基桩的孔中双测点低应变完整性检测装置及方法与流程
本发明属于测试设备领域，具体涉及一种基桩的孔中双测点低应变完整性检测装置及方法。
背景技术：
桩基作为最重要的一种基础形式，其质量检测一直受到工程界的关注。在国内的桩基动力检测中，比较常见且具有代表性的是低应变反射波检测法及声波透射法。
传统的低应变检测法将传感器放置于桩顶，在检测桩长时，一方面可能出现桩底过深以至于传感器无法接收到桩底反射波，另一方面计算时采用的混凝土波速通常根据经验设置，具有较大误差，导致计算结果与实际情况存在较大差别。
声波透射法则在预埋声测管中放置发射端和接收端，通过实测声波在混凝土中传播的声时、波速等对桩身完整性进行检测。该方法存在以下缺点：第一，当声测管外侧出现缺陷甚至主筋外露时，该方法无法检测。第二，当声测管局部包泥、混凝土离析等，会导致局部测点的失效。
本发明结合了传统低应变检测法和声波透射法的优点，在低应变检测方法的基础上，利用预埋管将传感器置于桩体内部，根据传感器引线的下放长度确定传感器放置深度，通过改变两个传感器的位置和距离达到更准确的检测待测基桩的混凝土弹性纵波波速、桩长或桩身完整性的目的。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提出了一种基桩的孔中双测点低应变完整性检测装置及方法。本发明在传统低应变检测方法的基础上，利用预埋管将传感器置于桩体内部，根据传感器引线的下放长度确定传感器放置深度，通过改变两个传感器的位置和距离达到更准确的检测待测基桩的混凝土弹性纵波波速、桩长或桩身完整性的目的。
本发明采取以下技术方案：
一种基桩的孔中双测点低应变完整性检测装置，其包括第一加速度传感器、第二加速度传感器、预埋管、脉冲锤、引线以及数据采集处理装置；所述脉冲锤用于敲击混凝土灌注桩的桩顶；至少一条所述的预埋管垂直埋设于混凝土灌注桩的钢筋笼内；所述的第一加速度传感器和第二加速度传感器均吊挂于预埋管中并保持间距；两个传感器上均设有用于将传感器临时固定在预埋管管壁上的固定装置；第一加速度传感器和第二加速度传感器均通过引线与外部的数据采集处理装置相连。
作为优选，所述的固定装置为气囊固定装置，所述的气囊固定装置为一个具有充气口的密闭气囊，气囊环绕包裹于传感器外部，其充气口密闭连接充气管的一端，充气管的另一端连接至基桩外部。
进一步的，所述的预埋管内径需大于传感器的最大外径，但小于传感器和泄气状态下气囊固定装置的最大外径之和。
作为优选，所述的固定装置为弹簧固定装置，每个传感器上的弹簧固定装置均包括导管和若干弹簧；若干条弹簧围绕传感器的周侧表面固定，所述的导管内径大于传感器；当传感器位于导管内时，传感器周向的弹簧的自由端以压缩状态支顶于导管内壁上，对传感器进行临时固定；每个传感器的引线包裹有硬质的引线管，引线管一端固定于传感器上，另一端穿过预埋管并伸出混凝土灌注桩的桩顶；且弹簧末端与导管内壁之间在引线管的推力作用下能够滑动；所述弹簧的长度应满足：传感器滑出导管后，弹簧能够支顶于预埋管内壁上对传感器进行临时固定。
进一步的，所述的引线管为钢管或硬质塑料管，且均为笔直的中空圆管。
作为优选，所述的预埋管有多条，分布于混凝土灌注桩横截面的不同位置。
作为优选，所述的引线上设有刻度。
作为优选，所述的数据采集处理装置为动测仪器。
作为优选，所述的充气管连接置于基桩外部的充气装置，且充气管上设有止气阀。
