（农业机械化工程专业论文）基于虚拟仪器与小波理论的基桩缺陷分析.pdf

摘要 摘要 随着桩基应用领域的扩宽及其承重量的不断增加，基桩质量检测便成了整个桩基工程中 不可缺少的环节。而基桩完整性检测是一项复杂的系统工程，无论在理论上还是实践中目前 都存在一些问题值得进一步研究。 本研究在对虚拟仪器代表语言l a b v i e w 和基桩检测理论进行深入学习研究的基础上，通 过理论分析和现场实验相结合的方法，对模型桩的现场测试信号和 ：程桩信号进行了小波分 析，实现了对基桩桩底检测和多重缺陷判别的目的。主要研究内容如下： l 以一维应力波理论为基础，对脉冲载荷作用下应力波在混凝土桩中的传播过程及反射 特性进行了系统的学习研究，并对桩底反射位置的检测进行了探讨，通过实验证明，理论与 实际基本相符。 2 在对信号处理和小波包分解原理，及其在基桩检测中的应崩进行深入研究的基础上， 将基桩信号测试的采样频率适当降低进行采样。对存在多重缺陷的基桩信号，先确定第一个 缺陷的位置及特性，然后利用小波包对信号进行分解，分解之后桩身第一个缺陷的信号与其 它信号基本上分布在不同的一些频带上，将相应频带上的缺陷信号置零，剩余的信号再重构。 在重构信号中，第一个缺陷信号将被屏蔽，然后再对重构信号进行分析，这样有助于其他部 位缺陷的判别。经过模型桩多重缺陷测试表明，此方法确实有助于多重缺陷的分析判别。 3 为了能提高信号采集的质量，排除高频信号的干扰，本文利用一个l m 3 2 4 芯片及相 麻的电阻电容制作了一个可调档简易抗混叠滤波器。 4 本研究将虚拟仪器的优、特点引入了基桩完整性检测中，不仅使得整个测试系统操作 方便，具有很强的通用性，而且使得基桩测试系统可以以计算机为载体，随计算机进行同步 发展，为相关理论应用于实践奠定了基础。 5 远程测控是测控领域发展的必然趋势。由于桩基j 程中的许多问题都属于复杂系统问 题，本研究在虚拟仪器中对如何实现远程测控进行了探讨。 关键词：虚拟仪器小波分析基桩多重缺陷桩底反射 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ee x t e n d i n go f a p p l i c a t i o nf i e l do f p i l ef o u n d a t i o na n dt h ei n c r e a s i n go f i t sb e a r i n gw e i g h t ， t h e i n t e g r i t yt e s t i n go fp i l e sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nt h e e n g i n e e r i n g o fp i l ef o u n d a t i o n n e v e r t h e l e s s ，w h e t h e ri nt h e o r yo rp r a c t i c e ，s o m ep r o b l e m sn e e df u r t h e rs t u d y i n gi nt h ee n g i n e e r i n g o f p i l ef o u n d a t i o n b a s e do nt h es t u d yo ft h et h e o r yo ft h ei n t e g r i t yt e s t i n go fp i l e sa n dv i r t u a li n s t r u m e n t sa n d l a b v i e w , w h i c hi s ac o m p u t e rl a n g u a g e ，t h es i g n a la c q u i r e df r o mm o d e la n da c t u a lp i l e sa r e p r o c e s s e db yw a v e l e ta n a l y s i si np r e s e n tp a p e r , b yn l e e n so ft h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d y m e a n w h i l e ，i ti sa c h i e v e dt op r e c i s e l ye x p l o r et h et o eo fp i l e sa n dd i s t i n g u i s hm u l t i p l e sf a u l t so f p i l e s f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r es h o w n 1b a s e do nt h ee n e - d i m e n s i u ns t r e s sw a v et h e o r y , t h ep r o p a g a t i n gp r o c e s sa n dr e f l e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fs t r e s