一种基于多波联合测试的既有工程桩桩底深度确定方法与流程

本发明涉及土木工程质量检测的技术领域，更具体地讲，涉及一种基于多波联合测试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。

通过对现有技术文献检索发现，中国专利文献号CN103953076A公开(公告)日2014.07.30，公开了一种基于旁孔透射波拐点法确定桩底深度的方法。但该方法是利用首至波走时曲线中的拐点确定桩底深度，不涉及通过激发桩身弯曲波进行桩底深度的识别，亦不涉及通过一次测试同时利用桩身透射到土中的P波和S波信息进行多波联合测试。

技术实现要素：

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基于多波联合测试的既有工程桩桩底深度确定方法。

本发明提供了一种基于多波联合测试的既有工程桩桩底深度确定方法，所述方法包括以下步骤：

A、在待测桩的桩侧钻测孔并在待测桩的桩侧分别沿着桩孔连线方向和垂直桩孔连线方向对待测桩进行水平激振，同时在测孔内进行不同深度的检波；

B、根据不同激振方向检波的信号分别生成桩孔连线方向时间-深度信号图和垂直桩孔连线方向时间-深度信号图；

C、读取所述桩孔连线方向时间-深度信号图中的首至FP波走时并通过线性拟合确定上段FP波拟合线和下段FP波拟合线，读取所述垂直桩孔连线方向时间-深度信号图中的首至FS波走时并通过线性拟合确定上段FS波拟合线和下段FS波拟合线，绘制得到桩底深度确定图；

D、利用所述桩底深度确定图分别确定上段FP波拟合线与下段FP波拟合线的交点、上段FP波拟合线与下段FS波拟合线的交点以及上段FS波拟合线与下段FS波拟合线的交点，分别对三个交点的深度值进行修正后确定待测桩的桩底深度。

根据本发明基于多波联合测试的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且桩孔距为0～3m，所述测孔的深度超过预测桩底深度且大于5倍桩孔距，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。

根据本发明基于多波联合测试的既有工程桩桩底深度确定方法的一个实施例，所述水平激振为由激振锤沿着水平方向敲击桩侧或基础外侧，其中，所述水平方向包括沿着桩孔连线方向的水平方向和沿着垂直桩孔连线方向的水平方向。

根据本发明基于多波联合测试的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，并且激振锤和检波器均通过线缆与示波器连接。

根据本发明基于多波联合测试的既有工程桩桩底深度确定方法的一个实施例，在步骤A中，在测孔内进行不同深度的检波包括以下步骤：

将激振锤与检波器均通过线缆连接于示波器，将检波器置于所述测孔的底部；

用激振锤在待测桩的桩侧分别沿着桩孔连线方向和垂直桩孔连线方向对待测桩进行水平激振，检波后将检波器的高度提升0.2～1m；

重复进行两个方向的水平激振、检波和提升检波器高度0.2～1m的操作直至检波器到达测孔孔口，完成检波。

根据本发明基于多波联合测试的既有工程桩桩底深度确定方法的一个实施例，在步骤C中，根据上段FP波拟合线的方程、下段FP波拟合线的方程、上段FS波拟合线的方程和下段FS波拟合线的方程分别确定上段FP波拟合线、下段FP波拟合线、上段FS波拟合线和下段FS波拟合线的斜率，其中，上段FP拟合线的斜率和上段FS波拟合线的斜率均对应于桩身弯曲波波速，下段FP波拟合线的斜率对应于桩底地基土P波波速，下段FS波拟合线的斜率对应于桩底地基土S波波速。

根据本发明基于多波联合测试的既有工程桩桩底深度确定方法的一个实施例，在步骤D中，分别对三个交点的深度值进行修正后确定待测桩的桩底深度包括以下步骤：

将上段FP波拟合线与下段FP波拟合线的交点的深度值减去第一修正值得到L₁；

将上段FP波拟合线与下段FS波拟合线的交点的深度值减去第二修正值得到L₂；

将上段FS波拟合线与下段FS波拟合线的交点的深度值减去第三修正值得到L₃；

选取L₁、L₂和L₃中的一个值作为待测桩的桩底深度，其中，n₁′为平均桩身弯曲波波速与桩底地基土P波波速之比，n₂′为平均桩身弯曲波波速与桩底地基土S波波速之比，D为桩孔距；所述平均桩身弯曲波波速为上段FP拟合线的斜率和上段FS波拟合线的斜率的平均值。

