CN105971037A - 一种既有工程桩桩底深度确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种既有工程桩桩底深度确定方法，在待测桩的桩侧钻测孔并在靠近桩侧附近进行地面激振，通过接收测孔中不同深度的信号进行待测桩的桩底深度分析并确定所述待测桩的桩底深度。本发明提出一种基于桩侧地面激振进行既有工程桩桩底深度确定的方法，即通过在桩侧钻测孔，在靠近桩侧的地面激振并收集测孔中不同深度的信号进行桩底深度分析。本发明为当桩基及其上部基础、承台等均不具备激振条件下提供了一种有效的桩基检测方法，亦可用于桩基具备激振条件下桩基检测的备用手段，对上部结构和基桩均无损坏，无需对桩做额外处理，桩身完整性判断简单且桩底深度无需修正，操作简单，便于推广应用。

Description

一种既有工程桩桩底深度确定方法
技术领域
本发明涉及土木工程质量检测的技术领域，更具体地讲，涉及一种基于地面激振的既有工程桩桩底深度确定方法。
背景技术
在使用状态下对仍与上部基础和结构相连接的既有工程桩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。对于既有桥梁、码头，桩上部有梁、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。
现有既有工程桩基检测方式之一是通过在桩身或桩顶承台上敲击的同时在桩侧附近钻取的竖向探孔中检波，通过对信号的进一步分析确定桩底深度或桩身完整性。然而该方法在不具备在桩基顶面或侧面激振条件时，无法有效进行桩基检测；且需要对桩底深度进行一定修正后才能得到实际桩底深度，否则确定的桩底深度偏大，对于实际工程偏不安全。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种当桩基及其上部基础、承台等均不具备激振条件下的有效桩基检测方法。
本发明提供了一种既有工程桩桩底深度确定方法，在待测桩的桩侧钻测孔并在靠近桩侧附近进行地面激振，通过接收测孔中不同深度的信号进行待测桩的桩底深度分析并确定所述待测桩的桩底深度。
根据本发明既有工程桩桩底深度确定方法的一个实施例，所述测孔为竖直钻打孔并且所述测孔的中心与待测桩之间的间距为0～3m，其中，所述测孔中放置有PVC测管并且所述PVC测管内注满清水。
根据本发明既有工程桩桩底深度确定方法的一个实施例，所述地面激振是根据现场条件以最接近待测桩的位置放置地面激振板并利用激振锤在地面激振板上竖向激振或在地面激振板两侧水平激振的激振方式。
根据本发明既有工程桩桩底深度确定方法的一个实施例，所述激振锤为1.4～5.5kg的普通铁锤或脉冲锤。
根据本发明既有工程桩桩底深度确定方法的一个实施例，所述接收测孔中不同深度的信号包括以下步骤：
将检波器置于所述测孔的底部，进行地面激振；
在一个激振-检波周期结束后，将检波器的高度提升0.2～1m并继续进行地面激振，重复操作直至检波器到达测孔孔口；
将检波器接收的信号按照检波深度布置为时间-深度信号图。
根据本发明既有工程桩桩底深度确定方法的一个实施例，所述进行待测桩的桩底深度分析并确定所述待测桩的桩底深度包括以下步骤：
读取所述时间-深度信号图中各信号的首至波走时t和对应的检波深度Z，绘制各信号的首至波走时t与对应的检波深度Z的散点图；
确定所述散点图中的转折点，其中，所述转折点对应的检波深度为Z1；
选取所述散点图中检波深度大于Z1的多个点并利用所述多个点的首至波走时t和对应的检波深度Z拟合得到桩底段的双曲线及双曲线方程，通过所述双曲线的中心点坐标确定桩底深度。
根据本发明既有工程桩桩底深度确定方法的一个实施例，所述多个点的数量至少为4个以上，优选为10个以上。
