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(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海市 200092；3.寧波市慈城古縣城開(kāi)發(fā)建設(shè)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(zhì)量檢測(cè)對(duì)于結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。聲波透射法作為目前最常用的樁基質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)手段之一，具有操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)范圍廣、檢測(cè)細(xì)致全面、數(shù)據(jù)豐富可靠等優(yōu)點(diǎn)。在聲波透射法檢測(cè)中，波速是用于判別樁身完整性最重要的聲學(xué)參數(shù)；但波速并不是通過(guò)聲波儀直接測(cè)量得到的，而是通過(guò)在基樁頂部測(cè)得的聲測(cè)管間距除以聲波在兩根聲測(cè)管所夾混凝土中的傳播時(shí)間得到[1-4]。

在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，若兩根聲測(cè)管相互平行，則在某測(cè)點(diǎn)i處，根據(jù)樁頂聲測(cè)管間距和聲波實(shí)際傳播時(shí)間計(jì)算得到的聲速，與該測(cè)點(diǎn)的實(shí)際聲速值是相同的。但在實(shí)際工程中，若施工人員在聲測(cè)管焊接過(guò)程中發(fā)生操作失誤，或在灌注混凝土過(guò)程中過(guò)量灌注擠壓鋼筋籠，就會(huì)產(chǎn)生聲測(cè)管彎曲、傾斜等不利情況，導(dǎo)致同一個(gè)檢測(cè)剖面的實(shí)際測(cè)距與量測(cè)的樁頂聲測(cè)管間距之間有差距，造成計(jì)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(dāng)聲速值發(fā)生嚴(yán)重偏差時(shí)，甚至無(wú)法分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致檢測(cè)失??；更有甚者，當(dāng)聲測(cè)管彎曲到一定程度時(shí)，聲測(cè)換能器無(wú)法下降至樁底，或卡在聲測(cè)管中無(wú)法提起，不僅不能進(jìn)行基樁檢測(cè)，還會(huì)造成儀器受損。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文以長(zhǎng)沙市萬(wàn)家麗路快速化改造工程樁基完整性檢測(cè)為背景，結(jié)合多年的工程經(jīng)驗(yàn)，整理總結(jié)了常用的聲測(cè)管斜管管距修正方法，并以實(shí)際工程數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)管斜管管距修正的最優(yōu)方法。

1 常用管距修正方法

1.1 投影法

采用投影法進(jìn)行管距修正時(shí)，首先要根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算得到該斜管在空間中的直線方程，然后利用空間中點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離公式求得某一剖面下的真實(shí)管距。

投影法修正管距的步驟如下：

設(shè)在第i個(gè)測(cè)試面，將3根聲測(cè)管投影在該水平面上，如圖1（a）所示；將傾斜的聲測(cè)管設(shè)為1管，其投影為1-1i，其余兩根聲測(cè)管正常，其在該水平面的投影為兩個(gè)點(diǎn)。剖面1-2和1-3的計(jì)算管距為D12和D13，實(shí)際管距為D21i和D31i。假設(shè)樁身混凝土均勻，以樁頂聲速值為基準(zhǔn)，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(zhǔn)，將第i個(gè)測(cè)試面測(cè)得的聲時(shí)值通過(guò)計(jì)算得到該測(cè)試面的聲測(cè)管近似實(shí)際間距。建立平面坐標(biāo)（x，y），繪制兩個(gè)以2管和3管為圓心、以近似實(shí)際間距為半徑的圓，如圖1所示，確定1i的位置；然后用坐標(biāo)的形式將1管、2管、3管在測(cè)試面上的投影表示出來(lái)，并將其坐標(biāo)分別向x軸和y軸投影。建立方程：

以1管頂端為原點(diǎn)，建立如圖1b所示空間相對(duì)坐標(biāo)（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(biāo)的x軸和y軸；從樁頂?shù)綐兜?，?duì)不同的測(cè)試面采用相同的處理方法來(lái)獲得斜管在x′z平面和y′z平面上的管距散點(diǎn)圖進(jìn)行一元線性回歸分析，得到斜管在兩個(gè)平面上的回歸方程。

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

最后通過(guò)空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到斜管在空間坐標(biāo)（x，y，z）中的直線方程：

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

圖1 投影法示意圖

1.2 扇形掃測(cè)法

扇形掃測(cè)法修正管距的步驟如下：

（1）以實(shí)測(cè)聲速-深度曲線的突變點(diǎn)為分界點(diǎn)將曲線劃分為若干段，但是某一深度的測(cè)點(diǎn)聲速值用上下扇形掃測(cè)后的平均值代替。

（2）將在某一水平測(cè)試面測(cè)得的聲速值和通過(guò)扇形掃測(cè)所得聲速值的平均值來(lái)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(zhǔn)，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(zhǔn)。由

得

因此

式中：f（z）為v（z）的擬合曲線；v（z）為實(shí)測(cè)聲速-深度曲線；D0為樁頂聲測(cè)管間距；t（z）為實(shí)測(cè)聲時(shí)；D（z）為修正后的深度為z的聲測(cè)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(cè)法管距修正原理示意圖

1.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)是一種數(shù)學(xué)模型，大量神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)依據(jù)不同的連接方式建立復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)中包含一個(gè)特定的輸出函數(shù)，即激勵(lì)函數(shù)[5]。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法中，通過(guò)聲測(cè)管的彎曲函數(shù)D（z）=f（z）來(lái)修正聲測(cè)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(shí)測(cè)聲時(shí)值；D（z）為深度z處的聲測(cè)管間距；f（z）為聲測(cè)管彎曲函數(shù)。

