CN103088849B - 一种在役桥梁基桩应力波回波无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在役桥梁基桩应力波回波无损检测方法，它包括以下步骤：1）布设检测装置；2）信号采集；3）加权融合处理；4）基桩缺陷判断及定位。本发明通过在现场桥梁墩柱一侧布设激振点和多道观测***，能够利于对比和区分有效信号；通过进行多次激振获得多个记录，采用数据加权融合处理能够消除或减小三维效应和随机干扰，与带通滤波、反褶积滤波相结合，提高了检测结果的分辨率。本发明不仅实现了快速无损检测，而且不受人为影响，检测结果可靠，缺陷位置判断精度高，且使用常规仪器设备即可，检测成本低，数据处理方便，易于应用推广。本发明对在役桥桩的无损检测具有突破意义，对建筑基桩无损检测具有借鉴和重要实用价值。

Description

一种在役桥梁基桩应力波回波无损检测方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁基桩检测方法，特别是一种在役桥梁基桩应力波回波无损检测方法，适用于在役桥梁基桩缺陷的快速检测，为桥梁运行安全评价提供可靠准确信息。

背景技术

我国是桥梁大国，桥梁运行安全关系重大，在役桥梁基桩缺陷状况是桥梁运行安全评价与维护的重要依据之一。由于在役桥梁基桩不仅具有隐蔽性和桩径较大的特点，而且所处环境条件复杂，上部联接有承台、系梁、墩柱、横梁、桥面等结构，导致三维效应、非目标反射回波干扰的存在，以及难以布设检测装置和人为激振因素及随机干扰，为实施无损快速检测带来严重不利影响，并且在役桥梁基桩不允许采取打钻、钳探等直接手段进行有损检测，因此，探索研究在役桥梁基桩缺陷的无损、有效、快速的检测方法成为桥梁行业热点和难点。

近年来，国内外相关专业技术人员基于自由端基桩动测理论，开展了在役桥梁基桩检测方法的试验和应用，并取得了积极的成效，这些方法包括应力波反射波法、双速度法以及旁侧钻孔透射波法。但是，实施这些方法需要借助墩柱开槽、安装楔块、打孔等破损过程。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种在役桥梁基桩应力波回波无损检测方法，其不仅能够实现对在役桥梁基桩进行无损检测，而且能够快速有效对基桩缺陷进行判断及定位。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：一种在役桥梁基桩应力波回波无损检测方法，其特征是，包括以下步骤：

1）布设检测装置：在待检测桥梁的墩柱一侧设置激振点和若干测试点，所述激振点布设激振源，所述测试点在激振点轴向方向的墩柱一侧且每个测试点布设接收传感器，所述接收传感器与基桩测试***连接；

2）信号采集：激振源在激振点对墩柱进行激励，接收传感器接收反射回波信号后发送给基桩测试***；

3）数据加权融合处理：对接收的反射回波信号进行数据加权融合处理，获取有效反射回波信号；

4）基桩缺陷判断及定位：根据应力波在基桩中的传播特性判断在役桥梁基桩是否存在缺陷并对缺陷进行定位。

优选地，所述激振源包括激振锤或力棒等。

优选地，所述测试点的数量不少于3个。

优选地，所述接收传感器包括速度传感器或加速度传感器。

优选地，在进行数据加权融合处理之前，还包括对接收的反射回波信号进行带通滤波处理的步骤。

优选地，在进行数据加权融合处理后，还包括对数据加权融合处理的反射回波信号进行反褶积滤波处理的步骤。

优选地，所述数据加权融合处理的步骤包括以下步骤：

a）对同一激振点获得的反射回波信号的任意两个信号x_i(n)和x_j(n)进行互相关运算得到互相关函数值，如式（1）所示：

$R_{\mathrm{ij}}\left(m\right)=\frac{1}{N-m}\underset{i=1}{\overset{N-m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\left(n\right)x_j(n+m),m=\mathrm{0,1,2},...,k---\left(1\right)$

