土木工程中樁基檢測技術研究與應用

張天岳

（南京工業大學，南京 211816）

1 引言

近幾十年來，隨著混凝土、新型打樁機和成孔機器的采用，樁的形式越來越豐富，其強度顯著提升，適用范圍越來越廣泛。

針對樁基檢測技術研究與應用問題，越來越多的學者對此進行了研究，并取得了一系列的成果。陳啟魁等[1]基于各種對樁基檢測的研究，分析了鉆孔取芯法、低應變法、聲波透射法等檢測技術在建筑工程中的應用。葛天興等[2]以某實際樁基工程為背景，基于低應變反射波法的理論，評估了低應變反射波法在該工程中的應用效果。王春慶等[3]開展了低應變反射波法檢測樁基淺部缺陷的研究，對該樁基檢測的效果進行評析。王飛等[4]利用小波分析進行低應變檢測數據處理，檢測了樁基淺部缺陷。肖家友等[5]基于某樁基工程背景，開展了一維連續小波去噪在多缺陷基樁檢測中應用的研究，分析該樁基檢測法的效果。張敬一等[6]利用小波變換的反射波法對某實際工程的樁基進行檢測。

本文結合某樁基工程背景，論述了小波變換法理論，進行了縮徑缺陷類型樁分析和斷樁缺陷類型樁分析，詳述了如何利用小波分析對檢測的低應變檢測信號進行處理，從而判定樁身完整性。

2 小波變換法理論

1980 年，MORLEF 對地震數據進行分析時，首次提出了小波變換理論，作為以傅里葉變換理論為基礎所衍生出的全新理論。該理論有效彌補了傅里葉變換存在的不足，在時頻分析和處理領域具有極為重要的作用。現階段，該理論已在模式識別、信號處理過程中得到了廣泛運用。該理論與傅里葉變換理論的區別，主要是其在頻域、時域中均能夠表現出相應的局部化特征，可被用來分析目標信號對應各頻率子段并得出正確的頻率信息，為后續信號分類的工作的開展提供支持。

小波變換將信號視為小波系數，指出可利用小波系數對信號進行描述。對其進行分類的依據如下：首先，是對稱性。要想避免信號出現畸變或是失真的情況，關鍵是要增強其對稱性，并通過增強對稱性的方式，使信號重構精度得到優化。其次，是正則性。基于該理論對圖像、信號進行重構，通常可保證所得到全新圖像、信號具有理想的平滑性。最后，是支撐長度。若頻率、時間為無窮大，則將有限值收斂至0 的長度越短，區分奇異點的效果越理想。

對其進行計算的步驟可被概括如下：第一步，確定小波函數，保證所選擇小波、計劃分析信號的起始點處于相同位置；第二步，對二者逼近程度進行計算，計算所得數值越大，說明信號和函數波形越相似；第三步，沿時間軸向右平移小波函數，重復以上步驟，直至小波函數覆蓋全部的信號長度；第四步，對小波函數尺度進行伸縮，重復上述步驟，得出最終結論。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

本文以某公建工程試樁檢測為背景。該工程基礎采用樁基礎，樁基為直徑0.8 m，樁長約6 m 的后注漿灌注樁。該樁基的單樁承載力特征值為3 300 kN。

3.2 縮徑缺陷類型樁分析

本工程采用低應變法采集數據。從低應變實測曲線可以看出，直達波和樁底反射現象較為明顯，在判定樁身完整性時，由于信號受干擾，對樁身缺陷位置的判定受到影響。對低應變實測信號開展小波分析，該樁的檢測曲線呈低頻正弦波形振蕩趨勢，樁底反射可以清晰地看到。可判定樁身淺部位置有缺陷。進一步分析可知，在時間0.46 ms 時，第7 階高頻信號突出，對比實測曲線可知，實測信號在該時刻缺陷信號也顯著。在實測信號中同樣將第7 階信號剔除，并重構。將實測信號與重構信號對比可知，在時間0.46 ms 時，缺陷信號突出現象減弱，可見，第7 階信號為缺陷信號。

有效信號的振幅弱于初至波，有效信號在分析時會被掩蓋，同時樁底反射信號不能判斷樁身完整性。因此，剔除實測信號中的樁底反射信號和初至波之前的信號，得到圖1 帶干擾信號和剔除干擾信號。從圖1 中可以看出，缺陷信號主要在3 350～3 600 Hz 范圍內，其中1 400～3 350 Hz 的信號無意義，因此，剔除該段信號。對圖1 中的信號進行分析，得到圖2 所示結果。

圖1 2 種信號的頻域曲線對比圖

因為干擾信號屬于低頻信號，因此，剔除第1 至第7 階中頻率最低的第7 階信號。第7 階信號的頻譜如圖3 所示。對比圖2 和圖3 可知，第7 階信號主要集中在200～600 Hz，與干擾信號所分布范圍一致，因此第7 階信號易于分解。經過小波分析的處理，干擾信號被很好地壓制，同時有用的特征缺陷信息被保留。可見，小波分析法能較好地處理樁基檢測的數據。經過處理后的信號可以看出，缺陷信號在時間1.84 ms 處尤為清晰，可判定該處為縮徑缺陷位置。

圖2 2 種信號的幅頻曲線對比圖

圖3 第7 階高頻信號幅頻分析圖

3.3 斷樁缺陷類型樁分析

結合該工程另一根樁的低應變實測曲線進行分析可知，低應變曲線信號呈現顯著的振蕩現象，且各峰值等間距出現。可見，應力波在某處遇到顯著的波阻抗，信號不易傳至樁底位置，因此，無樁底反射信號出現。進一步觀察該曲線可知，在距樁頂1.8 m 處樁身發生斷裂，之后的波峰呈現周期性出現。

4 結語

本文詳述了小波變換法理論，結合某樁基工程利用低應變法檢測樁身完整性。具體進行了縮徑缺陷類型樁分析和斷樁缺陷類型樁分析。詳述了如何利用小波分析對檢測的低應變檢測信號進行處理，從而判定樁身完整性。

從研究結果可知，斷樁檢測的低應變實測信號不同于其他類型的缺陷樁的檢測信號。這是因為混凝土的波阻抗遠遠小于空氣的波阻抗。對于某工程而言，低應變曲線信號呈現顯著的振蕩現象，且各峰值等間距出現。可見，應力波在某處收到顯著的波阻抗，信號不易傳至樁底位置，因此無樁底反射信號出現。