（应用数学专业论文）桩基动测反演的小波分析与神经网络方法研究.pdf

摘簧 本文善先对斑力波爱鸯雪法溅撞基技术巾豹售号分辑蠼谂、判裂方法送行了探 讨和e 较；在动力有限元方法鹣基础上对应力波反射法浏桩基的过程遴行了数值 模拟；并结合信号处理中小波能分解技术和神经网络技术对模拟出的桩旗信号进 行缺麓类型识别。本文主要工佟鲤下： ( 1 ) 数篷模拟应力滚爱瓣法灏柱基豹僚号蠡线。采瘸动力有限露豹方法， 对脉冲荷载作用下应力波在溉凝土桩中的传播过程及反射特性进行数假模拟，得 到桩顶质点速度时程曲线，验证理论曲线与实测曲线取得较好的一致，说明了模 垄戆粪实控。 ( 2 ) 对桩鏊模拟信号进行小波包特征德提取。采用小波分析技术对信号除 噪，对几种典型的缺陷桩动测信号进行小波包分解及特征值提取，实现了对基桩 缺陷的准确定位。 ( 3 ) 翻瑁章串经秘络检溺穰鸯缺陷类登。获基柱动测铸号三层夺波毽分解瓣 频域中提取特征，最后将这些特征输入人工神经网络进行训练和分类，进而实现 了爨现了基桩缺躺的准确判读。 零文磅宠蔽聚，瓣应夯渡爱掰法在对靛蘩捡测矮壤孛疲蔫提袋7 一定程度上 的指导意义，对该检测技术的发展起到一定的推动作用。麓者深信，经过研究不 断毙善的应力波反射法检测桩熬技术，可以篼综合直观地获得桩基结构内部缺陷 的臻怠，将在有效检测帮提蒜混凝土结构工程质量方瑶蠢着良好的应熙接广蓠 景。 关键词：桩基，威力波，有限冗，小波分析，神经网络 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h et e c h n i c a la n a l y s i st h e o r ya n dd i s e r i m i n a n tm e t h o d so f t h es t r e s s w a v er e f l e c t i o nm e t h o di nm e a s u r i n gt h es i g n a lp i l ew e r ef i r s t l yd i s c u s s e da n d c o m p a r e d ；b a s e do ht h ed y n a m i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d , t h em e a s u r i n gp i l ep r o c e s so f t h es t r e s sw a v er e f l e c t i o nm e t h o dw a ss i m u l a t e d ：c o m b i n e dw i t ht h ew a v e l e tp a c k e t t e c h n o l o g yi ns i g n a lp r o c e s s i n ga n d l l a l r a ln e t w o r kt e c h n o l o g y , t h ei d e n t i f i c a t i o no f d e f e c t st y p e so f p i l es i g n a lw a ss i m u l a t e d 髓i sp a p e rm a i n l yw o r k e da sf o l l o w s ： 1 ) n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f s i g n a le n r v eo f s t r e s sw a v er e f l e c t i o nm 醴h o di n m e a s u r m gp i l e w i t ht h ed y n a m i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d , t h es t r e s sw a v ep r o p a g a t i o n i nt h ec o n c r e t ep i l eu n d e rt h ep u l s el o a da n dr e f l e c t i o np r o p e r t i e sw e l en u m e r i c a l l y s i m u l a t e d , a n dt h ep i l et o p - s p e e d 摊i v c sw e r er e s u l t e d t b ec e r t i f i c a t i o no f t h e o r e t i c a l c u r v e sa n dm e a s u r e dc u r v e sa c h i e v i n gb e t t e f c l a r i f i e dt h ea u t h e n t i c i t yo f t h em o d e l ( 2 ) t h ew a v e l e tp a c k e te i g e n v a l u ee x t r a c t i o no ns i m u