其中i≠j；

b）离散信号之间相关函数信号的能量，如式（2）所示：

$E_{\mathrm{ij}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left[R_{\mathrm{ij}}\left(m\right)\right]}^2---\left(2\right)$

c）第i个信号x_i(n)和其他所有信号的总的相关能量为E_i，如式（3）所示：

$E_i=\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ij}}---\left(3\right)$

d）通过式（4）和式（5）计算各信号所分配的权值，

P₁:P₂:...P_i:...:P_n＝E₁:E₂:...:E_i:...:E_n（4）

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i=1---\left(5\right)$

其中，P_i表示每一个信号x_i(n)的权值，E_i为相关函数的能量；

e）对各信号进行数据加权融合处理，如式（6）所示：

$X\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i{x}_i\left(t\right)---\left(6\right)$

得到融合后的信号X(t)。

本发明的积极效果是，本发明通过在现场桥梁墩柱一侧布设激振点和多道观测***，能够利于对比和区分有效信号；通过进行多次激振获得多个记录，采用数据加权融合处理能够消除或减小三维效应和随机干扰，与带通滤波、反褶积滤波相结合，提高了检测结果的分辨率。本发明不仅实现了快速无损检测，而且不受人为影响，检测结果可靠，缺陷位置判断精度高。本发明采用常规基桩完整性测试仪器设备即可实现，故检测成本低，推广容易，并且应用数据加权融合技术处理基桩动测信号，简便易行，效果显著，不仅对在役桥桩的无损检测具有突破意义，而且对建筑基桩无损检测具有借鉴和重要实用价值。

附图说明

图1是本发明所述检测方法的流程示意图；

图2是本发明所述检测装置的结构示意图；

图3是应用本发明所述方法对桥梁墩柱进行激振4次时信号曲线图；

图4是对图3所示信号进行融合处理后的曲线图；

图5是对图4所示信号进行反褶积滤波处理后的曲线图；

图6是应用本发明所述方法对桥梁墩柱进行激振6次时信号曲线图；

图7是对图6所示信号进行融合处理后的曲线图；

图8是对图7所示信号进行反褶积滤波处理后的曲线图；

其中，1横梁、2墩柱、3承台、4基桩、5地表或水面、6激振源、7接收传感器、8基桩测试***、9基桩内部缺陷。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种在役桥梁基桩应力波回波无损检测方法，它包括以下步骤：

步骤S101，布设检测装置。如图2所示，待检测桥梁包括横梁1、墩柱2、承台3和基桩4，所述横梁1设置在墩柱1上面，所述墩柱1下端设置有位于在地表或水面5下方的承台3，所述的基桩4设置在承台3下面；在待检测桥梁的墩柱2一侧设置激振点和至少3个测试点，所述激振点布设激振源6，所述测试点在激振点轴向方向的墩柱一侧且每个测试点布设接收传感器7，所述接收传感器7与基桩测试***8连接。

步骤S102，信号采集。激振源6在激振点对墩柱2进行激励，接收传感器7接收反射回波信号后发送给基桩测试***8，从而完成原始检测数据采集。

步骤S103，带通滤波处理。对接收的反射回波信号进行带通滤波处理，压制或削弱原始检测数据受干扰的影响。

步骤S104，数据加权融合处理。对接收的反射回波信号进行数据加权融合处理，获取有效反射回波信号。

步骤S105，反褶积滤波处理。对数据加权融合处理的反射回波信号进行反褶积滤波，进一步提高检测数据的分辨率。

步骤S106，基桩缺陷判断及定位。根据应力波在基桩中的传播特性判断在役桥梁基桩是否存在缺陷，并且存在的缺陷进行定位。

上述方法中，所述激振源可以采用激振锤或力棒等。

上述方法中，所述测试点的数量优选为12个。

上述方法中，所述接收传感器可以采用速度传感器或加速度传感器。

上述方法中，所述数据加权融合处理的步骤包括以下步骤：

a）对同一激振点获得的反射回波信号的任意两个信号x_i(n)和x_j(n)进行互相关运算得到互相关函数值，如式（1）所示：

$R_{\mathrm{ij}}\left(m\right)=\frac{1}{N-m}\underset{i=1}{\overset{N-m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\left(n\right)x_j(n+m),m=\mathrm{0,1,2},...,k---\left(1\right)$