根据本发明既有工程桩桩底深度确定方法的一个实施例，所述双曲线方程为a(t-t0)2-b(Z-L)2＝1，其中，t、Z分别代表信号的首至波走时和对应的检波深度，a、b、t0为拟合确定的常数，所述双曲线的中心点坐标为(t0，L)，L为待确定的桩底深度。
根据本发明既有工程桩桩底深度确定方法的一个实施例，所述激振锤和检波器均通过线缆与示波器连接。
根据本发明既有工程桩桩底深度确定方法的一个实施例，所述方法适用于待测桩的桩基及其上部基础、承台均不具备激振条件的工况。
与现有技术相比，本发明提出一种基于桩侧地面激振进行既有工程桩桩底深度确定的方法，即通过在桩侧钻测孔，在靠近桩侧的地面激振并收集测孔中不同深度的信号进行桩底深度分析。本发明为当桩基及其上部基础、承台等均不具备激振条件下提供了一种有效的桩基检测方法，亦可用于桩基具备激振条件下桩基检测的备用手段，对上部结构和基桩均无损坏，无需对桩做额外处理，桩身完整性判断简单且桩底深度无需修正，操作简单，便于推广应用。
附图说明
图1示出了根据本发明既有工程桩桩底深度确定方法的检测原理示意图。
图2示出了实施例中进行地面激振后获得的时间-深度信号图。
图3示出了实施例中确定首至波走时的原理示意图。
图4示出了实施例中各信号的首至波走时t与对应的检波深度Z的散点图。
图5示出了实施例中拟合双曲线并确定桩底深度的示意图。
附图标记说明：
1-桩顶荷载传递梁、板、承台或基础、2-待测桩、3-示波器、4-地基、5-激振锤、6-检波器、7-PVC测管、8-桩身透射波、9-透射到桩身的波、10-上部建筑、11-地面激振板、12-转折点、13-双曲线中心点、14-上段直线、15-右半支双曲线。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
现有既有工程桩基检测方式之一是通过在桩身或桩顶承台上敲击的同时在桩侧附近钻取的竖向探孔中检波，通过对信号的进一步分析确定桩底深度或桩身完整性。然而该方法在不具备在桩基顶面或侧面激振条件时，无法有效进行桩基检测；且需要对桩底深度进行一定修正后才能得到实际桩底深度，否则确定的桩底深度偏大，对于实际工程偏不安全。由此，本发明提出了一种基于地面激振来确定既有工程桩桩底深度的方法。
根据本发明的示例性实施例，所述既有工程桩桩底深度确定方法是在待测桩的桩侧钻测孔并在靠近桩侧附近进行地面激振，通过收集测孔中不同深度的信号进行待测桩的桩底深度分析并确定待测桩的桩底深度。
下面对上述既有工程桩桩底深度确定方法进行具体说明。
图1示出了根据本发明既有工程桩桩底深度确定方法的检测原理示意图。
如图1所示，根据本发明，上述测孔为竖直钻打孔并且测孔的中心与待测桩2之间的间距为0～3m。在打好测孔之后，向测孔中放入PVC测管7并向PVC测管7内注满清水。具体地，放入PVC测管7之后在管周回填土让其密实，并在向管内注满清水之前将管底密封严实以防止漏水和杂物进入。
之后需要放置地面激振板11以进行地面激振，根据本发明，地面激振是根据现场条件以最接近待测桩2的位置放置地面激振板11并利用激振锤5在地面激振板11上竖向激振或在地面激振板11两侧水平激振的激振方式。由于桩土波速的显著差异性，波动从激振点到达测孔中检波器6的传播路径并不是沿直线传播，而是从激振点透射到桩身后沿桩身向下传播，并在桩侧或桩底透射到地基土中被检波器6接收，具体可以参见图1中的桩身透射波8和透射到桩身的波9。其中，激振点优选地设置为距离待测桩侧面0～1m。
地面激振板11应尽量靠近待测桩设置，具体可以采用本领域已有的激振板结构；并且本发明采用的激振锤5可以为1.4～5.5kg的普通铁锤或脉冲锤。并且，激振锤5和检波器6均通过线缆与示波器3连接。
之后通过地面激振来接收测孔中不同深度的信号，具体可以包括以下步骤：首先，将检波器6置于测孔的底部，进行地面激振，此时位于测孔内的检波器6接收到桩身透射波8并通过示波器3记录和显示出来；其次，在一个激振-检波周期结束后，将检波器6的高度提升0.2～1m并继续进行地面激振，重复操作直至检波器6到达测孔孔口；将检波器6接收的信号按照检波深度布置为时间-深度信号图。
