10.5 检测数据分析与判定

10.5.1 当因声测管倾斜导致声速数据有规律地偏高或偏低变化时，应先对管距进行合理修正，然后对数据进行统计分析。当实测数据明显偏离正常值而又无法进行合理修正时，检测数据不得作为评价桩身完整性的依据。
10.5.2 平测时各声测线的声时、声速、波幅及主频，应根据现场检测数据分别按下列公式计算，并绘制声速-深度曲线和波幅-深度曲线，也可绘制辅助的主频-深度曲线以及能量-深度曲线。

    式中：i——声测线编号，应对每个检测剖面自下而上(或自上而下)连续编号；
          j——检测剖面编号，按本规范第10.3.2条编组；
          t_ci(j)——第j检测剖面第i声测线声时(μs)；
          t_i(j)——第j检测剖面第i声测线声时测量值(μs)；
          t₀——仪器系统延迟时间(μs)；
          t＇——声测管及耦合水层声时修正值(μs)；
          l＇_i(j)——第j检测剖面第i声测线的两声测管的外壁间净距离(mm)，当两声测管平行时，可取为两声测管管口的外壁间净距离；斜测时，l＇_i(j)为声波发射和接收换能器各自中点对应的声测管外壁处之间的净距离，可由桩顶面两声测管的外壁间净距离和发射接收声波换能器的高差计算得到；
          ν_i(j)——第j检测剖面第i声测线声速(km／s)；
          A_pi(j)——第j检测剖面第i声测线的首波幅值(dB)；
          a_i(j)——第j检测剖面第i声测线信号首波幅值(V)；
          a₀——零分贝信号幅值(V)；
          f_i(j)——第j检测剖面第i声测线信号主频值(kHz)，可经信号频谱分析得到；
          T_i(j)——第j检测剖面第i声测线信号周期(μs)。
10.5.3 当采用平测或斜测时，第j检测剖面的声速异常判断概率统计值应按下列方法确定：
    1. 将第j检测剖面各声测线的声速值ν_i(j)由大到小依次按下式排序：

    式中：ν_i(j)——第j检测剖面第i声测线声速，i＝1，2，……，n；
          n——第j检测剖面的声测线总数；
          k——拟去掉的低声速值的数据个数，k＝0，1，2，……；
          k＇——拟去掉的高声速值的数据个数，k＝0，1，2，……。
    2. 对逐一去掉ν_i(j)中k个最小数值和k＇个最大数值后的其余数据，按下列公式进行统计计算：

    式中：ν₀₁(j)——第j剖面的声速异常小值判断值；
          ν₀₂(j)——第j剖面的声速异常大值判断值；
          ν_m(j)——(n-k-k＇)个数据的平均值；
          s_x(j)——(n-k-k＇)个数据的标准差；
          C_v(j)——(n-k-k＇)个数据的变异系数；
          λ——由表10.5.3查得的与(n-k-k＇)相对应的系数。

表10.5.3 统计数据个数(n-k-k＇)与对应的λ值

    3. 按k＝0、k＇＝0、k＝1、k＇＝1、k＝2、k＇＝2……的顺序，将参加统计的数列最小数据ν_n-k(j)与异常小值判断值ν₀₁(j)进行比较，当ν_n-k(j)，小于等于ν₀₁(j)时剔除最小数据；将最大数据ν_k＇+1(j)与异常大值判断值ν₀₂(j)进行比较，当ν_k＇+1(j)大于等于ν₀₂(j)时剔除最大数据；每次剔除一个数据，对剩余数据构成的数列，重复式(10.5.3-2)～(105..3-5)的计算步骤，直到下列两式成立：

    4. 第j检测剖面的声速异常判断概率统计值、应按下式计算：

    式中：ν₀(j)——第j检测剖面的声速异常判断概率统计值。
10.5.4 受检桩的声速异常判断临界值，应按下列方法确定：
    1. 应根据本地区经验，结合预留同条件混凝土试件或钻芯法获取的芯样试件的抗压强度与声速对比试验，分别确定桩身混凝土声速低限值ν_L和混凝土试件的声速平均值ν_D。
    2. 当ν₀(j)大于ν_L且小于ν_D时

