1、武汉理工大学硕士学位论文基于小波分析的基桩完整性检测姓名：谭海立申请学位级别：硕士专业：工程力学指导教师：陈静曦20100501武汉理工大学硕士学位论文摘要随着桩基的大量应用， 桩基质量带来的工程问题越来越多，这使得对桩基完整性进行检测日益重要。基桩作为一种常用的基础形式，在各个工程领域得到了广泛的应用，取得了一定的社会效益和经济效益。因桩基础属隐蔽工程，为保证其安全可靠性，对其进行质量检测尤为重要。低应变反射波法具有费用低、方便快捷、操作简单 等优点，在基桩完整性检测中被广泛采用。但是由于传统应力波反射法对波形的判读主要依靠测试人员的经验，使的桩基检测结果存在较大的误差，其理 论基础、 测试
2、技术、特别是后处理分析手段尚有待完善的地方。小波理论作为理论科学，它与应用科学紧密结合在一起，作为一种技术工具和方法，在信号处理、模式 识别、太空探索等各方面得到了广泛的应用。小波分析是近些年发展起来的一种新的时频分析方法。小波分析克服了短时傅里叶变换的缺陷，具有多分辨率分析的特点，广泛应用于各个时频分析领域。本文首先综述了低应变反射波法的基本原理，阐述了低应变反射波法的测试技术和基桩完整性检测依据，讨论了低应变反射波法的局限性和适用范围以及测试盲区的问题，并 结合工程实际对检测信号进行分析和判读基桩完整性。其次，在充分介绍小波理论的基础上，本文分析了傅里叶变换和短时傅里叶变换，详细 介绍了连
3、续小波变化和离散小波变换，讨论了小波变换的时频局部化特点，阐 述了多分辨分析和小波包理论以及小波包分解与重构算法，综述最好小波基的选择等问题。最后，利用小波函数的性质，本文 选取双正交小波基，通 过软件和基桩动测仪，将小波分析应用到桩基信号消噪，确定桩基浅部缺陷位置、消除基线 漂移，以其用多分辨分析 对信号进行处理。通过与传统的低应变反射波法信号分析方法进行比较，结果表明这些分析将助于基桩完整性的正确判读。关键词：基桩检测，完整性， 应力波反射法，小波分析武汉理工大学硕士学位论文，、，：，独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另！
4、加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经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他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：诬鱼重日期：业：！学位论文使用授权书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，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向
5、社会公众提供信息服务。（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生（签名）：诲淘乏导师（签名）：日期冲箩。弋椭嘲武汉理工大学硕士学位论文引言第章绪论桩基础作为一种常用的基础形式，在高层建筑、铁路、公路、港口 码头、电力、海上石油钻井平台、重型厂房、水利建 设等工程领域得到了广泛的应用。由于桩基础能够将上部结构物的荷载传递到基础更稳定的土层上，从而提高上部结构物的稳定性和牢固性，所以在软土地区、湿陷性黄土地区等基础条件较差的地方得到大量的应用，取得了一定的经济效益和社会效益。因桩基础属隐蔽工程， 为保证其安全可靠性， 对其进行质量检测尤为重要。目前国内外桩基础检测技术的发展是多方面的，在检测结构完整