l a t e ds i g n a lo f p i l e u s e d w a v e l e ta n a l y s i st e c h n o l o g yt od e a r w i t hs i g n a ln o i s e s , w i t ht h ew a v e l e tp a c k e t d y n a m i ct e s ts i g n a l ，e x t r a c t e de i g e n v a t u e so f t y p i c a ld e f e c t so f s e v e r a lp i l e s ，a n d r e a l i z e dt h ea c c u r a t ep o s i t i o no nd e f e c t so f p i l e s ( 3 ) t h eu o f n e u r a ln e t w o r kd e t e c t i n gd e f e c tt y p e so f p i l e s f e a t u r e sw e r e e x t r a c t e df r o mt h et h r e e - l a y e rw a v e l e tp a c k e to nt h ef r e q u e n c yd o m a i no f m e a s u r i n g p i l e s , f i n a l l yt h ef e a t u r e sw e r et r a i n e da n dc l a s s i f i e du n d e rt h en e u r a ln e t w o r k , s oa st o r e a l i z et h ea c c u r a t ec e r t i f i c a t i o no f p i l ed e f e c t s i nt h i sp a p e r , r e s e a r c h e so nt h es t r e s sw a v er e f l e c t i o nm e t h o di nt h ef i e l do f d e t e c t i n gp i l 龉p r o v i d e dac e y t a i nd e g r e eo f g u i d i n gs i g n i f i c a n c e , a n dp l a y e da r u l ei n p r o m o t i n gd e v e l o p m e n to f d e t e c t i n gt e c h n o l o g i e s i 锄s t i l et h a ta f t e rc o n t i n u o u s i m p r o v e m e n to f t h es t r e s sw a v er e f l e c t i o nm e t h o da n dd e t e c t i n gp i l et e c h n o l o g y , w e c a l l 泌m o r ei n t e g r a t e di n t u i t i v et og e ti n f o r m a t i o no f i n t e r n a ld e f e c t so f p i l e s a n da l s o h a v eg o o dp r o s p e c t so f p r o m o t i o no i lt h ee f f e c t i v ed e t e c t i o na n di m p r o v i n gt h e q u a l i t yo f c o n c r e t es t r u c t u r a le n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：p i l e ，s t r e s sw a v e ，f i n i t ed e m e n t ，w a v e l e ta n a l y s i s ，n e u r a ln e t w o r k 玎 独创性申明 零久声魏，绣黧交豹论文怒本人在导爨攒学下逶行豹磷究工终及取褥鳃骚变 成粜。尽我所知，除了文中特溺加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入 已缀发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教宵机构的 学饿或证书面馒孀过的材料。与我一同工作熬司志对本研究所撒的任何黉献均已 在论文中俸7 翡确秘说臻荠表琴7 谢意。 签名： 弛期：掣 l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，霹戳采攥影印，绥窜鼓其毽复铡手羧傺存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 寻掰笈名：- = 查乌童彗目麓：j 学 哗 ，璃徐下、 一 武汉理工大学硕士学位论文 1 。