趙文剛，王 沁，田中亞

（1.湖南中大檢測技術(shù)集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410205；2.長沙市望城區(qū)城市管理和綜合執(zhí)法局，湖南 長沙 410205；3.齊魯交通發(fā)展集團(tuán) 濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250001）

引言

隨著我國現(xiàn)代化的基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展，樁基礎(chǔ)作為一種重要的基礎(chǔ)形式，已實(shí)際應(yīng)用到各種超高層建筑、大型橋梁建設(shè)中，并發(fā)揮了重要的作用。但是，由于施工工藝，地質(zhì)條件復(fù)雜等因素的影響，在實(shí)際工程施工中，樁基礎(chǔ)也出現(xiàn)了不同缺陷的質(zhì)量問題，常見缺陷有斷樁、離析、混凝土低強(qiáng)等。樁身缺陷的存在勢必會(huì)影響樁基在結(jié)構(gòu)物耐久性、承載力等方面的影響。因此，在樁基檢測中，能夠準(zhǔn)確識(shí)別樁基缺陷，并對(duì)缺陷類型進(jìn)行有效識(shí)別顯得至關(guān)重要。常用的樁基檢測方法中，超聲波法相對(duì)低應(yīng)變和高應(yīng)變較為準(zhǔn)確，應(yīng)用也較為廣泛[1]。

目前，對(duì)超聲波檢測數(shù)據(jù)的分析判定都是聲時(shí)、波幅、頻率等儀器采集到的直接數(shù)據(jù)去判定，帶有一定的經(jīng)驗(yàn)性以及不確定性。隨著信號(hào)分析技術(shù)及數(shù)值理論的發(fā)展，各種判別方法也不斷的被提出并應(yīng)用到實(shí)際分析案例中，這些數(shù)理統(tǒng)計(jì)類方法在對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行判定分析時(shí)都有一定的局限性或不準(zhǔn)確性，比如在高干擾背景下或聲測管不平行等情況的實(shí)測曲線就不易采用“PSD判別法”[2]，并且現(xiàn)行《公路工程基樁動(dòng)測技術(shù)規(guī)程》（JTG F81-01-2004）和《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106-2014）的兩本常用樁基檢測規(guī)范中，并未提及缺陷的類型識(shí)別，不能較為精準(zhǔn)地服務(wù)施工控制和缺陷處理。

1 混凝土缺陷模擬試驗(yàn)

根據(jù)實(shí)際工程中常見樁基缺陷類型，為了能較好地模擬工程常見缺陷，制作表1中的幾種缺陷類型的試塊，規(guī)格為200 mm×200 mm×500 mm，各3組。

表1 試塊制備情況

2 常規(guī)試驗(yàn)分析

測試采用型號(hào)為RS-ST01C的非金屬超聲波檢測儀，分別對(duì)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d的缺陷試塊側(cè)面進(jìn)行測試，將探頭布置在側(cè)面的上、中、下、邊4個(gè)測點(diǎn)開始采集數(shù)據(jù)，每種缺陷分別采集12組數(shù)據(jù),圖1～圖6為采集的原始波形數(shù)據(jù)。

圖1 完整混凝土試塊原始波形

圖2 斷樁試塊原始波形

圖3 樁頂?shù)蛷?qiáng)試塊原始波形

圖4 局部夾泥試塊原始波形

圖5 離析試塊原始波形

圖6 砂漿試塊原始波形

采用常規(guī)超聲參量法以及PSD判別法等，對(duì)波形圖分析可知，完整混凝土和斷樁（黃土）原始波形圖具有較明顯特征，能夠較為直接的分析出缺陷類型及樁身類別；而其他4種類型缺陷試塊所測原始波形圖并無較明顯的區(qū)別，很難通過波形圖、PSD曲線等特征去準(zhǔn)確識(shí)別缺陷并作出判定。

針對(duì)目前常用的缺陷識(shí)別方法在對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行判定分析時(shí)存在的局限性或不準(zhǔn)確性，有必要對(duì)所采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，在頻率域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行研究和處理，探討一種更適用于分析缺陷類型的方法[3-5]。對(duì)主頻f0和f1做數(shù)據(jù)列表分析見圖7～圖8。

3 頻譜分析方法

利用MATLAB語言程序進(jìn)行數(shù)值分析，根據(jù)頻譜分析原理，編制讀寫程序，將原始波形數(shù)據(jù)的導(dǎo)入程序，把接收波中的各個(gè)頻率分量的幅度值一一解析出來，得到原始信號(hào)的頻譜。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的頻譜分析

將實(shí)驗(yàn)室制定的各缺陷試塊的超聲測試波形每種缺陷數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入編寫的程序。

導(dǎo)入數(shù)據(jù)到MATLAB語言程序中，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，見表2。

表2 頻譜分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖7 主頻f 0數(shù)列分布

圖8 主頻f1數(shù)列分布

（1）對(duì)采集的超聲波信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，通過在頻域內(nèi)將超聲信號(hào)逐一展開，發(fā)現(xiàn)在時(shí)間域內(nèi)不明晰的信號(hào)特點(diǎn)，可以在頻率域內(nèi)較為明顯的體現(xiàn)出來。在頻域內(nèi)，不同缺陷類型的主頻f0、主頻f1信號(hào)特征較為明顯，不同缺陷的主頻幅值并無明顯的交集，依據(jù)頻域內(nèi)的這種特點(diǎn)，能夠初步有效的識(shí)別缺陷類型并作出判定。

圖9 完整混凝土試塊頻譜

圖10 斷樁試塊頻譜

圖11 樁頂?shù)蛷?qiáng)試塊頻譜

圖12 局部夾泥試塊頻譜

圖13 離析試塊頻譜

圖14 砂漿試塊頻譜

（2）引入頻譜圖特征分析的判據(jù)，見圖9～圖14，分析不同缺陷類型表現(xiàn)出的頻譜特點(diǎn)：在頻譜圖中，完整混凝土中只出現(xiàn)了一個(gè)主峰，缺陷混凝土不僅有較明顯的主峰還同時(shí)出現(xiàn)了若干次峰值?？梢园l(fā)現(xiàn)，缺陷不同，峰值變化程度也有不同，主峰與次峰值也不同。根據(jù)頻譜圖中的主峰值和次峰值的特征，可以用來判斷和分析缺陷的類型和性質(zhì)，將這一特征總結(jié)見表3，能更進(jìn)一步識(shí)別缺陷類型。

表3 頻譜分析統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

5 結(jié)語

（1）通過對(duì)原始數(shù)據(jù)的頻譜分析，獲得了不同缺陷類型在頻域內(nèi)主頻f0和主頻f1的分布規(guī)律，以及頻譜圖的特征。（2）引人了頻譜分析這一概念，對(duì)超聲波的認(rèn)識(shí)從時(shí)域引向頻域，通過傅里葉變換，把接收波中的各個(gè)頻率分量解析出來，利用信號(hào)在頻域內(nèi)特征明顯的特點(diǎn)，在頻域角度對(duì)缺陷進(jìn)行識(shí)別判定。（3）通過在頻域內(nèi)的分析，完整混凝土與缺陷混凝土在頻域內(nèi)的衰減是不一樣的，而且缺陷性質(zhì)不同時(shí)，利用不同頻率成份的衰減也不相同的特點(diǎn)也可以有效的對(duì)缺陷類型識(shí)別。