)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(shù)u2×v2=(0,0,1)。

2.2.3 求波形的隸屬函數(shù)

超聲波檢測(cè)得到的2.0、2.6 m處波形分別見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 2.0 m處第10個(gè)測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)波形

圖2 2.6 m處第13個(gè)測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)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(gè)周期的后半周達(dá)到較高振幅,波形無(wú)畸變,確定隸屬函數(shù)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(gè)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(shù)u3×v3=(0,0.1,0.9)。

2.2.4 模糊評(píng)判分析

根據(jù)上述分析結(jié)果,在深度2.0 m處,波速的隸屬函數(shù)為U1×V1=(0.85,0.15,0),波幅的隸屬函數(shù)為U2×V2=(0,0.77,0.23),波形的隸屬函數(shù)為U3×V3=(0.8,0.2,0),從而得2.0 m測(cè)點(diǎn)處的模糊矩陣為:

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

從而得到深度2.0、2.6 m處的綜合評(píng)判矩陣分別為:

根據(jù)評(píng)判結(jié)果,2.0 m測(cè)點(diǎn)處該剖面為優(yōu)秀,2.6 m測(cè)點(diǎn)處該剖面為不合格,與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。

3 結(jié)語(yǔ)

該文采用的模糊綜合判定方法充分考慮了影響砼質(zhì)量評(píng)價(jià)中的各聲學(xué)參數(shù),從實(shí)例計(jì)算結(jié)果來(lái)看,利用該評(píng)價(jià)方法可準(zhǔn)確判斷樁基完整性,得出的結(jié)果與實(shí)際工程相符,對(duì)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(hào):U446.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1671-2668(2016)02-0205-03