Лозовский_РФИ22_секция14.pptx

ОБРАБОТКА ДАННЫХ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
СПЛОШНОСТИ СВАЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕПРЕРЫВНОГО ВЕЙВЛЕТ-
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
Лозовский И.Н.1, Лосева Е.С.2
1 ЦГЭМИ ИФЗ РАН, г. Троицк, г. Москва
2 Санкт-Петербургского горного университета, г. Санкт-Петербург
IV МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
Российский форум изыскателей
i.n.lozovsky@yandex.ru

 Железобетонные свайные фундаменты широко применяются для передачи нагрузки от
зданий и сооружений на грунтовое основание.
 Для обеспечения безопасной эксплуатации фундаментов их элементы должны строго
соответствовать требованиям проектной документации.
 В связи с отсутствием возможности визуального контроля, низкой информативностью и
высокой стоимостью прямых методов испытаний (выбуривание образцов керна,
экскавация), контроль качества свай выполняется с применением косвенных методов
неразрушающего контроля
Объект и методы контроля 2

 Метод основан на анализе прохождения и отражения в
исследуемой конструкции акустических волн;
 Возбуждение упругой волны происходит в результате
механического удара молотка с известным весом и
материалом бойка по оголовку сваи в направлении,
параллельном оси сваи;
 От подошвы сваи и неоднородностей в теле сваи – изменений
поперечного сечения сваи, разрывов ствола, инородных
включений в стволе и др. возникают отраженные волны,
которые распространяются в обратном направлении к оголовку
сваи;
 Регистрация акустических волн производится акселерометром,
устанавливаемым на оголовке сваи. Зарегистрированные
сигналы передаются на персональный компьютер для
дальнейшей визуализации, обработки и интерпретации.
Сейсмоакустический контроль сплошности свай 3

 Определение длины сваи с точностью ±10%;
 Определение нарушения сплошности конструкции при
наличии:
1. резких изменений поперечного сечения, составляющих не
менее ± 25% от площади сваи;
2. включений инородного материала, составляющих не менее ±
25% от площади сваи, свойства которых значительно
отличаются от свойств бетона сваи;
3. поперечных трещин в свае;
4. мест соединения отдельных секций составных свай.
[1] Мухин А. А., Лозовский И. Н., Чуркин А. А. Технические
стандарты ООО ЭГЕОС по применению неразрушающего контроля
сплошности свай. Сейсмоакустический метод // Геотехника. —
2019. — Т. 11, № 4. — С. 68–78.
Возможности сейсмоакустического метода 4

1D vs 3D 5
[2] E. Loseva, I. Lozovsky, R. Zhostkov. Identifying Small Defects in Cast-in-Place Piles using Low Strain Integrity
Testing // Indian Geotechnical Journal. 2022. Under Review.

Зарегистрированный сигнал
6
Полезный сигнал Шум (помехи)
Полезный сигнал — сигнал, содержащий
информацию о длине и сплошности сваи
Помеха (шум) — изменение амплитуды
зарегистрированного сигнала, которое не
интерпретируется в качестве полезного
сигнала
Задача фильтрации сигнала – максимально ослабить помехи, минимально исказив
полезную составляющую сигнала.

Преобразование Фурье
7
, где h(t) – сигнал, H(f) – спектр сигнала, t – время, f – частота,
A(f) – амплитудный спектр, Ф(f) – фазовый спектр
𝐻 𝑓 =
−∞
+∞
ℎ 𝑡 𝑒−i2𝜋𝑓𝑡𝑑𝑡
𝐻 𝑓 = A(f)𝑒𝑖Ф(𝑓)

Недостатки классического подхода к
анализу данных в частотной области
8
• Классическое преобразование Фурье позволяет
получить частотный состав всего поданного на вход
сигнала, но не позволяет узнать, в какой момент
времени данные частоты присутствуют в сигнале,
что может создавать трудности при анализе
нестационарных сигналов;
• Анализ спектров и фильтрация сигналов должны
выполняться опытными специалистами.
Некорректно выполненная фильтрация может
привести к ложной интерпретации данных;
• Мы не получаем информации о частотном составе
полезного сигнала (или помех), что затрудняет
выполнение процедуры фильтрации.
• Для анализа нестационарных сигналов желательно
иметь возможность анализировать данные в
частотно-временной области.