6、性方面，常用的方法有静载实验法、声波透射法、低 应变反射波法、高 应变动力试验法和动静法（拟静力法）等，而低应变动测已发展到相当的水平，得到了人们的普遍认可，其中低应变反射波法更以其突出的优点在工程界得到广泛的应用【】。低应变反射波法动力检测技术具有费用较低、方便快捷、操作简单并且不会对所检测桩造成损害等优点，越来越受到工程检测人员的青睐【】。在 桩身完整性的检测技术中，低应变反射波法应用最为广泛，检测技术也相对成熟，检测结果也多次被钻孔取芯法印证【。虽然低应变反射波法具有诸多优点并应用广泛，但其也存在一些不足，其中包括：（）桩周土对波形曲线的影响；（） 桩身浅部的缺陷难识别；（）缺乏 对缺陷
7、的定量分析；（）第二缺陷的判断识别困难；（）难以分辨渐变的缺陷。小波理论作为一门理论科学，它与应用科学紧密结合在一起，作为一种技术工具和方法，在信号处理、模式 识别、太空探索等各方面得到了广泛的运用。基于小波分析在信号时域和频域强大的局部分析能力，结合基桩动测信号的特点，国内外部分学者将小波变换引入到了基桩动测信号的分析之中，使得基桩完整性检测方法得到了很大的发展，通过小波和小波包滤波对基桩干扰信号进行滤波，可以消除由于传统数字滤波在滤波方面的不足，并可以有效的消除干扰保留能反映基桩完整性的信号；通过小波分析，能够较准确的确定基桩浅部缺陷的位置；动测信号基线漂移在检测过程时有发生，可以通过小波
8、对其进行消漂；目前把神经网络应用到基桩完整性检测也是研究的方向之一，可以通过武汉理工大学硕士学位论文小波多分辨分析变换提取信号的分解系数作为神经网络的输入，为实现基桩动测的自动识别提供条件。基桩应力波检测的国内外研究历史和现状年，首次分析了一个一端固定的有限长的杆在自由端被一刚体撞击的受力情况，给出了应力波在杆中传播的解答，这项分析提供了打桩时应力波在桩中传播的规律。年，指出打桩是波的传播过程，可用一 维波动方程来描述。年，在许多简化条件下，给出了打桩分析的波动方程的解答，此后这方面的研究一直没有大的进展。直到年代初，随着大型电子计算机的出现和发展，用数值方法求解波动方程成为可能。年，提出了一
9、个描述锤一桩一土系统的离散的数学模型，借助于电子计算机并用差分法求得了响应的解答【】。从年到年间，美国技 术学院领导的研究小组进行了桩基应力波检测技术和理论分析的系统研究，取得了丰硕的成果。在测量技术方面，此研究小组改进了应变测试技术， 设计了可重复使用的应变传感器。年，这个研究小 组成立了“桩动力公司（），并开始生产打桩分析器（）。在理论研究方面， 这个研究小组的主要贡献是以在桩顶直接测量的力和速度时程曲线作为求解波动方程的边界条件。这样就能够避免了不易确定的锤子和垫层性能的影响，为桩承载力的精确计算创造了条件。在做了许多假定之后，他们推导出了波动方程的一个准封闭解，这个推导方法就是著名的法
10、。当今各种波探测技术的理论基础均属于波传播反问题范畴。桩基应力波检测也不例外，它的理论基础也是波传播反问题理论。波传播反问题是指利用在物体表面测得的波动响应后，反过来推断物体内部波源或介质的物理力学性态，是反问题中应用最广泛的一种。它包括两大类：一是介质反问题，二是波源反问题。前者对 已知刺激从波的边界响应推断介质的物理力学性状，一般表现为反演波动方程系数。后者是对已知介质从测量得到的边界数据确定反射波源的性质，表现为 控制方程的力源项反演。 桩基完整性检测属于介质反问题，而桩基承载力确定属于波源反问题。年，美国芝加哥的两座高层建筑物基础的墩基出了问题，需要提供一种检验已浇注墩基的可靠方法。和
11、提出了种检测墩基缺陷的可能方法，但是结果还是不确定。和 对应力波传播法在探测桩和墩基武汉理工大学硕士学位论文缺陷方面做了系统的研究。他们进行了铝棒和混凝土棒的模型试验，试验结果显示了这种方法用于探测混凝土桩及墩基的可能性。随后又进行了现场试验，证实了应力波传播法可以用来探测混凝土桩及墩基的断裂。由于这个方法快速，无损，经济，所以发展很快，后来被命名为声脉冲反射法，也称低应变法。研制了一系列桩完整性检测的基桩诊断系统（），并将这项技术推广到了世界各地。年，等人提出可以采用试验方法来检测桩的完整性，并引入了定量描述桩身中缺陷的完整性因子一桩身缺陷处上部和下部波阻抗之比。近十年来，以波动理论为基础的