構(gòu)造兩層B P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（見(jiàn)圖3），來(lái)對(duì)聲測(cè)管彎曲函數(shù)進(jìn)行逼近，隱層神經(jīng)單元個(gè)數(shù)為5。

實(shí)現(xiàn)函數(shù)逼近的步驟如下：

（1）定義樣本輸入矢量P和目標(biāo)矢量t。

（2）初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，設(shè)置矢量 w1、b1、w2、b2。

（3）利用MATLAB軟件，采用自適應(yīng)學(xué)習(xí)率調(diào)整算法對(duì)B P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練完成即代表函數(shù)逼近實(shí)現(xiàn)。

最后將逼近得到的函數(shù)代入公式，求得聲測(cè)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(shí)例比較

針對(duì)上節(jié)總結(jié)梳理的三種常用的管距修正方法，本節(jié)結(jié)合長(zhǎng)沙市萬(wàn)家麗路快速化改造工程樁基完整性檢測(cè)中遇到的實(shí)際問(wèn)題，采用三種不同的方法進(jìn)行修正，并計(jì)算修正后的實(shí)際聲速值，再根據(jù)規(guī)范要求計(jì)算其聲速平均值，對(duì)不同方法的修正效果進(jìn)行綜合評(píng)估。

2.1 試樁基本情況

本節(jié)選取的聲波透射法實(shí)測(cè)樁的基本信息見(jiàn)表1。

圖4 實(shí)測(cè)聲速-深度曲線

選擇試樁的實(shí)測(cè)聲速-深度曲線如圖4所示，曲線在8 m左右的深度處開(kāi)始下彎，至15 m左右處又逐漸上揚(yáng)。以曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)即15 m處為分界點(diǎn)，對(duì)實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行擬合，然后再對(duì)管距進(jìn)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(cè)法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)實(shí)例中選取的剖面實(shí)測(cè)曲線的修正結(jié)果。修正曲線能夠在反映樁身質(zhì)量缺陷的基礎(chǔ)上，將其他非樁身質(zhì)量缺陷引起的異常聲速值修正至混凝土正常聲速范圍內(nèi)。為評(píng)估不同方法的修正效果，對(duì)其修正后的聲速值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)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(cè)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(cè)管非彎曲剖面的聲速平均值；vi是對(duì)聲測(cè)管剖面修正后的聲速平均值。

表2 不同方法修正效果對(duì)比

通過(guò)表2所反映的Δv，其數(shù)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(cè)法避免了聲速波動(dòng)帶來(lái)的影響，規(guī)避了系統(tǒng)誤差，擬合效果較好。

（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法通過(guò)B P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)聲測(cè)管彎曲函數(shù)實(shí)現(xiàn)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(píng)價(jià)

在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合個(gè)人工程經(jīng)驗(yàn)，從簡(jiǎn)易性、工作量、適用范圍和精確度四個(gè)維度對(duì)三種修正方法進(jìn)行評(píng)估，每個(gè)評(píng)估因素分上、中、下三個(gè)相對(duì)指標(biāo)（見(jiàn)表3）。

在綜合評(píng)價(jià)前，從修正過(guò)程和修正效果兩個(gè)角度出發(fā)，對(duì)以上四個(gè)評(píng)估要素進(jìn)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(shí)聲測(cè)管間距，故修正效果的重要性大于修正過(guò)程，即適用范圍和精確度兩個(gè)評(píng)估要素相對(duì)簡(jiǎn)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(cè)采集得到的數(shù)據(jù)量巨大，伴隨而來(lái)的數(shù)據(jù)處理工作量也會(huì)大大增加，因此工作量的重要性大于簡(jiǎn)易性。綜上所述，重要性排序?yàn)椋壕_度＞適用范圍＞工作量＞簡(jiǎn)易性。

表3 管距修正方法評(píng)估

表4 不同修正方法賦值統(tǒng)計(jì)表

將上述四個(gè)評(píng)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(quán)重，再將每一個(gè)評(píng)估要素的上、中、下分別賦值為3、2、1，最后統(tǒng)計(jì)得到每種修正方法的真值；真值越大，則對(duì)修正方法的綜合評(píng)價(jià)越高（見(jiàn)表4）。

3 結(jié)語(yǔ)

采用聲波透射法進(jìn)行基樁完整性檢測(cè)時(shí)，由于聲測(cè)管不平行而導(dǎo)致測(cè)得的聲速值偏大或偏小，影響了檢測(cè)人員對(duì)于樁身完整性的正確判別。本文針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究探討，力求尋找最優(yōu)方法來(lái)修正斜管管距問(wèn)題。主要結(jié)論如下：

（1）總結(jié)整理了三種常用的管距修正方法，即投影法、扇形掃測(cè)法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，分析其原理，并詳細(xì)闡述了修正步驟。

（2）將整理出來(lái)的修正方法運(yùn)用到工程實(shí)例中，比較不同修正方法的修正效果和差異。并從簡(jiǎn)易性、工作量、適用范圍和精確度四個(gè)維度出發(fā)，以賦權(quán)重的方式綜合評(píng)估了三種管距修正方法。其中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的綜合得分最高，修正效果最好。

綜上，本文建議采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法來(lái)進(jìn)行聲波透射法檢測(cè)中聲測(cè)管斜管的管距修正。

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