sw a v eu n d e ri m p u l s e sl o a di nc o n c r e t up i l e sa r es t u d i e d a n dt h ed e t e c t i o n a b o u tt h er e f l e c t i n gl o c a t i o no ft h et o eo fp i l e si ss t u d i e d i tp r o v e st h a tt h et h e o r yi si d e n t i c a lw i t h t h ep r a c t i c ei nt h ee x p e r i m e n t 2i nt h ep r e s e n tp a p e r , t h er u d es i g n a li sa c q u i r e da f i e rt h es a m p l er a t ei sp r o p e r l yr e d u c e d ， b a s e do nt h es t u d ya b o u tt h et h e o r yo fs i g n a lp r o c e s s i n ga n dw a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r ma n dt h e i r a p p l i c a t i o nt oi n t e g r i t yt e s t i n go f p i l e s a tf i r s t ，t h el o c a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i ca b o u tt h ef i r s tf a u l t o fp i l e si se s t i m a t e db yt h er o d es i g n a l t h es i g n a la b o u tt h ef a u l t so fp i l e s ，w h i c hi sa n a l y z e d w a v e l e t p a c k e td e c o m p o s i t i o n , w i l lb ed i s t r i b u t e do nt h er e l e v a n tf r e q u e n c ys t r i p t h es i g n a l r e c o n s t r u c t e db yt h er e s td o c s n ti n c l u d et h es i g n a la b o u tt h ef i r s tf a u l to f p i l e s ，w h i c hi sm a d et ob e n u l l s o i ti sh e l pt oe s t i m a t et h el o c a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i ca b o u tt h er e s tf a u l to fp i l e s t h e r e s u l t so fs o m ee x a m p l e sa b o u tt h es i g n a lf r o mm o d e lp i l e sd e m o n s t r a t et h a tt h i sm e t h o dc a l lg e t m o r ea c c u r a c ya n df l e x i b i l i t y , a n db eu s e f u lt od i s t i n g u i s hm u l t i p l e sf a u l t so f p i l e s 3t oe n h a n c et h eq u a l i t yo f t h es i g n a la c q u i r e da n dr e m o v et h ed i s t u r b a n c eo f h i g hf r e q u e n c y , af l e x i b l ea n da d j u s t a b l ef i l t e ri sa c h i e v e db yal m 3 2 4s t l i pa n ds o m er e l e v a n tr e s i s t a n c e sa n d c a p a c i t a n c e s 。 4a f t e rt h em e r i t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fv i r t u a li n s t r u m e n t sa r ei n t r o d u c e di n t ot h ei n t e g r i t y t e s t i n go f p i l e s ，t h et e s t i n gs y s t e mn o to n l yt u r n sc o n v e n i e n ta n df l e x i b l e ，b u ta l s oc a nd e v e l o pa l o n g w i mc o m p u t e r s m e a n w h i l e 。