12、动测技术在美国和欧洲有了新的发展。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。为了规范桩基动测技术的应用，不少国家己将桩的动测法列入地基基础设计与旋工规范。加拿大、荷兰、德国等国建立了相应的桩基动测规范，不 仅将动测技术用来解决桩的质量检验以及一般桩的承载能力测定，而且成功的将动测技术用于大直径灌注桩甚至沉井和复杂的桩基工程中】。我国开展基桩动测法的研究已有多年的历史。早在年，湖南大学周光龙教授首先在国内开展低应变动测技术研究。早期开发的几种低应变动测法，如反射波法、频率分析法、机械阻抗法、水 电 效应法，使我国的基桩动测技术得到很大的发展。年甘肃建筑科学研究所编制了输入实测力波的
13、波动方程计算程序，并与上海铁道学院共同研制了我国首台打桩分析系统；年中国科学院武汉岩土力学研究所开发出第一台桩基动测仪：年交通部三航局型打桩分析仪；年中国建筑科学研究院研制出试桩分析仪，年又推出型打桩分析仪，并编制了波动分析拟合软件。武汉岩海公司也先后推出了系列基桩动测仪，该公司开发的系列桩基检测设备及波动方程 拟合法分析软件已达到国际同类产品的先进水平，市场占有率也后来居上。动测法在国内发展近三十年，但推广应用才十年，在这十余年中的发展中，我国动测技术己经取得长足的发展，这种变化不仅表现在国产检测设备及国内研究水准与国外相差无几，更多的则表现在正确的动测技术己得到了极大的推广与贯彻，表 现在
14、广大测试人员对于各种桩基动测方法的合理运用与理性思维，表现在桩基检测市场的规范化和良好的管理。武汉理工大学硕士学位论文小波发展简史与国内外研究现状小波发展简史法国科学家傅里叶（）于年提出傅里叶级数展开的方法，并用该方法研究热传导方程。此后几百年，傅里叶变换理论在科学技术的许多领域中得到了广泛的应用与发展，成为纯粹数学、 应用数学及信息科学领域的主要工具之一。由于傅里叶变换是一种全局的变换，要么完全在时间域，要么完全在频率域，因此无法表达信号的时频局部性质，而 对时频局部性质的描述和分析无论是在理论还是在实际应用方面都是十分重要的。比如，在应用低应变反射波法检测桩基完整性中，检测信号的时频特性都
15、随时间而变化，因此也可称为非平稳信号。对这类 信号的分析，一般需要提取某一时间段的频域信息或某一频率段的时间信息，而傅里叶变换无法满足此要求。为了克服傅里叶变换的局限性，人们从不同的角度对傅里叶变换进行改进。为了分析和处理非平稳信号，人们对傅里叶变换进行了推广乃至根本性的革命，提出并发展了一系列新的信号分析理论：短时傅里叶变换（）或加窗傅里叶变换（）、曲变化、时频分析、小波 变换等。其中，短时傅里叶变换和小波变换也是因传统的傅里叶变换不能够满足信号处理的要求而产生的。短时傅里叶变换分析的基本思想是：假定非平稳信号在分析窗函数（）的一个短时间间隔内是平稳（伪平稳）的，并移动分析窗函数，使（）（）
16、在不同的有限时间宽度内是平稳信号，从而计算出各个不同时刻的功率谱。但从本质上讲，短时傅立叶变换是一种单一分辨率的信号分析方法（因为它应用一个固定的窗函数），在信号分析上还存在不可逾越的缺陷蛹。小波变换是一种信号的时间一尺度（时间一频率）分析方法。它具有多分辨率分析（）的特点，而且在时频 两域都具有表征信号局部特征的能力，是一种窗口大小固定不变但其形状可变的时频局部化分析方法。即在在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，很适合于探测正常信号中夹带的瞬变反常信号并分析其成分，所以被誉为分析信号的显微甜。从小波变换的发展过程来说，大致可以分
