CN103953076B - 基于旁孔透射波拐点法的既有工程桩桩底深度确定方法 - Google Patents

Abstract

一种土木工程桩基工程质量检测领域的基于旁孔透射波拐点法的既有工程桩桩底深度确定方法，通过在桩侧钻探孔后在探孔内检波，并根据不同深度信号沿深度生成时间‐深度信号图，通过在时间‐深度信号图中确定拐点，并对拐点深度通过拐点深度修正公式修正后得到桩底深度。本发明不受上部结构对波形的影响，检测方便，确定拐点位置简单而直观。与现有旁孔透射波法基于两线交点确定桩底深度的方法相比，旁孔透射波拐点法对钻孔深度要求较低，只需超过待测桩2～3m即可，减小了探孔孔深要求，节省成本，对于无工程经验的技术人员也具有较好的可操作性，较好解决了目前既有工程桩难以确定桩底深度的难题。

Description

基于旁孔透射波拐点法的既有工程桩桩底深度确定方法

技术领域

本发明涉及的是一种土木工程桩基工程质量检测领域的方法，具体是一种基于旁孔透射波拐点法的既有工程桩桩底深度确定方法。

背景技术

与上部基础和结构相连接的既有工程桩，在使用状态下进行复检和评估，还是桩基检测中的难题。对于年代久远的工程结构，其设计或施工记录可能已难以查询。若出现有如拟通行更大载重的车辆而需要提高桥梁桩基的承载力、地震后需要检验桩基是否受到损伤，或是在长期的冲刷作用下，桩周土被冲走或变松散以致桩基承载力减小等情况，对基桩长度和完整性的检测就会显得尤为重要。

在目前的桩基检测技术中，低应变反射波法以其检测快捷、成本低、效果好而得到了普及应用。其中，低应变反射波法和机械阻抗法是最普遍采用的两种方法。对于既有的桥梁、码头，桩柱上部有梁、板、承台等平台存在，通过在平台上竖向激振，应力波会在平台上下界面多次反射，只有较少能量透射到桩身，桩底反射往往较为微弱。微弱的桩底反射与干扰信号叠加后，更难以识别桩底反射位置。而采用机械阻抗法测试桩顶有平台的基桩，频域峰值往往平坦和不易识别。另外，对于高桩码头、桥梁等结构，也可在桩侧以尽量接近竖向进行激振，然激振后向上传播的波形在遇到上部结构后产生反射，而且因偏心产生的弯曲波会与桩底反射波叠加而干扰桩底反射波的识别，增加了识别桩底反射波的难度，以致较难有效检测桩长和完整性。

旁孔透射波法的提出主要针对既有工程桩的检测，然现有旁孔透射波交点法、校正法确定桩底深度是以首至波走时沿深度方向确定两条拟合线为基础，通过该两拟合线的交点直接或对其修正后确定桩底深度。但现有方法主要存在以下不足：1)当首至波位置不易识别以致难以有效确定两拟合线时，采用现有旁孔透射波交点法、校正法则无法确定桩底深度；2)层状地基下首至波走时不连续，两条拟合线确定不够准确，以此两线交点确定桩底深度误差较大；3)由于桩侧至探孔中心距离(简称“旁孔距”)的存在，旁孔透射波交点法确定桩底深度偏深，当旁孔距较大时交点法确定桩底深度误差较大；4)桩底段拟合直线应由至桩底深度大于5倍旁孔距的测点首至波走时点确定，即探孔深度至少超过预计桩底深度大于5倍旁孔距，否则确定的桩底段拟合直线不准确，当孔深不足时通过目前的旁孔透射波校正法确定桩底深度偏浅，若在测试完毕进行数据分析时发现测孔深不够，由此确定的桩底深度结果不可靠，此时再重新钻探孔测试无疑会增加人力、财力、时间成本。基于以上四点考虑，现有旁孔透射波法尚难以满足工程实际应用。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102296645A公开(公告)日2013.10.23，公开了一种桩基质量检测方法及其装置，包括：由微型速度或加速度传感器形成的10厘米左右间隔检波器串，检波器串的输出信号通过信号电缆与多道同步弹性波采集仪器连接；去除桩基的桩头浮浆，清洁桩头，用钻孔机械在桩头中央部位形成与桩基轴向平行的检测孔，孔径50厘米左右、孔深1米左右；顺检测孔放置检波器串，用机械或充气气囊等使各个检波器与检测孔壁紧密贴附；在桩头用锤击等方式激励弹性波，多道同步弹性波采集仪器通过信号电缆记录弹性波响应信号，重复锤击形成信号叠加；将多道弹性波响应信号所包含的上行波和下行波进行行波分离，压制或滤出下行波，保留反映桩基下部缺陷反射信号的上行波，根据缺陷反射上行波信号的相关性进行偏移叠加，形成桩顶面激发和接收的反射信号，获取桩基下部缺陷位置和性质。但该现有技术与本发明相比的缺陷和不足在于：该技术只能检测在建工程桩，对既有工程桩问题无能为力；同时需要多个检波器，增加检测设备的成本；在桩身钻孔时对桩基有一定破坏，本发明将测孔置于距桩侧一定距离地基土中，对桩基无任何破坏作用。