t h es i g n a lp r o c e s s i n gt h e o r y , w h i c hw i l lb ef u r t h e ra d v a n c e d ，c a nb e e a s i l y u s e d i n t o t h e i n t e g r i t y t e s t i n g o f p i l e s 5t h er e m o t ed e t e c t i o na n dc o n t r o lw i ub et h et e n d e n c yi nt h i sf i e l d f o rt h e r ea r es o m e c o m p l e xp r o b l e m si nt h ee n g i n e e r i n go f p i l ef o u n d a t i o n , i nt h i sp a p e r i ts t u d i e sh o wt oc a l t yo u tt h e r e m o t ed e t e c t i o na n dc o n t r o li nv i r t u a li n s t r u m e n t s k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t s w a v e l e ta n a l y s i s m u l t i p l e sf a u l t so fp i l e s t o eo f p i l e s l l 独创性声明 学位论文题目：基王麈拯邋墨皇尘邀堡逾煎基蕉缝险金堑 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：彭红磐签字日期：仍一 年歹月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：回不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：彭饿络导师签名：彩御例 签字e i 期：锣口7 年多月谚日签字日期：伊7 辞，月巧日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话：f2 邮编 第1 章文献综述 第1 章文献综述 1 1 虚拟仪器的概述 1 1 1 虚拟仪器的发展【h 】 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器 发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的 例子就是所谓智能化的仪器，随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器 功能也越来越强大。目前已经出现含嵌入式系统的仪器；另一种方式是将仪器装入计算机， 以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式。 “虚拟仪器”是借助于计算机强大的软件和硬件支持环境，建立虚拟的测控仪器面板，完 成仪器的控制、数据分析和结果输出。使用鼠标或键盘操作计算机上的前面板，就如同操作 一台自己定义。自己设计的专用测控仪器一样。虚拟仪器是利用计算机的i o 设备来实现数据 采集及调理；利用功能强大的计算机软件来实现对数据的运算、处理和分析：利用计算机的 显示功能来构造虚拟仪器的控制面板并以多种功能实现检测结果的输出，从而在计算机上构 建了一台“虚拟的仪器”。 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。目前在这一领域内，使用较 为广泛的计算机语言是美国n i 公司推出的l a b v i e w 。虚拟仪器的起源可以追溯到2 0 世纪7 0 年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。p c 机出现以后，仪器 的计算机化成为可能，甚至在m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s 诞生之前，n i 公司已经在m a c i n t o s h 计算机上推出了l a b v i e w 2 0 以前的版本，对虚拟仪器和l a b v i e w 长期、系统、有效的研究 开发使得该公司成为业界公认的权威 普通的p c 有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太 高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定v x i 标准，这是一种插卡式的仪器。 每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身 都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的v x i 机箱， 再与计算机相连，就组成了一个测试系统。