小波分析在高樁碼頭基樁完整性檢測中的應(yīng)用研究

張 勇，田雙珠

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水工構(gòu)造物檢測、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

小波分析在高樁碼頭基樁完整性檢測中的應(yīng)用研究

張 勇，田雙珠

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水工構(gòu)造物檢測、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

利用反射波法檢測高樁碼頭基樁完整性時(shí)，由于基樁存在上部結(jié)構(gòu)，反射波波形會(huì)含有干擾信息，變得十分復(fù)雜。文章研究了小波分析在高樁碼頭基樁完整性檢測中的應(yīng)用，利用小波分析消除干擾信號(hào)，以減弱梁板等上部結(jié)構(gòu)對(duì)基樁檢測信號(hào)的影響，最后通過具體的工程實(shí)例進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。

高樁碼頭；完整性檢測；上部結(jié)構(gòu)；小波分析

現(xiàn)階段，對(duì)于單樁完整性的檢測，工程中根據(jù)測樁曲線時(shí)域內(nèi)的波形變化就可以對(duì)其完整性做出比較準(zhǔn)確的判斷。單樁與高樁碼頭基樁最主要的區(qū)別在于高樁碼頭基樁存在上部結(jié)構(gòu)，由于上部結(jié)構(gòu)的存在，在進(jìn)行基樁完整性檢測時(shí)波形經(jīng)各個(gè)接觸面的多次反射與疊加后，會(huì)變得十分復(fù)雜。盡管測樁信號(hào)的時(shí)域信息具有較優(yōu)越的真實(shí)性，但是當(dāng)含有其他干擾信息時(shí)，僅僅從時(shí)域信號(hào)分析會(huì)有一定的困難。基樁檢測應(yīng)力波信號(hào)的處理方法總體上可分為時(shí)域分析、頻域分析和時(shí)頻分析3種，小波分析就屬于時(shí)頻分析的方法，當(dāng)單從時(shí)域分析很難得到準(zhǔn)確判斷時(shí)，就可以考慮利用小波分析等方法［1-8］。

1 小波變換的意義

小波變換是一種時(shí)間-尺度分析方法，在時(shí)間、頻率兩域都具有表征信號(hào)局部特征的能力，并且小波分析可以把測樁信號(hào)的高頻和低頻成份分離出來，同時(shí)小波分解出來的各層信號(hào)可以反映信號(hào)的細(xì)節(jié)部分。通過研究發(fā)現(xiàn)，面板、梁、樁帽等對(duì)應(yīng)力波信號(hào)的影響更多的體現(xiàn)在高頻部分。小波分析可以通過抑制信號(hào)中某些成分來實(shí)現(xiàn)消除信號(hào)基線漂移和噪聲的剔除，抑制信號(hào)中某些成份的方法是通過將小波分解中的某些系數(shù)強(qiáng)制地置為零，也可以通過修改小波分解系數(shù)或置零進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)。因此在高樁碼頭基樁檢測中可以把高頻信號(hào)置零，即對(duì)信號(hào)的某些高頻部分進(jìn)行抑制，可減弱或消除面板、梁、樁帽等對(duì)應(yīng)力波信號(hào)的影響。

2 小波基的選擇

小波變換的實(shí)質(zhì)是將信號(hào)向一組小波基上投影，而在小波分析中最重要的理論問題是如何選擇最佳的小波基，而且小波基的選擇也是小波分析在實(shí)際應(yīng)用中最被關(guān)注的問題。選擇小波基函數(shù)通常可從復(fù)值與實(shí)值小波的選擇、連續(xù)小波的有效支撐區(qū)域的選擇、小波形狀的選擇3個(gè)比較實(shí)用的方面考慮。本文著重研究的是怎樣使用小波變換將存在有復(fù)雜上部結(jié)構(gòu)基樁的反射波的特征分辨出來，即著重在于信號(hào)的分解，而對(duì)于信號(hào)的重構(gòu)上不考慮太多。因此對(duì)小波基的選擇重點(diǎn)的是看小波基的形狀和支撐區(qū)間。

根據(jù)實(shí)測曲線和模擬曲線的形狀選擇雙正交db系列的小波基，圖1為db10的尺度函數(shù)和小波函數(shù)，可以看出db10很接近實(shí)際曲線形狀，所以本文選取db10系列小波。

