時(shí)間：2023-05-30 10:37:17
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇聲速測(cè)量，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
摘 要：就聲速的測(cè)量實(shí)驗(yàn)三種測(cè)量方法，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說明，便于提高實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)技能。
關(guān)鍵詞：聲速；實(shí)驗(yàn)；測(cè)量方法；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；技能
聲速的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，基本有三種測(cè)量方法：駐波法(共振干涉法)；相位比較法(李薩如圖法)； 時(shí)差法。通過對(duì)三種測(cè)量方法分析，我認(rèn)為三種測(cè)量方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。前兩種方法存在一定的視覺測(cè)量誤差，測(cè)量結(jié)果不確定性的增大，容易引起測(cè)量精確度的降低，但操作性強(qiáng)，便于實(shí)驗(yàn)者技能的培養(yǎng)；后一種方法精確度大大提高，在實(shí)際工程中，時(shí)差法測(cè)量聲速得到廣泛的應(yīng)用，但因?yàn)橛蓛x器本身來計(jì)測(cè)有關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)技能和技巧沒有太大幫助。建議實(shí)驗(yàn)者帶著比對(duì)、加深印象目的使用這三種方法進(jìn)行測(cè)量聲速。建議優(yōu)先用相位法、駐波法測(cè)量并分析誤差的原因，有利于理論和技能的綜合提高。如增加實(shí)驗(yàn)組數(shù)，也有效增加了測(cè)量的精確度。下面就三種方法簡(jiǎn)單介紹并實(shí)驗(yàn)說明。
實(shí)驗(yàn)介紹：
1、駐波法(共振干涉法) 由測(cè)試架上發(fā)射換能器發(fā)射出的聲波經(jīng)介質(zhì)傳播到接收換能器時(shí)，在接收換能器表面(是一個(gè)平面)產(chǎn)生反射。此時(shí)反射波與入射波在換能器表面疊加，疊加后的波形具有駐波特性。從聲波理論可知，當(dāng)二個(gè)聲波幅度相同，方向相反進(jìn)行傳播時(shí)，在它們的相交處進(jìn)行聲波干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)駐波。而聲強(qiáng)在波幅處最小，在波節(jié)處最大。所以調(diào)節(jié)接收換能器的位置，通過示波器看到的波形幅度也隨位置的變化而出現(xiàn)起伏，因?yàn)槭强磕繙y(cè)幅度的變化來知道它的波長(zhǎng)，所以難以得到很精確的結(jié)果。特別是在液體中傳播，由于聲波在液體中衰減較小，發(fā)射出的聲波在很多因素影響下產(chǎn)生多次反射疊加，在接收換能器表面已經(jīng)是多個(gè)回波的疊加(混響)，疊加后的波形的駐波特征較為復(fù)雜，并不是根據(jù)單純的兩束波疊加來觀察它的幅度變化，來求出波長(zhǎng)。因此用通常的兩束波疊加的公式來求速度，其精確性大為下降，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不確定性的增大。通過在測(cè)試槽中的左、中、右三處進(jìn)行測(cè)量，可以明確看出用通常的計(jì)算公式，在不同的地方計(jì)算得到的聲速是不一樣的。
2、相位比較法(李薩如圖法) 聲速在傳播途中的各個(gè)點(diǎn)的相位是不同的，當(dāng)發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離變化，二者的相位差也變化。通過示波器用李薩如圖法進(jìn)行波長(zhǎng)的測(cè)量。與駐波法相同的是都是目測(cè)波形的變化來求它的波長(zhǎng)，同樣測(cè)量結(jié)果存在著一定的不確定性。同樣因?yàn)槁暡ㄔ谝后w中傳播存在著多個(gè)回波的干涉影響，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不確定性的增大。
3、時(shí)差法 在實(shí)際工程中，時(shí)差法測(cè)量聲速得到廣泛的應(yīng)用。時(shí)差法測(cè)試聲速的基本原理是基于速度 =距離S／時(shí)間T，通過在已知的距離內(nèi)計(jì)測(cè)聲波傳播的時(shí)間；從而計(jì)算出聲波的傳播速度，在一定的距離之間由控制電路定時(shí)發(fā)出一個(gè)聲脈沖波，經(jīng)過一段距離的傳播后到達(dá)接收換能器。接收到的信號(hào)經(jīng)放大，濾波后由高精度計(jì)時(shí)電路求出聲波從發(fā)出到接收這個(gè)在介質(zhì)傳播中經(jīng)過的時(shí)間，從而計(jì)算出在某一介質(zhì)中的傳播速度。只因?yàn)椴挥媚繙y(cè)的方法，而由儀器本身來計(jì)測(cè)，所以其測(cè)量精度相對(duì)于前面兩種方法要高。同樣在液體中傳播時(shí)，由于只檢測(cè)首先到達(dá)的聲波的時(shí)間，而與其它回波無關(guān)，這樣回波的影響比較小，因此測(cè)量的結(jié)果較為準(zhǔn)確，所以工程中往往采用時(shí)差法來測(cè)量。
關(guān)鍵詞：聲波測(cè)井技術(shù);巖土工程勘察;應(yīng)用
1前言
巖土工程勘察是查明擬建場(chǎng)地內(nèi)及其附近有無影響場(chǎng)地穩(wěn)定性的不良地質(zhì)作用，劃分場(chǎng)地土類型和建筑場(chǎng)地類別;查明場(chǎng)地范圍內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)及均勻性，提供各巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)等。當(dāng)前，隨著數(shù)字測(cè)井技術(shù)的不斷發(fā)展提高，聲速測(cè)井作為一種重要的測(cè)井方法，在油田勘探和開發(fā)、工程物探等許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。采用聲速測(cè)井技術(shù)，可用彈性波縱波速度劃分巖體風(fēng)化帶、解釋軟弱夾層、評(píng)價(jià)巖體完整性、計(jì)算相關(guān)的動(dòng)力學(xué)參數(shù);可用彈性波橫波速度判別沙土液化，參與計(jì)算巖土抗剪強(qiáng)度和相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù);其他動(dòng)力學(xué)參數(shù)可用于評(píng)價(jià)地層的力學(xué)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)特性。
2 聲速測(cè)井的測(cè)試原理
由于不同巖層有不同的聲波傳播速度，采用聲速測(cè)井技術(shù)（一般測(cè)量縱波速度），由儀器發(fā)射晶體發(fā)射的聲波耦合后在地層中傳播，經(jīng)地層傳播的聲波被儀器接收晶體接收。因?yàn)榘l(fā)射晶體和接收晶體的間距是一定的，所測(cè)得的聲波傳播時(shí)差與傳播速度成反比。根據(jù)需要可以把傳播時(shí)差換算為聲波速度，結(jié)合其他物理參數(shù)，還可以計(jì)算出橫波速度，從而進(jìn)行鉆孔巖性劃分、巖層風(fēng)化和氧化帶的確定、解釋裂隙和軟弱夾層、彈性參數(shù)的計(jì)算等。
2.1根據(jù)不同的聲波傳播速度，結(jié)合電阻率、自然伽瑪?shù)葏?shù)，對(duì)鉆孔巖性進(jìn)行劃分。
2.2由于巖石因風(fēng)化、氧化，膠結(jié)程度會(huì)變差，疏松甚至破碎，在測(cè)得聲波速度后，將其與新鮮完整巖石的聲波速度進(jìn)行比較，波速減小量反映了巖石的疏松、破碎程度，由此可確定巖層風(fēng)化、氧化帶。
2.3如果巖層有裂隙及軟弱夾層，當(dāng)聲波傳至此時(shí)會(huì)速度會(huì)有所降低，在測(cè)試時(shí)如聲波出現(xiàn)異常，可據(jù)此來解釋裂隙及軟弱夾層。
2.4確定彈性參數(shù)。根據(jù)彈性力學(xué)的知識(shí)，可根據(jù)介質(zhì)密度ρ，介質(zhì)中聲波傳播的縱波速度Vp與橫波速度Vs確定介質(zhì)的彈性參數(shù)：
E=ρVs2（3 Vp2-4 Vs2）/（Vp2-Vs2）
δ= Vp2-2 Vs2/2（Vp2-Vs2）
μ=ρVs2
k=ρ（Vp2-4/3 Vs2）
式中：E為介質(zhì)的彈性模量;k為體積模量;u為切變模量;δ為泊松比。
聲速測(cè)井一般提供的是縱波時(shí)差 tp，并可換算為縱波速度Vp，而橫波速度Vs由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：
Vs= Vp[1-1.1.5（1/ρ+1/ρ3）/e1/ρ]3/2
3 影響巖石聲波速度的主要因素
巖石的聲速指的是聲波在巖石中的傳播速度。理論和實(shí)踐證明，巖石的聲波速度主要與密度有關(guān)，并且是隨著巖石密度的增大而增大，其主要影響因素有以下幾點(diǎn)：
3.1 巖石的密度對(duì)聲波速度的影響。在不同巖性的巖石中，由于巖性的巖石密度不同，聲波傳播速度也會(huì)不同。一般，石灰?guī)r砂巖砂質(zhì)泥巖泥巖的密度依次減小，它們的聲波速度也依次減小。
3.2巖石結(jié)構(gòu)。巖石膠結(jié)性差、疏松，聲波速度低;而巖石膠結(jié)性好致密，則聲波速度高。巖石中的裂縫、溶洞等均會(huì)對(duì)聲波速度產(chǎn)生較大影響。
3.3巖石孔隙間的儲(chǔ)集物。巖石中孔隙間的儲(chǔ)集物不同，也會(huì)對(duì)巖石的聲波速度產(chǎn)生影響。
3.4地層埋藏深度及地質(zhì)時(shí)代。地層埋藏的深淺及地層時(shí)代的新老均對(duì)聲波在地層中的傳播產(chǎn)生影響。巖性和地質(zhì)時(shí)代相同，地層埋深大、壓力大，則聲波速度高;反之，地層埋深淺、壓力小，由聲波速度低。同一巖性，老地層比新地層聲波速度高。
3.5 巖石含水率對(duì)聲波速度的影響。水對(duì)巖石的聲波速度產(chǎn)生重要影響，隨含水量增加，巖石的縱波速度和橫波速度增大，但是由于巖性不同，其巖石礦物成分、膠結(jié)狀況和結(jié)晶程度等因素差異很大，因此，隨含水量增加，巖石的聲波速度增高的速率則不完全相同，水對(duì)巖石聲波速度的影響經(jīng)回歸分析得到如下關(guān)系：
V=V0+kw
式中：V――不同含水量狀態(tài)下巖石縱波或橫波速度，m/s;
V0――干燥狀態(tài)下巖石縱波或橫波速度，m/s;
k――水對(duì)巖石聲波速度影響系數(shù);
w――含水量。
4 工程應(yīng)用實(shí)例
某工區(qū)地形比較平坦開闊，局部有緩丘及沖溝發(fā)育。覆蓋層主要為黃褐色粘土、粉質(zhì)粘土和亂石層，而基巖以泥巖為主，局部夾薄層透鏡狀砂巖，產(chǎn)狀平緩，傾角3-5°。應(yīng)勘察技術(shù)要求，用聲波測(cè)井法判別劃分鉆孔巖性、確定巖層風(fēng)化和氧化帶以及確定各地層動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
4.1利用波速法計(jì)算巖土的動(dòng)力參數(shù)
根據(jù)實(shí)測(cè)獲得的聲波傳播速度（橫波速度 Vs和縱波速度Vp）即可計(jì)算巖（土） 體的動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)，為工程設(shè)計(jì)提供參考。計(jì)算公式如下：
Ed=（2 Vp2-Vs2）/2（Vp2-Vs2）
Gd= Vs2
式中：Ed為動(dòng)彈性模量，MPa;Gd為動(dòng)剪切模量，MPa;d為動(dòng)泊松比;Vp為縱波速度，m/s;Vs為橫波速度，m/s。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，處理后計(jì)算得各地層動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表1。
表1 工區(qū)各介質(zhì)勘察鉆孔聲速測(cè)井成果
巖土名稱 深度范圍/m Vp/m s-1 Vs/ m s-1 動(dòng)泊松比d 動(dòng)剪切量Gd/ MPa 動(dòng)彈性量Ed/ MPa
（粉質(zhì)）黏土 3-5 460 180 0.41 63.5 179.0
粉土 6-8 630 260 0.40 132.5 370.3
卵石 10-15 920 395 0.39 349.5 969.5
卵石 16-21 1880 600 0.44 807.8 2332.0
中風(fēng)化砂巖 23-25 2980 1040 0.43 2747.0 7861.0
弱化砂巖 27-28 3570 1450 0.40 5340.0 14970.0
中風(fēng)化泥巖 29-30 3530 1510 0.38 5951.0 16520.0
從表1可以看出，砂巖、泥巖的縱波速度較高，黏土的縱波速度較低，在綜合分析解釋的基礎(chǔ)上，其既可校正地解釋巖性和巖層，又可檢驗(yàn)其推測(cè)精度。
泊松比反映的是巖體彈性性能，即在應(yīng)力作用下產(chǎn)生縱向相對(duì)與橫向相對(duì)變形量之比的倒數(shù)，反映的是巖體“軟”“硬”程度。泊松比越小，巖石越堅(jiān)硬。縱波與橫波比值能判定巖石的完整性。波速是巖土物理性質(zhì)的重要參數(shù)，波速大小在一定程度能反映巖土密實(shí)度、孔隙度、風(fēng)化程度和裂隙發(fā)育程度。巖石密度小、孔隙大、裂隙多使波在傳播中發(fā)生繞射，聲線“拉”長(zhǎng)，旅行時(shí)間延長(zhǎng)，速度降低。
5聲速測(cè)井技術(shù)在巖土工程勘察中存在的不足
5.1聲波在具有裂縫和溶洞的地層中傳播時(shí)，會(huì)因產(chǎn)生多次反射而使能量明顯衰減，此時(shí)滑行波的幅度亦會(huì)減小。要解決這一問題，可以提高探頭的發(fā)射功率，用以增大滑行波的能量。
5.2 動(dòng)力學(xué)參數(shù)雖能評(píng)價(jià)巖體完整性、軟硬程度、風(fēng)化程度、裂隙發(fā)育等，但目前尚缺乏全國(guó)性的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)巖石分類，大多是一些某單位或某部分的經(jīng)驗(yàn)值或推薦公式，因此迫切需要統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程早日出臺(tái)。
6結(jié)束語
綜上所述，聲速測(cè)井技術(shù)作為一種直接的勘察方法，其除了能夠計(jì)算各種彈性參數(shù)外，還能夠進(jìn)行巖性劃分、圈定巖體風(fēng)化帶和氧化帶、解釋巖層的裂隙及軟弱夾層等，在巖土工程勘察中發(fā)揮了重要作用。實(shí)踐證明， 聲速測(cè)井應(yīng)用效果良好，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
參考文獻(xiàn)：
[1]趙振宇.論聲波測(cè)井在地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究，2011（25）.
