О чём эта статья
Испытательные строительные лаборатории, а также экспертные центры сталкиваются с проблемой статистической обработки данных при ультразвуковом контроле бетона свай. МИТ УЗК от М-Инструмент предоставляет решение этой проблемы путём применения линейки приборов МИТ УЗК-1-2К, МИТ УЗК-1-3К и МИТ УЗК-1-4К (см. Рис. 1) совместно с программным комплексом МИТ УЗК.
В нашей первой статье «Алгоритм статистической обработки данных УЗК свай в МИТ УЗК МОНОЛИТ» подробно изложен алгоритм, реализованный в программном комплексе МИТ УЗК на базе JGJ 106-2014 (Китай). Здесь же мы постарались изложить общий альтернативный алгоритм, применимый для всех приборов по ультразвуковому контролю свай — как приборов МИТ УЗК, так и их аналогов.
Испытатели, не работающие с приборами линейки МИТ УЗК, сталкиваются с проблемой отсутствия понятного и достаточно простого алгоритма статистической обработки своих результатов измерений. Данная статья — ответ на этот запрос.
Альтернативный алгоритм: параметры измерения
Данный алгоритм обработки и оценки полученных результатов применим как для данных, полученных приборами МИТ УЗК, так и другими специализированными приборами по ультразвуковому контролю свай.
Для каждой акустической линии i (поперечного сечения профиля j) определяются и фиксируются следующие параметры:
- глубина расположения акустической линии i (поперечного сечения i) j-го измерительного профиля, Zi, м;
- время первого вступления ti — время i-ой акустической линии j-го измерительного профиля, мкс;
- скорость распространения ультразвуковых волн Vi — скорость звука i-ой акустической линии j-го измерительного профиля, м/с;
- затухание ультразвукового сигнала αi — i-ой акустической линии j-го измерительного профиля.
i — номер акустической линии, который присваивается последовательно снизу вверх (или сверху вниз) для каждого измерительного профиля j.
Шаг 1. Время первого вступления
Определение времени первого вступления ti, мкс, производится автоматически с использованием встроенных алгоритмов приборов, применяемых при ультразвуковом контроле свай.
Уровень первого вступления устанавливается обычно в диапазоне от 20% до 80% (см. Рис. 3).
Шаг 2. Скорость распространения ультразвукового сигнала
Скорость Vi, м/с, распространения ультразвукового сигнала для i-ой акустической линии (i-ого поперечного сечения) j-го профиля рассчитывается прибором ультразвукового контроля свай автоматически по формуле (1):
где:
- Lj — база измерений, равная расстоянию между образующими труб доступа исследуемого сечения, мм (см. Рис. 4);
- ti — время первого вступления для i-ого поперечного сечения j-го профиля, мкс.
Шаг 3. Средняя (нормальная) скорость — метод межквартильного размаха
С целью выявления резко выделяющихся (аномальных, выпадающих) значений из общего массива скоростей ультразвуковых волн для j-го профиля используется метод расчёта диаграммы размаха (box plot / IQR).
3.1. Расчёт первого C1 и третьего C2 квартилей. Первый и третий квартили равны соответственно 25-му (1/4) и 75-му (3/4) процентилю.
3.2. Межквартильный (интерквартильный) размах ΔCj:
3.3. Расчёт шага hj:
3.4. Внутренние барьеры β1 и β2:
3.5. Наружные барьеры B1 и B2:
Значения скоростей Vi i-ой акустической линии j-го измерительного профиля, выходящих за наружные барьеры, принимаются как аномальные значения; значения скоростей Vi, выходящих за внутренние барьеры, считаются выбросами.
Аномальные значения и выбросы значительно влияют на результаты статистического расчёта, следовательно, должны быть отброшены из дальнейшего расчёта. Наиболее робастной оценкой закона распределения является медиана Me [1].
3.6. Расчёт медианы Me очищенного массива скоростей.