v x i 仪器价格昂贵，目前推出了一种较为便宜的 p x i 标准仪器。 虚拟仪器研究的另一个问豚是各种标准仪器间的互联及与计算机的连接。目前使用较多 的是i e e e 4 8 8 或g p i b 协议。 1 1 2 虚拟仪器的功能构成 虚拟仪器的功能构成p 1 如下图1 - 1 所示。 两南大学硕十学伊论文 ( 采集与控制)( 数据分析?( 采集与控制) 插入式数据采集扳 数字信号处理 网络 g p i b 仪器板 l _ 数字滤波板 卜 硬拷贝输出 ny 文件f o v x i 仪器板 统计板 r s - 2 3 2 仪器扳 数字分析 图形用户接口 图1 - 1 虚拟仪器的构成图 f i g 1 - 1 s l r u c t u r eo f v i r t u a li n s t r u m e n t s 1 1 3 虚拟仪器的特点 4 - 5 1 1 经济实惠 首先，虚拟仪器前面板上的控件都是与实物相象的“圈标”，而不是传统仪器上的“实 物”，用户可用计算机的鼠标或键盘来对其进行操作；另一方面，虚拟仪器的测试功能是在 以计算机为核心的硬件平台上，通过软件实现仪器的各种功能，而且用户可以根据自己的设 计需要，通过软件模块的组合来实现各种不同的测控功能。 2 方便适用 首先，虚拟仪器的功能不是由厂家事先决定，而是用户根据自己的需要用软件来定义的， 从而使得整个仪器的功能以及操作面板更具个性化。另外，由于减少了人鼙仪器硬件的制作， 就使得仪器的研制周期大为缩短，同时整个测试过程也简便化。 、 3 提高测试效果 虚拟仪器的这种利用计算机硬件及软件，将多种测试集于一体的方法不仅缩短了测试时 间，而且也提高了测试的精度。嵌入式数据处理器建立的一些功能性数学模型，使测试数据 不会随时间发生变化，这样就保证了测鼍的精度和可重复性，而不需要定期进行校正。 4 开放且灵活 因为虚拟仪器本身就是以计算机为载体，软件为核心，加上统一的i o 接口，所以它可随 计算机同步发展，还可以与网络及其它接口设备互联。 1 1 4 虚拟仪器的代表语言l a b v i e w 3 - 5 j n i 公司推出的l a b v i e w 已经成了虚拟仪器的标忠性语言，由丁虚拟仪器的延伸和发展， 才使得l a b v i e w 的应用更加广泛；反过来，也是冈为l a b v i e w 的成功，才使得虚拟仪器的 概念在学术界和一l ：程界彼广泛接受。l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) 是一种幽形化的编程语言，它，“泛地被1 ：业界、学术界和研究实验室所接受视 为一个标准的数据采集和仪器控制软件。l a b v i e w 集成了满足g p i b 、v x i 、r s - 2 3 2 和r s - 4 8 5 协议的硬件及数据采集 通讯的全部功能。它还内置了便于应片jt c p i p 、a c t i v e x 等软件标准 的库函数，是一个功能强大且灵活的软件，利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形 化的界面使得编程和使用过程都生动有趣。 2 第1 章文献综述 图形化的程序语言，又称为“g ”语言，使用这种语言编程时，基本上不写程序代码， 取而代之的是流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概 念，因此，l a b v i e w 是一个面向最终用户的工具。它可以增强构建学科和工程系统的能力， 提供实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪 器系统时，可以大大提高工作效率。 利用l a b v i e w ，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真上e 的3 2 位编译器。像许多重 要的软件一样，l a b v i e w 提供了w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 、m a c i n t o s h 等操作系统的多种版本。 l a b v i e w 作为一种软件工具语言，具有以下特点。 1l a b v i e w 戍用程序的构成 所有的l a b v i e w 应用程序，即虚拟仪器( ) ，它包括前面板( f r o n t p a n e l ) 、流程图( b l o c k d i a g r a m ) 以及图标连结器( i c o n c o n n e c t o r ) 三部分。 前面板：图形用户界面，也就是的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出 两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制( c o n t r 0 1 ) 和显示对象( i n d i c a t o r ) 。 流程图：它提供v i 的图形化源程序。