小波分析在高桩码头基桩完整性检测中的应用研究

张 勇，田双珠

（交通运输部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456）

小波分析在高桩码头基桩完整性检测中的应用研究

张 勇，田双珠

（交通运输部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456）

利用反射波法检测高桩码头基桩完整性时，由于基桩存在上部结构，反射波波形会含有干扰信息，变得十分复杂。文章研究了小波分析在高桩码头基桩完整性检测中的应用，利用小波分析消除干扰信号，以减弱梁板等上部结构对基桩检测信号的影响，最后通过具体的工程实例进行了应用验证。

高桩码头；完整性检测；上部结构；小波分析

现阶段，对于单桩完整性的检测，工程中根据测桩曲线时域内的波形变化就可以对其完整性做出比较准确的判断。单桩与高桩码头基桩最主要的区别在于高桩码头基桩存在上部结构，由于上部结构的存在，在进行基桩完整性检测时波形经各个接触面的多次反射与叠加后，会变得十分复杂。尽管测桩信号的时域信息具有较优越的真实性，但是当含有其他干扰信息时，仅仅从时域信号分析会有一定的困难。基桩检测应力波信号的处理方法总体上可分为时域分析、频域分析和时频分析3种，小波分析就属于时频分析的方法，当单从时域分析很难得到准确判断时，就可以考虑利用小波分析等方法［1-8］。

1 小波变换的意义

小波变换是一种时间-尺度分析方法，在时间、频率两域都具有表征信号局部特征的能力，并且小波分析可以把测桩信号的高频和低频成份分离出来，同时小波分解出来的各层信号可以反映信号的细节部分。通过研究发现，面板、梁、桩帽等对应力波信号的影响更多的体现在高频部分。小波分析可以通过抑制信号中某些成分来实现消除信号基线漂移和噪声的剔除，抑制信号中某些成份的方法是通过将小波分解中的某些系数强制地置为零，也可以通过修改小波分解系数或置零进行信号重构。因此在高桩码头基桩检测中可以把高频信号置零，即对信号的某些高频部分进行抑制，可减弱或消除面板、梁、桩帽等对应力波信号的影响。

2 小波基的选择

小波变换的实质是将信号向一组小波基上投影，而在小波分析中最重要的理论问题是如何选择最佳的小波基，而且小波基的选择也是小波分析在实际应用中最被关注的问题。选择小波基函数通常可从复值与实值小波的选择、连续小波的有效支撑区域的选择、小波形状的选择3个比较实用的方面考虑。本文着重研究的是怎样使用小波变换将存在有复杂上部结构基桩的反射波的特征分辨出来，即着重在于信号的分解，而对于信号的重构上不考虑太多。因此对小波基的选择重点的是看小波基的形状和支撑区间。

根据实测曲线和模拟曲线的形状选择双正交db系列的小波基，图1为db10的尺度函数和小波函数，可以看出db10很接近实际曲线形状，所以本文选取db10系列小波。

图1 db10的尺度函数和小波函数Fig.1 Scaling function and wavelet function of db10

3 小波分析在高桩码头基桩检测应力波信号处理中的应用分析

某工程对天津港码头的基桩完整性进行了检测，传感器安装在桩身距桩帽1.5 m位置处，在桩帽边缘进行小锤敲击，利用小波分析对实测信号进行处理，以确定基桩的完整性。为验证小波分析在高桩码头基桩完整性信号处理中的可行性，实际工程中选择有代表性的区域，将上面的面板和横梁移开仅剩下桩帽，对基桩的完整性又进行了第二次的检测。第二次检测时由于去除了面板、横梁的影响，同时认为桩帽对应力波信号影响较小，所以可以按照单桩进行完整性判断，二次检测的结果得出的结论是一致的，因此，认为利用小波分析对高桩码头基桩完整性进行检测具有一定的可行性。