    式中：ν_c(j)——第j检测剖面的声速异常判断临界值；
          ν₀(j)——第j检测剖面的声速异常判断概率统计值。
    3. 当ν₀(j)小于等于ν_L或ν₀(j)大于等于ν_p时，应分析原因；第j检测剖面的声速异常判断临界值可按下列情况的声速异常判断临界值综合确定：
        1)同一根桩的其他检测剖面的声速异常判断临界值；
        2)与受检桩属同一工程、相同桩型且混凝土质量较稳定的其他桩的声速异常判断临界值。
    4. 对只有单个检测剖面的桩，其声速异常判断临界值等于检测剖面声速异常判断临界值；对具有三个及三个以上检测剖面的桩，应取各个检测剖面声速异常判断临界值的算术平均值，作为该桩各声测线的声速异常判断临界值。
10.5.5 声速ν_i(j)异常应按下式判定：

10.5.6 波幅异常判断的临界值，应按下列公式计算：

    波幅A_pi(j)异常应按下式判定：

    式中：A_m(j)——第j检测剖面各声测线的波幅平均值(dB)；
          A_pi(j)——第j检测剖面第i声测线的波幅值(dB)；
          A_c(j)——第j检测剖面波幅异常判断的临界值(dB)；
          n——第j检测剖面的声测线总数。
10.5.7 当采用信号主频值作为辅助异常声测线判据时，主频-深度曲线上主频值明显降低的声测线可判定为异常。
10.5.8 当采用接收信号的能量作为辅助异常声测线判据时，能量-深度曲线上接收信号能量明显降低可判定为异常。
10.5.9 采用斜率法作为辅助异常声测线判据时，声时-深度曲线上相邻两点的斜率与声时差的乘积PSD值应按下式计算。当PSD值在某深度处突变时，宜结合波幅变化情况进行异常声测线判定。

    式中：PSD——声时-深度曲线上相邻两点连线的斜率与声时差的乘积(μs²／m)；
          t_ci(j)——第j检测剖面第i声测线的声时(μs)；
          t_ci-1(j)——第j检测剖面第i-1声测线的声时(μs)；
          z_i——第i声测线深度(m)；
          z_i-1——第i-1声测线深度(m)。
10.5.10 桩身缺陷的空间分布范围，可根据以下情况判定：
    1. 桩身同一深度上各检测剖面桩身缺陷的分布；
    2. 复测和加密测试的结果。
10.5.11 桩身完整性类别应结合桩身缺陷处声测线的声学特征、缺陷的空间分布范围，按本规范表3.5.1和表10.5.11所列特征进行综合判定。

表10.5.11 桩身完整性判定

    注：1. 完整性类别由Ⅳ类往Ⅰ类依次判定。
        2. 对于只有一个检测剖面的受检桩，桩身完整性判定应按该检测剖面代表桩全部横截面的情况对待。
10.5.12 检测报告除应包括本规范第3.5.3条规定的内容外，尚应包括下列内容：
    1. 声测管布置图及声测剖面编号；
    2. 受检桩每个检测剖面声速-深度曲线、波幅-深度曲线，并将相应判据临界值所对应的标志线绘制于同一个坐标系；
    3. 当采用主频值、PSD值或接收信号能量进行辅助分析判定时，应绘制相应的主频-深度曲线、PSD曲线或能量-深度曲线；
    4. 各检测剖面实测波列图；
    5. 对加密测试、扇形扫测的有关情况说明；
    6. 当对管距进行修正时，应注明进行管距修正的范围及方法。