在流程图中对v i 编程，以控制和操纵定义在前面 板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上控件的连线端子，还有一些前面板上没有的， 但编程必须要有的东两，例如函数、结构和连线等。 如果将v i 与标准仪器相比较，那么前亟板上的东西就是仪器面板上的东西，而流程图上 的东两相当于仪器箱内的东西。在许多情况下，使用可以仿真标准仪器，不仅在屏幕上出 现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪器相差无几。 图标连接器：v i 具有层次化和结构化的特征。一个v i 可以作为子程序，这里称为子 v i ( s u b v ! ) ，被其他v i 调用。 2 灵活的菜单编辑功能 l a b v i e w 提供的菜单编辑功能不仅能使菜单个性化，适合自己的习惯，而且还可以缓解 l a b v l e w 前面板控件拥挤的现象。 3 方便的图形编程方式 l a b v i e w 编程是基于图形方式的，采刚的是数据流( d a t a s l r e a m ) ，而不像传统的文本方 式编程语言强调信号处理的实际流程。这样就有利于简化编程，缩短开发时间和难度。 4 丰富的库函数 l a b v i e w 提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数，为用户编程提供了极大的方便。 5 便捷的程序调试功能 l a b v i e w 不仅提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行；还提供了高亮度执 行工具，使程序动画式运行，有利于设计者观察程序运行的具体细节，这样就使得程序的调 试更为便捷。 1 1 5 虚拟仪器在检测中的应用现状 】 虚拟仪器是利用计算机的i o 设备来实现数据采集及调理：利用功能强大的计算机软件来 实现对数据的运算、处理和分析；利用计算机的显示功能来构造虚拟仪器的控制面板并以多 种功能实现检测结果的输出，从而在计算机上构建一台“虚拟的仪器”。虚拟仪器的出现使 3 两南大学硕+ 学伊论文 得测试领域得剑了很人的扩展：在光谱检测中，传统仪器不仅价格昂贵，而且使用不灵活， 而利用虚拟仪器构建光谱检测系统则灵活、方便；运用虚拟仪器对系统的系列参数进行测试， 了解系统的工作状态进而控制系统，界面操作简单，开发周期短；运j j 虚拟仪器对人无法接 近的线程故障和危险现场远距离测控技术的进一步发展。 1 2 基桩检测的概述 1 2 1 基桩完整性检测的分类【8 - ”1 随着我国建筑行业的不断发展，桩基的应用领域也得到了很大的扩宽，机械设备和施j = 条件不断得到改进与发展，产生了各种新桩型和新工法，为基桩在复杂地质条件和环境条件 下的应用注入了新的活力。由于 ：程的需要，人们在基桩的施工技术上、桩型的开发应用和 设计理论方面不断研究探索，使得桩技术得到了蓬勃发展，基桩检测也成了桩基建筑中的一 个不可缺少的重要环节，并且对基桩检测的精度要求也越来越高。目前在基桩完绍性检测方 法中主要采用的有直接法、半直接法和间接法( 间接法是依据直接法已经取得的实验结果，结 合土的物理力学实验或原位测试依据，通过统计分析，以一定的计算模式给出经验公式或半 理论、半经验公式的估算方法。由于地质条件和环境的复杂性，施下条件、施工水平及人员 素质的差异，该方法具有很大的不确定性，所以一般所说的基桩完整性检测方法不包括此方 法) 。 1 直接法 通过现场原型试验直接获得检测项目的结果或为施工验收提供依据的检测方法，属于有 损检测( 对混凝土结构构件会造成一定程度的破坏) ，在桩身完整性检测方面主要有钻空取芯 法简称为钻芯法。 钻芯法就是在桩身沿长度方向钻取芯样，通过对芯样的观察测试来确定桩的质餐和强度， 检查桩底沉渣和持力层情况。这种方法属于半有损检测，并且费工费时，成本高不能作为 大面积检测，只能用r 抽样检查，一般抽样最为总桩数的3 一5 ，或作为无损检测结果的校 核手段。 2 半直接法 半直接法主要指动测法( 即动力检测法) ，属于无损检测( 在不破坏混凝十内部结构和使用 性能的情况下，利用卢、光、热、磁和射线等方法，测定有关混凝十性能的物理每，推定混 凝土的强度、缺陷等的测试技术) 。 常用的方法包括：声波透射法、高应变动测法和低应变动测法。 ( 1 ) 声波透射法 声波透射法是利 j 卢波在混凝七中的透射原理米对桩身混凝士介质状况进行检测，因此 仅适用于在灌注成型过程中已经预埋了两根或两根以上声测管的基桩。根据超卢波在介质中 的传播方式声波透射法分为横波超声波法和纵波超声波法。声波透射检测常用的振源是纵波 脉冲产生的，发射换能器放在被检测桩桩身的根埋管中，另一根管中放入接收换能器。基 桩的声波透射法检测是根据桩体内确定的埋管间距，测试两管间卢波的传播卢时，振幅、频 率等声学参数来对桩体完整性进行分析，其中声速为检测分析的主要指标，声速的确定如下： 4 第l 章文献综述 v = l t ( 1 - 1 ) 式中，卜超声波速( t h i s ) e 一埋管的间距( o 一声时( s ) 。实测的声速特征能反应 出所穿透的混凝十介质特性的变化。由( 1 1 ) 式得知，声时t 较大，波速v 较小，混凝土强度 相对较低；相反，声时t 较小，波速较大，混凝土的强度相对较高。