CN106759538A - 一种基于频域分析的低应变检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频域分析的低应变检测方法，所述基于频域分析的低应变检测方法是对信号及进行快速傅利叶变换，分析频谱，以选择合适的锤击及传感器安装方法；检测时对时域信号及时进行傅利叶变换，在频谱中判断锤击频率是否适宜，并对检测时的锤击方式、传感器安装方式进行指导、选择；当检测信号为振荡波形时，利用频域分析振荡信号是因激发不当引起的干扰还是桩身缺陷反射引起。本发明在基桩低应变反射波法检测中，及时对信号进行傅利叶变换，分析频谱，以选择合适的锤击及传感器安装方法，并在有振荡信号产生时，将时域分析与频域分析相结合，进行适当滤波处理，排除干扰，综合判定，提高桩身完整性判断的准确性。

Description

一种基于频域分析的低应变检测方法

技术领域

本发明属于桩身完整性低应变检测技术领域，尤其涉及一种基于频域分析的低应变检测方法。

背景技术

目前，低应变法在桩身完整性检测中以其直观、简便、准确的特点而被广泛采用。在低应变法检测中又以时域分析法最为常用。在时域中，桩身缺陷、桩底一目了然，且计算简便准确。因此，频域分析法常常被忽视。很少在工程桩的实际检测报告及分析资料中找到频域分析的影子。使做为时域分析法的一个重要补充的频域分析法未能发挥其应有的作用。在基桩低应变检测中，时域分析法和频域分析法为两种基本的分析方法，但在实际检测工作中，因频域分析法没有时域分析法直观、计算方便，且易受干扰而少有采用。但时域分析法在实际应用中存在以下问题，且难以克服：浅部缺陷的检测，常常因为锤击主频的偏低，缺陷反射易被入射波较宽的第一脉冲所掩盖。如果检测人员不仔细或经验不足，极易导致浅部缺陷的漏判。振源的激振频率与传感器安装谐频不匹配时，易产生振荡波形，而使许多不明显缺陷变得模糊不清。当桩身缺陷有多次反射时，缺陷反射会掩盖桩底反射，对桩身完整性的判断带来很大困难。尤其是判定桩身缺陷部位以下的桩身完整性的几乎是不可能的。

综上所述，现有的时域分析法存在极易导致浅部缺陷的漏判；桩身缺陷的多次反射与桩底反射重合时，桩身完整性难以准确判断。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于频域分析的低应变检测方法，旨在解决现有的时域分析法存在极易导致浅部缺陷的漏判，缺陷多次反射掩盖桩底反射，对桩身完整性难以判断的问题。

本发明是这样实现的，低应变检测时，对检测信号及时进行快速傅利叶变换，得到检测信号的频谱，判断锤击频率及传感器安装谐频是否匹配，以指导选择合适的锤击及传感器安装方式，并在有振荡信号时，将时域分析与频域分析相结合，分析振荡引起的原因，是因锤击、传感器安装、外来干扰，还是桩身缺陷引起。如是锤击、传感器安装、外来干扰，可以通过合适的滤波、或对安装重新调整来排除；如果是桩身缺陷引起，则通过频域分析，判断是否有桩底信号，并结合时域分析，综合判断。

检测、分析过程为：

先对桩顶进行表面处理，然后进行低应变检测，并在现场及时把检测信号进行傅利叶变换，以得到的频谱信号来分析锤击的振动频率高、低，以及对检测的干扰影响，及时调整锤击方式。主频过低，浅部缺陷会漏测；主频过高会影响深部缺陷的检测。

进一步，当检测信号为振荡信号，频谱信号的主频高于2kHz，多为传感器安装谐振，则应进行低通滤波处理，以获得检测的有效信号。

进一步，当检测信号为振荡信号，频谱信号主频低于2kHz，则多为桩身缺陷的多次反引起。这时需要在频谱中分析桩底信号，利用频差参数与时域信号中时差、波幅参数相结合，综合判断缺陷程度。

低应变法检测桩身完整性的理论思路如下：将桩视为各向同性的一维弹性杆件，在一端受到轴向激励时，可发生纵向振动；D：桩径，L：桩长，λ波长；

波在桩身内部的传播可用一维波动方程来描述：

u:质点位移，x：在x轴的坐标，t：波有传播时间，c：波速；

采用分离变量法，将U(x,t)表示为U(x,t)＝X(x)U(t)，求得微分方程组的解为：

U(t)＝Asinωt+Bcosωt (3)