条文说明

10.5.1 当声测管平行时，构成某一检测剖面的两声测管外壁在桩顶面的净距离l等于该检测剖面所有声测线测距，当声测管弯曲时，各声测线测距将偏离l值，导致声速值偏离混凝土声速正常取值。一般情况下声测管倾斜造成的各测线测距变化沿深度方向有一定规律，表现为各条声测线的声速值有规律地偏离混凝土正常取值，此时可采用高阶曲线拟合等方法对各条测线测距作合理修正，然后重新计算各测线的声速。
    如果不对斜管进行合理的修正，将严重影响声速的临界值合理取值，因此本条规定声测管倾斜时应作测距修正。但是，对于各声测线声速值的偏离沿深度方向无变化规律的，不得随意修正。因堵管导致数据不全，只能对有效检测范围内的桩身进行评价，不能整桩评价。
10.5.2 在声测中，不同声测线的波幅差异很大，采用声压级(分贝)来表示波幅更方便。式(10.5.2-4)用于模拟式声波仪通过信号周期来推算主频率；数字式声波仪具有频谱分析功能，可通过频谱分析获得信号主频。
10.5.3 对本条解释如下：
    1. 同批次混凝土试件在正常情况下强度值的波动是服从正态分布规律的，这已被大量的实测数据证实。由于混凝土构件的声速与其强度存在较显著的相关性，所以其声速值的波动也近似地服从正态分布规律。灌注桩作为一种混凝土构件，可认为在正常情况下其各条声测线的声速测试值也近似服从正态分布规律。这是用概率法计算混凝士灌注桩各剖面声速异常判断概率统计值的前提。
    2. 如果某一剖面有n条声测线，相当于进行了n个试件的声速试验，在正常情况下，这n条声测线的声速值的波动可认为服从正态分布规律。但是，由于桩身混凝土在成型过程中，环境条件或人为过失的影响或测试系统的误差等都将会导致n个测试值中的某些值偏离正态分布规律，在计算某一剖面声速异常判断概率统计值时，应剔除偏离正态分布的声测线，通过对剩余的服从正态分布规律的声测线数据进行统计计算就可以得到该剖面桩身混凝土在正常波动水平下可能出现的最低声速，这个声速值就是判断该剖面各声测线声速是否异常的概率统计值。
    3. 本规范在计算剖面声速异常判断概率统计值时采用了“双边剔除法”。一方面，桩身混凝土硬化条件复杂、混凝土粗细骨料不均匀、桩身缺陷、声测管耦合状况的变化、测距的变异性(将桩顶面的测距设定为整个检测剖面的测距)、首波判读的误差等因素可能导致某些声测线的声速值向小值方向偏离正态分布。另一方面，混凝土离析造成的局部粗骨料集中、声测管耦合状况的变化、测距的变异、首波判读的误差以及部分声测线可能存在声波沿环向钢筋的绕射等因素也可能导致某些声测线声速测值向大值方向偏离正态分布，这也属于非正常情况，在声速异常判断概率统计值的计算时也应剔除，否则两边的数据不对称，加剧剩余数据偏离正态分布，影响正态分布特征参数ν m和s x的推定。
    双剔法是按照下列顺序逐一剔除： (1)异常小， (2)异常大，(3)异常小，……，每次统计计算后只剔一个，每次异常值的误判次数均为1，没有改变原规范的概率控制条件。
    在实际计算时，先将某一剖面n条声测线的声速测试值从大到小排列为一数列，计算这n个测试值在正常情况下(符合正态分布规律下)可能出现的最小值ν₀₁(j)＝ν_m(j)—λ·s_x(j)和最大值ν₀₂(j)＝ν_m(j)＋λ·s_x(j)，依次将声速数列中大于ν₀₂(j)或小于ν₀₁(j)的数据逐一剔除(这些被剔除的数据偏离了正态分布规律)，再对剩余数据构成的数列重新计算，直至式(10.5.3-7)和式(10.5.3-8)同时满足，此时认为剩余数据全部服从正态分布规律。ν₀₁(j)就是判断声速异常的概率法统计值。
    由于统计计算的样本数是10个以上，因此对于短桩，可通过减小声测线间距获得足够的声测线数。
    桩身混凝土均匀性可采用变异系数C_v＝s_x(j)／ν_m(j)评价。
    为比较“单边剔除法”和“双边剔除法”两种计算方法的差异，将21根工程桩共72个检测剖面的实测数据分别用两种方法计算得到各检测剖面的声速异常判断概率统计值，如图11所示。1号～15号桩(对应剖面为1～48)桩身混凝土均匀、质量较稳定，两种计算方法得到的声速异常判断概率统计值差异不大(双剔法略高)；16号～21号桩(对应剖面为49～72)桩身存在较多缺陷，混凝土质量不稳定，两种计算方法得到的声速异常判断概率统计值差异较大，单剔法得到的异常判断概率统计值甚至会出现明显不合理的低值，而双剔法得到的声速异常判断概率统计值则比较合理。