Нечётное количество значений скоростей Vi:
Чётное количество значений скоростей Vi:
Полученное значение медианы будет соответствовать средней (нормальной) скорости Vср на j-ом профиле измерений, т. е.:
В случае, если исходный массив значений скоростей не имеет выбросов и аномальных значений, то в качестве средней (нормальной) скорости профиля принимаем медиану всего массива значений.
Шаг 4. Отклонение скоростей от среднего значения
Рассчитываются отклонения ΔVi всех значений скорости Vi на j-ом профиле измерений от значения средней скорости Vср в % по формуле:
где:
- Vср — средняя (нормальная) скорость для j-го профиля, м/с;
- Vi — скорость распространения ультразвуковой волны для i-ой акустической линии, м/с.
Шаг 5. Затухание сигнала
В приборах линейки МИТ УЗК предусмотрена функция автоматического определения значения амплитуды сигнала Ai i-ой акустической линии (см. Рис. 5).
Значение затухания γij для каждой i-ой акустической линии j-го профиля рассчитывается по формуле:
где:
- Aij — амплитуда первого вступления волны i-ой акустической линии j-го измерительного профиля в пределах заданного временного окна, дБ;
- A0j — максимальное зафиксированное значение амплитуды на j-ом профиле измерения, дБ.
В случае, если применяются приборы, отличные от МИТ УЗК, то у испытателей иногда возникают некоторые сложности в определении значения амплитуды сигналов. Если в таком приборе предусмотрен режим дефектоскопа — т. е. графический режим отображения результатов измерения для каждой акустической линии (поперечного сечения), то значение амплитуды полученного сигнала оценивается:
- по величине амплитуды сигнала относительно высоты экрана в %;
- по величине фронта первого вступления Фi (В/мкс), учитывающему напряжение и время первого вступления. Величина фронта первого вступления пропорциональна величине амплитуды первого сигнала.
Затухание возможно определить по величине изменения значений амплитуд сигналов и напряжений, тогда затухание для каждого поперечного сечения рассчитывается по формуле:
где:
- Фij — значение фронта первого вступления i-ого поперечного сечения, измеряемое в процентах высоты экрана прибора;
- Ф0 — максимальное значение фронта первого вступления, равное максимальному значению, зарегистрированному для j-го профиля.
Если прибор для контроля сплошности бетона свай фиксирует только время прохождения ультразвуковой волны и не даёт возможность определить энергию сигнала, то такой прибор не может быть применим для полноценного контроля сплошности бетона свай.
Методика анализа полученных данных
Критерии выделения ультразвуковых аномалий по отклонению значений скорости распространения ультразвуковых волн Vi от средней скорости Vср и по значениям затухания ультразвуковых волн αj для каждого j-го профиля соответствуют требованиям ГОСТ Р 71039-2023 и приведены на Рис. 6.
Значительная аномалия интерпретируется как нарушение сплошности бетона конструкции.
Аномалия считается значительной, если определено:
- снижение скорости более 25% при любых значениях затухания;
- снижение скорости в диапазоне от 15% до 25% при значениях затухания более 12 дБ;
- аномалии на одной глубине определены как незначительные в двух и более продольных сечениях (профилях) сваи.
Аномалия считается не связанной с несплошностью бетона, если выполняются следующие условия:
- Наблюдается плавное изменение скорости распространения ультразвуковых волн, при этом увеличение затухания не наблюдается. Причины могут быть следующими: трубы доступа не параллельны друг другу; некорректная работа энкодеров, проскальзывание кабелей.
- Равномерное изменение скорости распространения ультразвуковых волн с увеличением затухания. Причина: неравномерная скорость набора прочности бетона.
Если при выполнении измерений выявлены участки профиля со значительным снижением скорости (более 15% от среднего значения), то шаг сканирования уменьшается до 50 мм. При необходимости такие участки могут быть проверены повторно.