17、为三个阶段：武汉理工大学硕士学位论文第一阶段：孤立应用阶段。主要特征是一些特殊构造的小波在某些科学研究领域的特定问题上的应用。这个时期最典型的代表性工作是法国地球物理学家；和第一次把“小波用于分析处理地质数据，引进了以他们的名字命名的时间一尺度小波，即小波【。这个时期的另一个代表性工作是年对在年所给出的系标准正交小波基的改进【】。同 时，著名的计算机视觉专家在他的“零交叉”理论中使用的可按“尺度大小变化的滤波算子，现在称为“墨西哥函数的小波也是这个时期有名的工作之一【】，这部分工作和后来成为的正交小波构造理论支柱之“多尺度分析一或“多分辨分析一有密切联系。这个时期一个有趣的现象是各个领域的专家
18、、学者和工程师在完全不了解别人的研究工作的情况下巧妙地、独立地构造了自己需要的“小波力。虽然如此，但我们通观全局可以发现，这些专家、学者和工程 师所从事的研究领域广泛分布于科学和技术研究的许多方面。因此， 这个现象从另一个侧面预示了小波分析理论研究和应用热潮的到来，说明了小波理论产生的历史必然性。第二阶段：国际性研究热潮和统一构造时期。真正的小波热潮开始予年，当时法国数学家成功地构造出具有一定衰减性质的光滑函数，这个函数的二进尺度伸缩和二进整倍数平移产生的函数系构成著名的范数函数空间的标准正交基【】。这项成果标志“小波分析一新时期的到来。在此之前，学术界普遍认为不会存在性质如此好的函数。实际上
19、，不仅数学家这样，其他领域的专家和科学家也这样，他们或者放弃进一步的研究或者放弃对小波性质的特殊要求，像、在此之前就是研究函数沙和常数和，使函数系一口（一工一肠）；（，后） ）（）构成函数空间（月）的框架【。进入这个时期以后，耐【和】又分别独立地构造得到了这样的“好的小波。再后来和计算机科学家提出了多分辨率分析概念【 】，成功地统一了此前、和的个别的小波构造方法，同时，还在多分辨分析的基础上简洁地得到了离散小波的数值算法，即现在的分解和合成算法，并且将此算法用于数学图像的分解和重构【。几乎同时，比利时数学家基于多项式方式构造处具有有限支撑的正交小波基和对称双正交小波【，和中国学者王建忠基于样条
20、函数构造出单正交小波函武汉理工大学硕士学位论文数，并讨论了具有最好局部化性质的尺度函数和小波函数的构造方法脚【。这个时期的结束标志之一是国际性综合杂志信息理论汇刊（）在年月份的小波分析及其应用的专刊，比 较全面地体现了在此之前小波分析理论和应用在各个学科领域的发展情况第三阶段：全面应用阶段。从年开始，小波分析方法进入了全面应用阶段。在前一 阶段研究工作的基础上，特 别是数字信号和数字图像的分解和重构算法的确定，使小波分析的应用迅速波及科学研究和工程技术应用研究的几乎所用的领域。大学的国际杂志（）从年创刊之日起就把小波分析的理论和应用研究作为其主要内容，此刊编辑部的三位主编、与都在小波分析的研究
21、和应用中有独到的贡献。时至今日，小波分析的应用范围还在不断的扩大，许 多科技期刊都刊载了与小波分析相关的论文，各个学科领域的地区性和国际性学术会议都有涉及小波分析的各种类型的论文和报告。同时，在国际互联网和其他有较大影响的网络上，与小波分析有关的书籍、论文、报告、软件等资源都可以找到，甚至颇有国际影响的软件公司如在它的“科学研究和工程应用软件中，特意把小波分析作为其“的单独一个工具箱，由此可以大致了解小波分析广泛的应用状况。小波变换的国内外研究现状小波理论在国外的研究较早，在上个世纪年代初，法国地质工程师在分析地震波的局部性质时引入了小波变换的思想，并应用于石油地质勘探取得成功。上世纪年代末期
