专利名称：建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法
技术领域：
本发明涉及建筑物基础桩检测技术领域，具体为一种建筑物基础桩弹性波 层析成像检测方法。
背景技术：
建筑物落成后，建筑物基础桩经过数十年的承重使用，特别对于桥梁、高 架桥、港口、码头、高层建筑和厂房等建筑物，长期经受车辆振动、车辆超载、 车船撞击、海浪冲击、海水侵蚀、地震影响、近距离施工振动、地下水作用、 年久化学及物理侵蚀风化等人为与自然因素的影响，均可导致建筑物下基础桩 质量产生明显变化。有的甚至会产生桩身结构松散、裂缝、断桩及持力层强度 降低等严重的安全质量问题。
目前，钻探抽芯是检査建筑物下基础桩质量的主要方法，但检査费时费力， 并且是一种具破坏性的抽检方法。 一般只能对个别桩进行特殊性抽检，代表性 低，难以推广。
建筑物下基础桩质量安全隐患是客观存在的，存在的严重安全隐患也是不 容忽视的。为此，交通、市政、水利、建设等主管部门及设计、质监部门迫切 希望有一种方便、直观对建筑物下基础桩质量的检测方法，为建筑物下基础桩 质量的检验与处理提供科学依据。
发明内容
本发明的目的是针对以上所述建筑物下基础桩检测方法存在的不足，提供 一种能有效而又快捷的，检测过程简单方便的，精确率高，且无损建筑物下基 础桩的建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法。
本发明是这样实现的建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法，其检测步骤如下
G)在待检测桩的侧边分别布设探测孔，最少一个探测孔为发射孔，，一探
测孔为接收孔；
(2) 在发射孔内设置弹性波发射源；在接收孔内设置有弹性波接收装置， 弹性波接收装置与信号记录处理系统连接；
(3) 发射源激振产生弹性波，弹性波传播经过岩、土层及待检测桩的桩体 被接收孔内的弹性波接收装置接收并传至信号记录处理系统进行处理；
(4) 根据信号记录处理系统将接收到的弹性波信号处理成弹性波层析成像 图，根据弹性波层析成像图判断待检测桩的桩长度及桩身完整性和桩底持力层 完整性。
所述的发射孔和接收孔位于待检测桩的两侧与待检测桩的中心点呈对称布置。
所述的发射孔和接收孔分别可以有若干个，每对发射孔和接收孔分别位于
待检测桩的两侧与待检测桩的中心点呈对称布置。
所述的探测孔的深度应大于桩长度，且探测孔垂直度偏差应不大于0.5%。
所述的发射源可以是用电火花震源、爆炸震源或超磁致震源等，发射源与
地面上的发射机连接；所述的发射机可以是充放电控制器或者启爆器。 所述的弹性波接收装置可以是接收换能器或检波器。 所述的信号记录处理系统包括有声波仪或地震仪等。
所述的发射源激振产生弹性波采用一孔激发，跨孔单道接收或一孔激发跨
孔多道接收的方式。
发射源的发射点距及接收点距可以为O.l、 0.25、 0.5、 l米等多种，应尽可
能满足被测异常体尺寸的1/3。所述的弹性波层析成像图的数据处理方法如下
(1) 第一步进行网络划分，设成像剖面内共测有N条射线，首先根据测试精 度将剖面分为M个单元(网格)；
(2) 第二步建立并求解大型射线走时方程组
"i L12h.L1m、—
^21 L 22"丄2M△v2二 -t2
;N1 L N2"丄賜一—△V陽V
其中Lij:第i条射线在第j个单元内的路径长度；
AVj二l/Vj是第j个单元的曼度值(速度的倒数)；
ti:第i条射线走时值；
(3)第三步计算出AVj后，对初始弹性波速模型进行修正，重新迭代上述方
程组，直到实测走时与理论走时的相对误差小于5%，可输出结果，最终生成弹
性波层析成像图，根据不同位置上接收的弹性波速差异，便可直观准确地判断
基础桩长度及对基础桩桩身完整性和桩底持力层完整性作出评价。
本发明建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法操作简单、快捷、经济，无
需损坏所测建筑物基础桩，检测到的数据经处理生成的弹性波层析成像图直观
明了，可对建筑物基础桩的桩长和桩身结构质量及桩底的完整性作出客观评价。