本发明中，后续为了便于描述，定义缩颈缺陷为桩体中某一位置出现相对于其他位置横截面积缩小的缺陷。从基桩顶部向底部的方向看，缩颈缺陷顶部位置的横截面积从上到下突然缩小，因此此位置称为缩颈处；同理，颈缺陷底部位置的横截面积从上到下突然扩大，因此此位置称为扩颈处。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一方案所述检测装置的基桩的孔中双测点低应变完整性检测方法，用于检测基桩的混凝土波速、桩长及桩身完整性，其步骤如下：
1)利用引线将第一加速度传感器和第二加速度传感器吊放到预埋管中，并分别通过固定装置将其与预埋管的内管壁固定，保持第一加速度传感器的位置在混凝土灌注桩上部无缺陷的高度处；记录第一加速度传感器和第二加速度传感器之间的间距为l0，位于下方的第二加速度传感器距离桩顶的深度为z；
2)利用脉冲锤对混凝土灌注桩的桩顶进行敲击，通过数据采集处理装置采集第一加速度传感器和第二加速度传感器的响应数据；
3)计算第一加速度传感器和第二加速度传感器对本次敲击的振动响应时间差δt0，得到该混凝土灌注桩中混凝土波速为
4)计算第二加速度传感器在本次敲击后接收到的入射波及桩底反射波的时间差δt1，得到桩的总长为
5)根据本次敲击采集的第一加速度传感器和第二加速度传感器反射波特征判断桩身的完整性：若第一加速度传感器和第二加速度传感器均只接收到桩底反射波时，判断当前基桩中不存在缺陷，桩身完整；若第一加速度传感器或第二加速度传感器除接收到桩底反射波外，还接收到桩身缺陷的特征反射波时，判断当前基桩中存在缺陷，桩身不完整；
6)对于存在缩颈缺陷的混凝土灌注桩，根据第一加速度传感器和第二加速度传感器的反射波特征，进一步判断缩颈缺陷所处的位置：
若第二加速度传感器只接收到扩颈处的特征反射波而没有接收到缩颈处的特征反射波，则判断当前第二加速度传感器所处位置即为缺陷所处的位置；
若第二加速度传感器能够接收到缩颈处和扩颈处的特征反射波，则判断缺陷所处的位置位于第二加速度传感器下方；
若第二加速度传感器既没有接收到缩颈处的特征反射波也没有接收到扩颈处的特征反射波，则判断缺陷所处的位置位于第二加速度传感器上方；
7)根据步骤6)的判断结果，若第二加速度传感器不在缩颈缺陷所处的位置，则通过调节固定装置，将第二加速度传感器朝缩颈缺陷所处的位置移动，然后再次重复步骤2)～6)，直至第二加速度传感器位于缩颈缺陷所处的位置；
8)在第一加速度传感器位于缩颈缺陷位置上方，而第二加速度传感器位于缩颈缺陷所处的位置的情况下，获取脉冲锤进行桩顶敲击后的两个传感器的波响应数据；并记录所述波响应数据对应的第一加速度传感器与桩顶的高度差为z1，第二加速度传感器与桩顶的高度差为z2；
然后计算缩颈缺陷的顶部位置与桩顶的高度差为h1：
式中：δt2为所述波响应数据中第一加速度传感器接收到的入射波和缩颈处特征反射波的时间差；
计算缩颈缺陷的底部位置与桩顶的高度差为h2：
式中：δt3为所述波响应数据中第二加速度传感器接收到的入射波和扩颈处特征反射波的时间差；
根据公式(a)和(b)分别计算缩颈缺陷所在位置的等效横截面积s2：
式中：a1为所述波响应数据中第一加速度传感器接收到的入射波的振幅；a2为所述波响应数据中第一加速度传感器接收到的缩颈处特征反射波的振幅；a3为所述波响应数据中第二加速度传感器接收到的入射波的振幅；s1为混凝土灌注桩中不存在缺陷的正常桩身段横截面面积。
相对于现有技术而言，本发明具有以下优点：
1.本发明结合了传统基桩低应变检测法与声波透射法的优点，在低应变检测方法的基础上，利用预埋管将传感器置于桩体内部，根据传感器引线的下放长度确定传感器放置深度，通过改变两个传感器的位置和距离达到更准确的检测待测基桩的混凝土弹性纵波波速、桩长或桩身完整性的目的。本发明具有快速、经济、无损等特点。