2實(shí)驗(yàn)原理
2.1 時(shí)差法測(cè)量聲速
時(shí)差法測(cè)量聲速是利用已知聲波傳播的距離,測(cè)量發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時(shí)間差。
計(jì)算出聲速在液體中的傳播速度,即超聲波 [10] (1)
時(shí)差法
其中L的是位移之差,T是傳播所用的時(shí)間。
在儲(chǔ)液槽中注入液體,直至將換能器完全浸沒,但不能超過液面線。注意:注入液體時(shí),不能將液體淋在數(shù)字顯示表頭上。將專用信號(hào)源上的“聲速傳播介質(zhì)”置于“液體”位置,換能器的連接端應(yīng)在接線盒上的“液體”專用插座上。
測(cè)量液體聲速時(shí),由于在液體中聲波的衰減較小,因而存在較大的回波疊加,并且在相同頻率的情況下,其波長(zhǎng)要大得多,用駐波法和相位法測(cè)量時(shí)可能會(huì)有較大的誤差,所以建議采用時(shí)差法測(cè)量。
2.2 陶瓷換能器工作原理
頻率在20Hz~20kHz的機(jī)械波振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播就形成超聲波超過
20KH超聲波,超聲波的傳播速度就是聲波的傳播速度,而超聲波長(zhǎng)短,易于定
向發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)[11],聲速實(shí)驗(yàn)聲速所采用的聲波頻率一般都在20~60kHz之間。此
頻率范圍內(nèi),采用壓電陶瓷換能器作為聲波的發(fā)射器,接收效果最佳。壓電陶
瓷換能器根據(jù)它的工作方式,分為縱向(振動(dòng))換能器。聲速教學(xué)實(shí)驗(yàn)中大多數(shù)
采用縱向換能器。圖3為縱向換能器的結(jié)構(gòu),用示波器觀察波谷和波峰,或觀察兩個(gè)波間的相位差,原理是正確的,但讀數(shù)位置不易確定。較精確測(cè)量聲速是用聲波時(shí)差法。時(shí)差法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用,它是將經(jīng)脈沖調(diào)制的電信號(hào)加到發(fā)射換能器上,聲波在介質(zhì)中傳播,經(jīng)過時(shí)間后,到達(dá)距離處的接收陶瓷換能器圖2
水中聲速與溫度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究
3 實(shí)驗(yàn)方法
3.1 時(shí)差法測(cè)量聲速操作方法
(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)只要按圖3連接中換能器的S2該接在信號(hào)源的S2上,再把信號(hào)源上的Y1,Y2順次與示波器上的Y1,Y2接通即可。
(2)將測(cè)試方法設(shè)置到脈沖波方式,將換能器的S1,S2調(diào)節(jié)到一定距離,在調(diào)解接收增益,使得顯示的時(shí)間差值讀數(shù)穩(wěn)定,此時(shí)儀器內(nèi)置的計(jì)數(shù)器工作在最佳狀態(tài),記錄此時(shí)的距離值和時(shí)間值。移動(dòng)S2,如果計(jì)時(shí)器讀數(shù)有跳變,則微調(diào)接收增益(距離大時(shí),順時(shí)針調(diào)節(jié);距離小時(shí),逆時(shí)針調(diào)節(jié)),使得計(jì)數(shù)器連續(xù)穩(wěn)定的變化。
(3)將！測(cè)試方法設(shè)置到脈沖波方式。
(4)在儀器使用前,開啟電源預(yù)熱15min。接通市電后,自動(dòng)工作在連續(xù)波方式,選擇蒸餾水為介質(zhì)。“傳播介質(zhì)”按鈕選擇液體。
(5)將S1和S2之間的距離調(diào)到一定距離(≥50mm),再調(diào)節(jié)接收增益,使示波器上顯示的接收波信號(hào)幅度在400mV左右(峰—峰值),以使計(jì)時(shí)器工作在最佳狀態(tài)。然后記錄此時(shí)的距離值和顯示的時(shí)間值Li、(時(shí)間由聲速測(cè)試儀信號(hào)源時(shí)間顯示窗口直接讀出)。保持距離不變隨著溫度的逐漸降低,記錄下當(dāng)時(shí)的時(shí)間值。
(6)當(dāng)使用液體為介質(zhì)測(cè)試聲速時(shí),先在測(cè)試槽中注入液體,直到把換能器完全浸沒,但不能超過液面線。然后將信號(hào)源面板上的介質(zhì)選擇鍵切換至“液體”,并將連線接至插入接線盒的“液體”接線孔中,即可進(jìn)行測(cè)試,步驟與上相同。
3.2時(shí)差法線路連接圖
聲速
4 記錄數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理
4.1 記錄數(shù)據(jù)
測(cè)量次數(shù)i 溫度T (℃ ) 距離L ( ㎜ ) 時(shí)間t (us)
1 20 216.51 164
2 27 216.51 163
3 36 216.51 162
4 48 216.51 161
5 59 216.51 160
6 70 216.51 159
7 73 216.51 158
表1蒸餾水中溫度與速度關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)
測(cè)量次數(shù)i 溫度T (℃ ) 距離L ( ㎜ ) 時(shí)間t (us)
1 20 216.51 144
2 30 216.51 143
3 40 216.51 142
4 54 216.51 141
5 58 216.51 140
6 62 216.51 139
7 66 216.51 138
8 70 216.51 137
9 73 216.52 136
表2自來水中溫度與速度關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)記錄
4.2數(shù)據(jù)處理
由時(shí)差法速度由計(jì)算公式水中聲速與溫度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究[10]可得。 例如V=L/t=216.51/164=1320m/s其余計(jì)算結(jié)果見下表:
測(cè)量次數(shù)i 溫度T (℃ ) 距離L(㎜) 時(shí)間t (us) 速度v(m/s)
1 20 216.51 164 1320
2 27 216.51 163 1328
3 36 216.51 162 1336
4 48 216.51 161 1344
5 59 216.51 160 1353
6 70 216.51 159 1362
7 73 216.51 158 1370
表3蒸餾水中溫度與速度實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)處理
測(cè)量次數(shù)i 溫度T (℃) 距離L( ㎜ ) 時(shí)間t (us) 速度v(m/s)
1 20 216.51 144 1490
2 30 216.51 143 1510
3 40 216.51 142 1517
4 54 216.51 141 1530
5 58 216.51 140 1542
6 62 216.51 139 1557
7 66 216.51 138 1568
8 70 216.51
137 1580
9 73 216.51 136 1592
表4自來水中溫度與速度實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理
4.3繪制曲線圖
溫度
5實(shí)驗(yàn)結(jié)論與討論
本文利用時(shí)差法測(cè)量超聲波在液體中聲速的傳播特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)量原理簡(jiǎn)單,方法可行,測(cè)量結(jié)果精確度高。本文以蒸餾水和自來水為例。檢測(cè)了水在20~73℃溫度范圍超聲波在水中聲速與溫度關(guān)系的傳播特性。給出了不同溫度下速度與溫度的關(guān)系曲線圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著溫度的升高聲速變大。雖然在同一溫度范圍內(nèi)測(cè)量聲速,但自來水和蒸餾水中的變化趨勢(shì)明顯不同,蒸餾水中聲速變化均勻,而自來水中聲速隨溫度變化較復(fù)雜,在20~55℃聲速變化較緩慢。55~73℃聲速變化較快。這與它們的成分不同有關(guān),自來水中成分復(fù)雜。這其中主要因素主要是因?yàn)樯⑸洹⑺p、吸收、外界因素等。為完善檢測(cè)方法和檢測(cè)系統(tǒng)提供了參考。從資料中可知,當(dāng)外界壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓時(shí),超聲波在水中的聲速先是由溫度的升高而變大,直至溫度達(dá)到73℃時(shí)為止,然后隨溫度的繼續(xù)升高而減少[12]。由于實(shí)驗(yàn)條件所制,本實(shí)驗(yàn)無法測(cè)量73℃以后聲速隨溫度的變化關(guān)系。
The Reading Data in Sequence Method of Special Physics Experimental Equipment
JIANG Li-xia
（Basic Department，Beijing Union University，Beijing 100101，China）
【Abstract】The reading devices of some special physics experimental equipment are designed based on the measuring principles of vernier calipers or micrometers.However，experimenters would feel confused about data reading when they operate these special equipment which have different appearance and structures from vernier calipers and micrometers.The reading data in sequence method proposed in this paper would help experimenters read date quickly and accurately.It has strong availability and effectiveness.
【Key words】Special physics experimental equipment；Reading devices；Reading data in sequence method
在物理實(shí)驗(yàn)中有一些特殊的儀器，它們的讀數(shù)裝置是根據(jù)游標(biāo)卡尺或螺旋測(cè)微器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理而制成的，但其外觀和結(jié)構(gòu)又與游標(biāo)卡尺或螺旋測(cè)微器有很大的?^別，使得實(shí)驗(yàn)者在讀數(shù)據(jù)時(shí)感到困難，而造成這種困難的原因在于實(shí)驗(yàn)者所掌握的游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器的傳統(tǒng)讀數(shù)方法所致。
游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課中都是必修內(nèi)容，因此實(shí)驗(yàn)者對(duì)游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理非常熟悉，特別是對(duì)兩種尺的傳統(tǒng)讀數(shù)方法印象深刻。游標(biāo)卡尺由主尺和游標(biāo)尺組成，游標(biāo)尺是副尺。游標(biāo)卡尺的讀數(shù)方法是：主尺是以游標(biāo)尺的零刻度線為標(biāo)線讀數(shù)，游標(biāo)尺上哪個(gè)刻度線與主尺的刻度線對(duì)齊，就讀該刻度線對(duì)應(yīng)格數(shù)，但要注意該讀數(shù)不需要估讀，因?yàn)榕袛嘤螛?biāo)尺上哪個(gè)刻度線與主尺的刻度線對(duì)齊時(shí)是目測(cè)，已經(jīng)含有存疑。將游標(biāo)尺讀出的格數(shù)乘以精確度，再與主尺讀數(shù)加起來，就得到一個(gè)完整的讀數(shù)。螺旋測(cè)微器的主尺是固定套管，副尺是活動(dòng)套管，以活動(dòng)套管的前沿為讀數(shù)標(biāo)線，讀出主尺讀數(shù)，再以固定套管上的橫線為讀數(shù)標(biāo)線，讀出活動(dòng)套管上的刻度數(shù)，再乘以分度值，即為副尺讀數(shù)，同時(shí)注意兩點(diǎn)：1）副尺需要估讀；2）主尺露出半刻度時(shí)，要將半刻度值加到副尺讀數(shù)上。將主尺和副尺的數(shù)加起來，就得到一個(gè)完整的讀數(shù)。對(duì)于學(xué)習(xí)者來說，將主尺讀數(shù)和副尺讀數(shù)按照具體尺子的精確度或分度值計(jì)算得出一個(gè)完整的讀數(shù)是可以的，但是對(duì)于一個(gè)使用者來說，這種傳統(tǒng)的計(jì)算讀數(shù)法無疑是不實(shí)用的，試想這個(gè)使用者要測(cè)量幾十組或上百組數(shù)據(jù)，如果用這種計(jì)算讀數(shù)方法，既慢又容易出錯(cuò)，自然會(huì)感到讀數(shù)困難，那么有沒有簡(jiǎn)單易行的讀數(shù)方法呢？實(shí)際上游標(biāo)卡尺的游標(biāo)尺上的刻度標(biāo)數(shù)已經(jīng)是按實(shí)際的精確度設(shè)置，螺旋測(cè)微器的活動(dòng)套管上的刻度標(biāo)數(shù)也已經(jīng)是按實(shí)際的分度值設(shè)置，兩種尺的主尺讀數(shù)和副尺讀數(shù)實(shí)際上只存在數(shù)量級(jí)關(guān)系，一個(gè)完整讀數(shù)的組成實(shí)際上是“主尺讀數(shù)+小數(shù)點(diǎn)+副尺讀數(shù)”這樣一個(gè)排列規(guī)律，本文將按照這個(gè)規(guī)律讀數(shù)的方法稱為“排列讀數(shù)法”。例如：游標(biāo)卡尺的主尺讀數(shù)為21，游標(biāo)尺上44刻度線與主尺的刻度線對(duì)齊，但注意該讀數(shù)不需要估讀，因?yàn)樵摽潭染€與主尺的刻度線對(duì)齊是目測(cè)，已經(jīng)含有存疑，按“主尺讀數(shù)+小數(shù)點(diǎn)+副尺讀數(shù)”規(guī)律排列，就得到完整讀數(shù)為22.44mm。再例如：螺旋測(cè)微器的主尺讀數(shù)為5，并且露出半刻度，副尺讀數(shù)為150，該讀數(shù)尾數(shù)為估讀值，主尺露出半刻度，則在副尺讀數(shù)的首位加5，然后按“主尺讀數(shù)+小數(shù)點(diǎn)+副尺讀數(shù)”規(guī)律排列，就得到完整讀數(shù)為5.650mm。
用“排列讀數(shù)法”讀取游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器上的示數(shù)簡(jiǎn)單易行，使用者可以用這種方法快速、準(zhǔn)確地讀取數(shù)據(jù)。物理實(shí)驗(yàn)中有一些特殊儀器的讀數(shù)裝置是根據(jù)游標(biāo)卡尺或螺旋測(cè)微器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理而制成的，在使用這些儀器的時(shí)候，“排列讀數(shù)法”的實(shí)用性就更加明顯。
在物理實(shí)驗(yàn)中，讀數(shù)裝置是根據(jù)螺旋測(cè)微器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理而制成，但其外觀結(jié)構(gòu)又與螺旋測(cè)微器有較大區(qū)別的常用儀器是邁克爾遜干涉儀和讀數(shù)顯微鏡。邁克爾遜干涉儀是美國(guó)科學(xué)家邁克爾遜于1881年設(shè)計(jì)的一種典型的干涉儀，它是利用分振幅法產(chǎn)生相干光束以實(shí)現(xiàn)干涉的一種精密光學(xué)儀器，可精密地測(cè)量長(zhǎng)度及其微小變化，其測(cè)量結(jié)果的精確度可與光的波長(zhǎng)相比擬。邁克爾遜干涉儀設(shè)計(jì)精巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光路直觀、測(cè)量精度高，在現(xiàn)代科技中應(yīng)用廣泛，例如用它可以測(cè)定薄膜厚度、氣體折射率，檢驗(yàn)棱鏡和透鏡質(zhì)量，研究溫度、壓力對(duì)光傳播的影響等，它的基本結(jié)構(gòu)是近代許多干涉儀的基礎(chǔ)[1]。邁克爾遜干涉儀的讀數(shù)裝置包括主尺和副尺兩部分，它的主尺是裝在導(dǎo)軌側(cè)面的標(biāo)尺，有獨(dú)立的讀數(shù)標(biāo)線，副尺分兩部分，一部分是粗調(diào)鼓輪刻度盤，有獨(dú)立的讀數(shù)標(biāo)線，另一部分是微調(diào)鼓輪刻度盤，有獨(dú)立的讀數(shù)標(biāo)線。軌道滑塊上的反光鏡在某一位置時(shí)的位置讀數(shù)由這三部分尺的讀數(shù)組成，根據(jù)“排列讀數(shù)法”，該位置讀數(shù)的排列方式是“主尺讀數(shù)+小數(shù)點(diǎn)+粗調(diào)鼓輪刻度盤讀數(shù)+微調(diào)鼓輪刻度盤讀數(shù)”，由于微調(diào)鼓輪刻度盤讀數(shù)排在最后一部分，因此只有微調(diào)鼓輪刻度盤讀數(shù)時(shí)需要估讀，主尺和粗調(diào)鼓輪刻度盤讀數(shù)時(shí)不需要估讀。例如：當(dāng)軌道滑塊上的反光鏡移動(dòng)到某一位置時(shí)，主尺讀數(shù)為44，粗調(diào)鼓輪刻度盤讀數(shù)為68，微調(diào)鼓輪刻度盤讀數(shù)為092，則該位置讀數(shù)為44.68092mm 。讀數(shù)顯微鏡是由顯微鏡和測(cè)微螺旋裝置兩部分組成。顯微鏡的作用是將被測(cè)物體放大并瞄準(zhǔn)，測(cè)微螺旋的作用是測(cè)讀任意兩點(diǎn)的距離。讀數(shù)顯微鏡的特點(diǎn)是既能達(dá)到較高的測(cè)量精度（由螺旋測(cè)微的精度決定），又有較寬的測(cè)量范圍（由顯微鏡筒的移動(dòng)范圍決定），并能實(shí)現(xiàn)無接觸測(cè)量[2]。讀數(shù)顯微鏡的讀數(shù)裝置裝在垂直于鏡筒的平臺(tái)上，主尺為平臺(tái)上的標(biāo)尺，有獨(dú)立的讀數(shù)標(biāo)線，副尺是測(cè)微鼓輪刻度盤，也有獨(dú)立的讀數(shù)標(biāo)線。當(dāng)測(cè)微鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)到某一位置時(shí)，該位置讀數(shù)的排列方式是“主尺讀數(shù)+小數(shù)點(diǎn)+測(cè)微鼓輪讀數(shù)”，注意測(cè)微鼓輪讀數(shù)時(shí)需要估讀。例如：當(dāng)測(cè)微鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)到某一位置時(shí)，主尺讀數(shù)為26，測(cè)微鼓輪讀數(shù)為906，則該位置讀數(shù)為26.906mm。