根据本发明基于多波联合测试的既有工程桩桩底深度确定方法的一个实施例，将L₁、L₂和L₃取平均值并将所得平均值作为待测桩的桩底深度。

与现有技术相比，本发明的方法不受上部结构对波形的影响，在桩侧水平激振即可，检测方便且综合利用了桩身透射到土中的P波和S波，分析方法简单，通过一次测试可同时确定多个桩底深度值，多信息源的利用可减小系统误差，多个桩底深度值可相互验证，提高分析测试精度和可靠性。对于无工程经验的技术人员也具有较好的可操作性，扩宽了现有旁孔透射波法的应有范围及测试分析效果。

附图说明

图1示出了采用本发明基于多波联合测试的既有工程桩桩底深度确定方法检测既有工程桩桩底深度示意图。

图2示出了沿着桩孔连线方向进行水平激振的示意图。

图3示出了沿着垂直桩孔连线方向进行水平激振的示意图。

图4示出了读取首至波走时的原理图。

图5示出了实施例1中的桩孔连线方向时间-深度信号图。

图6示出了实施例1中的垂直桩孔连线方向时间-深度信号图。

图7示出了实施例1中的桩底深度确定图。

附图标记说明：

1-桩顶上部结构、2-待测桩、3-示波器、4-地基、5-激振锤、6-检波器、7-测孔、8-桩身透射波、9-桩孔连线方向、10-垂直桩孔连线方向、11-上段FP波拟合线、12-下段FP波拟合线、13-上段FS波拟合线、14-下段FS波拟合线、A-上段FP波拟合线与下段FP波拟合线的交点、B-上段FP波拟合线与下段FS波拟合线的交点、C-上段FS波拟合线与下段FS波拟合线的交点。

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。

旁孔透射波法的提出主要针对既有工程桩的检测。现有旁孔透射波法确定桩底深度是通过在桩侧敲击的同时在桩身钻取的竖向探孔中检波，并形成时间-深度信号图，确定图中首至波走时并拟合确定两条直线，以两线交点直接或修正后确定桩底深度。该方法主要存在以下不足：1)现有旁孔透射波法主要是基于激发桩身一维P波进行测试，在桩侧或桩顶承台上应竖向或接近竖向进行敲击；当桩顶已连接上部结构，由于没有相应的竖向激振工作面而难以激发桩身一维P波，以致就会影响测试效果；2)现有旁孔透射波法即使有提到可以采取桩侧水平敲击的方式，但没有明确水平敲击确定桩底深度的理论基础和分析方法，实际上水平激振是激发桩身弯曲波，其在确定桩底深度的理论基础与方法与基于桩身一维P波的有所不同；3)现有方法一次测试分析只能确定一个桩底深度值，无法通过多方面信息、多种手段综合分析确定桩底深度，以相互验证，减小系统误差，提高结果可靠性；4)现有旁孔透射波仅利用了桩身透射到土中的P波信息，而能量占优的S波信息尚没有效利用。基于以上四点考虑，现有旁孔透射波法还有待进一步改进。

针对现有方法的缺陷和不足，本发明提出了一种基于弯曲波的旁孔透射波多波联合测试的既有工程桩桩底深度确定方法。

图1示出了采用本发明基于多波联合测试的既有工程桩桩底深度确定方法检测既有工程桩桩底深度示意图。

如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述基于多波联合测试的既有工程桩桩底深度确定方法包括以下多个步骤。

步骤A：

在待测桩的桩侧钻测孔并在待测桩的桩侧分别沿着桩孔连线方向和垂直桩孔连线方向对待测桩进行水平激振，同时在测孔内进行不同深度的检波。

在本步骤中采取的水平激振为由激振锤5沿着水平方向敲击桩侧或基础外侧的激振方式，其可以激发桩身弯曲波进行测试，弯曲波会在桩土界面或桩底以P波或S波透射后继续传播。具体地，本发明中采用的水平方向包括沿着桩孔连线方向的水平方向和沿着垂直桩孔连线方向的水平方向。