图11 21根桩72个检测剖面双剔法与单剔法的异常判断概率统计值比较
1-单边剔除法；2-双边剔除法

    再分别将两种计算方法对同一根桩的各个剖面声速异常判断概率统计值的标准差进行统计分析，结果如图12所示。由该图可以看到，双剔法计算得到的每根桩各个检测剖面声速异常判断概率统计值的标准差普遍小于单剔法。在工程上，同一根桩的混凝土设计强度，配合比、地基条件、施工工艺相同，不同检测剖面(自下而上)不存在明显差异，各剖面声速异常判断概率统计值应该是相近的，其标准差趋于变小才合理。所以双剔法比单剔法更符合工程实际情况。
    双剔法的结果更符合规范总则——安全适用。一方面对于混凝土质量较稳定的桩，双剔法异常判断概率统计值接近或略高于单剔法(在工程上偏于安全)；另一方面对于混凝土质量不稳定的桩，尤其是桩身存在多个严重缺陷的桩，双剔法有效降低了因为声速标准差过大而导致声速异常判断概率统计值过低(如小于3500m／s)，从而漏判桩身缺陷而留下工程隐患的可能性。
    4. 当桩身混凝土质量稳定，声速测试值离散小时，由于标准差s_x(j)较小，可能导致异常判断概率统计值ν₀₁(j)过高从而误判；另一方面当桩身混凝土质量不稳定，声速测试值离散大时，由于s_x(j)过大，可能会导致异常判断概率统计值ν₀₁(j)过小从而导致漏判。为尽量减小出现上述两种情况的几率，对变异系数C_v(j)作了限定。
    通过大量工程桩检测剖面统计分析，发现将C_v(j)限定在[0.015，0.045]区间内，声速异常判断概率统计值的取值落在合理范围内的几率较大。