其中i≠j；

b）离散信号之间相关函数信号的能量，如式（2）所示：

$E_{\mathrm{ij}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left[R_{\mathrm{ij}}\left(m\right)\right]}^2---\left(2\right)$

c）第i个信号x_i(n)和其他所有信号的总的相关能量为E_i，如式（3）所示：

$E_i=\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ij}}---\left(3\right)$

d）通过式（4）和式（5）计算各信号所分配的权值，

P₁:P₂:...P_i:...:P_n＝E₁:E₂:...:E_i:...:E_n（4）

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i=1---\left(5\right)$

其中，P_i表示每一个信号x_i(n)的权值，E_i为相关函数的能量；

e）对各信号进行数据加权融合处理，如式（6）所示：

$X\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i{x}_i\left(t\right)---\left(6\right)$

得到融合后的信号X(t)。

实施例1

某地桥梁基桩检测实验现场，在墩柱激振点采用力锤激振、加速度传感器接收，随意激振4次得到的4条速度时程曲线如图3所示，曲线上首波、桩底反射清晰，可见扩径缺陷反射，但对其中的缩颈缺陷难以分辨。经融合处理后的曲线如图4所示，再经反褶积滤波处理后的曲线如图5所示。通过融合处理与反褶积滤波处理，无论原始曲线的反映如何，融合处理后对特征反射进一步突出，使得具有伪随机特点的动测信号的规律性得以体现，桩底反射、扩径反射均可分辨，但是由于分辨率的影响，桩顶以下的浅部缩颈反映不够明显。经滤波后，分辨率明显提高，除了桩底反射、扩径反射外，浅部的缩颈反射也一目了然。可见，数据融合技术与反褶积滤波相结合可以显著提高信噪比。解释推断缺陷位置结果误差3.1%。

实施例2

某地一桥梁基桩检测中得到的一棵基桩的6条检测曲线如图6所示，接收的反射回波信号受到严重干扰。对应该基桩的墩柱截面为1200mm×1000mm，在墩柱地面以上约1m处布设加速度传感器，在墩柱对侧对应处敲击，承台在地面以下约1m处，承台厚度为1.7m，下部为桩径为1200mm，桩长为22.2m，进入中风化基岩1.1m。对接收的反射回波信号进行融合处理后如图7所示，再进行反褶积滤波处理后的结果如图8所示。根据图8所示，可见承台反射及桩底反射回波，其中还有另一回波信号，由此推测桩底埋深约25.5m，而其中的另一回波信号代表的界面埋深约20m。与旁侧钻孔透射波法的结果对比，相应的推断位置结果误差不超过4%。