在物理實(shí)驗(yàn)中，讀數(shù)裝置是根據(jù)游標(biāo)卡尺的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理而制成，但其外觀結(jié)構(gòu)又與游標(biāo)卡尺有較大區(qū)別的常用儀器是分光計(jì)和聲速測(cè)定實(shí)驗(yàn)儀。分光計(jì)又稱光學(xué)測(cè)角儀，是一種能精確測(cè)量光線偏轉(zhuǎn)角度的儀器，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。該裝置比較精密，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其基本光學(xué)結(jié)構(gòu)是許多光學(xué)儀器例如棱鏡光譜儀、光柵光譜儀、單色儀等的基礎(chǔ)，它的調(diào)整思想、方法和技巧在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有一定的代表性，因而學(xué)會(huì)分光計(jì)的調(diào)整和使用有助于掌握更復(fù)雜的光學(xué)儀器[3]。分光計(jì)的讀數(shù)裝置包括主尺和副尺兩部分，它的主尺是分為360o的刻度圓盤，最小刻度為0.5o，即30′，小于半度則需用副尺游標(biāo)讀數(shù)。為了消除刻度圓盤的偏心差，游標(biāo)盤上在同一直徑的兩端設(shè)有兩個(gè)游標(biāo)。每個(gè)游標(biāo)上有30個(gè)刻度線，總長(zhǎng)與刻度圓盤上29個(gè)刻度線等長(zhǎng)，因此最小刻度為1′。在實(shí)際測(cè)量前，先將游標(biāo)盤旋轉(zhuǎn)到兩個(gè)游標(biāo)的連線與平行光管垂直的方位，用游標(biāo)盤固定螺釘將游標(biāo)盤固定，再將望遠(yuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)到與平行光管共線，然后將望遠(yuǎn)鏡與刻度圓盤用專用固定螺釘固定在一起。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，當(dāng)與刻度圓盤固定在一起的望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)到某一位置時(shí)，其位置讀數(shù)有兩組，分別在兩個(gè)游標(biāo)處讀（下轉(zhuǎn)第143頁）（上接第134頁）出。根據(jù)排列讀數(shù)法，每一組位置讀數(shù)的排列方式是“刻度圓盤讀數(shù)+度+游標(biāo)讀數(shù)+分”，讀數(shù)時(shí)還需要注意兩點(diǎn)：1）如果游標(biāo)零刻度線已越過刻度圓盤上的半刻度線，讀數(shù)0.5o需化為30′加在游標(biāo)讀數(shù)上；2）游標(biāo)讀數(shù)不需要估讀，因?yàn)榕袛嘤螛?biāo)上某刻度線與刻度圓盤刻度線對(duì)齊時(shí)是目測(cè)，已經(jīng)含有存疑。例如：當(dāng)與刻度圓盤固定在一起的望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)到某一位置時(shí)，游標(biāo)Ⅰ處刻度圓盤讀數(shù)為212，且游標(biāo)零刻度線已越過刻度圓盤上的半刻度線，游標(biāo)讀數(shù)為09，則游標(biāo)Ⅰ處位置讀數(shù)為212o39′，游標(biāo)Ⅱ處刻度圓盤讀數(shù)為32，且游標(biāo)零刻度線已越過刻度圓盤上的半刻度線，游標(biāo)讀數(shù)為13，則游標(biāo)Ⅱ處位置讀數(shù)為32o43′。注意：由于游標(biāo)Ⅰ和游標(biāo)Ⅱ分別位于游標(biāo)盤上同一直徑的兩端，因此游標(biāo)Ⅰ處和游標(biāo)Ⅱ處的位置讀數(shù)應(yīng)相差180o左右。當(dāng)與刻度圓盤固定在一起的望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)到另一位置時(shí)，按同樣方法讀出游標(biāo)Ⅰ處和游標(biāo)Ⅱ處的位置讀數(shù)，然后求出望遠(yuǎn)鏡兩個(gè)位置相對(duì)應(yīng)的游標(biāo)Ⅰ處位置讀數(shù)差值φⅠ以及游標(biāo)Ⅱ處位置讀數(shù)差值φⅡ，再求φⅠ以及φⅡ的平均值，即為望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)過的角度。聲速測(cè)定實(shí)驗(yàn)儀主要由超聲實(shí)驗(yàn)裝置、聲速測(cè)定儀信號(hào)源及雙蹤示波器組成，可用于共振干涉法、相位比較法和時(shí)差法測(cè)量聲速[4]。聲速測(cè)定實(shí)驗(yàn)儀的讀數(shù)裝置在測(cè)試架上，整個(gè)橫梁為主尺，游標(biāo)與超聲接收換能器（動(dòng)子）連接在一起，當(dāng)超聲接收換能器（動(dòng)子）通過螺桿聯(lián)動(dòng)手輪在測(cè)試架上移動(dòng)時(shí)，通過游標(biāo)可讀出任意位置的位置讀數(shù)，若記下初始位置的讀數(shù)值，再記下實(shí)驗(yàn)操作需要移動(dòng)到的位置的讀數(shù)值，兩值之差即為超聲接收換能器（動(dòng)子）從初始位置到該位置移動(dòng)的距離，該讀數(shù)裝置的讀數(shù)方法與游標(biāo)卡尺的讀數(shù)方法完全相同，按“主尺讀數(shù)+小數(shù)點(diǎn)+副尺讀數(shù)”規(guī)律排列即可。例如：主尺讀數(shù)為71，游標(biāo)尺上90刻度線與主尺的刻度線對(duì)齊，但注意該讀數(shù)不需要估讀，因?yàn)樵摽潭染€與主尺的刻度線對(duì)齊是目測(cè)，已經(jīng)含有存疑，按“主尺讀數(shù)+小數(shù)點(diǎn)+副尺讀數(shù)”規(guī)律排列，就得到該位置讀數(shù)為71.90。若已測(cè)得初始位置讀數(shù)為62.60，則超聲接收換能器（動(dòng)子）從初始位置到該位置移動(dòng)的距離為9.3mm。
不僅僅是物理實(shí)驗(yàn)中有一些特殊的儀器，它們的讀數(shù)裝置是根據(jù)游標(biāo)卡尺或螺旋測(cè)微器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理而制成，在科學(xué)類和工程類科研精密儀器中，也有許多儀器的讀數(shù)裝置是根據(jù)游標(biāo)卡尺或螺旋測(cè)微器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理而制成，而且但其外觀和結(jié)構(gòu)也與游標(biāo)卡尺或螺旋測(cè)微計(jì)有很大的區(qū)別，并且需要讀出大量的數(shù)據(jù)，如果在讀數(shù)據(jù)時(shí)采用排列讀數(shù)法，便可以使實(shí)驗(yàn)者快速、準(zhǔn)確地讀出數(shù)據(jù)，排列讀數(shù)法的實(shí)用性、高效性就更能得到體現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：超聲波；聲速；波幅；質(zhì)量檢測(cè)
中圖分類號(hào)：P631.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
1、引言
工程樁應(yīng)用于我國(guó)的城市建筑非常多，大直徑的、深長(zhǎng)或者單樁單柱的基樁日趨增多。在施工過程中，不可能百分之百的基樁都能達(dá)到合格的要求，難免會(huì)有部分的基樁存在不同程度的缺陷。尤其在灌注樁的施工過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)夾泥、離析、縮徑、甚至斷樁等情況。因此，在實(shí)際工程檢測(cè)中，利用測(cè)得的超聲波信號(hào)準(zhǔn)確判斷樁身質(zhì)量，排除工程隱患，對(duì)基樁的質(zhì)量評(píng)價(jià)是至關(guān)重要的。
2、基本原理及方法
混凝土是由多重材料組成的多相非勻質(zhì)體。對(duì)于正常的混凝土，聲波在其中傳播的速度是有一定范圍的，當(dāng)傳播路徑遇到混凝土有缺陷時(shí)，如斷裂、裂縫、夾泥和密實(shí)度差等，聲波要繞過缺陷或在傳播速度較慢的介質(zhì)中通過，聲波將發(fā)生衰減、造成傳播時(shí)間延長(zhǎng)，使聲時(shí)增大，計(jì)算聲速降低，波幅減小，波形畸變。因此，可利用超聲波在混凝土中傳播的這些聲學(xué)參數(shù)的變化。來分析判斷樁身混凝土質(zhì)量。聲波透射法檢測(cè)樁身混凝土質(zhì)量，是在樁身中預(yù)埋2~4根聲測(cè)管。將超聲波發(fā)射、接收探頭分別置于2根導(dǎo)管中，進(jìn)行聲波發(fā)射和接收，使超聲波在樁身混凝土中傳播，用超聲儀測(cè)出超聲波的傳播時(shí)間t、波幅A、頻率f及深度等物理量，就可判斷樁身結(jié)構(gòu)完整性。
聲波投射法范圍適用于檢測(cè)樁徑大于0.6m混凝土灌注樁的完整性。因?yàn)闃稄捷^小時(shí)，聲波換能器與檢測(cè)管的聲耦合會(huì)引起較大的相對(duì)測(cè)試誤差。其樁長(zhǎng)不受限制。
3、儀器設(shè)備
3.1試驗(yàn)裝置聲波透射法試驗(yàn)裝置包括超聲檢測(cè)儀、超聲波發(fā)射及接收換能器（亦稱探頭）、預(yù)埋測(cè)管等，也有加上孔口深度滑輪和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。檢測(cè)系統(tǒng)見圖1.
3.2超聲檢測(cè)儀的技術(shù)性能應(yīng)符合下列規(guī)定：
3.2.1具有實(shí)時(shí)顯示和記錄接收信號(hào)的時(shí)程曲線，以及頻率測(cè)量或頻譜分析功能；
3.2.2聲時(shí)測(cè)量分辨率優(yōu)于或等于0.5μs，聲波幅值測(cè)量相對(duì)誤差小于5%，系統(tǒng)頻帶寬度為1~200kHZ，系統(tǒng)最大動(dòng)態(tài)范圍不小雨100dB；
3.2.3聲波發(fā)射脈沖宜為階躍或矩形脈沖，電壓幅值為200~1000V。
3.3聲波發(fā)射與接收換能器應(yīng)符合下列要求
3.3.1圓柱狀徑向振動(dòng)，沿徑向無指向性；
3.3.2外徑小于聲測(cè)管內(nèi)經(jīng)，有效工作面軸長(zhǎng)度不不大于150mm
3.3.3諧振頻率宜為30~50kHz；
3.3.4水密性滿足1MPa水壓不滲水。
3.4聲測(cè)管埋設(shè)要點(diǎn)：
3.4.1聲測(cè)管宜采用鋼管、塑料管或鋼質(zhì)波紋管，其內(nèi)經(jīng)宜為50~60mm。
3.4.2聲測(cè)管應(yīng)采取方法固定聲測(cè)管，使之成樁后互相平行。
3.4.3聲測(cè)管應(yīng)下端封閉、上端加蓋、管內(nèi)無異物；聲測(cè)管連接應(yīng)光滑過度，管口應(yīng)高出樁頂100mm以上，且各聲測(cè)管管口高度一致。
3.4.4聲測(cè)管埋設(shè)數(shù)量應(yīng)符合下列要求：
a、D≤800mm，2根管。
b、800＜D≤2000mm，不少于三根管。
c、D＞2000mm，不少于4根管。
式中D---受驗(yàn)樁設(shè)計(jì)樁徑。
3.4.5聲測(cè)管應(yīng)沿樁截面外側(cè)呈對(duì)稱形狀布置，按圖2所示的箭頭方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)依次編號(hào)。
圖2：聲測(cè)管布置圖
4、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)
4.1確定儀器的延遲時(shí)間、修正值，以及測(cè)量各聲測(cè)管外壁間凈距離。將發(fā)射與接收聲波換能器通過深度標(biāo)志分別置于兩根聲測(cè)管中的測(cè)點(diǎn)處。
4.2發(fā)射與接收聲波換能器應(yīng)以相同標(biāo)高或保持固定高差同步升降，測(cè)點(diǎn)間距不宜大于250mm。
4.3實(shí)時(shí)顯示和記錄接收信號(hào)的時(shí)程曲線，讀取聲時(shí)、首波峰值和周期值，宜同時(shí)顯示頻譜曲線及主頻值。
4.4將多根聲測(cè)管以兩根為一個(gè)檢測(cè)剖面進(jìn)行全組合，分別對(duì)所有檢測(cè)剖面完成檢測(cè)。
4.5在樁身質(zhì)量可疑的測(cè)點(diǎn)周圍，應(yīng)采用加密測(cè)點(diǎn)，或采用斜側(cè)、扇形掃測(cè)進(jìn)行復(fù)測(cè)，進(jìn)一步確定樁身缺陷的位置和范圍。
4.6在同一根樁的各檢測(cè)剖面的檢測(cè)過程中，聲波發(fā)射電壓和儀器設(shè)置參數(shù)應(yīng)保持不變。
5、檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析與判定
5.1各測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)tc、聲速v、波幅A及主頻f應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，按下列各式計(jì)算，并繪制聲速-深度（v-z）曲線和波幅-深度（Ap-z）曲線，需要時(shí)可繪制輔助的主頻-深度（f-z）曲線：
tci=ti-t0-t＇；vi=l＇/tci ；Api=20lg(ai/ao)；Fi=1000/Ti(1)
式中tci—第i測(cè)點(diǎn)聲時(shí)（μs）；ti—第i測(cè)點(diǎn)聲時(shí)測(cè)量值（μs）；t0—儀器系統(tǒng)延遲時(shí)間（μs）；t＇—聲測(cè)管及耦合水層聲時(shí)修正值（μs）；l＇—每檢測(cè)剖面相應(yīng)兩聲測(cè)管的外壁間凈距離（mm）；vi—第i測(cè)點(diǎn)聲速（km/s）；Api—第i測(cè)點(diǎn)波幅值（dB）；ai—第i測(cè)點(diǎn)信號(hào)首波峰值（V）；a0—零分貝信號(hào)幅值（V）；fi—第i測(cè)點(diǎn)信號(hào)主頻值（kHz），也可由信號(hào)頻譜的主頻求的；Ti—第i測(cè)點(diǎn)信號(hào)周期（μs）。
5.2聲速臨界值應(yīng)按下列步驟計(jì)算：
5.2.1將同一檢測(cè)剖面各測(cè)點(diǎn)的聲速值vi由大到小一次排序，即
v1≥v2≥……vi≥……vn-k≥……vn-1≥vn（k=9，1，2，……）（2）
式中vi—按序排列后的第i個(gè)聲速測(cè)量值：N—檢測(cè)剖面測(cè)點(diǎn)數(shù)；K—從零開始逐一去掉（2）式vi序列尾部最小數(shù)值的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。
5.2.2對(duì)從零開始逐一去掉vi序列中最小數(shù)值后余下的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。當(dāng)去掉最小數(shù)值的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為k時(shí)，對(duì)包括vn-k在內(nèi)的余下數(shù)據(jù)v1~vn-k按下列公式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算
v0=vm-λ·sx ；；（3）
式中 v0—異常判斷值；Vm—（n-k）個(gè)數(shù)據(jù)的平均值；Sx—（n-k）個(gè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差；λ—n-k相對(duì)應(yīng)的系數(shù)。
表1 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)（n-k）與對(duì)應(yīng)的系數(shù)
5.2.3將vn-k與異常值v0進(jìn)行比較，當(dāng)vn-k≤v0時(shí)，vn-k及其以后的數(shù)據(jù)均為異常，去掉vn-k及其以后的異常數(shù)據(jù)；在用數(shù)據(jù)v1~vn-k-1并重復(fù)式（6）~（8）的計(jì)算步驟，直到vi序列中余下的全部數(shù)據(jù)滿足：Vi＞v0 （4）
此時(shí)，v0為聲速的異常判斷臨界值vc。
5.2.4聲速異常時(shí)的臨界值判據(jù)為：Vi≤vc（5）
5.3當(dāng)檢測(cè)剖面n個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲速值普遍偏低且離散性很小時(shí)，宜采用聲速低限值判據(jù)：
Vi＜vL （6）
式中vi—第i測(cè)點(diǎn)聲速（km/s）；vL—聲速低限值（km/s），由預(yù)留同條件混凝土試件的抗壓強(qiáng)度與聲速對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合本地區(qū)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定。當(dāng)（6）成立時(shí)，可直接判定為聲速低于低限值異常。
5.4波幅異常時(shí)的臨界值判據(jù)應(yīng)按照下列公式計(jì)算：
；Api＜Am-6（7）
式中Am—波幅平均值；n—檢測(cè)剖面測(cè)點(diǎn)數(shù)。當(dāng)（7）式成立時(shí)，波幅可判定為異常。
5.5當(dāng)采用斜率法的PSD值作為輔助異常點(diǎn)判據(jù)時(shí)，PSD值應(yīng)按照下列公式計(jì)算：
PSD=K·Δt； K = Tci-tci-1 Δt=Tci-tci-1（8）
———
Zi-zi-1
式中tci—第i測(cè)點(diǎn)聲時(shí)（μs）；Tci-1—第i-1測(cè)點(diǎn)聲時(shí)（μs）；Zi—第i測(cè)點(diǎn)深度（m）；
Zi-1—第i-1測(cè)點(diǎn)深度（m）。
6、工程實(shí)例
廣西某汽車廠基地樁基礎(chǔ)采用預(yù)埋聲波管進(jìn)行聲波透射法檢測(cè)，鉆芯法驗(yàn)證。
汽車廠基礎(chǔ)采用人工挖孔灌注樁，儀器使用武漢中科智創(chuàng)巖土技術(shù)有限公司生產(chǎn)的RSM-SY5型的聲波透射儀。受檢樁編號(hào)338，樁徑Φ1000mm，樁長(zhǎng)3.05m，樁身混凝土強(qiáng)度為C30，該樁為端承樁，基巖為中～微風(fēng)化白云巖。
聲波透射法工作按照《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》JGJ106-2003中第10章聲波透射法執(zhí)行，樁內(nèi)埋設(shè)3根鋼質(zhì)的聲波管，測(cè)量3個(gè)剖面來分析判斷樁身結(jié)構(gòu)完整性。
圖3：剖面聲速—深度曲線、波幅—深度曲線以及 PSD—深度曲線。
圖4：鉆芯法驗(yàn)證ZH338號(hào)樁
根據(jù)聲波透射法檢測(cè)結(jié)果分析，樁頂下1.50~3.05m段三個(gè)剖面均無法接收到超聲信號(hào)。并采用鉆芯法驗(yàn)證，1.50m以下至樁底無法撈取芯樣，與聲波透射法結(jié)果一致。判斷該樁1.50～3.05m嚴(yán)重離析，為不合格樁。
另受檢樁編號(hào)347，樁徑Φ800mm，樁長(zhǎng)3.60m，樁身混凝土強(qiáng)度為C30，該樁為端承樁，基巖為中～微風(fēng)化白云巖。共埋設(shè)2根聲測(cè)管，測(cè)量1個(gè)剖面來分析判斷樁身結(jié)構(gòu)完整性。
圖5：剖面聲速—深度曲線、波幅—深度曲線以及 PSD—深度曲線。
圖6：鉆芯法驗(yàn)證ZH347號(hào)樁。
根據(jù)聲波透射法檢測(cè)結(jié)果分析，樁頂下2.05~3.60m段無法接收到超聲信號(hào)。并采用鉆芯法驗(yàn)證，2.05m一下至樁底芯樣為粉末碎渣，嚴(yán)重離析，與聲波透射法結(jié)果一致。判斷該樁2.05~3.60m嚴(yán)重離析，為不合格樁。
7、結(jié)論
7.1預(yù)埋聲測(cè)管超聲檢測(cè)說明，超聲波法成為混凝土無損檢測(cè)的重要手段。
7.2超聲檢測(cè)法檢測(cè)全面、細(xì)致、聲波檢測(cè)的范圍可覆蓋全樁長(zhǎng)的各個(gè)橫截面。且現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)便、迅速，不受樁長(zhǎng)、長(zhǎng)徑比的限制。
7.3檢測(cè)結(jié)果直觀地反應(yīng)了樁身各個(gè)方向及其存在的缺陷的確切位置、大小及嚴(yán)重程度等方面的質(zhì)量信息。
7.4超聲檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的異常不能盲目判定，應(yīng)結(jié)合工程地質(zhì)資料，施工資料綜合判定，必要時(shí)采用另一種檢測(cè)手段驗(yàn)證結(jié)果。
Zhong Huisheng；Zhang Jintuan
①Xi'an University of Architecture and Technology School of Management，Xi'an 710055，China；
②Zhonghe Quality of Testing in Wuhan Co.，Ltd.，Wuhan 430082，China；③Hezhou University, Hezhou 542800，China）
摘要：聲速、聲時(shí)、聲幅、主頻這四個(gè)聲測(cè)參數(shù)是判斷樁基完整性的主要依據(jù)。而在實(shí)際樁檢中，各參數(shù)都不能達(dá)到足夠的精度評(píng)判出樁身質(zhì)量的好壞，必須經(jīng)過綜合比較加以確定，僅評(píng)某一參數(shù)的異常來作出判定容易得出相左的結(jié)論。并且PSD、聲速參數(shù)可以歸為同一參數(shù)。
Abstract： Four sounding parameters of acoustic speed, acoustic time, acoustic amplitude and basic frequency are the foundation of judging integrity of foundation pile. In the actual test of pile, each parameter is not precise enough to judge the pile quality. We must judge through comprehensive comparison. Certain abnormal parameter can not be used to make judgement; otherwise, contrary conclusions are easily obtained. And parameter of PSD and acoustic speed can be classified as same parameter.