图1为本发明建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法的观测系统示意图； 图2为本发明建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法的弹性波射线路径示 意图3为本发明建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法的探测孔布设俯视
图4为本发明建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法所得到的弹性波层析成像图。
图中，l桩体，2发射孔，3接收孔，4发射源，5接收换能器或检波器， 6地面，7桩底持力层，8桩周岩、土层；F为发射点，S为接收点。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明建筑物基础桩弹性波层析成像检测方 法作详细描述。
弹性波层析成像原理
弹性波层析成像是在发射孔内，施一瞬时激振力，桩、岩、土等介质受到 外力作用后，产生弹性形变并形成弹性波传播，受力的质点沿纵向产生胀縮形 变，形成纵波传播，而横向则产生剪切形变，形成横波。弹性波(含纵波、横 波等)在弹性介质中传播，当在接收孔内安放接收换能器或检波器和信号记录 处理系统，便可接收来自发射孔并经桩、岩、土等不同介质传播至接收孔的弹 性波信号，参见图1所示。然后根据实测到的弹性波信号，经过资料处理后， 生成弹性波层析成像剖面图，根据不同位置上接收的弹性波速差异，便可直观 准确地判断基础桩长度及对基础桩桩身完整性和桩底持力层完整性作出评价。
数据分析方法
a)桩长度分析方法
对于完整连续混凝土桩段，其波速值较高并且均匀连续。而桩端下为较均
匀的强风化或中风化岩石时，其波速值会明显低于桩身段的波速并且均匀连续;
而桩端下为较均匀的未风化或微风化岩石时，其波速值会明显高于桩身段波速 或稍低于桩身段波速并且均匀连续。桩身段波速与持力层段波速， 一般会出现 明显的台阶状的波速异常形态，其两波速段相连接的过渡部位，即为桩底位置。
(2)桩身完整性分析方法
完整连续的混凝土桩段，其波速较高并且均匀连续，而存在缺陷的混凝土 桩段，其波速会明显低于完整的混凝土桩段波速。 一般存在较明显缺陷、严重缺陷的混凝土波速比完整的混凝土波速低8% 50%。同时，在桩身完整性评价 时，还应结合混凝土设计强度常见波速值及桩身是否存在縮、扩径等情况，进 行综合评定。
(3)桩底持力层完整性分析方法
完整连续混凝土桩段其波速较高并且均匀连续，而桩底持力层7为完整连 续强风化或中风化岩石时，其波速会明显低于完整桩体段波速并且均勾连续。 对于桩底持力层为完整连续未风化或微风化岩石时，其波速会明显高于桩体或 稍低于桩体波速并且均匀连续，同时持力层波速值还应达到设计持力层常见波 速值范围。对于桩底存在沉渣软夹层或持力层中存在岩石强风化软夹层、溶洞 或土洞等时，其波速值会明显低于完整连续未风化岩石的波速值， 一般比完整 连续的未风化岩石波速值低30% 70%。
建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法，其检测步骤如下: (1)在待检测桩1的侧边分别布设探测？L，最少一个探测孔为发射孔2， 一 探测孔为接收孔3;
(2) 在发射孔内2设置弹性波发射源4，发射源4与地面6上的发射机连 接；在接收孔3内设置有弹性波接收装置5，弹性波接收装置5与信号记录处 理系统连接；
(3) 发射源4激振产生弹性波，弹性波传播经过岩、土层8及待检测桩1 的桩体被接收孔内的弹性波接收装置5接收并传至信号记录处理系统进行处 理；
(4) 根据信号记录处理系统将接收到的弹性波信号处理成弹性波层析成像
图；如图4所示，根据弹性波层析成像图判断待检测桩的现实状况。 (一)检测装置检测装置包括发射源4、弹性波接收装置5和信号记录处理系统三部分。
1、 发射源4可以采用电火花震源、爆炸震源或超磁致震源等；发射源4与 发射机连接，发射机可以是充放电控制器或者启爆器。
2、 弹性波接收装置5可以采用接收换能器或检波器接收；
3、 信号记录处理系统可以采用声波仪或地震仪以及电脑和成像软件等组成。
(二)现场测试
1、 层析成像探测孔的布设
如图3所示，探测孔应在检测桩两侧，在以桩中心点对称位置布设两个探 测孔或多个方向对称桩中心点布孔。探测孔分组设置，每组为一发射孔2和一 接收孔3。