22、至年代初期，、以及【 【 】等人在对小波研究的基础上建立起小波分析的理论框架，尤其是提出的小波构造方法对小波发展具有十分重要的意义。年，将计算机视觉领 域内多尺度分析的思想巧妙地引入到小波分析中， 统一了此前提出的各种小波函数的构造方法，并给出了离散小波变换的分解和重构的快速算法，从而使小波变换广泛应用于信号处理的各个领域。同时，证明了具有有限支集的正交小波基的存在性，其著“】总结了自己多年来 对小波分析的研究成果，为向各行各业的科技工作者推广小波理论做出了巨大的贡献。至此，小波分析的系统理论得以建立。国内对小波分析的研究开始于年代初期，年代中期形成了国内小波研武汉理工大学硕士学位论文究的高潮
23、，并且取得了重要的进展。国内目前有关小波分析的著作有（美）崔锦泰著的小波分析导论【捌，梁学章、何甲 兴、王新民 编著的小波分析，陈仲英、巫斌编著的小波分析【】，李建平，唐远炎编著的小波分析方法的应用【】，周伟主编、桂林、周林、张家祥 编著的小波分析高级技术【搠，胡昌 华、张军波、夏军、张伟编著的基于的系统分析与设计一小波分析【王大凯、彭进业编 著的小波分析及其在信号处理中的应用【】等。小波分析方面的著作和论文的内容主要包括小波分析理论的介绍，基于的小波应用，还有小波分析在信号处理、图像压缩、模式 识别和地震勘探等方面的应用。基于小波分析在信号处理方面的优良特性，结合基桩动测信号的特点，近年来，
24、国内部分学者和科技工作者在基桩动测信号的分析中引入了小波变换，并取得了一定的成果。年骆英、柳祖亭、潘 宠平在小波分析基本理论和多分辨率逼近算法的基础上，给出了正交小波的构造方法，并用其产生镜像滤波器，针对基桩完整性检测过程中出现的一些问题，提出了将小波滤波用于基桩完整性检测系统的方法册。年韩晓林、彭岳星、唐新鸣在分析基桩检测中信号与噪声特征的基础上，采用非线性小波分析对基桩完整性检测的反射波信号进行降噪处理，为基 桩完整性诊断提供了一种有效的降噪分析方法，并在实际工程测试中取得了较好的效果。年蔡棋瑛、林建华利用多分辨率分析提取桩基低应变动测信号功率谱的特征，作为神 经网络的 输入，通 过对模型
25、桩桩身缺陷信息的学习，预测诊 断桩身缺陷类型【；张良均、王靖涛、李国成利用小波 变换，根据信号在不同频带内的能量分布差别，提出了相应的“能量一故障的故障诊断模式识别方法， 经采样的信号，通 过多分辨分析可以实现对桩中不同缺陷类型的区分，从而为实现桩基完整性检测提供了一个新的信号处理方法【。年王靖涛运用波绕射理论阐明了桩中各种缺陷的反射脉冲频谱发生变化的机理，论证了小波分析 应用到桩基完整性检测上的理论根据，模型桩和工程桩检测结果证实了理论分析的正确性即】。年麦榕等学者把小波变换和人工神经网络它们的优点进行结合，从基桩低应变动测信号的小波变换中提取特征向量，然后将特征向量输入人工神经网络进行训练
26、，进而实现了对基桩的缺陷进行诊断，通过数值 模拟试验证明了这种方法是合理的【。年 陈静曦、潘冬子、刘世奇通过对基桩存在浅部缺陷时桩顶响应信号的小波分析，提取信号中所包含的对应于缺陷部位的应力波反射特征信息，实现了对基桩浅部缺陷的准确定位，数值模拟证 明了该方法的合理性【。年潘冬子、程升明、唐 颖栋将小波分析作为神经网络的前置处理手段，从基桩动测信号小波变换的分量中提取武汉理工大学硕士学位论文特征，然后将这些特征输入人工神经网络进行训练和分类，进而实现基桩缺陷位置和程度的诊断，仿真 试验的结果表明， 该方法对桩身完整性的评价快速有效，特别是对于多个缺陷的判别较其他方法具有优越性，在此基础上进行了
27、模型桩的现场试验研究。本文的结构和内容本论文分为五大部分：（）绪论。分 别介绍了基 桩动力检测技术的国内外研究 历史和现状，小波 发展史以及小波变换应用到基桩动力检测的现状。（）第二章。综述了低应变 反射波法的基本原理，阐述了低应变反射波法的测试技术和基桩完整性检测依据，并结合工程实际对检测信号进行分析和基桩完整性的判读。（）第三章。在充分介绍 小波理论的基础上，介绍傅里叶变换和短时傅里叶变换，阐述了小波包理 论和小波包分解与重构算法。（）第四章。将小波分析应用到基桩信号消噪，确定基桩浅部缺陷位置、消除基线漂移，以其用多分辨分析对信号进行处理。（）第五章。总结 与展望。武汉理工大学硕士学位论文