關(guān)鍵詞：基樁檢測(cè) 聲測(cè)判據(jù) 精度
Key words： test of foundation pile；sounding criterion；precision
中圖分類號(hào)：TU7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2011）19-0095-02
0引言
應(yīng)用超聲波投射混凝土檢測(cè)樁體完整性，是一個(gè)成熟而又年輕的方法。說其成熟是因?yàn)椋趪?guó)內(nèi)經(jīng)歷了近五十年的研究，已經(jīng)獲得了大量的研究成果，其判斷依據(jù)已經(jīng)逐步成熟起來，各種聲測(cè)參數(shù)能夠比較準(zhǔn)確的獲得并用以判別分析。說其年輕是因?yàn)椋鲄?shù)的分析深度有待加強(qiáng)，無法使用一個(gè)參數(shù)來做出質(zhì)量評(píng)定，而最重要的是無法將樁體的強(qiáng)度即使用性能，通過各參數(shù)反映出來。
1各參數(shù)研究脈絡(luò)
目前，各參數(shù)的研究都已經(jīng)開展，并且提出了許多的判據(jù)，而各判據(jù)的使用卻存在一定的局限。
南京水利科學(xué)院羅騏先早年曾提出一種判斷缺陷的方法，即“概率法”，此方法經(jīng)多年實(shí)踐已經(jīng)作為判斷缺陷的基本方法列入各類超聲波規(guī)程中 [1-2]。該方法粗略認(rèn)為，正常混凝土的聲學(xué)參數(shù)是符合正態(tài)分布的缺陷是由過失誤差引起，它的聲學(xué)分布不符合正態(tài)分布。湖南大學(xué)吳慧敏等[3]在對(duì)鄭州大橋灌注樁的超聲波透射法檢測(cè)結(jié)果的判定過程中，提出了一種判斷樁內(nèi)缺陷的方法，以“聲參數(shù)一深度”曲線相鄰兩點(diǎn)之間的斜率與聲參數(shù)差值之積為判斷依據(jù)，簡(jiǎn)稱“判據(jù)”。該方法認(rèn)為缺陷處波速明顯變小，即聲時(shí)明顯變大，與相鄰正常測(cè)點(diǎn)對(duì)比，形成一突變。巫英凱、黃永萊、王根清等[4]在中國(guó)水利學(xué)會(huì)第二屆混凝土無損檢測(cè)學(xué)術(shù)會(huì)議上提出了“基樁混凝土無損檢測(cè)一超聲波脈沖NFP法”。廣州建科院陳如桂[5]提出了“逆概率解釋法”，它在概率法和PSD判別法的基礎(chǔ)上以隨機(jī)函數(shù)為前提，在有干擾的基礎(chǔ)上分離有用的強(qiáng)弱異常，進(jìn)一步克服傳統(tǒng)方法中錯(cuò)判和漏判缺陷的缺點(diǎn)。福建省建筑科學(xué)研究院葉健[6]提出了“聲波透射法樁基檢測(cè)技術(shù)中聲測(cè)管距真實(shí)管距求解及CBV判據(jù)”。河南交通基本建設(shè)質(zhì)量檢測(cè)監(jiān)督站閻光輝[4]提出了“PSD、V、A綜合判斷法”，其分別將PSD、V、A判據(jù)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行細(xì)化，再加以綜合考慮。南京水利科學(xué)研究院宋人心等[7]提出了“灌注樁聲波透射法缺陷分析方法一陰影重疊法”，將加密對(duì)測(cè)和斜測(cè)的檢測(cè)結(jié)果標(biāo)示于檢測(cè)剖面圖上，可以更直觀的分析判斷缺陷的范圍。
超聲波透射法檢測(cè)混凝土灌注樁樁身缺陷、評(píng)價(jià)其完整性的依據(jù)是通過測(cè)定聲波經(jīng)過混凝土傳播后各種聲學(xué)參數(shù)的量值得出的，聲波在有缺陷介質(zhì)中傳播路徑如圖1。目前混凝土質(zhì)量檢測(cè)中所用的聲學(xué)參數(shù)主要有波速、波幅、頻率及波形。混凝土的波速與其彈性性質(zhì)及混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)波幅是表征聲波穿過混凝土后能量衰減程度的指標(biāo)之一，它的強(qiáng)弱與混凝土的彈塑性有關(guān)，它對(duì)缺陷區(qū)反應(yīng)比聲時(shí)更為敏感接收波主頻率實(shí)質(zhì)是介質(zhì)衰減作用的一個(gè)表征量，當(dāng)遇缺陷時(shí)衰減嚴(yán)重接收波形可以根據(jù)波形畸變程度作為判斷缺陷的參考依據(jù)。這幾種聲學(xué)參數(shù)都是判斷混凝土質(zhì)量的重要參量。
2各類判據(jù)的評(píng)判
聲速、聲時(shí)、聲幅、主頻這四個(gè)聲測(cè)參數(shù)是判斷樁基完整性的主要依據(jù)。其中，聲幅、主頻、聲時(shí)是儀器中實(shí)測(cè)的絕對(duì)數(shù)值，能直接表達(dá)樁身材料的一定性能。而聲速卻是一個(gè)相對(duì)變動(dòng)參數(shù)，其準(zhǔn)確數(shù)值的獲得必須要另一非判據(jù)參數(shù)-測(cè)距的確定來間接計(jì)算得出。
2.1 測(cè)距在聲測(cè)過程中測(cè)距參數(shù)是在隱蔽工程中難以實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，其參數(shù)的獲得只有通過測(cè)量管口的管間距來間接反映樁身管間距，而規(guī)范中對(duì)聲測(cè)管間距測(cè)試精度要求為1%，這在實(shí)際施工中是難以達(dá)到的。聲測(cè)管一般為金屬材料制作而成，其變形一般較小，而在實(shí)際施工中，特別是深樁施工中，累積長(zhǎng)度的扭曲往往較大，再由于綁扎不牢等因素的存在，易使聲測(cè)管出現(xiàn)扭曲，這樣就無法保證聲程的一致性。而在實(shí)際檢測(cè)工作中，常見到樁頭或樁底出現(xiàn)聲時(shí)值的快速滑移現(xiàn)象。而導(dǎo)致聲時(shí)滑移的因素主要有兩個(gè)，一是介質(zhì)性質(zhì)發(fā)生變異，二是聲程發(fā)生變化導(dǎo)致聲時(shí)變化。這些影響因素的存在，是檢測(cè)工程師們所熟知的，并且通過規(guī)范易知聲測(cè)是粗側(cè)混凝土的完整性，而對(duì)混凝土的其它性質(zhì)無法統(tǒng)一給出。這樣就限定了聲測(cè)的應(yīng)用范圍，使其工程應(yīng)用領(lǐng)域偏狹。
2.2 聲時(shí)值在超聲檢測(cè)中聲時(shí)參數(shù)是一個(gè)相當(dāng)重要的參數(shù)。其數(shù)值的獲取由設(shè)備自身自動(dòng)獲得，為聲測(cè)唯一準(zhǔn)確值。聲時(shí)值作為一個(gè)聲測(cè)判據(jù)，能夠反映混凝土的質(zhì)量差異。當(dāng)聲時(shí)出現(xiàn)突變時(shí)，一般認(rèn)為混凝土質(zhì)量存在差異。而聲時(shí)差異出現(xiàn)的另一因素是，聲測(cè)管的扭曲變形，往往這種差異僅僅表現(xiàn)在聲時(shí)值的變化中，同樣會(huì)對(duì)聲速值產(chǎn)生一定的影響，而從其他判據(jù)中可以看到比較正常的波形，特別是對(duì)于波幅參數(shù)中。
2.3 PSD判據(jù)與聲速而從另一個(gè)方面來看，聲測(cè)的聲時(shí)實(shí)測(cè)值為PSD判據(jù)的推定依據(jù)，同樣聲速為聲時(shí)推演值，因此二參數(shù)的判斷依據(jù)與判斷結(jié)果必定是一致的，聲速的減少聲時(shí)必增加，表現(xiàn)在判據(jù)曲線上，聲速的下凹，而在PSD對(duì)應(yīng)位置為曲線的上凸。因此，二判據(jù)具有高度的一致性，即二判據(jù)可以舍一，僅取聲速判據(jù)足以。
2.4 波幅和主頻參數(shù)而對(duì)于其它兩參數(shù)，波幅與主頻的穩(wěn)定性更差。主頻離散性太強(qiáng)，幾乎布滿了整個(gè)頻域限定的范圍，因此主頻只是用于對(duì)聲波收發(fā)波束的篩選功能，無法作為一具體的樁身質(zhì)量判據(jù)。波幅判據(jù)為一穩(wěn)定性較高的判據(jù)，但是其判斷精度也無法保證，因其反映的是接收到的首波的波幅值，而一般首波波幅較后續(xù)疊加波小很多，也就是說只要接受探頭能夠接收到頻域范圍內(nèi)的聲波則聲幅值比較穩(wěn)定，除非缺陷較大，波能損失殆盡，通過波幅可以反映出部分缺陷。
2.5 各參數(shù)的改進(jìn)分析綜上可以看出在有價(jià)值的判斷中聲速值是一最敏感的參數(shù)。而聲速值的由來卻無法得到準(zhǔn)確的保證。在實(shí)測(cè)資料中經(jīng)常獲得≥5km/s的聲速值，已接近鋼材的聲速值，而實(shí)驗(yàn)室中標(biāo)準(zhǔn)試件的聲速值為3.8-4.6km/s，因此這一較大數(shù)據(jù)的采集得不到有效的理論解釋，而地下樁體中常含有比標(biāo)準(zhǔn)試件更多的裂隙和水，而裂隙和水的存在只會(huì)減少聲速，而不會(huì)增加聲速值，這就給我們提出了一個(gè)新的研究課題，對(duì)聲速測(cè)量的準(zhǔn)確化。
在上文中提到了，聲速、測(cè)距、聲時(shí)是三個(gè)相關(guān)參量，只有知道兩個(gè)才能確定第三個(gè)，因此可以通過一定的技術(shù)手段是測(cè)距能夠準(zhǔn)確化來換算聲速值。
對(duì)于波幅的研究多是通過首波波幅值來反映樁身質(zhì)量，對(duì)于后續(xù)波形形態(tài)的研究較少。因?yàn)楹罄m(xù)波形為聲波在混凝土內(nèi)部經(jīng)復(fù)雜的反射、折射、繞射等過程得到的，分析起來具有較大難度，并且其分析價(jià)值的多少還有待進(jìn)一步細(xì)化研究。
3結(jié)語
通過對(duì)各參數(shù)的對(duì)比分析，可以看出，雖然超聲檢測(cè)已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展到目前已經(jīng)成為在工程中成熟應(yīng)用的基樁檢測(cè)技術(shù)，但是卻存在著一個(gè)難以逾越的難題。這就是對(duì)樁身質(zhì)量的定量化評(píng)定，以上各種手段都難以做到定量化，并且各有利弊，需要綜合考慮來評(píng)定樁身質(zhì)量。
而工程實(shí)際應(yīng)用的樁體，是樁身的綜合評(píng)定，即樁身在存在缺陷的情況下能不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度。大量學(xué)者都研究了聲速與強(qiáng)度的關(guān)系，但是由于影響因素過多，無法形成統(tǒng)一的函數(shù)關(guān)系。這也成為一個(gè)亟待解決的問題。
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關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ)；檢測(cè)技術(shù)；超聲波；公路橋梁工程
1.前 言
隨著我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展，樁基已成為一種重要的基礎(chǔ)形式應(yīng)用到交通基礎(chǔ)建設(shè)中，它決定著整個(gè)工程的基本質(zhì)量。目前混凝土鉆(沖)孔灌注樁是橋梁施工結(jié)構(gòu)的主要形式，這主要是由于樁能將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞到深層穩(wěn)定的土層中去，從而大大減少基礎(chǔ)沉降和建筑物的不均勻沉降，具有抗震性能好，承載力高，施工噪音小等特點(diǎn)，是一種極為有效，安全可靠的基礎(chǔ)形式。
由于樁基是典型的地下隱蔽結(jié)構(gòu)物，由基樁缺陷引起的工程問題時(shí)有發(fā)生，很容易出現(xiàn)縮徑、斷裂、夾泥、沉渣、擴(kuò)徑等質(zhì)量問題。對(duì)施工后的基樁進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、采取必要的工程措施有相當(dāng)?shù)闹匾饬x。
2.超聲法概述
超聲法檢測(cè)樁的混凝土質(zhì)量是上世紀(jì)九十年展起來的一種新的檢測(cè)方法。具有以下優(yōu)點(diǎn):
1)檢測(cè)細(xì)致，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。2)不受樁長(zhǎng)、樁徑限制。3)無盲區(qū)。聲測(cè)管埋到的部位都可檢測(cè)，包括樁頂?shù)蛷?qiáng)區(qū)和樁底沉渣厚度。4)樁頂露出地面即可檢測(cè)，方便施工。
因此，雖然需預(yù)埋聲測(cè)管，材料費(fèi)用較高，但仍然得到廣泛采用。
3.檢測(cè)參數(shù)
3.1聲速。聲速即超聲波在混凝土中傳播的速度，它是混凝土超聲波檢測(cè)中一個(gè)主要的參數(shù)，與混凝土的彈性性質(zhì)及混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成有關(guān)。彈性模量越高、內(nèi)部越密，其聲速就越高。
3.2波幅。接收波波幅通常指首波，反映了接收到聲波的強(qiáng)弱，它與混凝土的粘塑性能有關(guān)。在發(fā)出的超聲波情況下，波幅的大小反映了超聲波在混凝土中衰減的情況，即在一定程度上反映了混凝土的強(qiáng)度。對(duì)于內(nèi)部有缺陷或裂縫的混凝土，由于缺陷、裂縫使超聲波反射或繞射，波幅也將明顯變化。
