頻域分析法在低應變檢測中的重要應用

【摘要】在低應變法檢測工作中，人們通常習慣用時域分析法，忽視了頻域分析法的重要作用。本文闡述了頻域分析法的理論基礎(chǔ)，并通過實例分析指出，將時域分析與頻域分析相結(jié)合，綜合判斷，才會有效避免誤判。

【關(guān)鍵詞】低應變法；頻域分析；時域分析；完整性

【Abstract】In the low strain was detected， people are usually accustomed to using time domain analysis， ignored the important role of frequency domain analysis. This paper describes the theoretical basis of frequency domain analysis， and an example analysis pointed out that the time-domain analysis and frequency domain analysis， a comprehensive judgment， to be effective to avoid false positives.

【Key words】Frequency domain analysis of low-strain method；Time-domain analysis；Integrity

1. 概述

低應變法在樁身完整性檢測中以其直觀、簡便、準確的特點而被廣泛采用。在低應變法檢測中又以時域分析法最為常用。在時域中，樁身缺陷、樁底一目了然，且計算簡便準確。因此，頻域分析法常常被忽視。除了少數(shù)研究資料和儀器說明中常出現(xiàn)頻域分析法介紹外，很少在工程樁的實際檢測報告及分析資料中找到頻域分析的影子。使做為時域分析法的一個重要補充的頻域分析法未能發(fā)揮其應有的作用。據(jù)筆者分析認為頻域分析在實際檢測工作中少于應用原因可能有以下幾種：

1.1由于工程樁本身內(nèi)部不是理想的均勻，以及樁周土與樁身之間復雜作用的影響，使利用頻差計算的樁身波速和缺陷位置與實際情況有一定誤差。

1.2錘擊主頻與傳感器安裝諧頻的相互影響，以及外部振動及電磁干擾等。

1.3檢測信號在頻域和時域中的分辨率成反比，要同時滿足時域和頻域的要求，必須多時基采樣，不方便。

1.4時域分析法大多數(shù)情況下都能滿足分析要求。

雖然如此，頻域分析法也應被重視。

2. 頻域分析法的理論基礎(chǔ)

低應變法檢測樁身完整性中，理論上當D <λ

樁端受小能量激振，便產(chǎn)生彈性波，波在樁身內(nèi)部的傳播可用一維波動方程來描述。

在實際檢測中，樁處于上述桿模型的中間狀態(tài)。我們從檢測儀器中得到的是時域信號，即對樁頂檢測點的振動速度在時間上的變化記錄，信號處理時，將時域信號進行富里葉變換，即可得到檢測信號在頻域中的描述，這就是頻譜。在頻譜中我們可以很直觀地看出樁底、缺陷反射形成的頻差以及激振頻率、傳感器安裝諧頻、各種外部干擾的頻率成份和范圍。排除振源、傳感器安裝及外部雜波的頻率干擾，便可對樁身系統(tǒng)的幅頻特性進行分析。

完整的摩擦樁和端承樁，在頻域中基頻明顯，相鄰譜峰頻差大約相等。含有缺陷的樁，在頻譜中可以看出樁底及缺陷所形成的不同頻差 Δf。

3. 在樁檢測中的應用

在基樁低應變檢測中，時域分析法和頻域分析法為兩種基本的分析方法，但在實際檢測工作中，因頻域分析法沒有時域分析法直觀、計算方便，且易受干擾而少有采用。筆者在實際工作中感覺到其對時域分析法有非常重要的補充作用，時域、頻域兩種方法相合，會對檢測中經(jīng)常遇到的一些疑難問題有很好的解決效果。

3.1時域分析法中的疑難問題。

（1）淺部缺陷的檢測。對于淺部缺陷，常常因為錘擊主頻的偏低，而被入射波的第一峰所掩蓋。如果檢測人員不仔細或經(jīng)驗不足，將導致淺部缺陷的漏判。

（2）振源的激振頻率與傳感器安裝諧頻不匹配時，產(chǎn)生振蕩波形，而使許多不明顯缺陷變得模糊不清。

（3）當樁底反向被缺陷的多次反射掩蓋時，時域中很難發(fā)現(xiàn)樁底反射，這對樁身完整性的判斷帶來很大困難。

尤其是判定樁下部的樁身完整性的幾乎是不可能的。有沒有樁底反射是判斷缺陷是否嚴重的一重要條件。較長樁樁身中部的缺陷，由于沒有樁底反射，其嚴重程度也難以確定。

圖3新鄉(xiāng)某橋樁檢測信號

3.2頻域分析法對解決時域分析法疑難問題的重要作用。

（1）對于淺部缺陷檢測的重要作用。

將檢測到的時域信號做富里葉變換，分析頻譜曲線（幅度譜），即可看出錘擊頻率的高低，錘擊主頻偏高，有利于檢測淺部缺陷，錘擊主頻偏低，有利于發(fā)現(xiàn)深部缺陷。圖3是新鄉(xiāng)某橋樁檢測實例。