28、第章基桩低应变反射波法动力检测技术反射波法的基本原理反射波法的基本模型反射波法是以应力波在桩身中的传播反射特征为理论基础的一种方法。该方法假定桩为连续弹性的一维均质杆件，并且不考虑桩周土体对沿桩身传播的应力波的影响。因此，桩 的典型弹性体振动模型是直杆的纵向振动。在推导直杆的纵向振动方程时，作如下基本假定：（）材料均匀且各向同性；（）直杆为等截面；（）直杆变形中横截面保持为平面，且彼此平行；（）直杆横截面上应力分布均匀；（）忽略直杆的横向惯性效应。取直杆的轴线为轴（图一），假设杆变形前的原始截面积，密度风，弹性模量及其他材料性能参数均与坐标无关。在下面的讨论中，位移、应变：娑、和应力仃等均直接
29、表示为方向的分量。这里应力是工程应力（名义咖应力），应变是工程应变，并且在一维的情况下，物质型伸长度竺并无小变形的限制。圣；图 直杆的纵向振动注意到应变占和质点的速度分别是位移对和的一阶导数，由位移的单值连续条件可得到联系占和的相容性方程，即连续方程：萼：呈（）一一考虑杆的一长度为出的微元体（图）。在截面上作用有总力（，），而武汉理工大学硕士学位论文在截面上作用有总力：只，）；（，）（，）根据牛顿第二定律， 应有：风厶出尝：（石，）一只彬）盘再引入工程应力气，即得运动方程：岛詈警（）关于材料的本构关系，先限于讨论应变率无关理论，假定应力只是 应变占的函数，即材料的本构关系为：仃（力在以上和以后
30、的讨论中，规定应力和应变均以拉为正，而质点速度以沿轴正向为正，反正 为负。一般，盯）是连续可微函数，且设一阶导数为非零正数，引入：上睾牢（）口占就可由式（）和式（）消去仃，得空：塑（）况撖或由式（）和式（）消去，得譬：兰（。）百瓦【如把和的表达式代入式（），即可得一维杆的波动方程：窘窘（）通过行波法可获得该式的通解：“（）（）（）式（）也称为达朗贝尔 通解，和分别对应于上行波和下行波传播的不变量，为 波 传播的波速 【。应力波在桩身的传播和缺陷诊断取桩身某段为一个分析单元，其介质密度、 纵波速度、截面面 积和弹性模量分别用、表示，令，（）武汉理工大学硕士学位论文式中：广义波阻抗，；一桩 身混凝
31、土密度，堙；一纵波在桩身混凝土中的传播速度，；桩身横截面面积，；一桩身混凝土 弹性模量，。当桩身几何尺寸或材料物理性质发生变化时，相应的、也发生变化，其变化处称为波阻抗面，将波阻抗的比值表示为：刀：互：丛丝（）办 、式中：波阻抗比。，鸣图 应力波的反射和透射在激振桩顶后， 桩身将产生压缩波，以波速沿桩身向下传播。当遇到波阻抗界面时，将 产生反射波和透射波，如图所示。根据应力波传播理论，只要这两种介质在界面处始终保持接触（既能承压又能承拉而不分离），则根据连续条件和牛顿第三定律，界面上两侧质点速度、应力均应相等，即： 黼：鸣听陋（）鸣听 、由波阵面动量守恒条件得：！一旦墨：！，仍（）（，一，足）
32、将式（）和式（）联立求解可得：仃足【（一）（）】盯仃，（）】一，（一）（）】一，（）】其中（）（）武汉理工大学硕士学位论文，一以，一刀巾一刀（）式中：卜反射系数；一透射系数。式（）式（）是应力波反射法诊断桩身缺陷的依据，桩身各种性状以及桩底不同的支承条件均可归纳为以下三种波阻抗变化类型：（）波阻抗近似不变（，）桩底支承介质与桩身阻抗近似：桩身完整、均匀、无缺陷都属于这种类型。 ，则，由式（）和式（）有， 应力波为全透射，无 发射信号产生。因此，若 桩底岩石与桩身混凝土阻抗接近时，将无法得到反射信号。（）波阻抗减小（）桩底支承介质较桩身材料软以及桩身断裂、缩颈、离析、裂缝、裂 纹等缺陷都属于这种