3.3頻率。超聲檢測(cè)中，電脈沖激發(fā)出的聲脈沖信號(hào)是復(fù)頻超聲脈沖波，在混凝土內(nèi)傳播過程中，其中的高頻成分首先衰減，而下降的多少除與傳播距離有關(guān)外，主要取決于混凝土本身的質(zhì)量和內(nèi)部是否存在缺陷。
3.4波形。波形指接收換能器屏幕上顯示的接收波波形。當(dāng)超聲波在傳播過程中碰到混凝土內(nèi)部缺陷、裂縫或異物時(shí)，會(huì)產(chǎn)生繞射、反射和傳播路徑的變化，反射波、繞射波等波相繼到達(dá)接收換能器，它們的頻率和相位各不相同，疊加后使波形畸變。因此，對(duì)接收波波形的研究分析有助于對(duì)混凝土內(nèi)部質(zhì)量及缺陷的判斷。
4.現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作
4.1準(zhǔn)備工作。1)調(diào)查、收集資料。包括: 樁的類型、尺寸、標(biāo)高，成孔方法及工藝、地質(zhì)資料，設(shè)計(jì)參數(shù)，混凝土參數(shù)、施工方法和工藝及施工中出現(xiàn)的問題等。2)制定檢測(cè)方案。根據(jù)樁基預(yù)埋的聲測(cè)管數(shù)量確定檢測(cè)剖面?zhèn)€數(shù)，并統(tǒng)一進(jìn)行編號(hào)。樁的混凝土強(qiáng)度齡期一般應(yīng)大于14d，以保證各特性參數(shù)基本平緩。3)前期準(zhǔn)備。包括設(shè)備、儀器檢定等準(zhǔn)備工作。
4.2現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。1)在樁頂測(cè)量相應(yīng)聲測(cè)管外壁間凈距離。2) 用一段直徑與換能器略同的圓鋼作疏通吊錘，檢查聲測(cè)管的通暢情況。3)向管內(nèi)灌滿清水。4)將發(fā)射與接收換能器通過深度標(biāo)志分別放入聲測(cè)管中的測(cè)點(diǎn)處。5)發(fā)射與接收換能器以相同高度或保持固定高差同步升降，測(cè)點(diǎn)間距不宜大于250 mm。6)實(shí)時(shí)顯示和記錄接收信號(hào)的時(shí)程曲線，讀取聲時(shí)、首波峰值和周期值， 宜同時(shí)顯示頻譜曲線及主頻值。7)樁身質(zhì)量可疑測(cè)點(diǎn)周圍，應(yīng)采用加密檢測(cè)，包括采用平測(cè)、斜測(cè)、扇形掃測(cè)等方法進(jìn)行復(fù)測(cè)。
5.測(cè)試數(shù)據(jù)的計(jì)算整理
5.1聲速
式中 ――每檢測(cè)剖面相應(yīng)兩聲測(cè)管的外壁間凈距離, mm；
t′――超聲儀聲時(shí)讀數(shù)；
――聲時(shí)初讀數(shù)，是由標(biāo)定計(jì)算出的值。
5.2波幅。波幅是相對(duì)測(cè)試。由于樁身混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變異性很大而難以找出較強(qiáng)的波幅統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，因此在實(shí)際中多是根據(jù)實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)將波幅值的一半定為臨界值。
5.3繪制深度～聲速、波幅圖。根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)按樁繪制出樁上各測(cè)試面沿樁身的深度～聲速、波幅圖。
6.樁身混凝土質(zhì)量的判斷和評(píng)定方法
對(duì)樁身混凝土質(zhì)量的判斷和評(píng)定包括以下三個(gè)方面: 樁身混凝土是否存在缺陷及范圍；樁身混凝土強(qiáng)度；樁身混凝土均勻性。其中對(duì)缺陷的判斷和評(píng)定是最主要的。對(duì)缺陷的判斷主要根據(jù)聲速和波幅二個(gè)參數(shù)，必要時(shí)輔以PSD值變化大小。
6.1用聲速參數(shù)判斷。(1) 當(dāng)實(shí)測(cè)混凝土聲速值低于聲速臨界值時(shí)應(yīng)將其作為可疑缺陷區(qū)。
Vi
式中Vi ――第i個(gè)測(cè)點(diǎn)聲速值, km/s；
VD ――聲速臨界值，km/s。
(2) 聲速臨界值采用正常混凝土聲速平均值與2倍聲速標(biāo)準(zhǔn)差之差。
VD = v - 2σV
式中VD ――聲速臨界值，km/s；
v――正常混凝土聲速平均值，km/s，一般在3 500～4 500；
σV ――正常混凝土聲速標(biāo)準(zhǔn)差。
6.2用波幅參數(shù)判斷
波幅測(cè)值在缺陷探測(cè)中是一種重要的參數(shù)，大量的工程實(shí)踐都證實(shí)，樁內(nèi)存在的缺陷其波幅測(cè)值都有明顯的反映，且比聲速更為敏感。當(dāng)實(shí)測(cè)混凝土波幅值低于波幅臨界值時(shí)，應(yīng)將其作為可疑缺陷區(qū)。
AD =Am - 6
式中AD ――波幅臨界值，dB；
Am ――波幅平均值，dB，一般在65～110(與剖面距離有關(guān)系) 。
上述各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算及繪圖均由專用軟件完成，測(cè)試一結(jié)束即可知道那些是異常點(diǎn)，而在深度～聲速圖上也可一目了然地看出低于臨界值的測(cè)點(diǎn)。
6.3綜合判斷
(1) 以聲速值進(jìn)行概率法統(tǒng)計(jì)判斷，獲得低于臨界值(單點(diǎn)判斷和相鄰點(diǎn)判斷)異常點(diǎn)的位置和深度，結(jié)合PSD值的大小；(2) 分析波幅的變化，把聲速低于臨界值且波幅又明顯偏低的測(cè)點(diǎn)和部位定為異常部位；(3) 根據(jù)細(xì)測(cè)和斜測(cè)資料，確定缺陷的范圍；(4) 根據(jù)缺陷在樁上的位置、施工情況等綜合判定缺陷的種類和性質(zhì)。
判斷時(shí)要注意各個(gè)測(cè)試剖面的聲速和波幅及PSD值，特別是在判斷整個(gè)斷面的層狀缺陷(斷樁)時(shí)更要慎重。對(duì)于層狀缺陷，必須是三(3根聲測(cè)管)或六(4根聲測(cè)管)個(gè)測(cè)試剖面都是層狀缺陷才行。有時(shí)附著在聲測(cè)管上的泥團(tuán)會(huì)使二個(gè)測(cè)試剖面或三個(gè)剖面測(cè)值低，但并不是整個(gè)斷面的缺陷，通過斜測(cè)與扇形掃測(cè)試可進(jìn)一步得以判斷。
7.缺陷性質(zhì)與聲學(xué)參數(shù)的關(guān)系
1)沉渣: 沉渣是松散介質(zhì)，其本身聲速很低(2 500 m/s以下)，對(duì)聲波的衰減也較明顯，如遇到樁底沉渣，檢測(cè)時(shí)聲速和波幅均劇烈下降。2)泥團(tuán): 聲速與波幅均下降，但下降多少則視缺陷情況而定。如果是局部的泥團(tuán)，并未包裹聲測(cè)管，則下降的程度并不大；如果泥團(tuán)包裹聲測(cè)管，聲速與波幅值明顯下降，特別是波幅的下降較為明顯。一根聲測(cè)管被泥團(tuán)包裹(如三根聲管影響兩個(gè)測(cè)試剖面、六根聲管就影響三個(gè)測(cè)試剖面)，通過斜測(cè)與扇形掃測(cè)可以分辨缺陷程度和位置。3)混凝土離析: 粗骨料多的地方，由于粗骨料本身聲速高，往往造成該部位聲速測(cè)值并不低，而只有波幅偏低；但由于粗骨料的聲學(xué)界面多，對(duì)聲波的反射、散射加劇，接收信號(hào)削弱，于是波幅下降。有時(shí)砂漿多的地方而粗骨料少，所測(cè)得聲速值偏低，但波幅測(cè)值不下降，有時(shí)還會(huì)高于附近測(cè)值，所以對(duì)樁的判定時(shí)要以聲速和波幅兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行綜合的分析判斷，必要時(shí)結(jié)合PSD值進(jìn)行分析。
8.樁身完整性評(píng)價(jià)
根據(jù)測(cè)試和判斷的結(jié)果，對(duì)所測(cè)樁的完整性、缺陷和處理意見進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)。結(jié)合《公路工程基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)規(guī)程》，本項(xiàng)目基樁超聲波檢測(cè)評(píng)價(jià)表如表1所示。
對(duì)所測(cè)基樁的完整性、缺陷和處理進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要是對(duì)樁如何處理，需要考慮到許多方面，例如，樁的類型: 是摩擦樁還是端承樁；受荷情況: 是單樁還是群樁；缺陷出現(xiàn)的部位: 樁頂、樁中部還是樁底等。所以，對(duì)基樁完整性判定和處理意見方面要慎重。
表1 樁身完整性類別判定表
類型 缺陷 曲線特征 完整性評(píng)定結(jié)果
Ⅰ 無缺陷 各聲測(cè)剖面的聲學(xué)參數(shù)均無異常，無聲速、波幅低于臨界值，波形正常 完整，合格
Ⅱ 局部小缺陷 某一聲測(cè)剖面?zhèn)€別點(diǎn)的聲學(xué)參數(shù)出異常，無聲速低于臨界值，波形基本正常 基本完整
Ⅲ 局部嚴(yán)重缺陷 某一聲測(cè)剖面連續(xù)多個(gè)測(cè)點(diǎn)或某一深度樁截面處的聲速、波幅值低于臨界值，PSD值變大，波形畸變 不合格
Ⅳ 斷樁等嚴(yán)重缺陷 某一聲測(cè)剖面連續(xù)多個(gè)測(cè)點(diǎn)或某一深度樁截處的聲速、波幅值低于臨界值，PSD值突變，波形畸變 不合格，報(bào)廢
9.工程檢測(cè)實(shí)例
例一: 某嵌巖樁身長(zhǎng)19.00 m，經(jīng)超聲波檢測(cè)、復(fù)測(cè)確定該樁存在局部缺陷，從樁頂以下AB 剖面4.25 m處，BC剖面3.50 m處，AC剖面2.75 m ～3.50 m均出現(xiàn)聲速和波幅低于臨界值，根據(jù)樁身完整性評(píng)價(jià)表故判該樁為II類樁。
例二: 某嵌巖樁樁身長(zhǎng)17.50 m，經(jīng)超聲波檢測(cè)、該樁存在嚴(yán)重缺陷，從樁頂以下AB 剖面16.00 m～17.50 m 處，BC剖面16.00 m ～17.50 m處，AC剖面15.75 m～17.50 m其聲速值和波幅值低于臨界值，PSD值變大，波形畸變。根據(jù)樁身完整性評(píng)價(jià)表故判該樁為III類樁，見圖1。
該樁經(jīng)取芯驗(yàn)證，從樁頂?shù)?6.00 m處樁身混凝土膠結(jié)一般，16.00 m到樁底混凝土離析，為不合格樁。
例三: 某嵌巖樁樁身長(zhǎng)21.00 m，經(jīng)超聲波檢測(cè)、該樁樁身較完整，從樁頂以下AB剖面0.00 ～21.00 m處，BC剖面0.00 ～21.00 m 處，AC剖面0.00～21.00 m其聲速值和波幅值均正常，根據(jù)樁身完整性評(píng)價(jià)表故判該樁為I類樁，見圖2。
該樁經(jīng)取芯驗(yàn)證從樁頂?shù)綐兜啄z結(jié)完整，為合格樁。
10.結(jié)束語
基樁超聲波檢測(cè)技術(shù)性很強(qiáng)的工作，不但要求有理論基礎(chǔ)，還要依靠實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)超聲波檢測(cè)技術(shù)的在工程上的應(yīng)用進(jìn)行分析、總結(jié)。
參考文獻(xiàn)
（天然氣川氣東送管道分公司，武漢430000）
（SichuantoEastGasPipelineBranchofSINOPEC，Wuhan430000，China）
摘要：氣體超聲波流量計(jì)換能器是超聲波的發(fā)射和接收裝置，是測(cè)量聲速和天然氣流速的關(guān)鍵部件，也是流量計(jì)唯一與天然氣直接接觸的測(cè)量部件。在使用過程中，換能器的工作性能就會(huì)持續(xù)下降，將直接影響測(cè)量精度，造成計(jì)量誤差。現(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)換能器的診斷檢查和維護(hù)，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、延長(zhǎng)換能器使用壽命、保證性能良好具有非常重要的意義。
Abstract:Gasultrasonicflowmetertransduceristhetransmittingandreceivingdeviceofultrasonic,thekeycomponentofmeasuringsoundvelocityandgasvelocity,andalsotheonlymeasurementcomponentofflowmeterthatdirectlycontactswithnaturalgas.Inusingprocess,theperformanceoftransducerwillcontinuetofall,whichwilldirectlyaffecttheaccuracyofmeasurement,andcausethemeasurementerror.Ithasveryimportantsignificancetostrengthentheinspectionandmaintenanceoftransducerforfindingproblemsintime,prolongingtheservicelifeofthetransducer,ensuringgoodperformance.