圖1 db10的尺度函數(shù)和小波函數(shù)Fig.1 Scaling function and wavelet function of db10

3 小波分析在高樁碼頭基樁檢測應(yīng)力波信號(hào)處理中的應(yīng)用分析

某工程對(duì)天津港碼頭的基樁完整性進(jìn)行了檢測，傳感器安裝在樁身距樁帽1.5 m位置處，在樁帽邊緣進(jìn)行小錘敲擊，利用小波分析對(duì)實(shí)測信號(hào)進(jìn)行處理，以確定基樁的完整性。為驗(yàn)證小波分析在高樁碼頭基樁完整性信號(hào)處理中的可行性，實(shí)際工程中選擇有代表性的區(qū)域，將上面的面板和橫梁移開僅剩下樁帽，對(duì)基樁的完整性又進(jìn)行了第二次的檢測。第二次檢測時(shí)由于去除了面板、橫梁的影響，同時(shí)認(rèn)為樁帽對(duì)應(yīng)力波信號(hào)影響較小，所以可以按照單樁進(jìn)行完整性判斷，二次檢測的結(jié)果得出的結(jié)論是一致的，因此，認(rèn)為利用小波分析對(duì)高樁碼頭基樁完整性進(jìn)行檢測具有一定的可行性。

圖2 完整樁實(shí)際工程中實(shí)測曲線Fig.2 Measured curve of intact pile in practical projects

為進(jìn)一步說明小波分析處理高樁碼頭基樁完整性檢測信號(hào)的應(yīng)用過程，本文建立高樁碼頭有限元模型模擬基樁完好和存在缺陷時(shí)2種情況下的檢測信號(hào)，并通過小波分析對(duì)2種工況下的模擬信號(hào)進(jìn)行分析。圖2為存在上部結(jié)構(gòu)時(shí)在樁帽邊緣敲擊，傳感器安裝在樁身一側(cè)實(shí)際工程中的實(shí)測信號(hào)，圖3為有限元模擬該實(shí)際工程中的模擬信號(hào)，圖4為對(duì)該工程基樁人為制造樁身缺陷的有限元模擬信號(hào)。由圖2和圖3可知，二者波形形狀相似，說明有限元模擬是較為準(zhǔn)確的，從而可以認(rèn)為如果實(shí)際工程中樁身存在缺陷，有限元模擬的缺陷樁的信號(hào)與實(shí)測信號(hào)也有很好的相似性，可近似用模擬信號(hào)代替實(shí)測信號(hào)。

下面分別利用小波分析對(duì)圖2和圖3的信號(hào)進(jìn)行分析處理。圖5～圖6分別為圖2時(shí)域曲線的5層小波分解的細(xì)節(jié)信號(hào)和逼近信號(hào)，從各逼近信號(hào)可以看出沒有明顯的缺陷反射，a1和a2更接近真實(shí)信號(hào)，a4、a5、d5反映了原始信號(hào)樁底反射的頻率成分，分別對(duì)原始信號(hào)和a4、a5進(jìn)行FFT變換以研究其頻差，結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖3 完整樁有限元模擬速度時(shí)程曲線Fig.3 Speed time interval curve of intact pile

圖4 縮頸樁有限元模擬速度時(shí)程曲線Fig.4 Speed time interval curve of necking pile

圖5 細(xì)節(jié)信號(hào)

圖6 逼近信號(hào)Fig.6 Approximation signal

圖7 原始信號(hào)的FFT變換Fig.7 FFT transformation of original signal

圖8 a4的FFT變換Fig.8 FFT transformation of a4

圖10～圖11分別為圖4時(shí)域曲線的5層小波分解的細(xì)節(jié)信號(hào)和逼近信號(hào)，圖12～圖14分別對(duì)原始信號(hào)和a3、a5進(jìn)行FFT變換圖。

由圖11可知，當(dāng)基樁存在缺陷時(shí)各逼近信號(hào)有一定的波動(dòng)，同時(shí)由圖12～圖14可知，基樁存在2個(gè)頻差，分別為69 Hz和236 Hz。