A、B为分项系数，ω为角频率。

进一步，在不同边界条件下，弹性杆件的固有频率为：

(1)两端自由的杆件：

两端应力为0，边界条件为：X(0)＝0,X(L)＝0；

代入式(2)、(3)，解方程得：

i＝0,1,2,3.....则；

i＝0,1,23.....；

角频率ω及频率f的计算公式，f：频率；

(2)一端自由，一端固定的杆；

一端应力为0，一端速度为0，边界条件为：

X(0)＝0，

代入式(2)、(3)，解方程得：

i＝0,1,2,3...则；

i＝0,1,2,3...；

k为弹性系数；f₁为一阶固有频率；

(3)一端固定，一端弹性支承的杆；

一端应力为0，一端杆与弹性支承的合力为0，边界条件为X(0)＝0；

代入式(2)、(3)可解方程得一阶固有频率为：

频差Δf不固定。

本发明目的在于提供一种应用所述基于频域分析的低应变检测方法。

本发明提供的基于频域分析的低应变检测方法，在基桩低应变反射波法检测中，及时对信号进行傅利叶变换，分析频谱，以选择合适的锤击及传感器安装方法，并在有振荡信号产生时，将时域分析与频域分析相结合，进行适当滤波处理，排除干扰，综合判定，提高桩身完整性判断的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于频域分析的低应变检测方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于频域分析的低应变检测方法包括以下步骤：

S101：先对桩顶进行表面处理，然后进行低应变检测，并在现场及时把检测信号进行快速傅利叶变换，分析锤击的振动频率高低及对检测的干扰影响，来指导锤击方式改变，以消除因锤击频率过低造成浅部缺陷检测失效；

S102:分析检测信号，如信号为振荡波形，难以清晰判断桩身反射信息，则进行傅利叶变换，频谱中如主频高于2kHz，则是传感器的安装系统共振而形成有规则衰减的振荡波，会引起桩身反射信号变弱，缺陷或桩底反射信号不能判读，易形成误判；应进行低通滤波，以去除干扰；

S103：如果产生振荡波形，利用频域分析，频谱中一般几百赫兹，常规的信号处理都不能消除振荡，则为缺陷多次反射引起。此时，要利用频差参数与时域信号中时差、波幅参数相结合，综合判断缺陷程度。要特别注意在频谱中去寻找桩底反射，如频谱中桩底反射信号存在，则桩身缺陷不影响结构承载力发挥；如桩底反射不存在，则缺陷程度严重，必须对缺陷做出处理。

理论依据如下：

低应变法检测桩身完整性中，理论上当D<λ<L时，将桩视为各向同性的一维弹性杆件，在一端受到轴向激励时，可发生纵向振动。D：桩径，L：桩长，λ波长。

桩端受小能量激振，便产生弹性波，波在桩身内部的传播可用一维波动方程来描述。

u:质点位移，x：在x轴的坐标，t：波有传播时间，c：波速；

采用分离变量法，将U(x,t)表示为U(x,t)＝X(x)U(t)，可求得微分方程组的解为：

U(t)＝Asinωt+Bcosωt (3)

A、B为分项系数，ω为角频率。

在不同边界条件下，杆件的固有频率为：

1、两端自由的杆件：

两端应力为0，边界条件为：X(0)＝0,X(L)＝0；

代入式(2)、(3)，解方程得：

i＝0,1,2,3.....则；

i＝0,1,23.....；

角频率ω及频率f的计算公式，f：频率。

2、一端自由，一端固定的杆；

一端应力为0，一端速度为0，边界条件为：

X(0)＝0，

代入式(2)、(3)，解方程得：

i＝0,1,2,3...则；

i＝0,1,2,3...；

k为弹性系数；f₁为一阶固有频率；

3、一端固定，一端弹性支承的杆；

一端应力为0，一端杆与弹性支承的合力为0，边界条件为X(0)＝0；

代入式(2)、(3)可解方程得一阶固有频率为：

频差Δf不固定。

下面结合具体的应用对本发明的应用效果作详细的描述。

本发明的实例：

实施例1对于浅部缺陷检测及锤击方式选择的重要作用：

将检测到的时域信号做傅利叶变换，分析频谱曲线(幅度谱)，即可看出锤击频率的高低，锤击主频偏高，有利于检测浅部缺陷，锤击主频偏低，有利于发现深部缺陷。第一次用尼龙锤敲击，振源主频769.4Hz，根据时域检测信号可以看出，该桩为完整桩。再看频域信号，振源频率集中，馒头状的幅频曲线已将桩身系统固有频率掩盖，而且主频偏低。于是换用铁头力棒敲击，从频域可以看出，换锤后，振源激发的高频成份增加，而且时域和频域中浅部缺陷均很明显。时域中计算桩身波速c＝3386m/s，缺陷位置为0.85m。频域中计算桩身波速为c＝3833m/s，缺陷位置为1.2m。开挖到桩顶以下1m，发现0.8～1.0m混凝土局部不密实，有蜂窝状空洞。

实施例2对于振荡波形中传感器安装方式及信号处理重要作用：

观察检测信号的频谱(振幅谱)，找出传感器共振频率，然后对时域信号进行低通滤波处理，将会使时域信号中的缺陷露出庐山真面目。这是对时域信号后处理的重要指导作用。安阳某工程人工挖孔灌注桩2#桩的检测信号，进行频谱进行分析，可以看出，频带很窄，锤击频率、传感器安装谐频、桩身检测频率相近，产生共振，桩身波反射系统的有效频率成份被掩盖，使缺陷及桩底均无法判读。在频谱中可以清楚地看到主频为2.133kHz。传感器的安装谐频一般较高，以1kHz为截止频率，对时域信号进行低通滤波处理，减弱传感器安装谐频干扰。在处理后的时域波形中，浅部的扩径和桩底反射得到很好的显示。