關(guān)鍵詞 ：超聲流量計(jì)；換能器；天然氣計(jì)量
Keywords:ultrasonicflowmeter；transducer；naturalgasmeasurement
中圖分類號(hào)：TE977文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2015）21-0115-03
0引言
換能器是超聲波流量計(jì)重要部件，其性能好壞直接影響流量計(jì)計(jì)量精度的高低，而造成換能器性能降低的因素比較繁雜和難以分析，但通過對(duì)換能器工作條件的分析和工作原理的理解，我們可以更為及時(shí)地發(fā)現(xiàn)換能器性能下降的情況，對(duì)是否更換換能器作出及時(shí)的判斷，從而有效降低換能器性能下降對(duì)天然氣計(jì)量的影響。
1氣體超聲波流量計(jì)原理
1.1超聲換能器工作原理
超聲換能器主要工作部件是壓電晶體，其在外界施加的電場(chǎng)作用下，將在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形；當(dāng)外加電場(chǎng)撤去后，該變形則隨之消失。壓電晶體一定頻率的機(jī)械變形（振動(dòng)）則產(chǎn)生聲波，當(dāng)頻率超過20kHz則產(chǎn)生超聲波。壓電晶體工作原理如圖1。流量計(jì)一對(duì)換能器相互接收和發(fā)送超聲波，外部電場(chǎng)的加載或撤除由脈沖發(fā)生器控制，超聲波由一端換能器發(fā)出至另一端換能器接收的時(shí)間由流量計(jì)CPU板時(shí)鐘進(jìn)行采集。換能器信號(hào)檢測(cè)回路如圖2。
1.2氣體超聲波流量計(jì)計(jì)量原理
本文所述氣體超聲波流量計(jì)為時(shí)間直通式超聲流量計(jì)，其工作原理是利用超聲脈沖在氣流傳播的速度與氣流的速度有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即順流時(shí)超聲波脈沖傳播速度比逆流時(shí)傳播速度要快，這兩種超聲波脈沖傳播的時(shí)間差越大，則流量也越大。在實(shí)際工作過程中，處在上下游的換能器將同時(shí)發(fā)射超聲波脈沖，氣流的作用將使兩束脈沖以不同的傳播時(shí)間到達(dá)接收換能器，通過采集的時(shí)間以及相關(guān)距離參數(shù)計(jì)算出氣體流速和聲速。基本計(jì)算公式如下：
對(duì)于高級(jí)超聲波流量計(jì)，CFact=1。
2換能器性能下降的主要影響因素
換能器是氣體超聲波流量計(jì)唯一與天然氣直接接觸的測(cè)量部件，其一直處于氣流沖刷和不良?xì)赓|(zhì)侵蝕的狀態(tài)，長(zhǎng)期下來換能器的工作性能就會(huì)有所下降，直接影響測(cè)量精度，造成計(jì)量誤差。
造成換能器性能下降的主要影響因素有以下幾點(diǎn)：
2.1高速、高溫氣體沖刷
根據(jù)《GB-T18604-2014用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》要求氣體超聲波流量計(jì)流速測(cè)量范圍為0.3～30m/s。在實(shí)際使用過程中，由于供氣規(guī)模的增大，氣體流速過大造成換能器震動(dòng)以致出現(xiàn)松動(dòng)的現(xiàn)象。另外在啟用計(jì)量支路操作不當(dāng)?shù)那闆r下，高速氣流短時(shí)間內(nèi)充滿管道，氣體溫度驟升，溫度超過換能器的使用范圍，這樣也會(huì)對(duì)換能器造成損壞。
2.2不良?xì)赓|(zhì)的侵蝕
天然氣輸送管道環(huán)境較為復(fù)雜，通常可能存在腐蝕性氣體如H2S、游離水、油脂、鐵銹和泥土等污染物，這些污染物都會(huì)附著或干擾換能器工作，在冬季管道中無氣體流動(dòng)的時(shí)候，管道中游離水就會(huì)結(jié)冰凍結(jié)探頭，造成探頭工作異常。管道中的固體雜質(zhì)如油脂等極易附著在換能器上，造成換能器工作性能下降或停止工作。圖4、圖5反映了探頭被油脂附著的情況。
3換能器常見問題對(duì)計(jì)量的影響分析
由公式（1）可以看出，氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量氣體流速的關(guān)鍵參數(shù)是L、x、tup、tdown，本文將根據(jù)流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用存在的問題做對(duì)應(yīng)分析。
3.1L、x測(cè)量不準(zhǔn)確，或換能器臟污等造成聲程變化對(duì)計(jì)量的影響
x值由流量計(jì)出廠時(shí)測(cè)定，其加工精度一般達(dá)到
1/10000inch，并將每對(duì)換能器的x值腐刻于銘牌上，該值不會(huì)在使用過程中發(fā)生改變。
L值由流量計(jì)表體每對(duì)換能器底座之間的距離，以及探頭的加工參數(shù)共同決定，其每個(gè)部件的加工精度一般達(dá)到1/10000inch。在實(shí)際流量計(jì)使用過程中，由于天然氣含有固體粉塵或液體雜質(zhì)，并可能附著在換能器表頭，造成L值發(fā)生改變；或是在進(jìn)行換能器更換時(shí)，將換能器相關(guān)出廠數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤，也將造成L值發(fā)生異常改變。
由公式（1）可知v∝L2、c∝L，即L值增大（減小）將造成測(cè)量的氣體流速、聲速相應(yīng)的增大（減小），同理也就會(huì)造成天然氣計(jì)量的增大（減小）。
3.2換能器性能下降，時(shí)間測(cè)量不準(zhǔn)確對(duì)計(jì)量的影響
由圖2得知，上下游換能器的發(fā)射和接收時(shí)間由流量計(jì)CPU板時(shí)鐘采集得到，其主要包括超聲波發(fā)射至接收的時(shí)間t，以及換能器本身材質(zhì)所產(chǎn)生的延遲時(shí)間tdly和換能器使用在上下游的延遲時(shí)間差tdltdly。后兩者由換能器出廠時(shí)完成測(cè)量，并植入流量計(jì)組態(tài)中參與計(jì)算。
在管道中氣體不流動(dòng)的情況下，tup=tdown，而當(dāng)換能器性能下降或時(shí)鐘采集時(shí)間不準(zhǔn)確，則會(huì)出現(xiàn)tup≠tdown。如果?駐t=tup-tdown超過了正常誤差范圍，由公式（1）可以看出，該通道將測(cè)得不真實(shí)氣體流速，表現(xiàn)出流量計(jì)有瞬時(shí)流量的產(chǎn)生。
若?駐t＜0，則出現(xiàn)正向流方向的不真實(shí)氣體流速；若?駐t＞0，則出現(xiàn)逆向流方向的不真實(shí)氣體流速。正常供氣條件下使用該問題流量計(jì)，就會(huì)在測(cè)量上下游時(shí)間差時(shí)先抵消不真實(shí)?駐t的影響，這樣將會(huì)造成計(jì)量的起點(diǎn)發(fā)生改變。即，?駐t＜0時(shí)流量計(jì)將多計(jì)量，?駐t＞0時(shí)流量計(jì)將少計(jì)量。
從現(xiàn)場(chǎng)使用的一臺(tái)DN200在氣體不流動(dòng)狀態(tài)下存在tup≠tdown問題的流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)來看，上下游換能器測(cè)量時(shí)間差為0.235μs，其計(jì)算出的氣體流速約為0.18m/s，以此流速得出的工況流量約為20m3/h。即，氣體不流動(dòng)狀態(tài)下，此問題流量計(jì)就已經(jīng)開始錯(cuò)誤計(jì)量。對(duì)該流量計(jì)的一對(duì)問題換能器進(jìn)行更換后，消除了以上錯(cuò)誤計(jì)量問題，最終通過了實(shí)流標(biāo)定。（表1）
3.3環(huán)境噪聲對(duì)氣體超聲波計(jì)量的影響
氣體超聲波流量計(jì)發(fā)射的超聲頻率約為120kHz，而調(diào)壓設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生一定的高頻噪聲，一定程度上將影響流量計(jì)對(duì)超聲信號(hào)的接發(fā)。所以站場(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮調(diào)壓高頻噪聲對(duì)超聲換能器的干擾影響，一般采用設(shè)置T型匯管或計(jì)量調(diào)壓分區(qū)等措施。高頻噪聲造成流量計(jì)信號(hào)模糊，并產(chǎn)生流量信噪比，使流量計(jì)的電子單元難以區(qū)別或無法區(qū)分這兩種信號(hào)，導(dǎo)致超聲換能器不能準(zhǔn)確收發(fā)超聲波信號(hào)，因此極大地影響氣體超聲波流量計(jì)的性能、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，甚至使流量計(jì)無法工作。試驗(yàn)研究表明，高頻噪聲可使氣體超聲波流量計(jì)的誤差高達(dá)2%，同時(shí)從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來看，噪聲對(duì)流量計(jì)計(jì)量呈負(fù)誤差影響。
4結(jié)論及建議
超聲換能器是氣體超聲波流量計(jì)的關(guān)鍵測(cè)量部件，其性能下降至完全損壞是一個(gè)長(zhǎng)期積累的結(jié)果。在做好站場(chǎng)設(shè)計(jì)和降噪措施后，日常運(yùn)行中應(yīng)做好診斷檢查和維護(hù)，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，延長(zhǎng)換能器使用壽命，保證使用性能具有非常重要的意義。
使用診斷軟件定期對(duì)流量計(jì)進(jìn)行檢查，了解超聲換能器的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理問題。尤其做好氣體不流動(dòng)下氣體超聲波流量計(jì)狀態(tài)的檢查，發(fā)現(xiàn)換能器存在上下游時(shí)間差時(shí)，應(yīng)及時(shí)地對(duì)換能器進(jìn)行更換。《GB-T18604-2014用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》相比2001版，提高了氣體超聲波流量計(jì)零流量讀數(shù)要求，將以往的零流量下每一聲道的流速讀數(shù)要求＜12mm/s提升為＜6mm/s，這一要求也是對(duì)換能器性能的一個(gè)監(jiān)控。另外根據(jù)診斷結(jié)果，對(duì)聲速（SOS）異常、增益值（Gain）增大、信噪比（SNR）減小的換能器進(jìn)行清洗維護(hù)，在日常的運(yùn)行過程中，還應(yīng)避免計(jì)量支路的不正確投用造成換能器損壞的情況。
參考文獻(xiàn)：
[1]孫金明，等.噪聲對(duì)超聲波流量計(jì)的影響及案例分析[M].出版地：油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011年9月.
【關(guān)鍵詞】：橋梁樁基檢測(cè)
0 前 言
為了更好的研究橋梁樁基施工與檢測(cè)技術(shù), 文章將此分為兩部分來進(jìn)行具體的實(shí)例研究。在第一個(gè)問題中將研究青藏鐵路不凍泉特大橋樁基施工, 并對(duì)此進(jìn)行總結(jié)和經(jīng)驗(yàn)分析; 在第二部分中將以重陽水庫大橋樁基檢測(cè)技術(shù)為例來進(jìn)行分析, 它將以超聲波透射法作為重點(diǎn)的檢測(cè)技術(shù)來進(jìn)行介紹。
1xx大橋樁基施工研究
1、1xx特大橋建設(shè)背景
作為重點(diǎn)建設(shè)工程的xx大橋, 地理位置位于xx山南側(cè), 海拔高度為 4 600 m, 中心里程為DK1006+ 822 , 共 90跨 32 m, 大橋總長(zhǎng)為 2 955 m, 設(shè)計(jì)為1 25 m 鉆孔樁基礎(chǔ), 樁長(zhǎng)為 18m ~ 30 m, 樁總長(zhǎng)為 6 588m。它的地表構(gòu)成主要為沖擊中砂、角礫、碎石, 細(xì)沙等。
12xx大橋樁基施工總述
在工程中面臨的首要問題是凍土問題, 隨著全球氣候變暖, 凍土層逐漸變薄, 為了解決好凍土層變薄這一現(xiàn)象,選用了旋挖鉆機(jī)與沖擊鉆機(jī)配合的方式進(jìn)行工作, 并用了兩個(gè)半月完成了任務(wù)。旋挖鉆機(jī)的使用最大特點(diǎn)是一定要對(duì)埋入的鋼護(hù)筒的周圍進(jìn)行填埋, 在外部涂上瀝青。在使用沖擊鉆前, 要先在凍土層上放上枕木架, 然后將鉆機(jī)放在上面, 可以平衡鉆孔在凍土上的影響。打鉆時(shí),可能產(chǎn)生振幅波動(dòng)對(duì)周圍凍土產(chǎn)生坍塌, 這時(shí)要灌入混凝土固定凍土層。在鉆孔時(shí), 要時(shí)常松動(dòng)繩索, 不僅可以預(yù)防沖擊鉆打空錘, 也可以使鉆頭更快地接觸更深處地質(zhì)層。檢測(cè)土壤信息, 記錄好鉆孔時(shí)的繩索的收降情況, 時(shí)常聽聞鉆孔的聲音大小, 判斷鉆孔的沖擊狀況來決定繩索的收降長(zhǎng)度。
為了保護(hù)凍土結(jié)構(gòu)和原生態(tài), 要按要求用凈化機(jī)對(duì)泥漿進(jìn)行過濾處理, 將其分離出來的廢棄物進(jìn)行適當(dāng)處理。在打孔的工作完成后, 要對(duì)孔深、孔的大小、孔的質(zhì)量進(jìn)行詳細(xì)的檢測(cè), 不合格的要進(jìn)行改造。清潔樁孔的方法是在孔干透后, 用泵吸干孔中的漿和碎石砂, 直到干凈為止。
施工中灌注混凝土?xí)r, 要先設(shè)好孔內(nèi)的導(dǎo)管, 做到管內(nèi)密不透風(fēng)和滲水, 灌注時(shí)還要用泵抽干泥漿, 防止泥漿流出, 對(duì)于抽出的泥漿也要送到渣場(chǎng)進(jìn)行再利用。每天的灌注時(shí)間不宜過長(zhǎng), 基本都保持在合理的時(shí)間內(nèi)即可。
在開工前, 要先將已有的混凝土用運(yùn)輸車提前運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng), 由于混凝土使用前要對(duì)使用數(shù)量進(jìn)行估測(cè), 而往往估測(cè)的混凝土數(shù)量與實(shí)際使用量會(huì)有一定的誤差, 為了防止這樣的問題出現(xiàn), 要提前做好準(zhǔn)備, 對(duì)于不夠的要及時(shí)補(bǔ)貨。在對(duì)灌注的地點(diǎn)選擇上有時(shí)也會(huì)有偏差, 所以需要長(zhǎng)時(shí)間的檢測(cè), 一般溫度在 2℃ ~ 5℃ 以內(nèi)最為適合。
因?yàn)閤x橋施工任務(wù)緊、工期短、要求工程在2002年底前完成任務(wù), 而鉆孔的時(shí)間只有三分之一, 所以技術(shù)人員不僅要將工作器具、地質(zhì)情況、天氣情況和工作進(jìn)度考慮到, 也要對(duì)可能出現(xiàn)的重大問題做出預(yù)測(cè)和應(yīng)急方案。工程計(jì)劃用兩個(gè)半月的時(shí)間完成鉆孔樁, 三個(gè)月的時(shí)間完成鉆孔。
xx大橋樁基施工的過程合理有序, 建造過程良好, 完成了預(yù)定的目標(biāo), 用了很短的時(shí)間就完成了所有的樁基工程。樁基的檢測(cè)結(jié)果全部為優(yōu)秀。xx大橋的樁基施工特點(diǎn)是在凍土層上完成了施工, 并且沒有破壞任何凍土結(jié)構(gòu), 在施工中沒有出現(xiàn)過塌方和土層下陷的情況, 同時(shí)又積累了混凝土新的施工經(jīng)驗(yàn),并引入了現(xiàn)代高科技技術(shù), 是優(yōu)秀的橋梁樁基施工典型案例, 它的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)是值得借鑒和推廣的。
2 xx水庫大橋樁基檢測(cè)技術(shù)研究
2 1xx水庫大橋建設(shè)背景
xx水庫大橋位于河南省南陽市重陽水庫上, 橋?qū)?33m, 全長(zhǎng) 664596 m。橋底的地質(zhì)是由淤泥、卵石、細(xì)砂巖, 細(xì)沙淤泥等組成, 因?yàn)榇髽驑痘鶎匐[蔽工程, 其技術(shù)含量高, 工程復(fù)雜, 為了保證大橋樁基的安全和質(zhì)量, 技術(shù)人員將會(huì)進(jìn)行嚴(yán)密的觀測(cè)。
22大橋樁基的檢測(cè)技術(shù)研究總述
在橋梁樁基檢測(cè)中, 超聲波透射法是最被普遍使用的,它不僅有超聲波的穿透技術(shù), 而且是目前最先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)。它采集的樁基信息不僅豐富, 而且對(duì)大橋的檢測(cè)密度也高于應(yīng)力反射波法。而應(yīng)力反射波法檢測(cè)深度只到灌注樁的上端。
超聲波透射技術(shù)是利用聲波的傳播技術(shù)來進(jìn)行檢測(cè)的,當(dāng)把發(fā)射探頭裝置放入聲管中, 信號(hào)接收器就會(huì)將聲波轉(zhuǎn)換成資料進(jìn)行收集和分析, 再通過電腦技術(shù)的幫助對(duì)其帶回的資料加以研究和總結(jié), 這樣就對(duì)大橋內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷、建筑變形等有了很好的參考資料。
施工人員要將數(shù)根聲測(cè)管埋入大橋樁基的外側(cè), 根據(jù)資料參考, 大橋外側(cè)的瑕疵率較高, 將聲測(cè)管的資料收回時(shí)就可以得到較全面的大橋瑕疵的分析資料。聲測(cè)管的外部采用無縫鋼管的材質(zhì), 它不僅質(zhì)量過硬,對(duì)于高溫、腐蝕都有其極好的預(yù)防性。在對(duì)聲測(cè)管進(jìn)行水泥澆灌時(shí), 它不僅可以承受沖擊力度, 也與水泥的粘合性效果極好。聲測(cè)管可以承受環(huán)境因素與人為因素而產(chǎn)生的收縮變化, 它與水泥之間也不會(huì)產(chǎn)生裂紋和斷開, 從而對(duì)檢測(cè)不會(huì)產(chǎn)生影響。