第一次用尼龍錘敲擊，得到圖A，振源主頻769.4Hz，根據(jù)圖中時域檢測信號可以看出，該樁為完整樁。再看頻域信號，振源頻率集中，饅頭狀的幅頻曲線已將樁身系統(tǒng)固有頻率掩蓋，而且主頻偏低。于是換用鐵頭力棒敲擊，得到圖b，從頻域可以看出，換錘后，振源激發(fā)的高頻成份增加，而且時域和頻域中淺部缺陷均很明顯。時域中計算樁身波速c=3386m/s，缺陷位置為0.85m。頻域中計算樁身波速為c=3833m/s，缺陷位置為1.2m。開挖到樁頂以下1m，發(fā)現(xiàn)0.8～1.0m混凝土局部不密實，有蜂窩狀空洞。

（2）對于振蕩波形中樁底及缺陷判讀的重要作用。

觀察檢測信號的頻譜（振幅譜），找出傳感器共振頻率，然后對時域信號進行低通濾波處理，將會使時域信號中的缺陷露出廬山真面目。這是對時域信號后處理的重要指導作用。

圖4為安陽某工程人工挖孔灌注樁2#樁的檢測信號，進行頻譜進行分析，可以看出，頻帶很窄，錘擊頻率、傳感器安裝諧頻、樁身檢測頻率相近，產(chǎn)生共振，樁身波反射系統(tǒng)的有效頻率成份被掩蓋，使缺陷及樁底均無法判讀。在頻譜中可以清楚地看到主頻為2.133 kHz。傳感器的安裝諧頻一般較高，以1kHz為截止頻率，對時域信號進行低通濾波處理，減弱傳感器安裝諧頻干擾。在處理后的時域波形中，淺部的擴徑和樁底反射得到很好的顯示。圖5中，上部為2#樁的原始波形，下部為濾波處理后的波形。

圖6為安陽某工地人工挖孔樁的測試信號，在時域信號中缺陷非常清楚，且有多次反射，如果按規(guī)范判定，則為Ⅵ類樁。仔細分析時，缺陷的二次反射有可能掩蓋樁底反射，如有樁底反射，則可判定為Ⅱ或Ⅲ類樁。對該測試信號的頻譜進行分析時，能量較強的頻差有兩種，Δf1=113.9Hz ，Δf2=179.0Hz ，有樁底反射。應判為Ⅱ或Ⅲ類樁。從輕判，對該樁的完整性不放心，后進行開挖驗證，缺陷為輕微離析，最終判定結(jié)果為Ⅱ類樁，可正常使用。如不對頻譜進行認真分析，則可能誤判。

4. 幾點體會

在基樁低應變反射波法檢測中，頻域分析有著重要的作用，將時域分析與頻域分析相結(jié)合，綜合判定，會使我們更能準確地判斷樁身完整性。

無論是時域分析還是頻域分析，都必須采集到真實、漂亮的測試信號，采集頻帶盡可能的寬。在測試現(xiàn)場，如果儀器有此功能，應及時對采集到的信號做簡單的頻域分析，以選擇合適的錘擊及傳感器安裝方法。

5. 結(jié)束語

由于筆者經(jīng)驗不足，文中難免浮淺，如有不當之處，望廣大讀者指正。筆者寫此文的主要目的是衷心地希望頻域分析法能普遍地應用于低應變檢測中，而不應被忽視；同時拋磚引玉，希望能引出更多的關(guān)于頻域分析的研究文章，因為頻域分析還有很多問題有待研究。

參考文獻

[1]中華人民共和國建設(shè)部，建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范.JGJ106-2003.，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[2]河南省建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督總站，地基基礎(chǔ)工程檢測，河南：黃河水利出院版社，2006.8.

[3]陳凡 徐天平 陳久照 關(guān)立軍，基樁質(zhì)量檢測技術(shù)，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.11.

[文章編號]1619-2737（2015）01-15-537

[作者簡介] 秦希俊（1963-），男，籍貫：河南長垣人，職稱：工程師，1982年畢業(yè)于鄭州地質(zhì)學校，從事地質(zhì)勘查找礦、樁基檢測等工作。endprint