从混凝土强度的增加，来 判断桩身的完整性、缺陷位置及缺陷程度。振幅测量的目的是比较超声波在混凝土内传播时 能量的变化情况。振幅分析是根据检测仪的显示屏幕所接收的首波波幅进行分析波幅的高 低反应超声波穿透混凝土能力的强弱。在发射声波能量不变的情况下，接收的波幅高说明声 波能量的衰减小，反映混凝土质量较好 反之，当接收波波幅明显较低时，说明桩身混凝土 介质吸收波的传播能量强，反映出混凝土强度较低或存在缺陷。通过对振幅的对比可以发现 桩身存在的缺陷和缺陷的程度。频率测量是量测接收信号第一个波的周期，再按频率值是周 期倒数的关系进行计算，如果波形畸变，测得频率的误差就较大。声波透射法检测桩身质量， 即利用声时、振幅、频率3 个声学参数来综合分析、判断桩身的完整性。 这种检测方法检测可靠，测定迅速，并且还能判定桩身的竖向裂缝，但必须要预先埋管， 比较麻烦，成本较高，难以大量采用。 ( 2 ) 高应变法 高应变动力测试是通过在桩项实施重锤敲击，使桩产生的动位移餐级接近常规静载试桩 的沉降量级，以便使桩周岩土阻力充分发挥，通过测量和计算判定单桩竖向抗压承载力是否 满足要求及对桩身完整性做出评价的一种检测方法。目前工程界应用最广泛的高应变法是 c a s e 法和波形拟合法。c a s e 法是一种通过一维波动方程计算而获得岩土对桩的支撑阻力的 方法。它有三个基本假设：第一，桩身是等阻抗的，即z ( z = p a c ) 沿桩身不变。该假定对 钢桩、预制桩和预应力管桩在桩身没有缺陷的情况下基本适用；而对灌注桩，即使桩身不存 在任何缺陷也很难达到。在该假定条件下的实测信号除了土阻抗和桩底信号的反射波以外， 不会有其它任何阻抗变化的反射波。第二。动阻力集中在桩底，忽略桩侧动阻力。第三，忽 略应力波在传播过程中的能量损耗，包括桩身中内阻尼损耗和向桩周十的逸散。该假定条件 下应力波传播就不会有波形畸变和幅值变化。基于以上三条基本假设，由行波理论和波动方 程推导出c a s e 法单桩极限承载力公式。公式中有一个很重要的参数就是j c ，它是一个没有 任何物理意义的经验系数，土质不同，凭经验的j c 取值变化也会很大。 高应变法与低应变法检测桩身完整性相比，高应变法检测桩身完整性存在设备笨重，效 率低及费用高等缺点，但由于激励能量和检测有效深度大的优点，特别在判定桩身水平整合 型缝隙、预制桩接头等缺陷时，能够查明这些“缺陷”是否影响竖向抗压承载力的基础上， 合理判断缺陷程度，因而可作为低应变检测这类缺陷桩的一种补充验证手段，而带有普查性 的完整性检测，采用低应变法更为合适。 ( 3 ) 低应变法 低应变法是在桩顶面实施低能量的瞬态或稳态激振，使桩在弹性范围内作弹性振动，并 同时产生应力波的纵向传播，利用波动和振动理论对桩身的完整性做出判断。 低应变法主要包括机械阻抗法和反射波法等。 机械阻抗法是一种结构的动态分析方法，它通过测试施加给桩的激励( 输入) 函数和桩的 动态响应函数来识别桩的动态特性，即桩身混凝土的完整性与桩一土相互作用的特性。机械阻 5 两南大学硕+ 学何论文 抗法就是通过对桩的动态特性的分析来判定桩身混凝土的浇注质域，缺陷的类型及其在桩身 中的位置，同时也可以估算出桩的承载力。此方法在估算桩身承载力方面具有一定的优势， 但缺陷判断很难达到理想效果，特别是在地质情况复杂的情况f 。 反射波法又称为时域法和小锤敲击法等，即在时间域上研究分析桩的振动曲线，通常是 通过对桩的瞬态激振后，研究桩顶速度响应随时问的变化曲线，从而判断桩的完整性。由丁二 具有速度快、费_ 【f j 较低、抽检数颦大的特点，反射波法应用最为广泛，据建设部所发工程桩 动测单位资质证书的数量统计，在近几年的桩基完整性检测中，采用反射波法检测的占9 0 以上。 在国外，目前依然广泛使用低应变反射波法测定桩的完整性。荷兰t n o 生产的桩诊断系 统结构比较简单，并将整个系统装在一个密闭的箱内，防水、防尘性能好，目前在国际上使 用较多；美国的g i l l 公司推出的p i t 取代了原来的p d a ，在国际国内也得到了广泛的应用。 在国内一些研究机构也相继推出了基桩检测仪器与缺陷分析系统。成都工程检测研究所 推出了基桩动测仪z k 一7 e 及分析软件；武汉岩海公司2 0 0 6 年3 月为其动测仪推出了低应变分 析软件2 1 0 ，等等。 反射波法是以麻力波在桩身中传播的反射特征为理论基础的一种方法。该方法将桩假定 为连续弹性的一维均质杆件，并且不考虑桩周十对沿桩身传播应力波的影响。当在桩顶施加 一瞬态锤击振力时，将会在桩体内激发应力波，由于桩与桩周士之间的波阻抗差异恳殊应力波 的人部分能鼍将在桩身内进行传播。当桩长上 d 桩径，应力波波长a d 时。桩可以看作 是一维杆件，应力波在桩体内的传播可以采用一维杆波动方程进行计算。垂直入射的应力波 在桩体传播过程中，当桩内存在有波阻抗差异界面时，波将产生反射波和透射波，反射波将 沿桩身反向传播至桩项，桩项的传感器将接受到这个反射波信号，而透射波继续向下传播。 桩身的缺陷、桩底均可以根据反射波的相位、振幅、频率特性，以及相应地层资料、施工记 录以及实践分析经验，对其性质做出确切的刿断。应力波反射法的基本模式如图1 2 所示。 图1 - 2 应力波反射法的基本模式 f i g i - 2 m o d eo f t h es t r e s sw a v er e f l e c t i o n 第1 章文献综述 应力波反射法存在以f 缺点和不足。 