高层建筑基桩低应变检测中信号处理对缺陷判断的优化研究

一、引言

随着城市化进程的加速，高层建筑日益增多，基桩作为高层建筑的重要基础，其质量直接关系到建筑物的稳定性与安全性 。低应变检测凭借操作简便、检测效率高、成本低等优势，成为高层建筑基桩完整性检测的常用方法之一。在低应变检测过程中，桩顶受到激振后产生应力波，应力波在桩身中传播，当遇到桩身缺陷或桩底时会发生反射，通过传感器采集反射波信号，进而分析判断基桩的缺陷情况 。然而，实际检测中采集到的信号往往受到多种干扰因素影响，信号质量参差不齐，若不进行有效处理，会导致缺陷判断出现误差，甚至漏判、误判。因此，研究信号处理对基桩缺陷判断的优化作用，对提高低应变检测的准确性和可靠性具有重要意义。

二、高层建筑基桩低应变检测原理及信号特征

2.1 低应变检测原理

低应变检测基于应力波理论，当在桩顶施加一个瞬态激振力时，会产生一个压缩应力波沿桩身向下传播 。应力波在传播过程中，若桩身材质均匀、截面一致，应力波将匀速传播；当遇到桩身缺陷（如断裂、缩颈、离析等）或桩底时，由于波阻抗发生变化，应力波会产生反射、透射和折射现象 。通过安装在桩顶的传感器接收反射波信号，分析反射波的到达时间、幅值、相位等特征，结合桩身的长度、波速等参数，可判断基桩的完整性及缺陷位置和程度。

2.2 检测信号特征

正常基桩的反射波信号通常表现为应力波在桩底产生清晰、规则的反射，反射波幅值较小，且与入射波相位相反 。当桩身存在缺陷时，会在缺陷位置产生反射波，该反射波的到达时间早于桩底反射波，且幅值大小与缺陷的严重程度相关，缺陷越严重，反射波幅值越大 。同时，缺陷反射波的相位可能与入射波相同或相反，具体取决于缺陷类型和波阻抗变化情况 。此外，实际检测信号还可能包含多种干扰成分，如环境噪声、仪器噪声、桩周土振动产生的干扰波等，这些干扰信号会影响对基桩缺陷的准确判断。

三、影响低应变检测信号质量的干扰因素分析

3.1 环境因素干扰

检测现场的环境因素是导致信号干扰的重要原因之一。施工现场存在各种机械设备的运行噪声，如挖掘机、搅拌机等，这些噪声会以振动波的形式传播，混入检测信号中 。此外，周边车辆行驶产生的振动、人群活动等也会对检测信号造成干扰。环境温度、湿度的变化还可能影响传感器的性能，导致信号采集出现误差。

3.2 仪器设备因素干扰

检测仪器的性能和稳定性对信号质量有直接影响。传感器的灵敏度、频响特性若不匹配，会导致信号失真；数据采集仪的采样频率、分辨率不足，无法准确采集信号细节，可能丢失重要信息 。仪器设备的接地不良、线路老化等问题，也会引入噪声干扰，降低信号质量。

3.3 检测操作因素干扰

检测人员的操作方法不当同样会影响信号质量。激振方式不合理，如激振力过大或过小、激振点位置选择不当，会使应力波在桩身中的传播特性发生改变，产生异常反射信号 。传感器的安装不牢固、耦合效果差，会导致信号能量损失，且容易引入外界干扰 。此外，检测过程中未按照规范进行操作，如未对桩顶进行清理、未合理选择检测时间等，也会影响检测信号的准确性。

四、信号处理技术在基桩缺陷判断中的优化应用

4.1 滤波技术

滤波是信号处理中常用的方法，通过设计合适的滤波器，可以有效去除信号中的噪声干扰，保留有用信号 。常用的滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器 。低通滤波器可用于去除高频噪声，如仪器内部的高频干扰；高通滤波器能滤除低频干扰，如环境振动产生的低频信号；带通滤波器适用于提取特定频率范围内的信号，可根据基桩检测信号的频率特征进行选择；带阻滤波器则用于抑制特定频率的干扰信号。通过合理选择和组合滤波器，能够提高信号的信噪比，使缺陷反射波更加清晰，便于准确判断缺陷位置和程度。

4.2 降噪技术

除了滤波，降噪技术也是改善信号质量的重要手段。小波降噪是一种常用的降噪方法，它基于小波变换原理，将信号分解到不同的频率尺度上，通过对小波系数进行处理，去除噪声对应的小波系数，然后重构信号，实现降噪目的 。与传统的滤波方法相比，小波降噪能够更好地保留信号的细节特征，在处理非平稳信号方面具有优势 。此外，还有基于经验模态分解（EMD）的降噪方法，它通过将信号分解为多个固有模态函数（IMF），分析各 IMF 的特征，去除包含噪声的 IMF 分量，再重构信号，从而达到降噪效果 。

4.3 信号增强技术

信号增强技术可以进一步突出缺陷反射波特征，提高缺陷判断的准确性。常用的信号增强方法有频谱分析、相关分析等 。频谱分析通过对信号进行傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号，分析信号的频率成分，找出缺陷反射波对应的频率特征，从而确定缺陷位置 。相关分析则利用信号之间的相关性，通过计算检测信号与参考信号的相关函数，增强缺陷反射波信号，抑制噪声干扰 。此外，还有基于深度学习的信号增强方法，通过训练神经网络模型，自动学习信号特征，实现对缺陷信号的增强和提取 。

五、信号处理优化基桩缺陷判断的案例分析

以某高层建筑基桩低应变检测项目为例，在原始检测信号中，由于施工现场环境噪声干扰，信号中夹杂大量不规则波动，难以清晰分辨桩底反射波和缺陷反射波，初步判断存在缺陷误判风险 。采用小波降噪技术对信号进行处理后，噪声干扰得到有效抑制，缺陷反射波和桩底反射波变得清晰可辨 。进一步运用频谱分析技术，准确确定了缺陷位置对应的频率特征，结合桩身波速参数，精确计算出缺陷位于桩身 3.5 米处，经后续钻孔取芯验证，该判断结果与实际情况相符 。通过信号处理技术的应用，显著提高了缺陷判断的准确性，避免了因信号质量问题导致的漏判和误判。

六、结论

在高层建筑基桩低应变检测中，信号处理对缺陷判断起着至关重要的作用。通过分析低应变检测原理、信号特征以及影响信号质量的干扰因素，合理运用滤波、降噪、信号增强等信号处理技术，能够有效去除噪声干扰，提取有用信号特征，提高缺陷判断的准确性和可靠性 。在实际工程检测中，应根据具体情况选择合适的信号处理方法，并不断探索和应用新的信号处理技术，如基于深度学习的信号处理方法，进一步优化基桩缺陷判断效果，为高层建筑基桩质量检测提供更有力的技术保障。同时，还需加强检测人员的技术培训，提高其信号处理能力和缺陷判断水平，确保低应变检测结果的科学性和准确性。

参考文献

[1]虞仲林.基于超声波法和低应变法的建筑基桩完整性检测研究[J].石材,2025,(05):131-133.DOI:10.14030/j.cnki.scaa.2025.0262.

[2]黄富能.低应变法检测桩身完整性研究——基于建筑工程实例的解读[J].住宅与房地产,2023,(17):41-43.

[3]朱小华,胡君,蔡浩,等.超高层建筑中基桩检测方法介绍[J].住宅与房地产,2019,(22):191-192.