发明内容

本发明针对目前既有工程桩无法有效确定桩底深度的问题，提出一种基于旁孔透射波拐点法的既有工程桩桩底深度确定方法。该方法不受上部结构对波形的影响，检测方便，通过确定拐点位置并对其采用推荐公式修正后确定桩底深度，确定桩底深度简单而直观。与现有旁孔透射波交点法、校正法是基于两线交点确定桩底深度的方法相比，旁孔透射波拐点法探孔深度要求较低，精度高，确定拐点位置简单直观，探孔只需超过预计待测桩底以下2～3m即可，对于无工程经验的技术人员也具有较好的可操作性，较好解决了目前既有工程桩难以确定桩底深度的难题。

本发明是通过以下技术方案实现的：本发明通过在桩侧钻探孔后在探孔内检波，并根据不同深度信号沿深度生成时间‐深度信号图，通过在时间‐深度信号图中确定拐点，并对拐点深度通过拐点深度修正公式修正后得到桩底深度。

本发明具体包括以下步骤：通过在待检测的既有工程桩附近钻探孔、埋测管，并将管内注满清水；检测时先将检波器置于钻孔测管口或管底，通过一定的激振方式在既有工程桩上生成机械波的同时，在测管内检测振动信号，并且在一个激振‐检波周期后将检波器的高度下降或提升0.2～1m，重复直至检波器置于钻孔底部或顶部以接收测孔不同深度的信号；在一次测量循环后可初步判断桩底深度范围，并在该范围适当加密测点可提高检测精度；最后将不同深度信号沿深度布置为时间‐深度信号图，在时间‐深度信号图中确定拐点并对其由推荐公式修正后得到的深度即为桩底深度。

所述的探孔为竖直钻打，孔深超过预计桩底以下2～3m；所述的旁孔距为0～3m。

所述的埋测管的管底经封闭严实处理后，向管内注满清水，并将管周回填土砂至管周密实。

所述的埋测管是采用PVC管。

所述的检波器是采用水听器，检测时水听器是悬挂在灌满水的测管中，激振锤和检波器均通过线缆与示波器连接。

所述的激振方式包括但不限于由激振锤竖向或水平向敲击桩顶承台、梁、板、桩、柱、基础外侧或建筑外墙等。

所述的激振锤采用普通铁锤，重量1.4～5.5kg，且在同一组检波的时间‐深度信号图中，锤子应在同一位置敲击。

所述的测管内接收的首至波，其路径遵循最小走时原理，由于桩、土间波速相差悬殊，激振后波动首先沿桩身向下传播，在某一深度的桩、土界面或桩底透射到土中，并被检波器接收。

所述的拐点，即测点信号首至波走时整体逐渐右偏离上段拟合直线的起点，具体是指：在时间‐深度坐标系中，从桩顶至桩底附近的测点首至波走时可拟合一条直线，在桩底深度附近往下首至波走时整体向右逐渐偏离该拟合直线的起点即为拐点。

所述的拐点深度修正公式为其中D为旁孔距；n′为近似桩土波速比，即桩侧段首至波拟合直线斜率代表的桩身P波波速与探孔超过预计桩底至少2～3m时桩底段首至波拟合直线斜率代表的近似桩底土P波速度之比，具体是指：探孔中孔口至拐点深度的测点，首至波在桩身某位置以固定透射角斜向下透射到测点深度，桩身透射点至测点的竖向透射深度为恒定值L_d；从拐点以下透射角逐渐增大，透射深度逐渐增加。拐点是从探孔口以下桩身透射深度为恒定值的终点，也是桩底透射深度为渐变值段的起点，故时间‐深度信号图中拐点位置大于实际桩底深度L_d，由拐点位置减去修正值L_d即为理论上的桩底深度。若以n代表桩土波速之比，n的获取需通过桩侧段首至波拟合直线斜率代表的桩身P波波速与测点超过预计桩底5倍旁孔距时桩底段首至波拟合直线斜率代表的桩底土P波速度之比，在拐点法修正公式L_d表达式中以n′近似n，这一近似处理对L_d和桩底深度产生的误差很小，可忽略不计。