1 桩周土层对波形曲线的影响。在对基桩测试曲线进行分析时，要充分考虑到桩周士层 对所采集波形曲线的影响。在基桩检测中，检测人员不但要注意到桩身的子波叠加而引起的 缺陷判断，而且还要注意应力波在桩中传播时，不仅要受桩身材料、刚度及缺陷的影响( 如桩 周七层的士力学性能越好，应力波在桩周土层中的损耗就越大) ，同时还要受桩周土层的模量 大小的影响( 如在硬土层处将会产生类似于扩颈的反射波；在软土层处将会产生由于应力波透 射损耗小而产生类似于缩颈的反射波，等等) 。如果不考虑这些因素对所采集曲线的影响，不 了解桩侧的土质情况，就很有可能会造成误判。 2 较难识别桩身浅部的缺陷。因为无论大桩还是小桩，距桩项的某一范围内部不可能完 全套用一维应力波理论，而应该用三维效应来对基桩检测信号进行分析。 3 很难对缺陷程度做出准确的定量分析。由于应力反射波波形受桩土环境影响太大，仅 凭单一的波形特征，很难给缺陷进行准确定量，如准确给出离析段厚度、沉碴厚度、裂隙宽 度及缩颈程度，而只能给出一个大致的估计值。 4 渐变缺陷与突变缺陷混合出现时，渐变缺陷不容易被发现。如对于桩颈缓慢扩颈后， 突然缩颈，而在曲线上往往不能分辨出扩颈现象而只能看到缩颈现象。对于这种缓变和突变 同时存在的缺陷桩，在曲线上只表现出了突变缺陷信号。 1 3 小波理论的发展”1 6 】 自从1 8 0 7 年，傅立叶向法国科学院提交了一篇报告。在报告中指出：任何周期函数均可 以用系列的正弦波p ”表示，傅立叶变换就一直统治着线性时不变信号的处理。 傅立叶变换( f o u r i e rt r a n s f o r m ，f t ) 由以下公式定义： 正变换：声( w ) ：f o i 1 ，下桩阻抗相对较大，通过a 处时由于阻抗突变，波速减小，应力增加，如桩 身有离析、断裂、夹泥。由于r ， 0 ，可以看到反射波与入射波同相，如i 璺l3 1 2 所示。 ( 3 ) h = l ，口处为等截面桩，r r = 0 ，无反射波r ，= 1 麻力波全部透射。 第3 章虚拟仪器的应用及基桩测试原理 图3 - 1 2 反射波与入射波同相波形圈 f i g 3 1 2i n - p h a s eg r a p ho f t h er e f l e c t e da n di n c i d e n c ew a v c ( 4 ) 0 h l ，下阻抗相对较小，通过a 时由于阻抗突变，波速增加，应力减小。如扩 颈桩，由于r ， 0 ，可以看出反射波与如射波反相，如图3 - 1 3 所示( 3 # 桩信号) o ，3 i l a 童o _ 一_ 3 酬 目 薹。一舅一羽f l - 。一一一一i 暑 崩描尚”妊“尚一谶尚尚”i 。泉撵点数g 两南大学顾十宁 山论文 w a v e l e t ) 。将母小波缈( m 经伸缩和平移得： 嘣归丽1 攻引a , b e r , a o 涵，a ， 称妒。j ( f ) 为小波函数，简称小波。其中，a 为尺度因子，b 为平移冈子。变量口反映函数的尺 度( 或宽度) ，变量6 检测小波函数在t 轴上的平移位置。 设厂( r ) 是平方可积函数，即，( f ) r ( r ) ，当( w ) 满足允许条件 g ：广魄， 。 ( 3 3 5 ) 一w 帅棚叫矾护邝) 专+ ( 等矽 ( 3 - 3 6 ) 此过程称为( f ) 的小波变换。 另外，小波变换也可以写成卷积形式： w f ( t ) = f 呒( 6 ) ( 3 - 3 7 ) 1， 其中，呒( r ) = ( 一刁 ( 3 3 8 ) 、a a 一、 玩p ) 的傅立叶变换为玩( w ) = 口矽+ ( 删 ( 3 3 9 ) 2 多分辨率分析( m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i s 。m r a ) 多分辨率的基本思想：将r ( r ) 用它的子空间一，矿，表示，空间r ( 胄) 的一个多分辨 率分析是指满足以下性质的一个闭空间序列y cl 2 ( r ) ，j z 。 令，( v s z ) 为r ( r ) 中的一个函数子空间序列。 ( 1 ) 一致单调性：a ，一一lc c - 一+ ic a ，w z ( 2 ) 伸缩规则性：厂( ，) 一营f ( 2 t ) 一+ t ， ( 3 ) 平移不变性；f ( t ) f ( t k ) ，v k z ( 4 ) 逼近性：i _ = o ) ，i 可= f ( r ) ( 5 ) 正交基存在性：存在一积分值非零的函数矿( f ) v o ，使移( f 一门) h z a v o 的标 准正交基，即 = 面卿( ) 舻m ) d t = ( 3 - 4 0 ) 在多分辨率分析中，e 。在 o ) 和f ( 月) 之间相互嵌套的，即 0 卜ac 旷lc c kc a l z ( r ) 如图3 - 1 4 所示。 第3 章虚拟仪器的应用及基桩测试原理 0 ) 图3 - 1 4 多分辨翠分析的空间关系 f i g 3 - 1 4s p a c er e l a t i o no f m u l t i m s o l u t i o na n a l y s i s 在多分辨率分析中，巧称为逼近空间一般情况，随着逼近空间巧的不同，尺度函数也 不相同，从而r ( r ) 就对应不同的多分辨分析。 