Анализу подвергаются параметры каждого продольного профиля сваи отдельно, а также делается вывод о сплошности бетона всей сваи с учётом результатов по каждому продольному профилю.
Примечание. В связи с тем, что по полученным результатам нет возможности определить характер несплошности, поэтому сотрудником лаборатории может быть сделано предположение о причинах и характере несплошности с учётом внешних факторов и технологии изготовления сваи. Данное предположение, как правило, носит весьма субъективный характер и не может являться окончательным «диагнозом» для сваи.
Заключение: совместимость с ГОСТ Р 71039-2023
Приведённый выше алгоритм статистической обработки и методика анализа полученных данных в целом соответствуют требованиям ГОСТ Р 71039-2023 и могут быть рекомендованы нами к применению испытательными лабораториями вне зависимости от применяемого оборудования — линейки МИТ УЗК или её аналогов.
Видеообзор прибора и программного комплекса
Работа с прибором МИТ УЗК-1-2К:
Подробнее о работе с программным комплексом МИТ УЗК:
Первая статья Дениса про алгоритм JGJ 106-2014 в МИТ УЗК МОНОЛИТ доступна здесь: Алгоритм статистической обработки данных УЗК свай в МИТ УЗК МОНОЛИТ.
Заказать линейку МИТ УЗК и программный комплекс
Линейка МИТ УЗК: 1-2К, 1-3К, 1-4К + программный комплекс. Автоматический расчёт времени первого вступления, скорости и затухания. Совместимость с ГОСТ Р 71039-2023. Приборы 2/3/4 канала для параллельного и наклонного сканирования.
Ответы на частые вопросы
Чем альтернативный алгоритм отличается от алгоритма в МИТ УЗК МОНОЛИТ?
Алгоритм МИТ УЗК МОНОЛИТ построен на JGJ 106-2014 (Китай): итерационное отбрасывание экстремумов + λ-коэффициент. Альтернативный алгоритм построен на классическом методе межквартильного размаха (IQR) и применим для любых приборов УЗК свай, а не только МИТ.
Для каких приборов подходит этот алгоритм?
Для любых специализированных приборов ультразвукового контроля сплошности бетона свай, включая линейку МИТ УЗК (1-2К, 1-3К, 1-4К) и их аналоги, при условии, что прибор фиксирует и время прохождения, и энергию/амплитуду сигнала.
Что делать, если прибор не измеряет амплитуду сигнала?
Такой прибор не может быть применим для полноценного контроля сплошности бетона свай. Если в приборе есть режим дефектоскопа (графический режим), то амплитуда может быть оценена по величине сигнала относительно высоты экрана в % или по фронту первого вступления Фi (В/мкс).
Как определяется значительная аномалия по ГОСТ Р 71039-2023?
Аномалия считается значительной, если снижение скорости более 25% при любых значениях затухания, либо снижение скорости 15–25% при затухании более 12 дБ. Если аномалия на одной глубине встречается как незначительная в двух и более продольных сечениях сваи — она также считается значительной.
Что делать при выявлении участка со снижением скорости более 15%?
Шаг сканирования уменьшается до 50 мм, участок при необходимости проверяется повторно. Анализ ведётся по каждому продольному профилю отдельно, вывод о сплошности сваи делается с учётом всех профилей.
Список использованной литературы
- Хампель Ф., Рончетти Э., Рауссеу П., Штаэль В. Робастность в статистике. Подход на основании функций влияния. — М.: Мир, 1989.
- ГОСТ Р 71039-2023. Сваи буронабивные и «стены в грунте» траншейного и свайного типов. Межскважинный ультразвуковой метод контроля качества бетона.
Автор статьи: Денис Воробьев, начальник лаборатории ООО «МАТТЕСТ». Экспертный текст подготовлен для сайта партнёрской компании ООО «М-Инструмент» (МАТТЕСТ ИНСТРУМЕНТ).