2.本发明相比于传统的低应变检测法，能够较精确地检测桩身混凝土波速，且更易接收到长桩的桩底反射波。
3.本发明相比于声波透射法，能够检测到预埋管(声测管)外侧出现的缺陷，且不易受到局部缺陷的影响。
附图说明
图1为基桩的孔中双测点低应变完整性检测装置的示意图；
图2为气囊固定装置示意图；其中a)为气囊充气前；b)为气囊充气后；
图3为弹簧固定装置示意图；其中a)为导管拔出前；b)为导管拔出后；
图4为利用本发明装置检测混凝土波速、桩长原理图；
图5为利用本发明装置定量检测桩身缺陷原理图。
其中，1.第一加速度传感器，2.第二加速度传感器，3.预埋管，4.混凝土灌注桩，5.脉冲锤，6.传感器引线，7.数据采集处理装置，8.气囊，9.充气管，10.弹簧，11.导管，12.引线管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，为本发明一个实施例中的一种基桩的孔中双测点低应变完整性检测装置，该装置包括第一加速度传感器1、第二加速度传感器2、预埋管3、脉冲锤5、引线6以及数据采集处理装置7。该检测装置适用于一般的混凝土桩的质量检测。该检测装置在传统低应变检测方法的基础上，利用预埋管将两个加速度传感器置于桩体内部，根据传感器引线的下放长度确定传感器放置深度。利用脉冲锤5敲击桩顶，两个不同高度的传感器分别接收桩身振动情况并通过引线6传到地面上的数据采集处理装置7，用于对结果进行分析通过改变两个传感器的位置和距离达到更准确的检测待测基桩的混凝土弹性纵波波速、桩长或桩身完整性的目的。下面详细描述该检测装置的具体实现结构。
该装置中配备有脉冲锤5，是一种产生瞬态激励力的激振器，用于敲击混凝土灌注桩4的桩顶。脉冲锤5可采用市售产品，一般由锤体、手柄和可调换的锤头和配重组成。脉冲锤5中可在锤体和锤头间安装一个力传感器以测量锤击力大小，也可根据测量需求调换锤头以改变激励的频率范围。
混凝土灌注桩4内埋设的预埋管3有一条或多条，预埋管3在混凝土浇筑之前垂直埋于基桩的钢筋笼内，与钢筋笼一同被浇筑。待混凝土浇筑完毕后，预埋管3被固化于基桩内。理论上一条预埋管3可以完成基本的检测功能，但考虑到检测的准确性，浇筑基桩前可在钢筋笼一周设置多根预埋管3，以进行多点测量、减小量测误差。
第一加速度传感器1和第二加速度传感器2均由引线6吊挂于预埋管3中，且两个传感器之间需要保持一定的间距。第一加速度传感器1和第二加速度传感器2均通过引线6与外部的数据采集处理装置7相连。引线6的作用一方面在于将第一加速度传感器1和第二加速度传感器2的数据传输至数据采集处理装置7，另一方面在于作为吊绳向预埋管3中吊放传感器。因此，引线6上可画上长度刻度，以便确认管中传感器的吊放深度。两个传感器可采用不同的引线6进行吊挂，也可以采用同一股引线6，但数据传输需要保持独立。数据采集处理装置7可为各类动测仪器，具有示波功能且可实现频谱转换和信号积分的仪器为佳。
由于预埋管3中通常有水，本装置所需孔中第一加速度传感器1和第二加速度传感器2一般为可在水下工作的加速度传感器。而且，第一加速度传感器1和第二加速度传感器2在预埋管3中的位置应当是可以调整的，但第一加速度传感器1和第二加速度传感器2为了感应波信号，又需要与预埋管3形成传导，即当传感器移动到预埋管3中指定位置时，需要使其与管壁固定，达到量测桩身振动情况的目的。因此在第一加速度传感器1和第二加速度传感器2上均设有一个用于将传感器临时固定在预埋管3管壁上的固定装置。在本发明中，提供了两种不同的固定装置，分别为气囊固定装置和弹簧固定装置，下面逐一进行介绍。