再利用所得的时间-深度信号图进行待测桩的桩底深度分析并确定待测桩的桩底深度，具体可以包括以下步骤：先读取时间-深度信号图中各信号的首至波走时t和对应的检波深度Z，并绘制各信号的首至波走时t与对应的检波深度Z的散点图；确定所述散点图中的转折点，其中，所述转折点对应的检波深度为Z1；选取散点图中检波深度大于Z1的多个点并利用该多个点的首至波走时t和对应的检波深度Z拟合得到桩底段的双曲线及双曲线方程，通过所述双曲线的中心点坐标确定桩底深度。其中，读取首至波走时可以采用现有方法进行，即以信号偏离时间轴的起点位置作为首至波走时，具体原理如图3所示；拟合也可以采用现有方法进行，即以首至波走时作为横坐标，其所在深度作为纵坐标，基于最小二乘法原理，采用通用或专用数学软件(如Matlab等)进行分析，从原理上分析，需要的拟合点不应小于4个，但为了保证精度，拟合点不宜小于10个。
本发明的关键在于将读取得到的首至波走时数据拟合得到桩底段的双曲线方程并利用该方程来获得桩底深度。具体地，各信号首至波走时沿着检波深度的分布在理论上是呈一条直线与右支双曲线相交的图形，中间会出现一个转折点12，转折点12以上近似于一条直线，转折点以下近似于部分右半支双曲线15。转折点12以上的部分数据拟合后得到的直线段部分(上段直线14)可以用作桩身完整性分析，本发明可以不利用这部分数据，而仅利用转折点12以下的部分数据进行双曲线的拟合。其中，转折点12的判断可以根据首至波走时整体逐渐右偏离上段直线15的起点来确定，在此不进行详细赘述。
根据本发明，上述双曲线方程为a(t-t0)2-b(Z-L)2＝1，其中，t、Z分别代表信号的首至波走时和对应的检波深度，a、b、t0为拟合确定的常数，所述双曲线的中心点13坐标为(t0，L)，L为待确定的桩底深度。根据所拟合得到的双曲线方程即可读取出双曲线的中心点坐标，继而得到桩底深度L，具体原理如图5所示。
本发明的上述方法尤其适用于待测桩的桩基及其上部基础、承台均不具备激振条件的工况，但也亦可用于桩基具备激振条件下桩基检测的备用手段。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例：
在近似均匀地基场地，地基4S波速为140m/s，P波速为1400m/s，待测桩2的桩底深度为20m，桩径为1.0m；测孔中心距待测桩的间距为2m，桩顶荷载传递梁、板、承台或基础1的顶面与地面平齐，上部建筑10建筑在桩顶荷载传递梁、板、承台或基础1上。地面激振板11的尺寸(长×宽×高)为0.5m×0.2m×0.1m，板上激振点距离桩侧表面距离为0.3m，检测原理如图1所示。本实施例是通过对桩底段首至波走时曲线进行双曲线拟合，确定双曲线及其方程，进而通过双曲线的中心点确定桩底深度。
具体实施方法和步骤为：
1)测试准备并清理场地，在待测桩2附近2m远处钻测孔，孔深35m；在孔中下放管径为80mm的PVC测管7，管长35m；管周回填土让其密实，并将管内注满清水，管底密封严实，防止漏水和杂物进入。
2)将激振锤5与检波器6均通过线缆连接于示波器3，检测时先将检波器5置于测孔孔底，并用激振锤2在地面激振板11上距离待测桩侧面0.3m的位置进行竖向敲击激振；检波后将检波器高度提升0.5m，重复激振、检波、提升检波器高度0.5m这一系列操作，以接收测孔中不同深度的信号，具体原理如图1所示。
3)将各信号按照检波深度布置成时间-深度信号图，具体如图2所示。
4)根据信号出现波动的起始点判读首至波走时并以信号偏离时间轴的起点位置作为首至波走时，判读方式如图3所示；依次对图2中所示的各信号判读首至波走时，然后绘制各信号的首至波走时t与对应的检波深度Z的散点图，如图4所示。