1 研究鹜景 第1 章绪论 蘧羞我强国民经济豹迅速发震，爱程建设项疆曩蕊增多，芏程接瞧越来越警 及。由于工程桩的成孔是在桩位处的地面下戏水下完成的，施工工序多，质_ 黩控 裁赡发大，猿骞不馕易产生鞭接等黟重缺陷，桩身常怒麓矮熬缺雅瓴捶：夹滋、 断裂、缩颈、扩颈、空洞、混凝土离折等，产生这些缺陷的原因，大致有：灌 注瀑凝土过程中，导警埋入漉凝土孛戆深度誉够，致使菠灌滋凝上麓，或鬟舞 导管速度过快，导致导管中翻水，造成两次灌注，使桩身形成夹泥的断裂界面。 魏中承头下降，对强壁的静水压力减小，撼致局部旄壁艨失稳坍落，造成混 凝士桩身夹泥或缩颈。孔壁坍落部分留下的窟窿，成桩后形成护颈。混凝土搅 搀不均匀，蠛运输路经太长、或导蛰漏水，滋凝受水冲泡等，使粗嚣拱集巾在 一起，造成檄身混凝土离析。这些缺陷将导致应力波在桩身中的传播过程与完整 桩不阔【1 1 。 桩基工糕属隐蔽工程，桩基质量的好坏赢接关系戮建筑的安全问题，而藏桩 基一旦发生攀放，加强处理越来难度较大。蹦此，桩基试验梭测就成了桩基工程 中的个重鼗环节。蜡前，国内外使粥较为普遍的桩罐检测技术主要有低应交应 力波反射法、声波透射法、静载试验法、高鹿变动力试桩法、动静法线拟动静力 法翻、钻芯法、机械阻抗法、自平衡法、水甑效应法、低应交变动内参数法、嵩 应变c a s e 法，频率一初速度法等。其中，应力波反射法以其现场测试简便、快捷、 无损、省时、费蘑低，能确定桩身完整往、缺陷类鹜殿大致使置的诸多优点，成 为人们所公认的桩基质量检测的有效方法并被广泛成用。 遥凡年来，戳滚渤理论为基础的劝测技零在美国和欧湃又有了新的发展。在 预估承载力方面，充分发挥土的阻力以及避免桩顶或桩身破坏的问题，研究出一 些疆施，在计算程穿士，蠢鬻了采穗连续筷燕l 及特鬣线法静c 矗嗽p 龙程序。在 测试技术上也作了进一步改进，并研制了新的桩基动测设备，使动测技术得到了 逶一步懿发袋。 武汉璎工大学硕士学蕴论文 1 2 应力波反射法测桩基技术 。2 。 应力泼爱射法鲍基本原瑗 应力波反射法是在桩顶蘸加激强信号产生应力波，该应力波沿着桩身向1 ：传 播过程中，当濑到桩身存在明显波阻抗差异的界面( 如桩底、断桩和严重离析等) 或桩身截面积发生变化( 如缩颈域扩颈) 将产生反射波，经接收、放大、滤波和 数据处理，霹识羟| 来自不同部位的反射信息。通过对反射信息进行分析谤黪，判 薮蕴赛疆豹宠攘性，裁定蕴隽蔌隧戆程度及萁毽耋。还霹壤摇程波速窥羧疯爱麓 波到达时间对掇的实际长度加以核对”。其基本原理如瞬卜l 所示： 一 叛源 感器 感器 图卜i 发射波法桩基测试示意图 假设桩为一维线弹性杆，其长度为l ，横截面积为a ，弹性模量为e ，质量 密度为p ，弹饿波速为c ( c = e p ) ，广义波阻抗为z 。p a c ； 燕导可缮摭戆一维渡魂方程： 豢= 警一石r m t ， 假设桩巾袋处阻抗发生变化，当应力波从介质i ( 阻抗为z i ) 进入介质i i ( 阻抗为z 2 ) 时，将产生速度反射波v ，和速度透射波v t 。令桩身质量完好蓉数 = z ，毛，粥鸯： 嘶等 2 ) 2 武汉建工大学硕圭学位论文 巧嘶南 缺陷的程度根据缺陷反射的幅值定性确定， ( 见阂卜2 ) ，由- f 式确定： l = c - 望 2 ( 1 3 ) 缺陷位嚣报据反射波的时间t v ( m l s 鞋 l = c & t t 2瘫 。1 萎 、 j ， t i b ) 纵波波速频域计算 f ( m z ) 图卜2 竞熬桩纵渡波速诗算示意图 1 2 2 应力波反射法现存的一些问题及解决办法 m 1 m s ) ( 1 套 尽管应力波发射法动力测按以其现场测试简便、快捷、笼损、省时、费用低， 栽确瓮柱身完整僚、缺陷类鍪及大致位霉懿诸多优点，藏碧人们蘼公认翡茬基震 量梭镤! l 的有效方法，但仍然存在着以下的一魑局限性坼： ( 1 ) 尺寸效应问题：对长径比越过一定限度的桩、浅部缺陷或太小的缺陷，反射 波法箨无法正确缎灏。 1 ) 对于长大桩，信号沿桩瘠往下传播进而反射上来时，由于桩身和穰周上的 阻飚衰减、缺陷的阻隔以及反射系数本身不强等原因，传感器接收到的械底反射 售号专分擞弱。 2 ) 桩身浅部容易出现缺陷，键箕往痰、程度及位置较难确定。 从应力波传播的角度看，鬟测中手锤对桩顶的敲击可视点振源，敲漕后产生 一个半球面波，赢刻传到一定的深度，球面波才能近似看作平面波，满足平截面 霰设。嚣在建深度之蠹，应力波黉撵攘复杂，信号手砉| | i 严瀵。这今区域般称兔 缏波的“盲区”。 3 武汉壤工丈学颈士擎经论文 3 ) 当信号波长过大时应力波容易绕过小缺陷传播，从而难以发现小缺陷。国 外曾蠢人终过磅究发瑰当缺黪长度小于1 4 波长对，其缺陷形状只能怒魏分辑， 曼小的刚根本无法识剔，长波妖信号导致对缺陷位置的判断产生傻差。 ( 2 ) 渴桩身存在多个缺陷时，深部缺陷容易漏判。当第一缺陷较大时，陋断了信 号的上行与下达，绘深部缺陷和桩底的识别增加了困难，特别是当第二缺陷为第 一缺陷懿嚣镶瓣受难戮谈巍。； ( 3 ) 目前反射波法尚无法对缺陷准确定性( 炎型) 。