附图说明

图1为旁孔透射波拐点法检测原理图；

图2为旁孔透射波拐点法的时间‐深度信号图；

图3为首至波走时确定示意图；

图4为首至波走时曲线及拐点确定图；

图5为时间‐深度信号图及拐点确定图；

其中：1桩顶荷载传递梁、板、承台或基础、建筑外墙等结构、2桩基、3示波器、4地基、5激振锤、6检波器、7测管、8桩身透射波、9拐点、10交点。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例中待测桩桩底设计深度20m，桩径0.6m。桩顶有承台，承台尺寸长3m、宽1m、高1m。旁孔距D为2m，地基为均匀非饱和地基，激振方式为承台上竖敲。旁孔透射波法检测如图1所示，其具体实施方法和步骤为：

1)测试准备，清理场地，在待测既有工程桩附近2m远处钻孔，孔中下放管径80mm的PVC探管，PVC管沿钻孔全长布置，管底封堵密实，防止漏水和杂物进入，管周回填土让其密实，探孔深24m，并将管内注满清水。

2)将激振锤与检波器均通过线缆连接于示波器，检测时先将检波器先置于旁孔管口，并用激振锤在承台上对应桩位置竖敲；每敲击、检波一次后将检波器高度下降0.5m，重复激振、检波、下降检波器高度0.5m这一过程，以接收旁孔不同深度的信号，如图1所示。

3)将信号沿深度方向布置成时间‐深度信号图，如图2所示。

4)对图2中的信号根据出现波动的起始点判读首至波走时，判读方式如图3所示。图4所示是首至波走时沿深度的曲线图，对桩侧段首至波走时直线拟合确定上段拟合直线，将测点首至波走时整体逐渐右偏离上段拟合直线的起点9确定为拐点。

5)由拐点位置点9确定桩底深度初值为20.2m。上段首至波拟合直线斜率代表的桩身P波波速3751m/s和桩底22～24m段首至波直线拟合斜率近似的桩底土P波波速328m/s可确定近似桩土波速比n′为11.4，旁孔距D为2m，由此拐点深度修正值最终确定的桩底深度20m，与设计桩底深度吻合。

6)若通过目前的旁孔透射波交点法确定桩底深度，由桩侧和桩底段首至波走时分别直线拟合确定的两条拟合直线交点，即将图4中点10确定为桩底深度，得到的桩底深度为21.1m，误差为5.5％。

7)若通过目前的旁孔透射波校正法确定桩底深度，由该方法的校正式对交点法确定桩底深度的图4中点10进行修正，由于孔深不够只能由n′近似n，计算得校正值L_R＝2.2m，最后确定的桩底深度18.9m，误差为-5.5％。

8)通过比较旁孔透射波拐点法与目前工程应用中确定桩底深度的交点法、校正法，本发明确定拐点位置操作简单，精度高，不需钻孔深度必须超过桩底深度至少5倍桩孔距的条件，对于无工程经验的技术人员也具有较好的可操作性。由于本实施例中探孔深不满足超过桩底5D的条件，旁孔透射波校正法确定桩底深度偏浅，且误差较大；由于本实施例中桩孔距较大(2m)，直接采用交点法确定桩底深度确定的桩底深度偏深。

实施例2

本实施例中待测桩桩底设计深度39m，桩径1.3m。顶部连接承台，其中承台厚度0.2m，测试场地地面与承台顶面平行。在具待测桩侧0.5m位置布置探孔，孔深46m，孔中下放管径80mm的PVC探管，PVC管沿钻孔全长布置。管底封堵密实，防止漏水和杂物进入。探管下放后回填使探管外壁和土层结合紧密。在承台对应桩的位置竖敲激振而进行旁孔透射波拐点法测试。测试时先将检波器置于孔底，每敲击承台顶一次，检波并提检波器升0.5m，重复这一过程直至检波器露出地面。地下水位在地面以下6m。旁孔透射波法检测如图1所示，其具体实施方法和步骤为：

1)除旁孔距0.5m，测孔深46m，其它检测步骤均与实施例1的步骤1)、步骤2)一致。

2)将信号沿深度方向布置成时间‐深度信号图，如图5所示。

3)对图5中的信号根据出现波动的起始点判读首至波走时，判读方式如图3所示。对桩侧段首至波进行直线拟合确定上段拟合直线，将测点首至波走时整体逐渐右偏离上段拟合直线的起点9确定为拐点。通过拐点判断桩底深度初值为39.8m位置。上段首至波拟合直线斜率代表桩身P波波速3829m/s；由于探孔深度至预计桩底深度超过5倍旁孔距，由桩底44～46m段首至波拟合直线斜率1451m/s即为桩底土的P波波速，由此可确定近似桩土波速比n′＝n＝2.6，旁孔距D为0.5m，由此拐点深度修正值最终确定的桩底深度39.6m，与设计桩底深度39m误差1.5％。