Переход из временной в частотно-временную область
9
Частотно-временной анализ включает методы, которые изучают сигнал
одновременно во временной и частотной областях.
Методы частотно-временного анализа:
• Оконное преобразование Фурье (short-time Fourier transform, STFT)
• S-преобразование (S transform, Stockwell Transform)
• Непрерывное вейвлет-преобразование (continuous wavelet transform, CWT)
• и др.

Непрерывное вейвлет-преобразование 10
• Прямое непрерывное вейвлет-преобразование (НВП, continuous wavelet transform, CWT)
отображает рассматриваемый сигнал 𝑓 𝑡 ∈ L2(R) в функцию двух переменных a, b ∈ R,
a > 0:
𝑊 𝑎, 𝑏 =
−∞
+∞
𝑓 𝑡
1
𝑎
𝜓∗
𝑡 − 𝑏
𝑎
𝑑𝑡 ,
где функция 𝜓 𝑡 называется материнским вейвлетом, а символом * обозначена
процедура комплексного сопряжения.
• В качестве материнского вейвлета может быть использована локализованная как во
временном, так и в частотном представлении функция с нулевым средним значением,
единичной нормой и центром в точке t = 0.

• Параметр a задает степень масштабирования (ширину) материнского вейвлета, а параметр
b определяет его положение на оси времени. Увеличение значений параметра a приводит к
растяжению материнского вейвлета во временной области, сужению и смещению его
Фурье-образа в область низких частот. Путем сдвига по переменной (t – b) вейвлет
перемещается по всей оси времени входного сигнала.
• Таким образом, за счёт изменения значений параметров a и b НВП позволяет локализовать
на всем протяжении сигнала его особенности различной длительности и, соответственно,
различного частотного состава.

• В настоящем докладе результаты НВП представляются в виде плоского изображения, где
градациями цветовой шкалы показано распределение энергии коэффициентов вейвлет-
преобразования 𝐸 𝑎, 𝑏 = |𝑊 𝑎, 𝑏 |2.
• При визуализации результатов значения параметра a переводятся в значения частоты
(или, точнее, псевдочастоты) F
𝐹 =
𝐹𝑐
𝑎
, где 𝐹𝑐 – центральная частота материнского вейвлета.

13
Выбор материнского вейвлета
Входной сигнал:
• Результат сейсмоакустических испытаний БНС;
• диаметр сваи – 630 мм,
• проектная длина – 12 м,
• класс бетона – B25.
• Для компенсации затухания выполнена амплитудная коррекция сигнала (экспоненциальное
усиление), также был устранен его низкочастотный тренд.

14
Выбор материнского вейвлета
Входной сигнал:
• Входной сигнал
Результаты НВП:
• mhat-вейвлет (мексиканская шляпа);
• комплексный вейвлет Гаусса cgau1
(первая производная функции Гаусса)
• комплексный вейвлет Гаусса cgau2
(вторая производная функции Гаусса)
• комплексный вейвлет Морле cmor0.3-1.2
(с параметром ширины полосы пропускания
0.3 и центральной частотой 1.2)

15
Фильтрация синтетических шумов

16

17

18
На панелях слева – временное
представление сигналов, справа
– результат их НВП.
а – исходный сигнал,
б – гармонический шум,
в – гауссовский шум,
г – исходный сигнал с
добавленным гармоническим и
гауссовским шумом.
На панели (г), справа белыми
пунктирными линиями показаны
границы частотного диапазона, в
пределах которого выполняется
усреднение значений энергии
НВП.
Результат усреднения в условном
масштабе представлен на панели
(г), слева красной сплошной
линией.

19
Фильтрация экспериментальных данных
Рассмотрим применение предложенных процедур вейвлет-
анализа для сейсмоакустических данных, полученных при
испытании буронабивной сваи большой длины.
Диаметр сваи – 1200 мм,
проектная длина – 30 м,
класс бетона – B30.
Для возбуждения сигнала использовался тяжелый молоток с
пластиковым бойком, регистрация производилась с
использованием комплекта аппаратуры Piletest PET.

20
Фильтрация экспериментальных данных

21
Фильтрация экспериментальных данных:
классическая Фурье-фильтрация
Результаты сейсмоакустического контроля буронабивной сваи с проектной
длиной 30 м.
Слева – временное представление сигнала, справа – его амплитудный спектр.