实施例3对于检测信号中有缺陷多反射的桩身完整性判断的重要作用：

如安阳某工地人工挖孔桩的测试信号，在时域信号中缺陷非常清楚，且有多次反射，如果按规范判定，则为严重缺陷桩。仔细分析时，缺陷的二次反射有可能掩盖桩底反射，如有桩底反射，则可判定轻微缺陷桩。自用该发明的思路和方法，对该时域信号的频谱进行分析时，能量较强的频差有两种，Δf₁＝113.9Hz，Δf₂＝179.0Hz，利用上述公式计算，△f₁为桩底反射的频差。有桩底的较强反射信号，该桩应从轻判为轻微缺陷桩。后对该桩进行开挖验证，缺陷为轻微离析，该桩为轻微缺陷桩，可正常使用。证明采用频域分析法的结论是正确的。利用本发明的方法可以避免误判。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于频域分析的低应变检测方法，其特征在于，所述基于频域分析的低应变检测方法是对信号及进行快速傅利叶变换，分析频谱，以选择合适的锤击及传感器安装方法；检测时对时域信号及时进行傅利叶变换，在频谱中判断锤击频率是否适宜，并对检测时的锤击方式、传感器安装方式进行指导、选择；当检测信号为振荡波形时，利用频域分析振荡信号是因激发不当引起的干扰还是桩身缺陷反射引起；如为外部干扰，则利用频域分析来指导滤波处理，排除干扰频率成分；如为桩身缺陷引起，则利用频域分析判定是否有桩底信号，将时域分析与频域分析相结合，对桩身完整性进行时域-频域综合判断。

2.如权利要求1所述的基于频域分析的低应变检测方法，其特征在于，先对桩顶进行表面处理，然后进行低应变检测，并在现场及时把检测信号进行快速傅利叶变换，分析锤击的振动频率高低及对检测有效频率的影响，选择合适的锤击方式。

3.如权利要求1所述的基于频域分析的低应变检测方法，其特征在于，分析检测信号，当信号为振荡波形时，进行快速傅利叶变换，如果频谱中主频高于2kHz，则进行低通滤波处理。

4.如权利要求1所述的基于频域分析的低应变检测方法，其特征在于，当检测信号为振荡信号，且主频在0-2kHz范围内，则为桩身缺陷引起振荡信号，利用频域分析中频谱上的频差参数与时域信号中时差、波幅参数相结合，综合判断缺陷程度。

5.如权利要求1所述的基于频域分析的低应变检测方法，其理论特征在于：

低应变法检测桩身完整性中，可将桩视为各向同性的一维弹性杆件，在一端受到轴向激励时，可发生纵向振动；D：桩径，L：桩长，λ波长；

波在桩身内部的传播可用一维波动方程来描述：

$\frac{{\&part;}^{2}u}{\&part;x^2}=\frac{1}{c^2}\&CenterDot;\frac{{\&part;}^{2}u}{\&part;t^2}---\left(1\right)$

u:质点位移，x：在x轴的坐标，t：波有传播时间，c：波速；

采用分离变量法，将U(x,t)表示为U(x,t)＝X(x)U(t)，求得微分方程组的解为：

$X\left(x\right)=Csin\frac{\mathrm{\&omega;}}{c}x+Dcos\frac{\mathrm{\&omega;}}{c}x---\left(2\right)$

U(t)＝Asinωt+Bcosωt (3)

A、B为分项系数，ω为角频率。

6.如权利要求5所述的基于频域分析的低应变检测方法，其特征在于，在不同边界条件下，弹性杆件的固有频率为：

(1)两端自由的杆件：

两端应力为0，边界条件为：X(0)＝0,X(L)＝0；

代入式(2)、(3)，解方程得：

i＝0,1,2,3.....则；

i＝0,1,23.....；

$\mathrm{\&Delta;}f=f_1=\frac{c}{2L};$

角频率ω及频率f的计算公式，f：频率；

(2)一端自由，一端固定的杆；

一端应力为0，一端速度为0，边界条件为：

X(0)＝0，

代入式(2)、(3)，解方程得：

i＝0,1,2,3...则；

i＝0,1,2,3...；

$\begin{array}{cc}{f}_1=\frac{c}{4L}& \mathrm{\&Delta;}f=\frac{c}{2L}\end{array};$

k为弹性系数；f₁为一阶固有频率；

(3)一端固定，一端弹性支承的杆；

一端应力为0，一端杆与弹性支承的合力为0，边界条件为X(0)＝0；

$AE\frac{dX}{dx}\left(L\right)=-kX\left(L\right);$

代入式(2)、(3)可解方程得一阶固有频率为：

$\begin{array}{cc}{f}_1=\frac{c}{2Lj}& (1\&le;j\&le;2)\end{array};$

频差Δf不固定。

7.一种应用权利要求1～6任意一项所述的基于频域分析的低应变检测方法。