3 尺度函数与尺度空间 由式( 3 3 0 ) 可知，若只知道w f ( a ，6 ) 在尺度a 口。时w f ( a ，6 ) 的信息成分。这是需要尺度函数( f ) 。若移。一n ) l n z 为空间的正 交基，根据多分辨率分析的伸缩规则性，( f ) y ，铮f ( 2 t ) 矿 l ，则 f ， 1 办。( f ) = 22 ( 2 t n ) l n z ，必为子空间巧的标准正交基，称妒( f ) 为多分辨率分析的 l j 尺度函数，_ 为尺度j 上的尺度空间。由多分辨率分析定义可知，所有的闭子空间 巧 “：都 是由同一函数庐( f ) 伸缩平移后的尺度空阃。其傅立叶变换的模： 刚2 = 脓口w ) 1 2 i d a = 皓 ( ，圳 由允许条件( 3 3 5 ) 可得 熄l 声( w ) i - c v ( 3 - 4 2 ) 记为： 丸( f ) = 妒( 二) ( 3 - 4 3 ) a a 无o ) = 九( 一f ) ( 3 掣) ，( f ) 在尺度a 的低频逼近为 l f ( a , b ) ：( 几) ， ( 生皇) ) ：代) + 无p ) ( 3 4 5 ) 、 叫a “ ， 则重构公式为 ，( f ) = 专r 。町) + 虬( ，) 窘+ 去z f f ( a o ) 氏( r ) ( s 4 6 ) 4 小波空间与小波函数 设上e 交尺度函数矿( f ) 生成了多分辨率分析e 。：，慨) 。：则 y ( f ) = 2 g ，# ( 2 t - n ) ( 3 - 4 7 ) 两南大学硕十学何论文 其中g 。= ( 一1 ) “ 二。称( f ) 为小波。记_ 在_ 一。的补空间为，称为小波空间，即： = 巧一。o 一。( 3 - 4 8 ) 且上是满足两尺度方程的滤波器。显然，任意子空间与呒，( 坍n ) 是相互 正交的，并且 9 5 l 2 ( r ) ( 3 4 9 ) 慨 。z 是r ( r ) 的一系列正交子空间。若厂( f ) 矾，则- 厂( 2 1 f ) 。 构造正交小波函数步骤如下。 ( 1 ) 在空间找一个函数妒( f ) ，它的平移构成空间的r i e s z 基； ( 2 ) 求删， ；( w ) ；_ 业k ；( 3 - 5 0 ) l f ( w + 2 肋1 2 i l k e g j ( 3 ) 计算( w ) ，( w ) ：压掣；( 3 - 5 t ) 矿w j “) 计算雪( 计，营( w ) = 一p 一“ + ( w + 石) ： ( 3 5 2 ) ( 5 ) 计算痧( w ) ，矿( w ) = i 1g 【i w 弦 【了w ) ；( 3 - s 3 ) 5 小波变换的实现 由于r ( 胄) = o 椰，对任意函数( f ) = c ：矿肌( f ) ( 3 - 5 4 ) ， z 小波分解如下式： ( f ) = c f 办。( r ) = c f l 办一。( f ) + d f 。1 l ，一t ( f ) ( 3 5 5 ) ti t 其中 c f l - c 。j ( “办小) = c ： ：- ：t ( 3 - 5 6 ) d = f ：，- i ) = c ：g 厶( 3 - 5 7 ) 。：是两尺度方程对应的滤波器系数序列，如同一个低通滤波器：僖t t 。z 可由 仇) t 。z 得出，如同一个高通滤波器。加 表示滤波器反转。 重构过程与分解相反： c 2 = c ：。协山，“) + d 妒n 。，) = c f 一1 h 。一：。+ d ? 一1 9 t 一：。 k 分解与重构过程如图3 1 5 所示。 第3 章虚拟仪器的廊用及基桩测试原理 囝3 一1 5 小波分解与重构结构图 f i g 3 1 5 咖c t l i r eo f t h ew a v e l e td e c o m p o s i t i o na n dr e c o n s t r u c t i o n 3 3 2 连续小波变换 1 连续小波变换1 q 对任意连续函数或信号，( f ) 进行小波变换，如果小波函数y “( f ) 的两个参数口和b 均为 连续变鼍，则被称为连续小波变换( c o n t i n u o u sw a v e l e tt r a n s f o r m ，c w t ) 。 莲续小波变换的形式： 咖舻胁丌1 + ( 争出 ( 3 5 9 ) 其中，a 0 ，b ，t 均为连续变量，矿。o ) 为妒( f ) 的复共轭。 连续小波变换具有如下性质： 2 线性 如果f ( t ) 和g ( t ) 的连续小波变换分别为w f 0 ，b ) 和w g ( a ，b ) ，则七。f ( t ) + k z f ( t ) 的小 波变换为k l w f 0 ，b ) + 七：w f ( 口，b ) 3 平移不变性 如果f ( o 的小波变换为，玎，6 ) ，则f ( t - t 。) 的小波变换为w f ( n ，b t o ) ，即，o ) 的 平移对应于小波变换w ( 口，6 ) 的平移。 如果小波( w ) 满足容许条件( 3 - 2 9 ) ，则连续小波变换的逆变换存在，即为 f ( t ) = 击f 夥( 啪丁d a