在第一次的測(cè)量應(yīng)采用粗測(cè), 每收集到一定的信息后,換能器將下降一定距離, 如出現(xiàn)了異常情況需要采用細(xì)測(cè)方法。在檢測(cè)的過程中, 先要將檢測(cè)儀的零件進(jìn)行組裝和系統(tǒng)設(shè)置, 對(duì)聲波和波幅的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄, 再通過電腦軟件進(jìn)行研究和分析, 計(jì)算出最后的聲速、波幅曲線及 PSD資料。
最后的判定結(jié)果以聲速范圍值、波幅范圍值以及 PSD的綜合結(jié)果為依據(jù)。在重陽水庫橋樁基的檢測(cè)中, 采用超聲波透射法檢測(cè)時(shí), 已查出有質(zhì)量問題的就有十幾根之多,這些都是可以進(jìn)行修補(bǔ)的, 修補(bǔ)之后選用鉆芯的方法進(jìn)行再次的測(cè)試, 并對(duì)其進(jìn)行壓漿施工。
用超聲波檢測(cè)樁基的鋼筋水泥的壓強(qiáng), 是會(huì)產(chǎn)生一定誤差的。因?yàn)槁曀贉y(cè)量出混凝土的強(qiáng)度是有很大困難的。在!建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范∀和!超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程∀中都有對(duì)超聲波檢測(cè)樁基的記錄, 雖然只是作為一個(gè)參考資料, 但也是一次很好的經(jīng)驗(yàn)積累。
大橋樁基檢測(cè)的研究是隨著時(shí)代進(jìn)步發(fā)展的產(chǎn)物, 現(xiàn)代化的檢測(cè)方法可以更好的對(duì)有缺陷的橋梁樁基進(jìn)行加固和維修。超聲波透射法不僅檢測(cè)花費(fèi)小、實(shí)用性高, 測(cè)算結(jié)果準(zhǔn)確, 同時(shí)也是業(yè)內(nèi)人士推薦的方法。在大量的橋梁樁基試驗(yàn)中, 總結(jié)了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn), 在這里不僅要感謝那些戰(zhàn)斗在第一線的施工人員們, 也要把他們的寶貴經(jīng)驗(yàn)更好的傳承下去。
關(guān)鍵詞：長(zhǎng)江下游水道 原型觀測(cè) 施工組織設(shè)計(jì) 技術(shù)實(shí)施
長(zhǎng)江干線自西向東橫貫中國(guó)中部，流域內(nèi)地貌類型眾多，流經(jīng)峽谷河段、巖溶發(fā)育河段、沖積河流河段、平原多州灘分汊河段及感潮河段。長(zhǎng)江水運(yùn)建設(shè)是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶長(zhǎng)足發(fā)展的根基。航道測(cè)量是航道建設(shè)、維護(hù)的眼睛，為航道整治建筑物設(shè)計(jì)、航道整治工程可行性評(píng)估、效果評(píng)估等提供原始資料和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。黑沙洲水道是長(zhǎng)江下游重點(diǎn)礙航淺水道之一，平面形態(tài)為首尾窄、中間向左展寬的典型鵝頭型分汊河道，由兩個(gè)江心洲分成南、中、北三個(gè)汊道。南水道為現(xiàn)行主航道，但局部沿岸區(qū)域水深較淺，局部沿岸區(qū)域竄溝逐漸發(fā)展為深槽，使淺區(qū)流量減少，流速下降。中水道逐漸淤積衰亡，枯水期呈現(xiàn)干涸狀態(tài)。由于其地理位置及水道情況的復(fù)雜性，對(duì)黑沙洲水道進(jìn)行航道整治，改善當(dāng)前水道不利水文條件下的航道條件，擴(kuò)大航道尺度和通過能力，對(duì)長(zhǎng)江下游航道建設(shè)和維護(hù)有非常大的意義。黑沙洲水道航道整治一期工程已于2011年9月竣工，為進(jìn)一步改善船舶通航條件，擬開展航道整治二期工程。為滿足二期工程河演分析、方案布置和航道整治建筑物設(shè)計(jì)的需要，需對(duì)黑沙洲水道開展原型觀測(cè)。
工程概況
原型觀測(cè)包括地形測(cè)量和水文測(cè)驗(yàn)。觀測(cè)時(shí)間為期一年，包括洪、中、枯共四個(gè)測(cè)次，分別在**年2月、**年8月、**年11月、次年2月完成。
地形測(cè)量范圍上起荻港水道皇宮廟、下迄白茆水道保定圩。河道地形測(cè)量水上部分觀測(cè)到兩岸的防洪大堤堤頂或與堤頂相近的高程。圖上準(zhǔn)確標(biāo)注各種水利、碼頭設(shè)施的位置、尺度、高程等，并將陡岸坡、洲體上植被覆蓋標(biāo)識(shí)清楚，標(biāo)明岸坡崩塌位置和范圍、測(cè)流斷面和水尺的準(zhǔn)確位置、已實(shí)施整治工程位置、地名。
水文測(cè)驗(yàn)包括水位及比降、斷面垂線流速分布（包括流量）、表面流速流向的觀測(cè)以及河床質(zhì)、懸移質(zhì)取樣。設(shè)流量觀測(cè)大斷面7處、臨時(shí)水尺14把，固定水尺1把（設(shè)于黑沙洲水道出口三山河附近）。觀測(cè)水尺水位、測(cè)流斷面流速、流量、流向分布，測(cè)量時(shí)間應(yīng)與地形測(cè)量同步。固定水尺觀測(cè)從**年2月至次年2月進(jìn)行每日連續(xù)觀測(cè)，每日觀測(cè)時(shí)間段為上午8：00、下午14：00、晚上18：00。表面流速流向觀測(cè)南水道主槽布置7條流向線，北水道布置3條流向線，要求在地形測(cè)圖上標(biāo)繪流向線、表面流速值及觀測(cè)時(shí)的風(fēng)況條件；河床質(zhì)及懸移質(zhì)取樣位置分布均勻，所取樣本能較全面反應(yīng)河段河床質(zhì)及懸移質(zhì)情況。
觀測(cè)技術(shù)方案及實(shí)施
綜合測(cè)區(qū)概況、觀測(cè)內(nèi)容及技術(shù)要求，將該原型觀測(cè)分為控制測(cè)量、地形測(cè)量、水深測(cè)量、水文測(cè)驗(yàn)及內(nèi)業(yè)成圖五個(gè)部分完成。
1、控制組
控制測(cè)量平面采用1954北京坐標(biāo)系，高斯正形投影三度分帶，測(cè)區(qū)所處位置為39度帶，中央子午線經(jīng)度為117°；高程采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)（絕對(duì)圖）和當(dāng)?shù)睾叫谢鶞?zhǔn)（相對(duì)圖）。采用國(guó)家C級(jí)網(wǎng)和E級(jí)網(wǎng)構(gòu)建能覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)范圍的控制網(wǎng)，并解算橢球轉(zhuǎn)換模型的布爾莎七參數(shù)。選取的控制點(diǎn)均勻地分布在河道兩側(cè)。
2、地形組
地形測(cè)量從測(cè)區(qū)上端至下端實(shí)施。無樹林遮擋或樹林較稀疏的地帶，收星良好的情況下，采用中海達(dá)RTK測(cè)量；樹林較密，天空不夠開闊的區(qū)域，采用天寶R8測(cè)量或配合全站儀極坐標(biāo)法聯(lián)合測(cè)量。地形測(cè)量點(diǎn)距根據(jù)實(shí)際地形按圖上0.8-1.5cm實(shí)施，對(duì)于地形復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行了加密測(cè)量，詳細(xì)測(cè)繪地形地貌及與重要地物的相鄰關(guān)系。
3、水深組
為達(dá)到觀測(cè)精度，水深測(cè)量時(shí)段內(nèi)測(cè)區(qū)風(fēng)力小于3級(jí)，浪高小于0.3m。采用快艇從下至上測(cè)量主槽水深，對(duì)于州灘等水深較淺快艇無法到達(dá)的區(qū)域采用吃水較淺的船舶同步測(cè)量，船舶無法到達(dá)的極淺水域采用人工涉水測(cè)量，測(cè)量范圍覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)。測(cè)船安裝儀器后、作業(yè)前量取水溫，查詢《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》聲速表中對(duì)應(yīng)聲速值，設(shè)定測(cè)深儀的聲速值、吃水值、靈敏度、量程倍乘、零米線、吃水線、發(fā)射功率等相關(guān)參數(shù)。船上測(cè)量人員同步記錄浮標(biāo)名稱、位置、類型。
4、水文組
水位及比降觀測(cè)。固定水尺位置嚴(yán)格按照技術(shù)要求中水尺位置坐標(biāo)控制，設(shè)專人每日進(jìn)行觀讀。水尺均設(shè)置在前方無沙灘阻隔、江水可自由流通、能充分反映當(dāng)?shù)厮蛔兓闆r、能牢固設(shè)立、受風(fēng)浪、激流沖擊和船只碰撞等影響較少的地方。使用全站儀三角高程測(cè)量方式在工作前后各測(cè)定一次水尺零點(diǎn)，并在觀測(cè)前在三等水準(zhǔn)點(diǎn)上進(jìn)行高程的檢查校準(zhǔn)，確保了水尺零點(diǎn)測(cè)量精度滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量要求。水尺觀測(cè)每次讀取水尺波峰波谷的讀數(shù)，求取平均值，每處水尺均歸算為基尺零點(diǎn)上水位。
表面流速流向觀測(cè)。為保證觀測(cè)精度，觀測(cè)時(shí)風(fēng)力不大于3級(jí)。采用自主研發(fā)的防水抗風(fēng)型浮標(biāo)結(jié)合GPS自動(dòng)接收機(jī)施測(cè)，施放起始位置嚴(yán)格按照技術(shù)要求中所做規(guī)定執(zhí)行，浮標(biāo)均勻分布于水道中。
大斷面流速流量流向觀測(cè)。根據(jù)實(shí)測(cè)的斷面資料進(jìn)行測(cè)驗(yàn)垂線布設(shè)，布設(shè)方法按《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》中的要求執(zhí)行。測(cè)量船按斷面設(shè)計(jì)采用橫斷面法施測(cè)，斷面測(cè)點(diǎn)間距為圖上0.4cm以內(nèi)，在深泓和陡岸河床則適當(dāng)加密了測(cè)點(diǎn)。測(cè)船始終保持慢速且盡量保持勻速運(yùn)動(dòng)。水文測(cè)驗(yàn)的流速流向采用聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）施測(cè)，利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)原理來進(jìn)行流速測(cè)量，兩岸測(cè)至ADCP盲區(qū)水深處，每次施測(cè)均從左岸右岸、右岸左岸施測(cè)一個(gè)來回以上，取所測(cè)斷面流量的平均值作為實(shí)測(cè)流量值。
河床質(zhì)和懸移質(zhì)取樣。采用1000cc橫式采樣器在各垂線處進(jìn)行懸沙取樣，水樣采集時(shí)鉛魚到底后等待10秒鐘后再采集底層水樣，以防止鉛魚對(duì)水體的擾動(dòng)。采集水樣后，立即將水樣裝入容器內(nèi)并蓋緊（裝水樣的容器事先已清洗干凈，不殘留泥沙和雜物，每個(gè)容器均已編號(hào)），同時(shí)將樣品瓶號(hào)、取樣點(diǎn)號(hào)、層號(hào)、日期和時(shí)間記入含沙量取樣記錄表。對(duì)于部分水文斷面上有垂線水深較淺的情況，換用吃水更淺的小船補(bǔ)測(cè)或人工涉水測(cè)量，確保垂線水樣采樣完整率。在懸移質(zhì)取樣的同時(shí)在每條測(cè)流垂線位置進(jìn)行床沙取樣，取樣采用錐式取樣器。為滿足泥沙顆粒分析要求，床沙取樣重量視粒徑而定，一般細(xì)沙或沙質(zhì)粘土取樣不少于50g，粗沙取樣100～300g，直徑大于2mm者取樣不少于1000g。如遇一次取樣數(shù)量不足，則分次采取，連續(xù)三次取不到沙樣時(shí)，則不再取樣，并在資料中加以說明。
5、內(nèi)業(yè)成圖
內(nèi)業(yè)組接收外業(yè)原始數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，檢查嚴(yán)格按照《水運(yùn)工程測(cè)量質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。檢查合格后提取水深數(shù)據(jù)進(jìn)行等高線的編輯，繪制地物地貌及水位標(biāo)記。采用清華山維繪圖軟件進(jìn)行圖形處理與繪制，清繪后，按AutoCAD格式成圖提交。根據(jù)測(cè)量比例尺的要求，對(duì)圖面多余數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭h除，確保了數(shù)據(jù)分布合理、圖面美觀。
質(zhì)量檢查
檢查內(nèi)容包括測(cè)量任務(wù)書、施工組織設(shè)計(jì)、地形測(cè)量、水深測(cè)量、水文測(cè)驗(yàn)、內(nèi)業(yè)制圖。按照《水運(yùn)工程測(cè)量質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，逐項(xiàng)對(duì)照《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》上規(guī)定的內(nèi)容進(jìn)行詳查，判斷出缺陷的類型，分別按分部工程的缺陷個(gè)數(shù)及缺陷調(diào)整系數(shù)計(jì)算分部工程的質(zhì)量得分值（其中調(diào)整系數(shù)是根據(jù)合同產(chǎn)值來確定的），進(jìn)而求得各單位工程的質(zhì)量得分值。
經(jīng)檢查，本項(xiàng)目測(cè)繪工作組織嚴(yán)謹(jǐn)、設(shè)計(jì)合理、監(jiān)督檢查嚴(yán)格、最終檢查規(guī)范。外業(yè)作業(yè)組能嚴(yán)格執(zhí)行《規(guī)范》和施工組織設(shè)計(jì)，操作規(guī)范，質(zhì)量控制嚴(yán)密。內(nèi)外業(yè)資料及成圖地形測(cè)量圖幅清晰，注記規(guī)范，等高線走向合理，地形圖上各要素測(cè)繪詳細(xì)，地物間關(guān)系表示合理，水文資料規(guī)范清晰，滿足各項(xiàng)規(guī)范要求。
結(jié)論與展望
【關(guān)鍵詞】 石油測(cè)井 技術(shù) 現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢(shì)
測(cè)井技術(shù)，是油氣勘探工程技術(shù)中一項(xiàng)重要技術(shù)。測(cè)井技術(shù)最早源于1927年的法國(guó)斯倫貝謝公司，由其開發(fā)并應(yīng)用此技術(shù)，期間歷經(jīng)了五次更新與換代。1939年，我國(guó)將其正式應(yīng)用到石油工業(yè)當(dāng)中來，至今已有70多年的發(fā)展歷史。歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，測(cè)井技術(shù)從最初的模擬測(cè)井，逐漸發(fā)展成為今天的
全自動(dòng)模擬測(cè)井儀、數(shù)字測(cè)井儀、數(shù)控測(cè)井儀、成像測(cè)井儀等等。現(xiàn)代測(cè)井是在石油工業(yè)中技術(shù)含量最高的技術(shù)之一，其已被廣泛應(yīng)用于油田的整個(gè)勘探與開發(fā)過程之中，顧名思義，石油測(cè)井工藝是提高采油效率不可或缺的重要方法。此外，測(cè)井技術(shù)不僅能應(yīng)用于油田的開發(fā)利用，同樣被應(yīng)用于煤炭、金屬等礦產(chǎn)資源的勘探之中。
1 石油測(cè)井的現(xiàn)狀分析
1.1 石油測(cè)井具體方法
石油測(cè)井技術(shù)，是一種井下油氣勘探方法。它是采用專門的儀器設(shè)備，沿井眼探測(cè)地層電磁、聲波、核、熱、力等物理特性隨深度變化的過程，用于發(fā)現(xiàn)油氣藏，評(píng)估油氣儲(chǔ)量及其產(chǎn)量。石油測(cè)井的基本工作原理是通過井下儀器采集的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，經(jīng)過電纜傳輸?shù)降孛鎯x器，同時(shí)，記錄在膠片或磁帶上，輸人計(jì)算機(jī)處理解釋，人們稱石油測(cè)井是油氣勘探的“眼睛”。
1.2 國(guó)內(nèi)外石油測(cè)井技術(shù)現(xiàn)狀
在科技飛速發(fā)展的今天，僅僅使用傳統(tǒng)且原始的測(cè)井技術(shù)和測(cè)量方法，早已無法滿足當(dāng)代石油勘測(cè)的需求。就當(dāng)下我國(guó)石油勘測(cè)領(lǐng)域而言，需要的是高分辨率、深層探測(cè)與高測(cè)量精準(zhǔn)度的石油測(cè)井儀器。國(guó)外石油工業(yè)企業(yè)已經(jīng)將石油測(cè)井儀器進(jìn)行了五次換代，我國(guó)也將做到第四代與第五代儀器的更新。
1.3 聲波石油測(cè)井技術(shù)
通過對(duì)環(huán)井眼地層的聲學(xué)性質(zhì)測(cè)量，判斷井眼工程現(xiàn)狀和推斷地層特征的測(cè)井方法被稱為聲波石油測(cè)井技術(shù)。具體表現(xiàn)形式只要有聲幅測(cè)井技術(shù)、聲速測(cè)井技術(shù)和聲波全波測(cè)井技術(shù)等。聲波測(cè)量的優(yōu)勢(shì)在于能夠通過聲波能量揭示井眼與儲(chǔ)備層特性，同時(shí)，還可以用來測(cè)量次生孔隙度、巖性空隙密度壓力、滲透率以及流體類型裂縫方位等。其中，聲成像系統(tǒng)是通過超聲比脈沖掃描井壁并且接受回?fù)苄盘?hào)，通過計(jì)算圖像處理技術(shù)將信號(hào)數(shù)字化并轉(zhuǎn)換成圖像的測(cè)井技術(shù)。