22
классическая Фурье-фильтрация
Результаты Фурье-фильтрации (фильтр нижних частот, частота среза – 800 Гц).
Слева – временное представление сигнала до (показано черной линией) и
после (в условном масштабе, показано красной линией) фильтрации. Справа –
амплитудный спектр, серым цветом показаны удаленные при фильтрации
составляющие, пунктирной линией – частота среза.

23
НВП
Результаты вейвлет-анализа сейсмоакустического сигнала,
зарегистрированного при испытании БНС с проектной длиной 30 м (материнский
вейвлет – cmor0.25-1.1).
Слева – временное представление сигнала, справа – результат НВП.

24
НВП
Фильтрация сигнала выполнялась путем медианного усреднения значений
энергии вейвлет-коэффициентов в пределах диапазона частот 100–700 Гц –
расширенной области частотной локализации импульса, отвечающего
возбуждению волн в свае.

25
НВП
На результате фильтрации (слева; показан красной сплошной линией) на
отметке времени 16 мс выделяется импульс, интерпретируемый в качестве
отражения от нижнего конца сваи, что подтверждает соответствие фактической
длины сваи проектному значению (при скорости распространения волн в свае
3750 м/с).

26
Выводы
• В докладе представлена методика фильтрации данных сейсмоакустического
контроля свай, основанная на анализе энергии вейвлет-спектров
зарегистрированных сигналов.
• Показаны преимущества применения комплексного вейвлета Морле,
обеспечивающего простое частотно-временное представление сигналов и
возможность настройки параметров материнского вейвлета.
• Продемонстрировано, что предлагаемая методика позволяет выделить
полезные составляющие сейсмоакустических сигналов, осложненных
интенсивными помехами, и оценить фактическую длину испытуемых свай.
• Представленная методика рекомендуется к включению в стандартный граф
обработки данных сейсмоакустического контроля свай как дополнительный,
простой для анализа инструмент, помогающий в интерпретации
зарегистрированных сигналов.

Спасибо за внимание!
i.n.lozovsky@yandex.ru
IV МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
Российский форум изыскателей

24
НВП

Преобразование Фурье
, где h(t) – сигнал, H(f) – спектр сигнала, t – время, f – частота,
A(f) – амплитудный спектр, Ф(f) – фазовый спектр
𝐻 𝑓 =
−∞
+∞
ℎ 𝑡 𝑒−i2𝜋𝑓𝑡𝑑𝑡
𝐻 𝑓 = A(f)𝑒𝑖Ф(𝑓)
https://bl.ocks.org/jinroh/7524988

 В случае повышенных значений акустической жесткости
вмещающей среды (скальные грунты, плотные глины и др.)
и/или повышенных значений отношения длина/диаметр (> 10 в
плотных грунтах и > 40 в слабых грунтах) испытуемой сваи не
всегда возможно определить длину сваи и/или выполнить
контроль сплошности сваи;
 Не позволяет контролировать длину и сплошность свай с
ненормируемыми по размерам сечения и материалу
характеристиками (CFA, jet и др.);
 В большинстве случаев метод испытаний не позволяет
определить сплошность сваи ниже первой значительной
акустической аномалии;
2019. — Т. 11, № 4. — С. 68–78.
Ограничения сейсмоакустического метода: ч. 1

 Не позволяет обнаружить нарушения сплошности у нижнего
конца сваи (на участке в пределах ~10% от длины сваи) и
нарушения сплошности в верхней части сваи (на участке ~1-2
метра или ~2-3 диаметра сваи, в зависимости от того, какое
значение больше);
 Не позволяет обнаружить плавные изменения поперечного
сечения/материала сваи;
 Метод испытаний не позволяет определить геометрические
размеры и физические свойства нарушений сплошности,
локализовать их в пределах сечения и делать выводы о
природе выявленных нарушений сплошности;
 Метод испытаний не позволяет определять размеры
уширенных пят в основании буронабивных свай.
2019. — Т. 11, № 4. — С. 68–78.
Ограничения сейсмоакустического метода: ч. 2

Лозовский_РФИ22_секция14.pptx

More Related Content

Featured

Лозовский_РФИ22_секция14.pptx

Editor's Notes