33、类型。，则，恒，由式（）可知，与乃异号，反射波为上行拉力波。根据应力符号的定义，上行拉力波与下行压缩波的方向一致，由式（）可知，喙与屹符号一致。总之，在桩顶检测出的反射波速度、应力均与入射波信号极性相一致。当桩底支承介质远小于桩身阻抗或桩身完全断裂时，则万一，由式（）、式（）有，咋，即桩底处的应力为零，而速度加倍。由于透射波为，桩身完全断裂处发生全发射，应力波仅在断裂位置以上多次反射，无法检测断裂部位以下的桩身质量。（）波阻抗增大（）桩底支承介质较桩身材料硬，桩身扩颈、鼓肚等缺陷都属于这种类型。，则，恒，由式（ ）、式（）可知，与同号，反射波为上行压缩波，与，符号相反。总之，在桩顶检测出的反射
34、波速度、应力均与入射波信号极性相反。当桩底支承介质远大于桩身阻抗，桩底近似为固定时，则，由式（）、式（）有，！，即桩底处的速度为零，而应力加倍。武汉理工大学硕士学位论文反射波法的局限性和适用范围反射波法的局限性目前国内普遍采用瞬态冲击方式，通过实测桩顶加速度和速度响应时域曲线，借助一维 波动理论分析来判定基桩的桩身完整性，这种方法称之为低应变反射波法。低应变反射波法以其测点广、 经济、快捷、无损等诸多优点，成为目前人们所公认的桩基质量检测的有效方法，取得了一定的社会效益和经济效益。但是也存在一定的局限性，其适用范围包括以下几方面：（）与波长相关的桩几何尺寸限制低应变反射波法的理论基础是一维线弹
35、性杆波动理论。一维理论要求应力波在桩身传播时平截面假定成立，因此受检桩的长细比、瞬态激励脉冲有效高频分量的波长与桩的横向尺寸之比均宜大于；对于薄壁钢管桩和类似于型钢桩的异性桩，桩顶激励所引起的质点附近各部分的响应极其复杂，低应变反射波法不适用。（）缺陷的定量分析和类型区分基于一维杆波动理论，检测结论给出桩身纵向裂缝、较深部缺陷方位的依据是不充分的。低应变反射波法对桩身缺陷程度只作定性分析，尽管利用实测曲线拟合法分析能给出定量分析的结果，但由于桩的尺寸效应、测试系统的幅频相频响应、高频波的弥散、 滤波等造成的实测波形畸变，以及桩侧土阻尼、土阻尼和桩身阻尼的耦合影响，曲线拟合法还不能达到精确定量分
36、析的程度，但它对复杂桩顶响应波形判断、增强对应力波在桩身中传播的复杂现象的认识和理解是有帮助的。对于桩身不同类型的缺陷，只有少数情况可能判断缺陷的具体类型：如预制桩桩身的裂隙，使用挖土机械大面积开槽将中小直径灌注桩浅部碰断，带护壁灌注桩有地下水影响时措施不利造成局部混凝土松散，施工中已发现并被确认的异常情况等。多数情况下，在有缺陷的灌注桩低应变测试信号中主要反映出桩身阻尼减小的信息，缺陷性质往往较难区分。例如，混凝土灌注桩出现的缩颈和局部松散或低强度区、夹泥、空洞等，只凭测试信号区分缺陷类型尚无理论依据。（）最大有效检测深度武汉理工大学硕士学位论文由于受桩周土的约束、激振能量、 桩身材料阻尼和
37、桩身截面阻抗变化等因素的影响，应 力波从桩项传至桩底、再从 桩底反射回桩顶的过程为一能量和幅值逐渐衰减过程。若 检测桩过长（或长径比较大，桩土刚度比较小）或桩身截面阻抗多变或变幅较大，往往应力波尚未传播到桩底，其能量已完全耗散或提前反射；另外还有一种特殊的情况，即桩的阻抗和桩端持力层相匹配。上述情况下，均可能是仪器检测不到桩底的反射信号，从而无法对整根桩的完整性进行判定。对于最大有效检测深度小于实际桩长的超长桩的检测，尽管测不到桩底的反射信号，但是若有效检测程度范围内存在缺陷，则实测信号中必有缺陷反射信号。此时，低应变反射波法只可用于 检测有效检测长度范围内是否存在缺陷。反射波法测试盲区的问题