本发明基于在役桥梁基桩应力波波场数值模拟和条件分析，研究提出在役桥梁基桩应力波无损检测工作方法和数据加权融合处理方法，包括激振点与观测***布置、数据采集要求、数据加权融合处理方法。选择墩柱下部或上部一点布设激振点，观测***为多道观测***，布置布设在墩柱一侧，在激振点一侧向上或向下沿墩柱轴向直线多点均匀布设多个接收点，与常规多道基桩动测仪相联接，构成观测***。采集要求一点激振不少于3次，布设接收点不少于12个为宜，每个接收点布一个接收传感器，每激振一次获得不少于12道的信号记录，多次激振获得多个数据记录。本发明首次研究提出处理检测信号的数据加权融合处理方法，是一种由相关函数确定权值进行加权融合的算法，该算法无需任何先验信息，直接依据实测信号的相关程度来确定权值大小，即选取所测得的某一记录信号与其它记录信号进行相关运算，其中对相关程度大的信号赋予较大的权值，反之，则赋予较小的权值，进而提取处于较为复杂背景中的有效信号。因而本发明有很好的噪声抑制能力、抗干扰性和动态适应性，是一种可提高基桩动测信号信噪比的有效途径。通过在融合处理前的带通滤波和融合信号的反褶积滤波，提高检测信号的分辨率。本发明不仅适用于复杂的工作条件，做到快速无损检测，而且与滤波、反褶积结合，克服或减小干扰信号影响的效果明显，结果准确可靠，对于在役桥梁基桩的安全评价具有重要价值和现实意义，同时也可以推广应用于建筑基桩的无损检测。

Claims (6)

1.一种在役桥梁基桩应力波回波无损检测方法，其特征是，包括以下步骤：

1)布设检测装置：在待检测桥梁的墩柱一侧设置激振点和若干测试点，所述激振点布设激振源，所述测试点在激振点轴向方向的墩柱一侧且每个测试点布设接收传感器，所述接收传感器与基桩测试***连接，采集要求一点激振不少于3次，布设接收点不少于12个，每个接收点布一个接收传感器，每激振一次获得不少于12道的信号记录，多次激振获得多个数据记录；

2)信号采集：激振源在激振点对墩柱进行激励，接收传感器接收反射回波信号后发送给基桩测试***；

3)数据加权融合处理：对接收的反射回波信号进行数据加权融合处理，获取有效反射回波信号；

所述数据加权融合处理的步骤包括以下步骤：

a)对同一激振点获得的反射回波信号的任意两个信号x_i(n)和x_j(n)进行互相关运算得到互相关函数值，如式(1)所示：

$R_{ij}\left(m\right)=\frac{1}{N-m}\underset{i=1}{\overset{N-m}{\Σ}}{x}_j\left(n\right)x_j(n+m),m=0,1,2,...,k---\left(1\right)$

其中i≠j；

b)离散信号之间相关函数信号的能量，如式(2)所示：

$E_{ij}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\[R_{ij}\left(m\right)\]}^2---\left(2\right)$

c)第i个信号x_i(n)和其他所有信号的总的相关能量为Ei，如式(3)所示：

$E_i=\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\Σ}}{E}_{ij}---\left(3\right)$

d)通过式(4)和式(5)计算各信号所分配的权值，

P₁：P₂：...P_i：...：P_n＝E₁：E₂：...：E_i：...：E_n(4)

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_i=1---\left(5\right)$

其中，Pi表示每一个信号x_i(n)的权值，Ei为相关函数的能量；

e)对各信号进行数据加权融合处理，如式(6)所示：

$X\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i{x}_i\left(t\right)---\left(6\right)$

得到融合后的信号X(t)；

4)基桩缺陷判断及定位：根据应力波在基桩中的传播特性判断在役桥梁基桩是否存在缺陷并对缺陷进行定位。

2.根据权利要求1所述的一种在役桥梁基桩应力波回波无损检测方法，其特征是，所述激振源包括激振锤或力棒。

3.根据权利要求1所述的一种在役桥梁基桩应力波回波无损检测方法，其特征是，所述测试点的数量不少于3个。

4.根据权利要求1所述的一种在役桥梁基桩应力波回波无损检测方法，其特征是，所述接收传感器包括速度传感器或加速度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种在役桥梁基桩应力波回波无损检测方法，其特征是，在进行数据加权融合处理之前，还包括对接收的反射回波信号进行带通滤波处理的步骤。

6.根据权利要求1所述的一种在役桥梁基桩应力波回波无损检测方法，其特征是，在进行数据加权融合处理后，还包括对数据加权融合处理的反射回波信号进行反褶积滤波处理的步骤。