图12 21根桩双剔法与单剔法的标准差比较 
1-单边剔除法；2-双边剔除法

10.5.4 对本条各款依次解释如下：
    1. ν_L和ν_P的合理确定是大量既往检测经验的体现。当桩身混凝土未达到龄期而提前检测时，应对ν_L和ν_P的取值作适当调整。
    2. 概率法从本质上说是一种相对比较法，它考察的只是各条声测线声速与相应检测剖面内所有声测线声速平均值的偏离程度。当声测管倾斜或桩身存在多个缺陷时，同一检测剖面内各条声测线声速值离散很大，这些声速值实际上已严重偏离了正态分布规律，基于正态分布规律的概率法判据已失效，此时，不能将概率法临界值ν₀(j)作为该检测剖面各声测线声速异常判断临界值ν_c，式(10.5.4)就是对概率法判据值作合理的限定。
    3. 同一桩型是指施工工艺相同、混凝土的设计强度和配合比相同的桩。
    4. 声速的测试值受非缺陷因素影响小，测试值较稳定，不同剖面间的声速测试值具有可比性。取各检测剖面声速异常判断临界值的平均值作为该桩各剖面内所有声测线声速异常判断临界值，可减小各剖面间因为用概率法计算的临界值差别过大造成的桩身完整性判别上的不合理性。另一方面，对同一根桩，桩身混凝土设计强度和配合比以及施工工艺都是一样的，应该采用一个临界值标准来判定各剖面所有声测线对应的混凝土质量。当某一剖面声速临界值明显偏离合理取值范围时，应分析原因，计算时应剔除。
10.5.6 波幅临界值判据为A_pi(j)＜A_m(j)—6，即选择当信号首波幅值衰减量为对应检测剖面所有信号首波幅值衰减量平均值的一半时的波幅分贝数为临界值，在具体应用中应注意下面几点：
    波幅判据没有采用如声速判据那样的各检测剖面取平均值的办法，而是采用单剖面判据，这是因为不同剖面间测距及声耦合状况差别较大，使波幅不具有可比性。此外，波幅的衰减受桩身混凝土不均匀性、声波传播路径和点源距离的影响，故应考虑声测管间距较大时波幅分散性而采取适当的调整。
    因波幅的分贝数受仪器、传感器灵敏度及发射能量的影响，故应在考虑这些影响的基础上再采用波幅临界值判据。当波幅差异性较大时，应与声速变化及主频变化情况相结合进行综合分析。
10.5.7 声波接收信号的主频漂移程度反映了声波在桩身混凝土中传播时的衰减程度，而这种衰减程度又能体现混凝土质量的优劣。接收信号的主频受诸如测试系统的状态、声耦合状况、测距等许多非缺陷因素的影响，测试值没有声速稳定，对缺陷的敏感性不及波幅。在实用时，作为声速、波幅等主要声参数判据之外的一个辅助判据。
    在使用主频判据时，应保持声波换能器具有单峰的幅频特性和良好的耦合一致性，接收信号不应超量程，否则削波带来的高频谐波会影响分析结果。若采用FFT方法计算主频值，还应保证足够的频域分辨率。
10.5.8 接收信号的能量与接收信号的幅值存在正相关性，可以将约定的某一足够长时间段内的声波时域曲线的绝对值对时间积分后得到的结果(或约定的某一足够长时段内的声波时域曲线的平均幅值)作为能量指标。接收信号的能量反映了声波在混凝土介质中各个声传播路径上能量总体衰减情况，是测区混凝土质量的综合反映，也是波形畸变程度的量化指标。使用能量判据时，接收信号不应超量程(削波)。
10.5.9 在桩身缺陷的边缘，声时将发生突变，桩身存在缺陷的声测线对应声时-深度曲线上的突变点。经声时差加权后的PSD判据图更能突出桩身存在缺陷的声测线，并在一定程度上减小了声测管的平行度差或混凝土不均匀等非缺陷因素对数据分析判断的影响。实际应用时可先假定缺陷的性质(如夹层、空洞、蜂窝等)和尺寸，计算临界状态的PSD值，作为PSD临界值判据，但需对缺陷区的声速作假定。
10.5.10 声波透射法与其他的桩身完整性检测方法相比，具有信息量更丰富、全面、细致的特点：可以依据对桩身缺陷处加密测试(斜测、交叉斜测、扇形扫测以及CT影像技术)来确定缺陷几何尺寸；可以将不同检测剖面在同一深度的桩身缺陷状况进行横向关联，来判定桩身缺陷的横向分布。
10.5.11 表10.5.11中声波透射法桩身完整性类别分类特征是根据以下几个因素来划分的： (1)缺陷空间几何尺寸的相对大小；(2)声学参数异常的相对程度；(3)接收波形畸变的相对程度；(4)声速与低限值比较。这几个因素中除声速可与低限值作定量对比外，如Ⅰ、Ⅱ类桩混凝土声速不低于低限值，Ⅲ、Ⅳ类桩局部混凝土声速低于低限值，其他参数均是以相对大小或异常程度来作定性的比较。
    预埋有多个声测管的声波透射法测试过程中，多个检测剖面中也常出现某一检测剖面个别声测线声学参数明显异常情况，即空间范围内局部较小区域出现明显缺陷。这种情况，可依据缺陷在深度方向出现的位置和影响程度，以及基桩荷载分布情况和使用特点，将类别划分的等级提高一级，即多个检测剖面中某一检测剖面只有个别声测线声学参数明显异常、波形明显畸变，该特征归类到Ⅱ类桩；而声学参数严重异常、接收波形严重畸变或接收不到信号，则归类到Ⅲ类桩。

图13 接收波形畸变程度示意

    这里需要说明：对于只预埋2根声测管的基桩，仅有一个检测剖面，只能认定该检测剖面代表基桩全部横截面，无论是连续多根声测线还是个别声测线声学参数异常均表示为全断面的异常，相当于表中的“大于或等于检测剖面数量的一半”。
    根据规范规定采用的换能器频率对应的波长以及100mm最大声测线间距，使异常声测线至少连续出现2次所对应的缺陷尺度一般不会低于10cm量级。
    声波接收波形畸变程度示例见图13。
10.5.12 实测波形的后续部分可反映声波在接、收换能器之间的混凝土介质中各种声传播路径上总能量衰减状况，其影响区域大于首波，因此检测剖面的实测波形波列图有助于测试人员对桩身缺陷程度及位置直观地判定。