圖9 a5的FFT變換Fig.9 FFT transformation of a5

圖10 細(xì)節(jié)信號(hào)Fig.10 Detail signal

圖11 逼近信號(hào)Fig.11 Approximation signal

圖12 原始信號(hào)的FFT變換Fig.12 FFT transformation of original signal

圖13 a3的FFT變換Fig.13 FFT transformation of a3

圖14 a5的FFT變化Fig.14 FFT transformation of a5

4 小波分析結(jié)論

綜上通過比較完整樁和縮頸樁頻域分析及小波分析的結(jié)果可知，完整樁檢測信號(hào)的FFT變化頻差是等間隔的，而缺陷樁檢測信號(hào)的FFT變化頻差可能是2個(gè)頻差間隔出現(xiàn)，也可能是無規(guī)律的出現(xiàn)；完整樁的小波變化各逼近信號(hào)樁間沒有明顯的波動(dòng)，而缺陷樁的則會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。因此，根據(jù)以上兩點(diǎn)結(jié)論，可以將小波分析應(yīng)用于高樁碼頭基樁完整性檢測，對(duì)基樁的完整性進(jìn)行判斷分析。

［1］陳凡，徐天平，陳久照，等.基樁質(zhì)量檢測技術(shù)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［2］李建平.小波分析與信號(hào)處理——理論應(yīng)用及軟件實(shí)現(xiàn)［M］.重慶：重慶出版社，2001.

［3］柴華友，劉明貴，白世偉，等.應(yīng)力波在承臺(tái)-樁系統(tǒng)中傳播數(shù)值分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2003，25（5）：624-628. CHAI H Y，LIU M G，BAI S W，et al.Numerical analysis of wave propagation in platform-pile system［J］.Chinese journal of geotechnical engineering，2003，25（5）：624-628.

［4］張燦輝，張建霖，謝建華，等.樁基低應(yīng)變完整性測試的多次波分析［J］.廈門大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005（3）：214-216. ZHANG C H，ZHANG J L，XIE J H，et al.The multi-reflected wave analysis on the low strain integrity testing of pile foundation［J］.Journal of xiamen university：natural science，2005（3）：214-216.

［5］韓曉林，彭岳星，唐新鳴.基樁檢測反射波的非線性小波降噪重建方法［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2001，34（6）：105-107. HAN X L，PENG Y X，TANG X M.Numerical analysis of wave propagation in platform-pile system［J］.Chinese journal of geotechnical engineering，2001，34（6）：105-107.

［6］秦前清，楊宗凱.實(shí)用小波分析［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1993.

［7］葛哲學(xué)，陳仲生.MATLAB時(shí)頻分析技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［8］萬永革.數(shù)字信號(hào)處理的MATLAB實(shí)現(xiàn)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

Application of wavelet analysis in high-piled wharf pile integrity testing

ZHANG Yong，TIAN Shuang-zhu
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety，Ministry of Transport，Tianjin 300456,China）

When using reflected wave method to detect the pile integrity of high-piled wharf,due to the existence of superstructure，reflected waveform usually includes interference information and becomes very complicated.In this paper，the wavelet analysis in high-piled wharf pile integrity testing was studied to eliminate the interference signal and weaken the effect of superstructure on the pile testing signal.Finally，its practical application was proved by taking an engineering project as an example.

high-piled wharf；integrity test；superstructure；wavelet analysis

U 656.1+13；O 242.1

A

1005-8443（2012）02-0163-05

交通科技重大專項(xiàng)將加快推進(jìn)

2010-07-27；

2010-10-10

張勇（1977-），男，河北省人，工程師，主要從事地基基礎(chǔ)檢測方面的研究。Biography：ZHANG Yong（1977-），male，engineer.

本刊從交通運(yùn)輸部科技司獲悉，2012年交通運(yùn)輸科教處長座談會(huì)于4月10日在廣西南寧市召開，會(huì)議回顧總結(jié)了2011年交通運(yùn)輸科技工作，研究部署了2012年交通運(yùn)輸科技工作。交通運(yùn)輸部科技司司長趙沖久表示，今年要持續(xù)推進(jìn)科技進(jìn)步與創(chuàng)新，不斷提高交通運(yùn)輸公共服務(wù)的能力和水平，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸科學(xué)發(fā)展安全發(fā)展中的引領(lǐng)和支撐作用，加快推進(jìn)科技重大專項(xiàng)組織實(shí)施，加強(qiáng)科技成果推廣應(yīng)用，加強(qiáng)科技條件建設(shè)和開放共享，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督工作，加快提升交通運(yùn)輸信息化水平，推動(dòng)行業(yè)教育培訓(xùn)工作再上新臺(tái)階。（殷缶，梅深）