38、测试盲区来源于现场测试的一些客观现象，包含四个方面的内容：一为传感器频响不够而导致的盲区；二为振源或入射波波长过大导致的分辨率降低而引起的盲区；三为桩身阻尼衰减和桩周土的作用引起的测试深度降低；四为局部应力集中现象或应力波的三维效应导致的浅部测试不准确。传感器尤其是速度计高频响应不够，不能正确测试浅部缺陷的反映，如正常测试时它在以上会增加一安装谐振峰，那么至少所对应的深度（）以内便是其测试盲区，时域分析 时此盲区的深度还应加大一些，而频域分析虽有改善，但毕竟已经不准， 这里提到这里的盲区并不意味着不能判断缺陷，只是不能准确地判断缺陷，难 于识别小缺陷。速度计在低频段、相 频特性和幅频特性均较差
39、（），不能很好地达到测试目的，因而深部也是其盲区之一。当缺陷尺寸小于的入射波长时， 应力波将发生绕射现象，使人们不能捕获到缺陷的反射，低频锤测试浅部缺陷时有难度，同样也是这一现象造成的。在测试浅部小缺陷时，往往需要用最轻最小最硬的金属锤乃至小铁钉正是为了提高振源频率和测试分辨率。低能量高频入射波传播时衰减严重，传递的深度有限，很难完成 长大桩测试，从而造成 测试深度的盲区。横躺在地表的预制桩，能测到它的多次反射，而打入地下以后，恢复时间越长越难测到它的桩底反射；泥浆护壁的钻孔灌注桩较人工挖孔桩容易捕获到桩底反射；强度高，龄期长的桩在相同工艺和土耦合情况下桩底反射更清楚等，都说明了桩周土作用和桩
40、身阻尼衰减对信号的影响，正是这些影响使得测试深度受到了很大的限制，有时武汉理工大学硕士学位论文极难测到桩底反射。对于长大桩而言， 桩头处应力波的三维效应将使得同一缺陷对于不同部位的振源反映不同，不同位置的传感器测试效果也不一样，从这种意义上讲，如不进行迭加等方法处理，三维效应区域便是其盲区。低应变反射波法的测试技术及工程实例分析氐应变反射波法的测试技术反射波法典型的测试系统如图所示，包括激振设备、传感器、放大器、信号采集分析仪。图反射波法测试系统图）激振设备反射波法采用手锤、力棒或自由落体球激振，其机理建立在碰撞理论基础上。一般来说，材 质越软、碰撞速度越小（提升高度越低）， 锤越重、接触信号
41、面积越大，信号的脉冲宽度就越大、低频就越丰富，主瓣 宽度万越窄。工程 实践中，依“小钢锤寸小铁锤。轻质脆性尼龙锤轻质木锤专大铁锤柔性塑料锤一塑料王锤斗橡皮锤，信号脉冲宽度越来越大（）。对振源各因素对桩基检测信号的影响逐一说明如下：（）锤头材料材料过硬，将激发出高频脉冲波，高频波可提高缺陷处的分辨率，对探测桩 身浅部缺陷有利，但高频波易衰减，不易 获取长桩的桩底反射：材料过软，激 发出的初始脉冲太宽，低 频波有利于检测桩底反射，但会降低桩身上部缺陷的分辨率。武汉理工大学硕士学位论文（）冲击能量锤重及落锤速度的大小决定了能量的大小。敲击时能量应适中，能量小，则应力波会很快衰减，从而看不 见桩下部缺
42、陷和桩底的反射。 锤重的选择应使得有明显的桩底反射为原则。（）接触面积对于大直径灌注桩，除 应选择重锤 加大能量冲击外，相 应地要加大锤的直径使得锤与桩头的接触面积增大。若使用小锤检测大直径灌注桩，需要多点激振、多点接收，以便了解桩身横向的不均匀性，而使用大锤， 选择合适的接收点，可获得桩的整体响应，有利于判断桩身局部缺陷。（）脉冲宽度脉冲宽度大，有利于长桩及深部缺陷 检测， 应依据桩的特点，激发合适脉冲宽度的入射波，有时在同一根桩上，按照不同的检测目的，需要产生不同的脉冲宽度。）传 感器振动测试中常用的传感器有加速度传感器、速度传感器、位移传感器、力传感器。速度 传感器的动态范围一般小于，而加速度 传感器可达到的动态范围。加速度传感器可满足反射波法测桩对频率范围的要求，速度传感器则应选择宽频带的高阻尼速度传感器。由于反射波法诊断的依据是速度曲线，使用加速度传感器还需对测得的加速度信号积分一次得到速度信号。）放大器压电式传感器具有很高的输出阻抗，输出的电荷量很微弱。因此，为便于观察、记录或送到分析 仪进行分析，必 须先将信号放大。