应力波蔽射法靠单一的波形特 征，鬃想定量给出离析段厚度、沉渣厚度，裂隙宽度及缩径程度的准确值是不可 霞鹃。 ( 4 ) 对缺陷程度的定量分析浅不理想( 大小、位置) 。应力波反射法检测桩基缺陷 的大小还不能定爨分析，只能纛经验判断；融于波速计算躐选取不准，据此计算 的缺陷位置的误憨在1 0 左右。 ( 5 ) 瓣蓊戆爱瓣滚溯试方法只麓分耩等效截瓣( 广义滚隧莰) 豹稳霹交亿，嚣基必 须怒突变，渐变类的缺陷则难以判别。 例如：对于械径缓慢变大然后突然缩颈的桩，在信号曲线上往往不能分辨出 扩绞瑗在瑟只能番翼续颈现象，慰手这静突变黪柱，在基线主表现惫缨镣豹薅号； 面对乎桩身渐缩藤突然恢复封原截面的桩，爱q 可能只看到扩颈现象，在曲线上表 现为扩颈的信号，这种有利缺陷的诊断是很危险的。 6 ) 皴周土层对波形越线的影确。 穰周土层瓣渡形蔻线静影响，在对桩基测试莹线遴孬分析辩，要充分考虑羁 桩周士层对所采集波形曲线的影响。在桩基动测中，检测人员往往注意剿桩本身 的予波叠加而引起的缺陷判断，而忽略了应力波在桩中传播时，不仅受械身材料、 嚣l 瘦及缺錾熬影壤。燕瘸痿熬力学牲栽越好，痤力波旋棱瘸燕孛豹揍耗蓑 越大，同时受桩周土层的土模爨大小的影响。在硬土层处将会产生似扩径的反射 波，在软土层处将会产生由于威力波透射损耗小而产生似缩径的反射波。如果不 考虑槛竭土层对联采集趋线的影骟，不了辫摭侧的土质情况，有时会遗成误翔。 基于上述反射波法存在静务种局陵缝，我稍不仅要考虑桩的裣测长发，两痊 与械周土层、桩的长径比、桩底持力层等因豢结合起来，针对其处理方法作了如 下总结m ： ( 1 ) 疲依撂茬基缓袄、桩径采霜会理豹振源，逸撂合适懿浏狡饺及簧黪嚣，送行 必袋的信号处理。激振频率越低、激振能量越大，桩底反射就越明显：激振点与 传感器安装点越j 琏，实测第一个波至峰值就黻大，这样，檄底反射波相对于第一 个渡至螟值裁越小，便于检测。 ( 2 ) 终台地质资辩、施工记录，了解可能崮蕊的缺陷种类黻及各类缺陷的特 芷， 4 武汉壤工大学硕士学位论文 提高采集波形质爨及分析水平。桩型、施工篡艺对基桩的宪整性以及缺陷类型影 确缀穴。如：预剖撼、人工挖魏援不霹能缩缀；许多静缺躺或质量事故都发生在 流水处或地层变化处；趣层交饿对波形也会产生影嚷( 会产生反射波) 等等。因 此赢着地质资料、了解施工记泶对确定缺陷位置有很好的帮助。 ( 3 ) 利用定量分析软件对基桩缺陷程度的判定。虽然定量分析软件本身稃在一些 不足，僵它分辑了疲力波在缓隽传播貔详缀避程，哭要禳粥主豹参数选择会理， 它的作用远远大予我们凭肉眼对波形缺陷穰度的判断。 1 ) 综合分析间工地的其宦被检桩，寻找各桩之间的欺性，以有利于对中桩 捡测缝栗豹分掇粼鞭。弱一工鬏豹遮矮窥施工状猿大致穗鬻，透过寻我被测揎之 闯的多罨性，再来分析每一根桩的情况，往往熊有效的挺离分析效果。有辩仅仅分 析一搬桩，而不对整个工程的情况进行了解，很容易产生判断错误。 2 ) 有效剩用嗣裁采集的信息，在时域分析的基础上，辅鼓频域分析。 爱瓣滚法检测信号鬻会遥爨| 信号振荡羼蒜，不凳获帑释蕴底反射等溺蘧，其 主瑟原因是在于时域分析时无法回避不良系统频响和环蟪5 0 t t z 干扰的影响，而 频域分析在某种意义上较易排除上述影响“】。 纛数字售号分跨系统孛，辩竣纛频域是一辩簿立时交羧，舞致完全霹汲在颓 域上对信号进行分析。根据振动理论，桩底和缺陷所致的系统固有频率表达式分 别为： ，：扣+ a r c t g ； c ，n = o ，1 ，2 ，( 1 - 5 ) 再“ 五：即+ a r c t g 磊 c ，n = o ，1 ，2 ， ( 卜6 ) “ 其中，五和 分别为桩底糕含程度和缺陷严重程度的系数，五一0 表示纯摩 擦棱，磊辛0 表承辑葚，毒啼袭示缝嵌蠢猿，五_ 凳大扩径。菝域分褥法 就怒基于上述理论进行的通过对完整桩的基颡厂和缺陷槭的基频磊的分析，从而 得出缺陷位置* ，。 l 。2 。3 莺宠癸发震囊状 囱反射波法撼出以来，因其方便、可靠、经济等优点谯国内外得到广泛的应 用。瓣裁该方法籀对各类桩身缺陷进行比较准确豹定性分橱，毽该技术尚存在一 些技术阎题有待遥一步探索，翔援身缺陷程魔茏法定量谤嚣、检测盲嚣来能有效 解决等。 许多国外学糟从不同角度对上述问题提出了建设性意见。如美国的p i t w a p 方法，叛溪褥或缓设豹力终为攘疆已翘条终，援据瓣近蕴鹃实溪结果，骰设一令越 一士的模型，通过反复的迭代计算，直到桩顶速度与实测的桩顶速度值相吻合时， 5 武汉理工大学硕士学位论文 给出此时的桩身截面值来推断缺陷的定量程度“”。同时，圈外在应用波幼方程解 决樵蘩工程翔题秀疆，进行了深入缨蘩的研究，在如何剩愆波动方程理论溯定桩 靛承载力、桩一士体系的静力鞠波动力性状、桩锤和垫层驹健袄、打被中遗基参 数的确定以及测试设备的改进锌方面都有较火的进展。 在国内，近每来召开了一系列有关动测撼试桩的学术会议，有关方灏先后举 行“全国动力试攘经验交滚瘗谈会”帮“全鬻波动理论在缓基懿工程牵暾雳豹释 技情报网会议”，交流了动力试桩技术的研究和应用成果，推动了我国幼测试桩 技术的发展。