4)若通过工程应用中的旁孔透射波交点法确定桩底深度，由桩侧和桩底段首至波走时分别确定的两条拟合直线交点，即图5中点10确定为桩底深度，得到的桩底深度为40.6m，误差为4.1％。

5)若通过工程应用中旁孔透射波校正法确定桩底深度，由该方法的交点深度校正式对交点深度图5中点10进行修正，由桩底44～46m段首至波拟合直线斜率1451m/s，可确定桩土波速比n为2.6，计算得校正值L_R＝0.9m，最后确定的桩底深度39.7m，误差为1.8％。

6)本实施例中由于探孔深满足超过桩底5D的条件，旁孔透射波校正法确定桩底深度误差与本发明方法基本一致，然本方法确定拐点简单、直观、精度高，对于无工程经验的技术人员也具有较好的可操作性。对旁孔距较大条件下，如旁孔距达3m时，采用旁孔透射波校正法准确确定桩底深度探孔底至桩底至少15m，而本发明只需超过预计桩底2～3m即可，大大减小了测孔深度，节省成本，便于工程的实际应用；当钻孔测试后发现孔深不满足超过预计桩底深度大于5倍桩孔距时，采用旁孔透射波校正法则需再次钻孔，否则确定的桩底深度存在误差，本发明在该条件下同样可进行测试并具有较高精度。

Claims (8)

1.一种基于旁孔透射波拐点法的既有工程桩桩底深度确定方法，其特征在于，通过在桩侧钻探孔后在探孔内检波，并根据不同深度信号沿深度生成时间-探孔深度信号图，通过在时间-探孔深度信号图中确定拐点，并对拐点深度通过拐点深度修正公式修正后得到桩底深度；

所述的拐点深度修正公式为其中：D为旁孔间距，n′为近似桩土波速比，即：a)桩侧段首至波拟合直线斜率代表的桩身P波波速，与b)测点深度超过预计桩底深度至少2～3m时桩底段首至波拟合直线斜率代表的近似桩底土P波波速的比值。

2.根据权利要求1所述的基于旁孔透射波拐点法的既有工程桩桩底深度确定方法，其特征是，具体包括以下步骤：通过在待检测的既有工程桩附近钻探孔、埋测管，并将管内注满清水；检测时：

a)先将检波器置于测管管口，通过激振方式在工程桩上生成机械波的同时，在测管内检测振动信号，并且在一个激振-检波周期后将检波器的高度下降0.2～1m，重复直至检波器置于钻孔底部以接收探孔不同深度的信号，或者是：

b)先将检波器置于测管管底，通过激振方式在工程桩上生成机械波的同时，在测管内检测振动信号，并且在一个激振-检波周期后将检波器的高度提升0.2～1m，重复直至检波器置于钻孔顶部以接收探孔不同深度的信号；

最后将不同深度信号沿深度布置为时间-探孔深度信号图，图中拐点深度减去拐点修正公式计算值后即为桩底深度。

3.根据权利要求1或2所述的基于旁孔透射波拐点法的既有工程桩桩底深度确定方法，其特征是，所述的探孔中心与待测既有工程桩间距为0～3m；所述的探孔为竖直钻打，孔深超过预计桩底2～3m。

4.根据权利要求2所述的基于旁孔透射波拐点法的既有工程桩桩底深度确定方法，其特征是，所述的测管的管底经封闭严实处理后，向管内注满清水，并将管周回填土砂至管周密实。

5.根据权利要求2或4所述的基于旁孔透射波拐点法的既有工程桩桩底深度确定方法，其特征是，所述的测管采用PVC管。

6.根据权利要求2所述的基于旁孔透射波拐点法的既有工程桩桩底深度确定方法，其特征是，所述的检波器悬挂在灌满水的测管中，激振锤和检波器均通过线缆与示波器连接。

7.根据权利要求2所述的基于旁孔透射波拐点法的既有工程桩桩底深度确定方法，其特征是，所述的激振方式包括由激振锤竖向敲击桩顶承台、梁、板，桩、柱，或由激振锤水平向敲击桩顶承台、梁、板，桩、柱、基础外侧或建筑外墙。

8.根据权利要求7所述的基于旁孔透射波拐点法的既有工程桩桩底深度确定方法，其特征是，所述的激振锤采用普通铁锤，重量1.4～5.5kg，且在同一组检波的时间-探孔深度信号图中，锤子在同一位置敲击。