如图2所示，图中展示的固定装置为气囊固定装置。该气囊固定装置为一个具有充气口的密闭气囊8，气囊8环绕包裹于待固定的传感器(指第一加速度传感器1和第二加速度传感器2中任意一个，图中标记为1/2)外部，其充气口通过充气管9连接置于基桩外部的充气装置，且充气管9上最好设有止气阀。通过该充气管9可以对气囊8进行充放气，而管上的止气阀，可采用止气夹、止气阀等止气装置，通过调节止气阀的开关，直接控制气囊的充放气，便于操作。在检测过程中，气囊8首先保持泄气状态，如图2中a所示；当传感器1/2下方达到指定位置后，利用充气装置或者人工对气囊8进行充气，气囊8膨胀并压紧于预埋管3内壁，如图2中b所示。然后通过止气阀或者其他方法封闭充气管9防止漏气，就可以达到将传感器1/2与管壁固定的目的。使用完毕或需改变传感器1/2位置时，则通过充气管9排出空气让气囊8收缩，从而使得传感器1/2可移动。因此，预埋管3内径需大于传感器1/2的最大外径，但小于传感器和泄气状态下气囊固定装置的最大外径之和，以泄气状态下第一加速度传感器1和第二加速度传感器2能自由上下移动为准。由于该装置需要沉入水中工作，因此充气管9与气囊8的充气口之间需完全密闭，保证其气密性，以免水进入气囊或无法充气。
对于该气囊固定装置，可以通过充气管9便捷地控制传感器位置是否固定，因此适用于需要多次临时调整和固定传感器位置的检测过程。但由于气囊8在长期使用时容易出现缓慢泄气，造成传感器固定不稳定，因此本发明提供了另一种更加适用于长期固定的弹簧固定装置。
如图3所示，图中展示的固定装置为弹簧固定装置。该弹簧固定装置可以在两个传感器上分别设置一个。每个传感器上的弹簧固定装置均包括导管11和若干弹簧10。若干条弹簧10围绕传感器(指第一加速度传感器1和第二加速度传感器2中任意一个，图中标记为1/2)的周侧表面固定，弹簧10的条数可以根据需要进行调整，以能够将传感器1/2固定于管内为准。弹簧10尽量环绕传感器1/2侧壁均布，以提高传感器1/2的稳定性。在该弹簧固定装置中，由于弹簧本身的弹力无法通过外部装置直接调控，需要依靠导管11的配合将其固定在目标位置。为了保证传感器1/2能够在导管11中自由上下移动，导管11内径应当大于传感器导管11。在使用时，传感器1/2首先置于导管11内部，而且当传感器位于导管11内时，传感器周向的弹簧10的自由端以压缩状态支顶于导管11内壁上，对传感器进行临时固定。但是，弹簧10的自由端，即与导管11内壁接触的末端，与导管11内壁之间并非是完全固定的，而是通过弹簧弹力支顶进而借助摩擦力固定的。弹簧10末端与导管11内壁之间在外推力作用下应当能够滑动。这种外推力由每个传感器1/2的引线6外部包裹的硬质引线管12提供，引线管12可以为钢管或硬质塑料管，且为了保持引线6刻度与传感器1/2深度换算的可靠性，引线管12最好采用笔直的中空圆管。引线管12内壁最好是光滑的，以便于传感器1/2被推出。引线管12一端固定于传感器1/2上，另一端沿轴向穿出导管11和预埋管3，并伸出混凝土灌注桩4的桩顶，供检测人员操作。在导管11的保护下，传感器1/2外部的弹簧10与预埋管3内壁不接触，可以根据检测需要将其下伸至目标位置，就位后可以固定住引线管12，然后将导管11向上拉动，使传感器1/2滑出导管11，弹簧10的自由端转而支顶在预埋管3内壁上对传感器进行临时固定。因此，弹簧10的长度应满足：传感器1/2滑出导管11后，弹簧10能够支顶于预埋管3内壁上，且弹力应当足以维持传感器1/2不下滑。由于弹簧10是依靠机械性的弹力支撑传感器的，因此它能够长期稳定的将传感器保持在相应的高度，该方法较适合于传感器布置不深或需长期监测的情况。
