張 勇，田雙珠

（交通運輸部天津水運工程科學(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)重點實驗室，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

（交通運輸部天津水運工程科學(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)重點實驗室，天津300456）

利用反射波法檢測高樁碼頭基樁完整性時，由于基樁存在上部結(jié)構(gòu)，反射波波形會含有干擾信息，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，以減弱梁板等上部結(jié)構(gòu)對基樁檢測信號的影響，最后通過具體的工程實例進(jìn)行了應(yīng)用驗證。

高樁碼頭；完整性檢測；上部結(jié)構(gòu)；小波分析

現(xiàn)階段，對于單樁完整性的檢測，工程中根據(jù)測樁曲線時域內(nèi)的波形變化就可以對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波形經(jīng)各個接觸面的多次反射與疊加后，會變得十分復(fù)雜。盡管測樁信號的時域信息具有較優(yōu)越的真實性，但是當(dāng)含有其他干擾信息時，僅僅從時域信號分析會有一定的困難。基樁檢測應(yīng)力波信號的處理方法總體上可分為時域分析、頻域分析和時頻分析3種，小波分析就屬于時頻分析的方法，當(dāng)單從時域分析很難得到準(zhǔn)確判斷時，就可以考慮利用小波分析等方法［1-8］。

1 小波變換的意義

小波變換是一種時間-尺度分析方法，在時間、頻率兩域都具有表征信號局部特征的能力，并且小波分析可以把測樁信號的高頻和低頻成份分離出來，同時小波分解出來的各層信號可以反映信號的細(xì)節(jié)部分。通過研究發(fā)現(xiàn)，面板、梁、樁帽等對應(yīng)力波信號的影響更多的體現(xiàn)在高頻部分。小波分析可以通過抑制信號中某些成分來實現(xiàn)消除信號基線漂移和噪聲的剔除，抑制信號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)行信號重構(gòu)。因此在高樁碼頭基樁檢測中可以把高頻信號置零，即對信號的某些高頻部分進(jìn)行抑制，可減弱或消除面板、梁、樁帽等對應(yīng)力波信號的影響。

2 小波基的選擇

小波變換的實質(zhì)是將信號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際應(yīng)用中最被關(guān)注的問題。選擇小波基函數(shù)通?？蓮膹?fù)值與實值小波的選擇、連續(xù)小波的有效支撐區(qū)域的選擇、小波形狀的選擇3個比較實用的方面考慮。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，即著重在于信號的分解，而對于信號的重構(gòu)上不考慮太多。因此對小波基的選擇重點的是看小波基的形狀和支撐區(qū)間。

根據(jù)實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)力波信號處理中的應(yīng)用分析

某工程對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，利用小波分析對實測信號進(jìn)行處理，以確定基樁的完整性。為驗證小波分析在高樁碼頭基樁完整性信號處理中的可行性，實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，對基樁的完整性又進(jìn)行了第二次的檢測。第二次檢測時由于去除了面板、橫梁的影響，同時認(rèn)為樁帽對應(yīng)力波信號影響較小，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 完整樁實際工程中實測曲線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2種情況下的檢測信號，并通過小波分析對2種工況下的模擬信號進(jìn)行分析。圖2為存在上部結(jié)構(gòu)時在樁帽邊緣敲擊，傳感器安裝在樁身一側(cè)實際工程中的實測信號，圖3為有限元模擬該實際工程中的模擬信號，圖4為對該工程基樁人為制造樁身缺陷的有限元模擬信號。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)為如果實際工程中樁身存在缺陷，有限元模擬的缺陷樁的信號與實測信號也有很好的相似性，可近似用模擬信號代替實測信號。

下面分別利用小波分析對圖2和圖3的信號進(jìn)行分析處理。圖5～圖6分別為圖2時域曲線的5層小波分解的細(xì)節(jié)信號和逼近信號，從各逼近信號可以看出沒有明顯的缺陷反射，a1和a2更接近真實信號，a4、a5、d5反映了原始信號樁底反射的頻率成分，分別對原始信號和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程曲線Fig.4 Speed time interval curve of necking pile

圖5 細(xì)節(jié)信號

圖6 逼近信號Fig.6 Approximation signal

圖7 原始信號的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時域曲線的5層小波分解的細(xì)節(jié)信號和逼近信號，圖12～圖14分別對原始信號和a3、a5進(jìn)行FFT變換圖。

由圖11可知，當(dāng)基樁存在缺陷時各逼近信號有一定的波動，同時由圖12～圖14可知，基樁存在2個頻差，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Fig.10 Detail signal

圖11 逼近信號Fig.11 Approximation signal

圖12 原始信號的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，完整樁檢測信號的FFT變化頻差是等間隔的，而缺陷樁檢測信號的FFT變化頻差可能是2個頻差間隔出現(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樁間沒有明顯的波動，而缺陷樁的則會出現(xiàn)波動。因此，根據(jù)以上兩點結(jié)論，可以將小波分析應(yīng)用于高樁碼頭基樁完整性檢測，對基樁的完整性進(jìn)行判斷分析。

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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.

本刊從交通運輸部科技司獲悉，2012年交通運輸科教處長座談會于4月10日在廣西南寧市召開，會議回顧總結(jié)了2011年交通運輸科技工作，研究部署了2012年交通運輸科技工作。交通運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，不斷提高交通運輸公共服務(wù)的能力和水平，實現(xiàn)交通運輸科學(xué)發(fā)展安全發(fā)展中的引領(lǐng)和支撐作用，加快推進(jìn)科技重大專項組織實施，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，加快提升交通運輸信息化水平，推動行業(yè)教育培訓(xùn)工作再上新臺階。（殷缶，梅深）