1.4 電法石油測(cè)井技術(shù)
通過使用井下測(cè)井儀器，向地層單位發(fā)射一定頻率的電流，對(duì)地層單位進(jìn)行測(cè)量得到地層電阻率的石油測(cè)井方法被稱作電法測(cè)井。電法測(cè)井技術(shù)還包括通過發(fā)射電流獲得地層自然電位的石油測(cè)井手段。
2 測(cè)井技術(shù)發(fā)展前景的研究
測(cè)井技術(shù)經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展與人們對(duì)石油、天然氣等資源的日益需求的種種，都促進(jìn)了測(cè)井技術(shù)的飛速發(fā)展，一些相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)革新，同樣給測(cè)井技術(shù)提供了良好的發(fā)展前景。如成像測(cè)井技術(shù)，陳列感應(yīng)成像、偶極聲波、模塊式地層測(cè)試器等技術(shù)，因具有精度高、信息量大等特性，被廣泛應(yīng)用在對(duì)油氣儲(chǔ)層識(shí)別和評(píng)價(jià)中。因此，這些新技術(shù)有著良好的實(shí)用價(jià)值與不可限量的發(fā)展前景。
2.1 相關(guān)技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)
面對(duì)當(dāng)前對(duì)石油勘探工作的新需求，這些技術(shù)與設(shè)備正集中朝向高效、可靠、高精度的方向發(fā)展，測(cè)量參數(shù)也由二維發(fā)展到三維立體成像，加大了對(duì)井眼的覆蓋率，從而提高了測(cè)量地層非均質(zhì)的精度。套管測(cè)井儀器技術(shù)，在老油田的利用開發(fā)領(lǐng)域中得到了很大的發(fā)展，井下永久傳感器技術(shù)也發(fā)展得更為完善。隨鉆測(cè)井技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸方面呈多樣化發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸率也不斷提高。
2.2 石油測(cè)井采集的發(fā)展方向
石油測(cè)井采集正在向集成化與單點(diǎn)測(cè)量發(fā)展，這樣的發(fā)展趨勢(shì)是為了更好的適應(yīng)復(fù)雜儲(chǔ)油層等非均勻地質(zhì)需要。分散項(xiàng)目的測(cè)量時(shí)一種高精準(zhǔn)度的組合式測(cè)量，主要適應(yīng)質(zhì)量和效率的需求。隨著套管井和隨鉆電阻率測(cè)井技術(shù)的不斷完善，已經(jīng)能夠逐步適應(yīng)復(fù)雜井況探井的要求以及老油井測(cè)井技術(shù)評(píng)價(jià)等。
2.3 提高石油測(cè)井儀器的技術(shù)
為了滿足不同的地質(zhì)和測(cè)井環(huán)境的需求，測(cè)井儀器與技術(shù)都要更高、更可靠、更加高精度、高效率和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，以便適應(yīng)新的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)工程環(huán)境。為了滿足對(duì)地層非均質(zhì)測(cè)量的要求，測(cè)量方法應(yīng)向多源、多波、多譜和多接收器的方向發(fā)展，測(cè)量參數(shù)也將由二維成像朝著三維成像的方向發(fā)展，從而使井眼的覆蓋率得以提高。隨鉆測(cè)井迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸率有了很大的提高，傳輸方式越來越多樣，而且儀器的可靠性也得到了很大提高。井下永久傳感器測(cè)井的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。安全環(huán)保要求使非化學(xué)源的核測(cè)量探頭得到進(jìn)一步商業(yè)化應(yīng)用。開發(fā)能夠測(cè)量井周一定范圍內(nèi)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率的多頻電磁波測(cè)井儀將成為一種很好的選擇。
3 結(jié)語
綜上所述，在未來的發(fā)展過程中，要加強(qiáng)石油測(cè)井技術(shù)的基礎(chǔ)理論培訓(xùn)與自主研發(fā)工作，加大對(duì)石油測(cè)井技術(shù)領(lǐng)域的深入研究，進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新與領(lǐng)域發(fā)展，通過合作研發(fā)與技術(shù)引進(jìn)等多方面資源因素，來提高自主創(chuàng)新能力，從而實(shí)現(xiàn)石油測(cè)井技術(shù)的跨越式發(fā)展。我相信，通過石油測(cè)井界的共同努力，中國(guó)石油測(cè)井學(xué)科將不斷前進(jìn)，同時(shí)也會(huì)為我國(guó)的油氣藏開發(fā)工作作出更大的貢獻(xiàn)，縮短與國(guó)外的差距，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)貢獻(xiàn)自己的一份力量。
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關(guān)鍵詞：多波束 測(cè)深 長(zhǎng)江 采砂 監(jiān)測(cè)
中圖分類號(hào)：TV861 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（b）-0000-00
1 多波束水下測(cè)深系統(tǒng)
1.1 多波束測(cè)深系統(tǒng)的組成
多波束測(cè)深技術(shù)是現(xiàn)代水下探測(cè)領(lǐng)域的新興技術(shù)，它集成了現(xiàn)代空間測(cè)控技術(shù)、聲吶技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)等一系列高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下探測(cè)目標(biāo)的高精度和高密度測(cè)量。該文用到的SeaBat 7125 是目前世界上較為先進(jìn)、精度最高的多波束測(cè)深系統(tǒng)之一，它主要由 OCTANS 光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器、聲速剖面儀、側(cè)掃圖像處理系統(tǒng)、多波束數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（PDS2000數(shù)據(jù)采集軟件）、多波束數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)（ CARIS HIPS 后處理軟件） 、QTC Multiview底質(zhì)分類系統(tǒng)等共同組成。整個(gè)系統(tǒng)的組成見圖 1。
圖1多波束測(cè)深系統(tǒng)組成
1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)
（1） SeaBat 7125 以帶狀方式進(jìn)行測(cè)量，波束連續(xù)發(fā)射和接收，測(cè)量覆蓋程度高，對(duì)水下地形可100% 覆蓋。與單波束比較，波束角窄，能夠完全反映細(xì)微地形的變化。單波束是點(diǎn)、線的反映，而多波束則是面上的整體反映。多波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)量成果更真實(shí)可靠，由于是全覆蓋，其大量的水深點(diǎn)云數(shù)據(jù)使等值線生成真實(shí)可靠；而單波束是將斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行摘錄成圖以插補(bǔ)方式生成等值線，在數(shù)據(jù)采集不夠時(shí)，等值線會(huì)存在一定偏差。（2） 發(fā)射換能器向水底投射出 140°寬的覆蓋扇區(qū)，接收器同時(shí)形成 512個(gè)動(dòng)態(tài)聚焦波束，測(cè)深分辨率為 6 mm，工作深度可達(dá)0～50m。波束后向散射強(qiáng)度圖像和檢測(cè)到的距河床底距離實(shí)時(shí)顯示在聲吶監(jiān)視器上，且便于快速質(zhì)量檢查。（3） 眾所周知，測(cè)量船只的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)水下測(cè)量的數(shù)據(jù)影響很大，多波束測(cè)深系統(tǒng)在測(cè)量前和測(cè)量時(shí)，光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)采集船行姿態(tài)數(shù)據(jù)，PD2000 采集軟件同步記錄船姿態(tài)信息，并對(duì)船行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，進(jìn)而保證后處理中的水深測(cè)量數(shù)據(jù)能夠真實(shí)有效地反映水底情況，而單波束在這方面是無法實(shí)現(xiàn)的。（4） CARIS HIPS 后處理軟件功能強(qiáng)大，可以根據(jù)需要抽取不同比例尺的數(shù)據(jù)成圖，生成的圖件類型有測(cè)深數(shù)據(jù)圖、水深等值線圖、三維數(shù)字地形模型（ DTM） 圖、彩色水深圖、彩色地形陰影圖以及質(zhì)量控制報(bào)告等。
2 多波束測(cè)深系統(tǒng)應(yīng)用于采砂管理量化監(jiān)測(cè)
多波束測(cè)深系統(tǒng)具有測(cè)量快捷、高分辨率、高精度、全覆蓋等特點(diǎn)，可以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視水下地形地貌的細(xì)微變化，非常適合水下工程及河道的監(jiān)測(cè)任務(wù)。在此背景下，采用多波速測(cè)深系統(tǒng)對(duì)區(qū)域河道進(jìn)行數(shù)字化、信息化監(jiān)控管理就顯得尤為重要。
在數(shù)據(jù)處理方面，傳統(tǒng)的處理方法是通過構(gòu)建Delauny三角網(wǎng)或 Grid 規(guī)則格網(wǎng)來形成水下的DTM，再通過分塊處理、四叉樹索引來達(dá)到水下地形多尺度 LOD 顯示的效果。但是針對(duì)區(qū)域河段采砂行為的量化監(jiān)測(cè)而言，其核心思想并不是可視化，而是周期性地監(jiān)測(cè)河段砂量開采的變化情況，同時(shí)考慮到水下地形數(shù)據(jù)具有多樣性、海量性、復(fù)雜性等特點(diǎn)以及提高計(jì)算效率減少計(jì)算機(jī)功耗等目的，該文采用對(duì)離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合而非構(gòu)建 DTM的方法來處理不同時(shí)間采集的多波束水下地形數(shù)據(jù)，能夠保證有足夠的水深值來進(jìn)行數(shù)據(jù)插值，保證結(jié)果的正確性且不失真。在此基礎(chǔ)上，對(duì)擬合曲面進(jìn)行求差計(jì)算，從而得出階段時(shí)間內(nèi)河道砂石資源的變化量。輔助管理者對(duì)合理開發(fā)利用砂石資源進(jìn)行決策。數(shù)據(jù)分析處理流程見圖2。
圖2采砂量化監(jiān)測(cè)流程
采集得到的這些多波束點(diǎn)云數(shù)據(jù)屬于大規(guī)模離散數(shù)據(jù)的一種，在這些海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)當(dāng)中，偶有臨近點(diǎn)間的高程突變（ 局部不連續(xù)） ，但根據(jù)水下地形的特點(diǎn)分析，這些水下高程點(diǎn)的突變一般不是由水下地形的陡然起伏所造成，更為可能的是測(cè)量時(shí)產(chǎn)生噪聲點(diǎn)或無效數(shù)據(jù)點(diǎn)，需要通過濾波處理去掉無效點(diǎn)。
采用加權(quán)移動(dòng)平均算法（ Weighted Moving Average） 對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理。加權(quán)移動(dòng)平均算法用于將離散型分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)化成規(guī)則網(wǎng)格分布的數(shù)值，同時(shí)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行插值加密或抽取處理，目的是用地形表面上一系列離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)表示地形表面的連續(xù)函數(shù)。
該方法十分靈活并且精度較高，計(jì)算簡(jiǎn)單，不需要很大的計(jì)算機(jī)內(nèi)存。算法選取離散分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，一般考慮 2 個(gè)因素：（1）范圍，即采用多大面積范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)來計(jì)算點(diǎn)的數(shù)值；（2）點(diǎn)數(shù)，即選取多少點(diǎn)參加計(jì)算補(bǔ)的點(diǎn)。這 2 個(gè)因素的實(shí)際應(yīng)用要根據(jù)具體情況而定。范圍的大小是以某個(gè)值點(diǎn)為圓心，以 R 為半徑來確定的。其半徑?jīng)Q定與原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的疏密程度和原始數(shù)據(jù)點(diǎn)可能影響的范圍。由于原始數(shù)據(jù)點(diǎn)分布不均勻，為了保證求解二次曲面方程，要有足夠數(shù)量的點(diǎn)，但又不能太多，因此圓半徑不是固定的。對(duì)于動(dòng)態(tài)變化的圓半徑的決定，可以采用逐步變動(dòng)的做法，見圖 3。
圖3動(dòng)態(tài)圓法網(wǎng)格化示意圖
將研究河段內(nèi)水下地形表面上一系列離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)化成規(guī)則網(wǎng)格分布的連續(xù)函數(shù)，采用規(guī)則圓方法，拾取規(guī)格化節(jié)點(diǎn)臨域范圍內(nèi)掃測(cè)值進(jìn)行擬合計(jì)算。對(duì)于每一個(gè)新點(diǎn)選取其鄰近的 n 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。把新點(diǎn)作為平面坐標(biāo)的原點(diǎn)，然后用一個(gè)多項(xiàng)式曲面擬合。多項(xiàng)式中的各參數(shù)由 n 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)求得。
3 采砂管理量化監(jiān)測(cè)的應(yīng)用工程實(shí)例
按照此技術(shù)路線于 2014 年 5 月 25 日和 2015年 3月 27 日 2 次分別對(duì)長(zhǎng)江流域某采砂河段的河床進(jìn)行了分階段的測(cè)量，前次測(cè)量時(shí)水面高程為164. 247 m；后次測(cè)量時(shí)水面高程為161. 978m，其水下地形示意圖見圖4。兩次測(cè)量的目的，就是為了得到階段時(shí)間內(nèi)區(qū)域河道內(nèi)砂石資源量的動(dòng)態(tài)變形情況。
按照上述方法分別擬合插值兩次測(cè)量得到的多波束數(shù)據(jù)，并采取俯視的角度進(jìn)行比較。截取圖5中紅色區(qū)域的斷面進(jìn)行分析，如圖6所示。可得出以下結(jié)論：由于采砂活動(dòng)的進(jìn)行，截止 2015 年 3 月，主河道重點(diǎn)采砂監(jiān)控區(qū)域相比于 2014 年 5 月最深處被開挖 2.32m，被開挖斷面區(qū)域大約寬為38.7m，1 000m長(zhǎng)的河道內(nèi)被開采的砂石量約為 7 萬 m3。
圖4兩次水下地形對(duì)比圖
圖5特征斷面示意圖
圖6 采砂量變化對(duì)比圖
5 結(jié)語
該文以長(zhǎng)江流域某采砂河段為監(jiān)控對(duì)象，提出了基于水下多波束測(cè)深技術(shù)的河道采砂量化監(jiān)測(cè)管理手段，并運(yùn)用相關(guān)算法計(jì)算出采砂量，具有直觀性、高效性和可靠性，大大減少了人工作業(yè)量，改變了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的落后手段，為河道采砂資源優(yōu)化利用和有序監(jiān)管提供了有效的技術(shù)支撐。多波束測(cè)深系統(tǒng)除了能量化監(jiān)測(cè)河道砂石資源的變化外，還可廣泛應(yīng)用于堤防、水庫、湖泊及海洋等水域的水下地形測(cè)量，進(jìn)行水下工程及其水工建筑物的安全檢測(cè)（ 如拋石護(hù)岸等）；河道疏浚及港口、碼頭、橋梁的工程測(cè)量； 水下管線、電纜等的監(jiān)測(cè)；沉船、水下物體的打撈搜尋等。這套系統(tǒng)的測(cè)量效益、實(shí)用性和廣闊的應(yīng)用前景將進(jìn)一步顯現(xiàn)。
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