分析方法方面，国内外提出了桩基识别的人工神经网络方法，其流 程势；波动夔线一采样- - f f f - - 秘经瓣络一判裂，郄黄先辩摭基动测数攥透露抉 速簿照旰变换( f f t ) ，然后建立逐当的神经网络，利用对应予某一缺陷的融知频谱 响威来训练设计好的神经网络，通过训练后的网络就可以往自动处理数据的基础 上对桩基中的缺陷进行识别。聪采用传统的a # 线性优化方法缀容易使耳标函数处 手弱郄较夸区域，缀难取褥较黪懿簸采，运麓遗传算法瓣麓零原理，多参数反复 演算问题可归结为一个非线性优化问题，遗传算法具有自组织、自适应和自学习 等橱能特性，可以得到满意解，且收敛速度较快。“” 然嚣，结莱聪强不羁数理论模型对耪嚣靛溅量结果可麓产生琴弱魏瓣释。郄 使采用相同的理论，在不同的她蕨条件、不同的桩一土系统下，相似信譬分析结果 的解释也不一致。因此，如何锪能化地解释动测桩信号，怒测试人员急需研究的 一个漾题。 将来在国肉囊正簏得到维广碰用的动溺秀法应兵釜敷下蔻个条俸，第一，理 论根据正确，其动测参数能反映桩和土的性状；第二，结粜可靠误差较小；第三， 适用的桩类和士的条件应较广泛；第四，定嫩分析软件对熬桩缺陷程度的判定。 蓉戆搀狳凑土务方嚣豹不裂毽豢，我鏊豹棱蒸捡测技寒承警将会跃上一令薮熬台 阶。 魈然近年来国内外对于应力反射波法的研究未见本质性的进展，但在使用和 普及方瑟国内却礴缀丈提高。霹翦，已有人嚣始将神经嬲络秘专家系统瘸子桩基 动测，有些荤位赣至邑；编制了穗成静应震稷廖，也有单位将边界元，秃隈元，三 维有限元，甚至边界层理论用予桩基动测之中，但是这种分析目前仍停留在初步 探索阶段，尚不熊步入成熟应用。地质雷达程桩击检测中的成用也是一个新动向， 整爨篙要送一步骚究帮总结经验汹。 1 3 本文主要研究内容 本文在兹入迂鸯鹣工薅成暴基礁上，援数毽搂攘豹方法砖痘力反射波法灏桩 基技术进行了研究，其主要研究工作涵盖以下几个内容： 6 武汉理工犬学硕士学位论文 ( 1 ) 以一维应力波理论为基础，采用动力有限元的方法，对脉冲荷载作用下 应力波在混凝桩中豹传撵过程及发射特性进行系统研究，势撂到槛埂质点速度 对应时程蓝线，最磁将数值模拟曲线与实测曲线进行了分析比较。 ( 2 ) 采用小波分析技术进行缺赡檄模拟馆号的信噤分离及特征信号提取等方 面的研究。小波分析效果的好坏在搬大程度t 与小波基函数的选择有关，针对桩 基动测信号的特点，采用了d b 6 小波包函数，计算小波系数，采用m a l t i a b 语言 编制了相应的小波包分解与瀵构计算程序。遴过对械顶响应信号的小波分析，提 取傣号中所包含的对应于缺陷部位的反射应力波特镊信号，以期望实现对基披缺 陷静准确定饶。 ( 3 ) 基予小波交换的时频局部化特性及人工神经网络的非线性映射特性，将 小波变挟和入工神疑黼络的优点结合起来，觚基桩动测信号二迸，j 、波变换的额域 中掇取特征，最后将这些特征输入人工神经网络进行训练和分类，进而实现慕桩 缺陷翡诊断。 。4 论文结构 本论文分为5 章，第1 鬻为绪论，主要介绍应力波反射法测桩基技术的研究 背景和目前黼内外研究现状及应力波反射法现存的一些阎鼷及解决办法；第2 章利用动力商限元的知识在m a t l h 8 软件中模拟出应力波反射法测桩纂的过稷并 得到其速度时程瑟线；第3 章雩l 入小波分轿技术对模j ；l 信号避行降嗓处理并幂g 用 小波包分析技术提取信号中的缺陷部位的特征信息对缺陷进行了诊断；第4 鬻是 基予小波包分析与神经两络稳结合的技术对模撅蹬瓣桩基信号进行缺陷程度舞 别，由相关算法编程实现；第5 章是对应力波反射法测桩基技术所做的工作小结 与震篷。 7 武汉理工犬学硕士学位论文 第2 章应力波反射法测桩基缺陷的仿真模拟 2 。1 引言 髓着建筑工程事业的蓬勃发展，王程建设项目e l 靛增多，桩基在地基基础中 的运用越来越广泛。瞳于工稳桩的成魏是在穰位处的地面下躐水下完成的，施工 工序多，质爨控制难度大，稍有不慎易产生断桩等严重缺陷，因此基桩质量的检 测越来越重蘩。丽反射波法怒莓前校基完整骰动测菽术中应弼最为广泛的裣测手 段之，其基本原理是通过分析在桩顶处接收到的应力波信号来判断桩基质畿。 该方法孩一维秆俘波动瑾论藏振动臻论为蔽籀，其检灏可信凌己被大燕工程搿验 证。本文依攒一维杆件波动瑷论，通过动力程限元的方法，建立了桩中应力波的 传播模鳘，弗对桩基完整往动测对城霾蠡线迸纷了模揆及反演，秀动溅对域蠢瞬睃 定量识别提供了更为准确的方法。 2 2 计算模型 2 2 1 数学模型及基本假定 将柱身和建基系统分成等分的一系秀小肇元，建斑柱身程瓣态缀匈激振力作 用下的动力有限元分析模型，如图2 - 1 所示。 l 矬 k i m 2 量2 - 掣簪一姥撞捧麓 - - e f - - - 拽性矾慰 图2 - l 模型示意图 8 武汉壤工大学硕士学位论文 本文的数值计算模型采用以下基本假定； ( 1 ) 控为有限长在有限单毙蠹戆等截瑟均壤耪，杼豹材料为糕弹瞧材料若为 v o i g t 俸，弹模、密度分瘸荛e ，p ，其稻魏常数为c i 。 ( 2 ) 桩侧士在有限单元内均质，桩侧士对桩的作用用个线性弹簧和线性 阻尼器以并联的方式耦合，其分布式弹簧系数为k s i ，臌忍系数为c s i 。 ( 3 ) 接瘫主瓣猿豹终爱餐纯为线毪弹簧k s b 秘线毪黻滗c s b 蒡联耩舍懿方 式。 ( 4 ) 激振力沿桩轴线方向，鼠均匀分布予桩顶；桩土系统的振动为小变形。 2 2 。2 桩圭禳纛捧用方程 图2 - i 所示的桩土模型属于多自由度系统的强迫振动问题，其振动方程如下 所豕# 式中m 是桩身单元质量m 缀成的质量矩阵；x 是位移矩阵，量是速度矩阵， j 怒加速度矩阵；c 是桩土体系的阻尼矩阵；k 是桩土体系的弹簧矩阵；p 是激 振力懿捌囱量矩阵。豫，k ，c ，p 矩薛的稳造【删： 1 将各桩身单元褫为一集中质点，其质量及对应的校鸯弹簧刚度鼍国下式计 算： 髂_ e ： g 固 l 鬣= 盖，越 。7 试中a 为桩截筒积：y 为桩身混凝土容熏；e 为桩身材料的杨氏弹性模量：三 为单元长度。 2 。羧隽混凝耪辩懿篷趸。赉经验决定，一黢数兔i o o m p 8 s 左右。田。 3 单位深度桩周土的等效阻力系数及等效剐度系数鬈。l m ，取为： 肛2 刚鹏 ) 2 7 5 0 懿= , 。 被底土的等效阻力系数和等效刚度系数 0 分别取为： 乏三兹( 篙1 ， g 呦 l 必鑫= 4 6 ；岛一魄) 。 注：上式中q ，只，g l 。，户k 分别为檄周土和桩底主的剪切模量釉质量密 9 d g pxr。xc o o 眦妒狩 武汉理工太学硕士学位论文 度：r 0 为桩的半径；为桩底上的泊松比。 4 。掇搀大量豹测试研究，函数式( 2 - 5 ) 在波的形态及麴零方蘧璺接近予实测力波， 能够较理想地描述锤激力，因此，锤击桩顶的瞬态纵向激振力“啦p ( t ) 采用升余弦 辣冲来模拟： 舯渺畔f ) 。0 r 1 0 ” 式中，i ，t 分别为激振力的冷量和佟用时闻。通过调整参数i 和t 珂以获褥不 同冲麓和不同频率的捶击力。图2 - 2 为i = 0 ，1 n s ，t = i 2 5 m s 时式的图形。 1 8 0 1 2 0 囊6 0 0 0o 5 l1 522 533 544 ，s5 时闻，m s 2 。2 3 求解攘动方程 鍪2 - 2 搓击力豕意鹜 结构动力学中求解此类动力平衡方程的方法很多。从稳定性和求解精度方面 来考虑，本文采焉n e t t m a r k 舞法“8 ( 8 - - 0 5 ，搿- - 0 2 5 ) 。其假设豹速度、位移与赭 速度的关系如下式： l 擅= 毒+ l l 一参) j ；+ 艿- 氟| a t i 一。：薯+ m 一球爵峭。 ： 其中万，捃是参数它们由积分精度和稳定性来决定；薯和k 。分别是t 和 a t 时刻的节点位移列阵；毫和童+ 。分别是t 和f 时刻的节点速度列阵；鸶和薯+ 。 分掰楚t 和船时刻盼节点加速度列箨。 如( 2 忉式所示，通过t + a f 时刻的平衡方程去求解节点位移列阵薯+ 出， = 击( 训一去毫一( 去一净 计算结聚表明，该方法稳定性好，计算精度满足要求。 斌汉理工大学硕士学位论文 2 3 信号仿真 2 3 1 参数设置 联模鍪糠三根，模撅出熊桩顶瑟程益线翔鹜2 - 3 一鍪2 - 5 ，采瘸的计算模黧尺 寸为，桩径4 0 0 m m ，械长6 m 的混凝土灌注桩，时间总长为1 5 m s ，n e w m a r k 积分 步长淹0 5 e - 2 m s 。萋徒秘桩童舔采雳线舞毪摸鳖，考薅分震瓣黏弹慈效应，并采 用v o i g t 体阻尼形式。重锤冲击的升余弦脉冲时宽为0 5 m s 。桩身混凝土强度等 级兔c 2 5 ，摭客重7 = 2 2 0 0 ，治裣笼v = o 2 ；糠底主容鬟1 = 1 5 0 0 ，治桧魄v = 0 3 3 ， 无桩周土。 2 3 2 基械波动的特征 在上述设定的基奉参数条件下，分别改变缺陷的深度k 和缺陷处的搬径 酝也即改变了缺陷她槛的弹簧刚度k d ) ，在m a t l a b 软传中，搬据n e w m a r k 算法 实现得到桩硕时程曲线如图2 - 3 图2 5 。 氛完整摭戆波动特短。参数设定：c = l e 7 p a s ，k = 6 2 2 e i 0 。波形援煲| j ，必瀵， 桩底反射清晰并与首波同相位，桩底反射信号明显，波速正常。 孺2 - 3 完夔桩模登 b 离析缺陷桩的波动特 难。缺陷参数：3 2 米处缩径，缺陷长度l = 0 。2 m 缺陷处的桩径d = 0 6 4 4 0 0 m m ；c i = 6 9 m p a s k i = 5 2 e 1 0 。波形规则，第一反射波 峰清晰并与蓠波同相位，桩底反射明鼹，时穰曲线出现短暂的反向信号，振幅较 大，振动衰减慢。 武汉壤工大学硕士学位论文 图2 4 髑都缺陷桩模型( 3 。2 米辫析) c 缩径缺陷拣的波动特徭。缺陷参数：1 5 米楚扩径，缺陷长度k 哟1 5 m ， 缺陷处的桩径d l = 1 4 * 4 0 0 m m ，c i = 5 m p a s ，k i = 9 e 1 0 。3 8 5 米处缩径，缺陷长度 l 2 = 0 1 5 m ，缺陷处的桩径d 2 = 0 7 * 4 0 0 m m ，c i = s m p a s ，k i - - 4 e 1 0 。波形繁本规则， 第一爱麓波峰渣激势与蓄波爱籀位，第二爱瓣波与善波溺秘霞，蕴底夏射还算筏 显，振幅较小，掇动衰减时间短，基桩时程髓线出现有规律的反向信号。 2 。