图2 完整桩实际工程中实测曲线Fig.2 Measured curve of intact pile in practical projects

为进一步说明小波分析处理高桩码头基桩完整性检测信号的应用过程，本文建立高桩码头有限元模型模拟基桩完好和存在缺陷时2种情况下的检测信号，并通过小波分析对2种工况下的模拟信号进行分析。图2为存在上部结构时在桩帽边缘敲击，传感器安装在桩身一侧实际工程中的实测信号，图3为有限元模拟该实际工程中的模拟信号，图4为对该工程基桩人为制造桩身缺陷的有限元模拟信号。由图2和图3可知，二者波形形状相似，说明有限元模拟是较为准确的，从而可以认为如果实际工程中桩身存在缺陷，有限元模拟的缺陷桩的信号与实测信号也有很好的相似性，可近似用模拟信号代替实测信号。

下面分别利用小波分析对图2和图3的信号进行分析处理。图5～图6分别为图2时域曲线的5层小波分解的细节信号和逼近信号，从各逼近信号可以看出没有明显的缺陷反射，a1和a2更接近真实信号，a4、a5、d5反映了原始信号桩底反射的频率成分，分别对原始信号和a4、a5进行FFT变换以研究其频差，结果如图7～图9所示。

图3 完整桩有限元模拟速度时程曲线Fig.3 Speed time interval curve of intact pile

图4 缩颈桩有限元模拟速度时程曲线Fig.4 Speed time interval curve of necking pile

图5 细节信号

图6 逼近信号Fig.6 Approximation signal

图7 原始信号的FFT变换Fig.7 FFT transformation of original signal

图8 a4的FFT变换Fig.8 FFT transformation of a4

图10～图11分别为图4时域曲线的5层小波分解的细节信号和逼近信号，图12～图14分别对原始信号和a3、a5进行FFT变换图。

由图11可知，当基桩存在缺陷时各逼近信号有一定的波动，同时由图12～图14可知，基桩存在2个频差，分别为69 Hz和236 Hz。

图9 a5的FFT变换Fig.9 FFT transformation of a5

图10 细节信号Fig.10 Detail signal

图11 逼近信号Fig.11 Approximation signal

图12 原始信号的FFT变换Fig.12 FFT transformation of original signal

图13 a3的FFT变换Fig.13 FFT transformation of a3

图14 a5的FFT变化Fig.14 FFT transformation of a5

4 小波分析结论

综上通过比较完整桩和缩颈桩频域分析及小波分析的结果可知，完整桩检测信号的FFT变化频差是等间隔的，而缺陷桩检测信号的FFT变化频差可能是2个频差间隔出现，也可能是无规律的出现；完整桩的小波变化各逼近信号桩间没有明显的波动，而缺陷桩的则会出现波动。因此，根据以上两点结论，可以将小波分析应用于高桩码头基桩完整性检测，对基桩的完整性进行判断分析。

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［8］万永革.数字信号处理的MATLAB实现［M］.北京：科学出版社，2006.

Application of wavelet analysis in high-piled wharf pile integrity testing

ZHANG Yong，TIAN Shuang-zhu
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety，Ministry of Transport，Tianjin 300456,China）

When using reflected wave method to detect the pile integrity of high-piled wharf,due to the existence of superstructure，reflected waveform usually includes interference information and becomes very complicated.In this paper，the wavelet analysis in high-piled wharf pile integrity testing was studied to eliminate the interference signal and weaken the effect of superstructure on the pile testing signal.Finally，its practical application was proved by taking an engineering project as an example.

high-piled wharf；integrity test；superstructure；wavelet analysis

U 656.1+13；O 242.1

A

1005-8443（2012）02-0163-05

交通科技重大专项将加快推进

2010-07-27；

2010-10-10

张勇（1977-），男，河北省人，工程师，主要从事地基基础检测方面的研究。Biography：ZHANG Yong（1977-），male，engineer.

本刊从交通运输部科技司获悉，2012年交通运输科教处长座谈会于4月10日在广西南宁市召开，会议回顾总结了2011年交通运输科技工作，研究部署了2012年交通运输科技工作。交通运输部科技司司长赵冲久表示，今年要持续推进科技进步与创新，不断提高交通运输公共服务的能力和水平，实现交通运输科学发展安全发展中的引领和支撑作用，加快推进科技重大专项组织实施，加强科技成果推广应用，加强科技条件建设和开放共享，加强标准化和产品质量监督工作，加快提升交通运输信息化水平，推动行业教育培训工作再上新台阶。（殷缶，梅深）