5)根据图3示出的时间-深度信号图和图4示出的各信号的首至波走时t与对应的检波深度Z的散点图进行分析，可以发现在21m的检波深度位置出现了波形的显著变化且首至波走时沿深度方向的斜率变小，由此将检波深度为21m对应的点确定为转折点12，并由此选用检波深度为21～35m的多个点作为桩底双曲线的拟合数据点，拟合结果具体如图5所示。
拟合得到的双曲线方程为497025(t-0.0055)2-0.25(Z-20.1)2＝1，t、Z分别代表信号的首至波走时和对应的检波深度，拟合得到的双曲线可以参见图5。由此确定拟合的双曲线中心点13的坐标为(0.0055，20.1)，继而确定桩底深度为20.1m，该数值与实际施工的桩长度20m较吻合，误差仅为0.5％。
本发明为当桩基及其上部基础、承台等均不具备激振条件下提供了一种有效的桩基检测方法，亦可用于桩基具备激振条件下桩基检测的备用手段，对上部结构和基桩均无损坏，无需对桩做额外处理，桩身完整性判断简单且桩底深度无需修正，操作简单，便于推广应用。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种既有工程桩桩底深度确定方法，其特征在于，在待测桩的桩侧钻测孔并在靠近桩侧附近进行地面激振，通过接收测孔中不同深度的信号进行待测桩的桩底深度分析并确定所述待测桩的桩底深度。
2.根据权利要求1所述的既有工程桩桩底深度确定方法，其特征在于，所述测孔为竖直钻打孔并且所述测孔的中心与待测桩之间的间距为0～3m，其中，所述测孔中放置有PVC测管并且所述PVC测管内注满清水。
3.根据权利要求1所述的既有工程桩桩底深度确定方法，其特征在于，所述地面激振是根据现场条件以最接近待测桩的位置放置地面激振板并利用激振锤在地面激振板上竖向激振或在地面激振板两侧水平激振的激振方式。
4.根据权利要求3所述的既有工程桩桩底深度确定方法，其特征在于，所述激振锤为1.4～5.5kg的普通铁锤或脉冲锤。
5.根据权利要求3所述的既有工程桩桩底深度确定方法，其特征在于，所述接收测孔中不同深度的信号包括以下步骤：
将检波器置于所述测孔的底部，进行地面激振；
在一个激振-检波周期结束后，将检波器的高度提升0.2～1m并继续进行地面激振，重复操作直至检波器到达测孔孔口；
将检波器接收的信号按照检波深度布置为时间-深度信号图。
6.根据权利要求5所述的既有工程桩桩底深度确定方法，其特征在于，所述进行待测桩的桩底深度分析并确定所述待测桩的桩底深度包括以下步骤：
读取所述时间-深度信号图中各信号的首至波走时t和对应的检波深度Z，绘制各信号的首至波走时t与对应的检波深度Z的散点图；
确定所述散点图中的转折点，其中，所述转折点对应的检波深度为Z1；
选取所述散点图中检波深度大于Z1的多个点并利用所述多个点的首至波走时t和对应的检波深度Z拟合得到桩底段的双曲线及双曲线方程，通过所述双曲线的中心点坐标确定桩底深度。
7.根据权利要求6所述的既有工程桩桩底深度确定方法，其特征在于，所述多个点的数量至少为4个以上，优选为10个以上。
8.根据权利要求6所述的既有工程桩桩底深度确定方法，其特征在于，所述双曲线方程为a(t-t0)2-b(Z-L)2＝1，其中，t、Z分别代表信号的首至波走时和对应的检波深度，a、b、t0为拟合确定的常数，所述双曲线的中心点坐标为(t0，L)，L为待确定的桩底深度。
9.根据权利要求5所述的既有工程桩桩底深度确定方法，其特征在于，所述激振锤和检波器均通过线缆与示波器连接。
10.根据权利要求1所述的既有工程桩桩底深度确定方法，其特征在于，所述方法适用于待测桩的桩基及其上部基础、承台均不具备激振条件的工况。
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