4 应用实例 圈2 - 5 黟黧缺骆柱模燮( 1 5 来扩径，3 8 米缩经) 为了验证计算模型的合理做及分析结果的正确性，我们将武汉岩士所基地模 型橇的实测曲线霹数值模拟曲线进行了比较。以下是对3 搬模型桩分别所作的测 试，桩型均舞预露l 旌，茬径麦4 0 0 x 4 0 0 m ，穰长为6 ，o l l l 表右，竣诗混凝强度 等级为c 2 5 。采用的设备的是r s 肛- 2 4 f d 桩蕊检测分析仪，低应变反射波法波形 反映较明显。 武汉理工犬学硕士学位论文 桩号 ：2 工地：援型桩检铡产i 试日期：2 5 - 卜6 桩径( _ )：4 a 订。删3 箨数藏丈：l 桩长( m ) ：6 涟速( n s ) ：4 0 0 0 一 、 一 靛透f f t z ) ：2 4 9 9 高通( ) ：口 一而一一一6 f f 。，i 5 i 一f ： 砼等鹱：c 2 5 鲑萼袋：i l l 井竹：概长饥 鋈2 - 6 完整糖模鍪豹实测麴线 比较完熬桩模型的模拟曲线( 如豳2 - 3 ) 与的实测曲线( 如图2 - 6 ) ，在7 s i n s 的波峰就是桩底应力波反莉，反射波峰在时间辘上酶坐标与鬃际的一样，只怒波 的强度略有不同，但两个值对应的非常好。由“峰峰”法计算的波速为3 9 2 7 m s 与实测结果4 o l 态非常接邋，可觅数值禳锻是很有效的。 蛀号 ：l 工埋：嚣型桩控嬲 黔8 捌：2 0 卜7 4 8 畦镫( 站：唾 八愈硝一 指数放大：1 犍长t 站：8 菠蘧( $ ) ：3 9 2 2 厂v 候遘( h z ) ：1 2 0 0 蔫疆攥蝣：87 15 l f j l 7 f 。 硅等罐 ：c 2 5 桩等级：i i l基 i 译静：摭长s 毛3 。h 离d 图2 7 局部缺陷桩模型的实测曲线 眈较弱部缺陷裢模型豹模羧蓥线 ，矗】 衡口中心为( b ，a ) ，时窗宽和频窝宽分别为a a t p 和b a t p 。其中b 仅仅 影响窗口在相平丽时间轴上的位置，而a 不仪影响窗口在频率轴上的t 藏置，也影 响窗翔的形状。这样小波变换对不同的频率农时壤上的取榉步长是调节靛的在低 频时夺渡交换的辩淀分辨率较麓，丽频率分辨率较高；在辩频霹小波交换豹时闯 分辨率较高，而频率分辨率较低，这正符合低频信号信号变换缓慢而高频信号变 换迅速的特点。 1 6 武汉瑗工大学硕士学位论文 3 2 2 小波分析与傅立叶燮换的比较 蠢、波基静秘逡戳及毒遘分糖裘蓼依赖予薅液静交换，嚣纛糖辘耀或。鬻者懿不 同点如下： 1 傅氏变换的实璇是把能量有限信号，( f ) 分解到以k 朋 为正交基的窝间上去； ，l 、波交换实爨韪笼麓量骞羧接号，( 疗分瓣羁致，一l ，2 ，d 秘强 所构成的空阐t 。 2 傅氏变换用到的基本函数只有s i n ( 耐) ，e o s ( 0 x ) ，e x p ( j a n ) ，具有唯性；小 波分叛薅到的黼数爨l j 不嚷一。小波函数的选取是小波分辑应用到实鼯中的一 个难点阕题，瓣筒是通过缀猃或不断试骏来选择小波灏数。 3 滞用信号通过滤波器在解释，小波变换勺短时傅氏变换不同在于对短时傅氏 变换来说，帮邀滤波器的带搬鲈与中心频率，无关；相反，小波交换带通滤 波器熬豢塞彭粼歪毙予审频率五 表3 - 1f o u r i e r 嶷换、小波变换的区别比较 燮换 形式 f o u r i e r 变换，j 、波交换 计棼 x = 踟弦w 毋 乃= 旷l 如) 尹( 警) 疵 袋式 俐；去e p 娜x u w ) a t胁厚i f 窘脚矿睁始 离散 算法d f t , 孵 f w t ( m a l t a t ) 算法 计算 复杂n l o g n0 ( ，) 发 寝羯矮子照攒长霹闻内较平稳的特裂逯含予突交售号豹簸理，交换系数不兵有 特点信号，不能做局部分析对信号平移的不变性 3 2 3 小波包对噪声信号的处理 在本节中，燕要内容是将小波分析和小波包分析用予信号去噪处遴及其应 用小波包对应力反射波法模拟信号的特征值做更加精确的提取。运用小波分析进 行维信号滇噪处理是小波分撰豹重要应用之一，含噪声豹信号模型可建立为如 下形成： 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 f o ) = ，+ a p ( f ) - - 0 , 1 ，n - 1 ( 3 - 4 ) 其串歹耱为真实售号，g 耱为臻声，黟是为会噪声熬袋集到熬售号。 图3 - l 小波分解树 小波去噪原理是在实际的信号采集过程中，有用信号通常表现为低频部分或 是一整魄较警穗露露号，嚣臻声信号粼遥常表溪秀离菝信号，因瑟务达妥去除 高频噪声的髓的，可以对信号进行小波分解，将信号作多层分解，如圈3 1 所示。 噪声l 鬟常惫会在d l 、龟、d 3 等高频郝矜孛，遴嚣嗣门限簿篷等方法对夺波系数处 理再重构，即达到去噪目的。步骤如下： 1 臻号兹夺波分簿。选择会适垂毒枣渡劳确定分解层数，霹臻号终夺波分簿。 2 小波分解高频系数的阈假量化。从第1 屡到第朦的每一层高频系数选择阈 蓬遴行软阕毯量纯。 3 小波重构。根据小波分解的第层的低频系数和经过量化处理后的第l 屡至 第层貔薅频系数，避移售号戆鬟橡。 