上述基桩的孔中双测点低应变完整性检测装置可用于检测基桩的混凝土波速或桩长，也可以用于定量化分析桩身的缺陷情况。
具体的，如图4所示，检测基桩的混凝土波速或桩长时，将第一加速度传感器1和第二加速度传感器2的间距设为一确定值l0，脉冲锤5敲击桩顶后，通过数据采集与处理器7分析两传感器接收到的振动响应的时间差δt0，图4所示曲线为两传感器接收到的速度响应曲线，从而可较准确的得到混凝土波速为
如图5所示，以理想缩颈桩为例，通过调整第一加速度传感器1和第二加速度传感器2的放置深度及间距，改变第一加速度传感器1和第二加速度传感器2与缺陷的相对位置。当第一加速度传感器1位于缺陷之上而第二加速度传感器2位于缺陷处时，敲击桩顶后可以看到，第一加速度传感器1能够接收到缩颈处和扩颈处的特征反射波，而第二加速度传感器2只接收到扩颈处的特征反射波。根据这一特点，结合不同位置的检测结果，可以较为准确地分析出缺陷存在的位置。进一步的，根据一维波动理论可以得到：缩颈段开始的深度，即缩颈缺陷顶部的最高位置与桩顶的距离
因此，本发明利用脉冲锤5敲击桩顶，采集两传感器接收到的振动响应，根据传感器位置及振动响应并分析结果可以达到检测目的。而且根据检测需要，可进一步调整和改变两个传感器的位置和间距，重复检测过程，获得更精确的检测结果。上述的不同检测指标，可以择一测量，也可以组合测量。需要注意的是，当需要长期监测某一检测指标且不需要经常移动传感器位置时，可以考虑采用弹簧固定装置；但需要不断移动传感器位置是，则优先考虑采用气囊固定装置。
下面本发明提供了一种基于上述检测装置的基桩的孔中双测点低应变完整性检测方法，该方法可以用于同时检测基桩的混凝土波速、桩长及桩身完整性，其具体步骤如下：
1)利用引线6将第一加速度传感器1和第二加速度传感器2吊放到预埋管3中，并分别通过固定装置将其与预埋管3的内管壁固定。而且，为了后续能够对缺陷进行定位，需要保持第一加速度传感器1的位置在混凝土灌注桩4上部无缺陷的高度处，一般而言桩体靠近地表的上层出现缺陷概率较小，因此第一次测量可以考虑将第一加速度传感器1置于浅层。两个传感器位置固定后，通过引线6上的刻度，记录第一加速度传感器1和第二加速度传感器2之间的间距为l0，位于下方的第二加速度传感器2距离桩顶的深度为z。
2)利用脉冲锤对混凝土灌注桩4的桩顶进行敲击，通过数据采集处理装置7采集第一加速度传感器1和第二加速度传感器2的响应数据。
3)计算第一加速度传感器1和第二加速度传感器2对本次敲击的振动响应时间差(即对入射波的响应时间差)δt0，得到该混凝土灌注桩4中混凝土波速为
4)计算第二加速度传感器2在本次敲击后接收到的入射波及桩底反射波的时间差δt1，得到桩的总长为
5)根据本次敲击采集的第一加速度传感器1和第二加速度传感器2反射波特征判断桩身的完整性：
若第一加速度传感器1和第二加速度传感器2均只接收到桩底反射波时，判断当前基桩中不存在缺陷，桩身完整。
若第一加速度传感器1或第二加速度传感器2除接收到桩底反射波外，还接收到桩身缺陷的特征反射波时，判断当前基桩中存在缺陷，桩身不完整。在这种情况下，该缺陷可能存在多种情况，可以根据反射波的波形判断缺陷的类型。一般而言，缩颈缺陷对桩体的承载能力有较大负面影响，而扩颈缺陷对桩的承载能力起积极作用，因此可以将扩颈不视为缺陷，但对缩颈缺陷进行下述进一步的位置确定和缺陷程度探测，以便后续采取应对措施。
6)对于存在缩颈缺陷的混凝土灌注桩4，根据第一加速度传感器1和第二加速度传感器2的反射波特征，进一步判断缩颈缺陷所处的位置：
a、若第二加速度传感器2只接收到扩颈处的特征反射波而没有接收到缩颈处的特征反射波，则判断当前第二加速度传感器2所处位置即为缺陷所处的位置；