图2示出了沿着桩孔连线方向进行水平激振的示意图，图3示出了沿着垂直桩孔连线方向进行水平激振的示意图。也即，沿着桩孔连线方向的水平方向进行激振是指激振方向沿着测孔7和待测桩2的中心线连线方向(即桩孔连线方向9)，具体如图2所示，此时在测孔7中接收的桩身透射波8的首至波为FP波；沿着垂直桩孔连线方向的水平方向进行激振是指激振方向沿着垂直于测孔7和待测桩2的中心线连线的方向(即垂直桩孔连线方向10)，具体如图3所示，此时在测孔7中接收的桩身透射波8的首至波为FS波。

根据本发明，测孔7为竖直钻打孔且桩孔距为0～3m，测孔7的深度应超过预测桩底深度且大于5倍桩孔距，其中，测孔7中放置有PVC测管并且在PVC测管内注满清水。更具体地，激振锤5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。

其中，本步骤中在测孔内进行不同深度的检波可以包括以下步骤：

将激振锤5与检波器6均通过线缆连接于示波器3，将检波器6置于测孔7的底部；

用激振锤5在待测桩2的桩侧分别沿着桩孔连线方向9和垂直桩孔连线方向10对待测桩2进行水平激振，检波后将检波器6的高度提升0.2～1m；

重复进行两个方向的水平激振、检波和提升检波器高度0.2～1m的操作直至检波器6到达测孔7孔口，完成检波。

步骤B：

根据不同激振方向检波的信号分别生成桩孔连线方向时间-深度信号图和垂直桩孔连线方向时间-深度信号图。

其中，时间-深度信号图是将检波器6接收的信号按照检波深度布置在时间-深度坐标系中形成的图形，分别按照沿桩孔连线方向激振和沿垂直桩孔连线方向激振分别布置得到桩孔连线方向时间-深度信号图和垂直桩孔连线方向时间-深度信号图。

步骤C：

读取桩孔连线方向时间-深度信号图中的首至FP波走时并通过线性拟合确定上段FP波拟合线和下段FP波拟合线，读取垂直桩孔连线方向时间-深度信号图中的首至FS波走时并通过线性拟合确定上段FS波拟合线和下段FS波拟合线，绘制得到桩底深度确定图。

其中，首至FP、FS波是指激发的桩身弯曲波在桩土界面或桩底分别以P波和S波透射后达检波器的首至波，其路径遵循最小走时原理。

图4示出了读取首至波走时的原理图。如图4所示，根据信号出现波动的起始点判断首至波走时并进行读取。

在进行线性拟合时，除了在桩底深度确定图中拟合、确定并绘制出拟合线上段FP波拟合线11、下段FP波拟合线12、上段FS波拟合线13和下段FS波拟合线14之外，还应得出各拟合直线的方程。

步骤D：

利用步骤C绘制得到的桩底深度确定图分别确定上段FP波拟合线与下段FP波拟合线的交点、上段FP波拟合线与下段FS波拟合线的交点以及上段FS波拟合线与下段FS波拟合线的交点，分别对三个交点的深度值进行修正后确定待测桩的桩底深度。

在步骤C中，首先需根据上段FP波拟合线的方程、下段FP波拟合线的方程、上段FS波拟合线的方程和下段FS波拟合线的方程分别确定上段FP波拟合线、下段FP波拟合线、上段FS波拟合线和下段FS波拟合线的斜率，其中，上段FP拟合线的斜率和上段FS波拟合线的斜率均对应于桩身弯曲波波速，下段FP波拟合线的斜率对应于桩底地基土P波波速，下段FS波拟合线的斜率对应于桩底地基土S波波速。在需要使用桩身弯曲波波速时，优选地使用将上段FP拟合线的斜率和上段FS波拟合线的斜率计算得到的平均值作为平均桩身弯曲波波速来使用。

根据本发明，在本步骤中分别对三个交点的深度值进行修正后确定待测桩的桩底深度包括以下步骤：

将上段FP波拟合线与下段FP波拟合线的交点A的深度值减去第一修正值得到L₁；

将上段FP波拟合线与下段FS波拟合线的交点B的深度值减去第二修正值得到L₂；

将上段FS波拟合线与下段FS波拟合线的交点C的深度值减去第三修正值得到L₃；

选取L₁、L₂和L₃中的一个值作为待测桩的桩底深度，其中，n₁′为平均桩身弯曲波波速与桩底地基土P波波速之比，n₂′为平均桩身弯曲波波速与桩底地基土S波波速之比，D为桩孔距；所述平均桩身弯曲波波速为上段FP拟合线的斜率和上段FS波拟合线的斜率的平均值。