l s 武汉瑾工大学硕士学经论文 加入蠛声痦静信号 o 1 8 _ o 1 去嗓后豹僚学 图3 - 2 完熬桩模型模箍僚号的去嗓处遴 原始信学 o5 01 0 01 5 02 0 02 5 0 3 0 0 加入嗓声瘸的信晕 去嗓癔的信帮 鎏3 - 3 嚣懿挟疆茬模墅援熬售号戆去潦楚理 斌汉理工大学硕士学位论文 o 2 鑫 _ o ，2 05 01 0 01 5 02 0 02 5 0 3 0 0 嚣嬗绩謦 圈3 - 4 严重缺陷桩模型模拟信母的去嗓处理 在犍基突整性反射波法捡测工撵中，俦为掇测手段戆波动信号是个徽弱的 力学信号，熬个测试仪器是一个高灵敏度系统，因仪器性能与环境因索影响，在 现场突测信号中都会不同程发地混入套种予拢信号，严重对会使缛蠢用信号披 “淹没”，记泶信号不能正确反映桩身结构的实际情况，无法从记录信号中直接 褥出茏确的绪论，因眨要对禽噪信号避罩亍信蝼分离。褥我 】所模拟的信号是不含 噪声的，因此本节我们添加了一个嗓声。 对信号小波去嗓的过程为：先将超声波信号添加高斯嗓声f 功率谱密度悬直 线且嗓声取值服从商斯分布) ，选取小波基函数作分解，将低层分解的高频系数 量化处理后与商层的低频系数重构还原出原信号。 奉节选掰d b 4 小波基函数，将超声波信号分解为5 滕，嗓声邋常包含在d l 、d 2 、 d 3 这三层的麓频部分中，进简用门限阑值方法对小波高频系数量化处理与第4 层 低频系数重构。对靖：信号的蓖糙现象犬为改善，更重要的是使得信号前端更平滑， 波形特征更明显。 3 3 桩基模拟信号的小波分析 3 3 1 小波函数 由于d a u b e c h i e s 小波鼹有限紧赢撑正交，j 、波，冀时域和频域的弱部亿能力 强，龙其在数字信号的小波分解过程中可以提供有限长的更实际、更具体的数字 滤波器，西藏本文这弹d a u b e e h i e s 小波对蘩桩模拟幼测信号迸行小波包分解。 d a u b e c h i e s 黼数最初是由i n r i dd a u b e c h i e s 构造的，它没有明确的表迭式，掇其 2 0 武汉毽工夫学礞毒孥短论文 转换函数h 的平方模式是明确的。 假设 p ( = c f “y “(3-5) 其中“为二项式黥系数，则蠢 f = ( c o s 2 妒s i n 2 詈) 其中 ( = 去v 鼬 、，二“ ( 3 7 ) 该函数的小波函数和尺度函数妒的有效支承长度为2 n - i ，小波函数矿的消失 短酴数为n ，蠡数舆毒歪交搜。曲零渡夫多苓其骞黠称镶，毽冀蓬嚣镶隧着廖 号n 的增加而增加【瑚。 3 3 2 小波包储号提取算法步骤； 1 ) 选取滤波嚣系数h 。，g 。 2 ) 确定分解屡数l ，d o 。如果原始信号嘶) 的长度为2 n ，采样频率为式，则 分勰蔗数应小予n ，第l 鼹每个穿歹| 豹带宽为& 2 l + i ，起始频率为 毛嘲* 1 ) 氐2 + 1 。 3 ) 根据先验知识和每个序列的起始频率，计算出感兴趣的频率成分位于第l 层的菜几个频段内溉，p 2 ，p 0 彤对数据逶磐运藩夸滚包分麟。分解第己簇酵霉霉囊傻乎苓强颓段豹笤一 缰 序列每组序列分别由低通滤波结果咙和商邋滤波结果吆。，组成，每个矿的长 度为2 n 2 l ，采样频率为厶烈。令w ；( f ) * f ( i ) ( i = o ，1 ，2 n 一1 ) ，则销下列递 好分瓣公式嘲： 吆( f ) = h f k - 2 i ) w d ) (3-s) 殍0 ；( f ) = g ( k - 2 0 w ：。1 转) i 式中，i = o ，1 ，n 2 一1 ；n = 0 ，1 ，2 “一1 ：l = 1 ，2 l 。 5 ) 令 f 删= 孵， n w t ：o ， 非裁，p m ? 撑( p l , p 2 ，p m j 武汉理工大学硕士学位论文 组成新序列嘭一 柳呼，n = 0 ，1 ，2 - 1 ) 6 ) 拳l 翅恢复公妓重 每信号： 吲聊= 2 | j l ( f 一觚) m 吃( f ) + 2 g ( 卜2 七) m 喋i ( 七) ( 3 1 0 ) it 式巾，z = o l ，0 ：i = o ，l 一i 。 3 3 3 桩基模拟信号的小波色分解及小波特征构建 小波包分勰变换能够根据傣号自身的变化自适应调整尺度参数，特别适合于 对嚣警稳信号静袭征移处瑾。黼3 - 5 是，l 、渡彀分解示意圈，墨中矗表承低频，d 表承高频，末尾的序号表示分解层数。分解篾系如下： s = a 3 + d a a 3 十a d a ： + d d a 3 + a a d 3 + d a d 3 + a d d ： + d d d 3( 3 1 1 ) 圈3 5 小波包分解树 以下三图是濒敷模型桩基摸拟信号的第三层的小波包分解围，原始的搂掇售 号如鬻2 - 3 醒2 - 5 所示，考虑懿惫低频脉沸激振静情况，就酊霹击脉冲董# 焉酵舔 t = 1 5 m s 桩长6 米，桩径4 0 0 r a m ，弹性波速c = 3 3 0 3 m s 。 武汉蘧工大学硕士学靛论文 圈3 - 6 完整桩的模拟信号小波包第3 层分解结果 图3 - 6 是完熬桩的模拟信母的第三层小波包分解结果，其中纵坐标袭示不同 频率段桩顼质点振动速疫，横坐标表示灏分繁点数。原始臻号圈l 可以辫到低频 辣； 串瑟经干扰了