b、若第二加速度传感器2能够接收到缩颈处和扩颈处的特征反射波，则判断缺陷所处的位置位于第二加速度传感器2下方；
c、若第二加速度传感器2既没有接收到缩颈处的特征反射波也没有接收到扩颈处的特征反射波，则判断缺陷所处的位置位于第二加速度传感器2上方。
7)根据步骤6)的判断结果，若第二加速度传感器2所处位置即为缩颈缺陷所处的位置，则根据当前的引线6所示刻度即可确定缺陷所处的位置。但若第二加速度传感器2不在缩颈缺陷所处的位置，即后两种b、c情况，则需要通过调节固定装置，将第二加速度传感器2朝缩颈缺陷所处的位置移动，具体的移动距离可以根据前一次探测的入射波、反射波的信号进行大致估算。然后再次重复步骤2)～6)，直至满足a所说的情况，即可确定缩颈缺陷所处的位置。
8)当缩颈缺陷所处的位确定后，即可根据前述的公式(a)和(b)定量确定缩颈的程度。但由于同时满足公式(a)和(b)必须是在第一加速度传感器1位于缩颈缺陷位置上方，而第二加速度传感器2位于缩颈缺陷所处的位置的情况下，因此需要利用该情况获得的波响应数据代入公式进行计算。一般而言，如果缺陷段长度不是很大，而两个传感器之间的距离足够长，那么在前述的步骤中就已经能够获得该波响应数据，直接用该数据进行计算即可。但是假如两个传感器之间的距离小于缩颈段的高度，有可能出现两个传感器都位于缩颈缺陷段内的情况，此时前面的数据不能直接用于计算，需要保持第二加速度传感器2位置不动，然后将第一加速度传感器1向上移动，直至位于缺陷上方，然后再重新进行敲击和检测，通过数据采集处理装置7记录波响应数据。下面介绍利用第一加速度传感器1位于缩颈缺陷位置上方，而第二加速度传感器2位于缩颈缺陷所处的位置的情况下，获取得到的脉冲锤进行桩顶敲击后的两个传感器的波响应数据(记为d)，进行定量化分析缺陷程度(包括缺陷的起始点、缩颈程度)的方法：
记录获取得到波响应数据d时，对应的第一加速度传感器1与桩顶的高度差为z1，第二加速度传感器2与桩顶的高度差为z2。
然后计算缩颈缺陷的顶部位置与桩顶的高度差为h1：
式中：δt2为所述波响应数据中第一加速度传感器1接收到的入射波和缩颈处特征反射波的时间差；
计算缩颈缺陷的底部位置与桩顶的高度差为h2：
式中：δt3为所述波响应数据中第二加速度传感器2接收到的入射波和扩颈处特征反射波的时间差；
由h1和h2可以确定缺陷的长度。
根据公式(a)和(b)分别计算缩颈缺陷所在位置的等效横截面积s2：
式中：a1为所述波响应数据中第一加速度传感器1接收到的入射波的振幅；a2为所述波响应数据中第一加速度传感器1接收到的缩颈处特征反射波的振幅；a3为所述波响应数据中第二加速度传感器2接收到的入射波的振幅；s1为混凝土灌注桩4中不存在缺陷的正常桩身段横截面面积。
上述两个公式得到的s2可以进行相互印证，若两者误差不大，则可以将两者取其一或者平均后作为等效横截面积s2的取值，若两者误差较大则需要重新在多条预埋管3中进行上述测量，以提高测量准确性。需要说明的是，该方法测量得到的等效横截面积s2仅用于大致估算缺陷程度，由于缺陷通常并非是理想的缩颈形状，因此估算数值并不是完全精确的，但基本可以反映缩颈程度。
另外，在测量混凝土波速、桩长时，可以基于多次测量得到的结果进行比对，或者取平均值，以尽量减少误差。当待测桩较长，传统低应变检测法不能测到桩底反射，通过本发明的方法，可以将两个传感器下放到桩内尽可能深的地方，然后再敲击桩顶进行相应的检测。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！