为了降低误差并使桩底深度值可靠，优选地将L₁、L₂和L₃取平均值并将所得平均值作为待测桩的桩底深度。

下面结合具体实施例对上述基于多波联合测试的既有工程桩桩底深度确定方法进行具体说明。

实施例：

如图1所示，地基土S波速为140m/s，非饱和地基中P波速为262m/s，饱和地基中P波速为1400m/s。桩长12m，缺陷桩问题中缺陷位于桩身5～6m，分别沿桩孔连线方向和垂直桩孔连线方向进行水平激振以有效识别旁孔透射首至FP和FS波。

本实施例中的待测桩2为高桩形式，设计深度为12m，桩径为1.0m。桩顶上部结构1为承台且承台长3m、宽1m、高1m。桩孔距D为1m，地基4为均匀非饱和地基，激振方式为在桩侧距地面1m高沿桩孔连线方向和垂直桩孔连线水平竖敲。检测如图1所示，激振方向如图2和图3所示，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1m远处钻测孔7，孔深25m；在测孔中下放管径为80mm的PVC管，管长25m；在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6先置于测孔孔底，并用激振锤5在桩侧距地面1m高位置沿桩孔连线方向和垂直桩孔连线方向的两个方向分别进行水平激振、检波后将检波器6高度提升0.5m，重复激振、检波、提升检波器高度0.5m这一过程，以接收不同深度的信号。

3)根据不同激振方向检波的信号分别生成桩孔连线方向时间-深度信号图和垂直桩孔连线方向时间-深度信号图，具体如图5和图6所示。

4)根据信号出现波动的起始点判读首至波走时，判读方式如图4所示。对图5中所示信号判读首至FP波走时，对图6中所示信号判读首至FS波走时。

5)根据2～10m段和20～25m段首至FP、FS波走时数据分别线性拟合确定上段FP波拟合线y＝1904x-15.1、下段FP波拟合线y＝263x+10.1、上段FS波拟合线y＝1852x-29.7和下段FS波拟合线y＝139x+10.7，所得桩底深度确定图如图7所示。

6)根据图7和步骤5中得到的拟合线斜率，由上段FP波拟合线斜率、上段FS波拟合线斜率确定桩身弯曲波波速为1904m/s、1852m/s，取二者的平均值1878m/s作为平均桩身弯曲波速；由下段FP波拟合线斜率确定桩底地基土P波波速为263m/s，由下段FS波拟合线斜率确定桩底地基土S波波速为139m/s。

7)如图7所示，由上段FP波拟合线11与下段FP波拟合线12确定交点A对应的深度值为14.1m，由第一修正值公式确定的修正值为2.1m，其中n₁′由步骤6中确定的平均桩身弯曲波速与桩底地基土P波波速之比确定，由此确定的桩底深度L₁为12m；

由上段FP波拟合线与下段FS波拟合线确定交点B对应的深度值为12.7m，由第二修正值公式确定的修正值为1.1m，其中n₁′由步骤6中确定的桩身弯曲波速与桩底地基土P波波速之比确定；n₂′由步骤6中确定的平均桩身弯曲波速与桩底地基土S波波速之比确定，由此确定的桩底深度L₂为11.6m；

由上段FS波拟合线与下段FS波拟合线确定交点C度应对应的深度值为12.7m，由第三修正值公式确定的修正值为2.2m，其中n₂′由步骤6中确定的平均桩身弯曲波速与桩底地基土S波波速之比确定，由此确定的桩底深度L₃为11.8m；

8)根据步骤8中确定的三个桩底深度分别为12m、11.6m、11.8m，三个数值的离散性小，确定的桩底深度值可靠，取三者的平均值11.8m作为最终的桩底深度值，其与设计桩底深度12m较接近，误差仅为-1.7％。

本发明的方法不受上部结构对波形的影响，在桩侧水平激振即可，检测方便且综合利用了桩身透射到土中的P波和S波，分析方法简单，通过一次测试可同时确定多个桩底深度值，多信息源的利用可减小系统误差，多个桩底深度值可相互验证，提高分析测试精度和可靠性。对于无工程经验的技术人员也具有较好的可操作性，扩宽了现有旁孔透射波法的应有范围及测试分析效果。

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。