探测孔深度应大于桩长度，探测孔垂直度偏差应不大于0.5%。 探测孔在钻探完毕时，孔中应全孔下探测管保护探测孔井壁或仅在土层段 下探测管保护探测孔井壁。'
2、 观测点布设
采用一孔激发，跨孔单道接收或一孔激发跨孔多道接收的观测系统布设， 如图1和图2所示。发射点F距及接收点S距一般为0.1、 0.25、 0.5、 1米等多 种，应尽可能满足被测异常体尺寸的1/3。 ，
3、 现场观测
检测中所采用的各项参数(采样时间间隔、增益、采样点数，模拟滤波、 触发方式)应通过现场试验确定。
检测时，应保证采集信号质量，对采集的弹性波信号进行实时监控，所采 集的时间剖面波形要求初至清晰，波列及延时等均正常，发现波形畸变或初难以判读的即进行重复观测，两次观测记录相对误差应小于2%。
(三)、信号处理
1、 首先将观测到的数据信号从弹性波接收装置传输到信号记录处理系统的
电脑中；
2、 进行数据处理生成弹性波层析成像图 弹性波层析成像图的数据处理方法如下
(1) 第一步进行网络划分，设成像剖面内共测有N条射线，首先根据测试精 度将剖面分为M个单元(网格)；
(2) 第二步建立并求解大型射线走时方程组
Lll L12".L1M
L21 L 22'.丄2M△v2
LNL N2'.丄丽——△V
其中Lij:第i条射线在第j个单元内的路径长度；
AVj二l/Vj是第j个单元的曼度l！(速度的倒数)；
ti:第i条射线走时值。 (3)第三步计算出AVj后，对初始弹性波速模型进行修正，重新迭代上述方
程组，直到实测走时与理论走时的相对误差小于5%，即可输出结果，最终生成
弹性波层析成像剖面图如图4所示。根据不同位置上接收的弹性波速差异，便
可直观准确地判断基础桩长度及对基础桩桩身完整性和桩底持力层完整性作出评价。
实施例l
本实例为广州某模型桩基地1号钻孔灌注模型桩弹性波层析成像检测实 例，该桩设计桩径(b800mm，设计桩长11.8m，采用C25商品混凝土成桩，桩底持力层为强风化砂岩。
检测段的深度为-9m -13.25m，发射源与弹性波接收装置的孔间距为 1.45m，发射源采用电火花震源，弹性波接收装置采用12道接收换能器，信号 记录处理系统采用浅层地震仪组成。
现场测试参数选择①采样时间间隔31.25 US;②增益浮点放大；③采 样点数1024;④触发方式外触发；⑤电火花震源发射电压3000v 4000v; ⑥发射点距二接收点距二0.25m;⑦观测系统 一孔激发，跨孔12道扇面接收。
1、 桩长度实测弹性波层析成像图
如图4所示，对于完整连续的混凝土桩段其桩身波速vp较高且均匀连续， 如图中D和C区，可以标识为棕红色及紫红色部分，其波速vp为3600 4000m/s。 而桩底下为强风化砂岩，其波速vp明显低于桩身波速vp，如图中A区，可以 标识为黄色部分，其波速vp为2500 3000m/s。 B区可以标识为橙红色部分为 桩、岩过渡带，桩岩过渡带为0.3m，其波速vp为3000 3600m/s。检测结果， 实测桩长为11.5m，设计桩长为11.8m，两者相对误差2.5%。
2、 桩身完整性实测弹性波层析成像图
如图4所示，对于完整连续的混凝土桩段，其波速较高并且均匀连续，如 图c部份，其波速值vp为3600 3800m/s。而桩体中心部位，如图中D区部份， 波速更高vp为3800 4000m/s，说明桩体中心部分混凝土强度较高。同时，桩 身段波速值vp为3600 4000m/s，达到混凝土 C25常见波速值3600 3800m/s 范围。但桩身主体上下段与设计桩直径小800mm比出现明显的縮径现象，桩縮 径为0.15m，縮径率为设计桩径的18.8%。
综上分析桩身主体砼强度达到设计C25要求， 由于桩身上、下段存在明显縮径，缩径率为设计桩径18.8%。说明桩身结构完整性存在明显缺陷。 3、桩底持力层完整性实测弹性波层析成像图
如图4所示，致密完整连续混凝土桩段其波速较高并且均匀连续，如图中 D和C区部分，其波速vp为3600 4000m/s。而该桩底持力层7为强风化砂岩， 其波速vp明显低于桩身波速vp，如图中A区部分，其波速vp为2500 3000m/s， 达到并超过强风化砂岩常见波速值1400 2580m/s范围。而桩底与强风化砂岩 之间如图中B部分为桩、岩过渡带，厚度为0.3m,其波速vp为3000 3600m/s， 由于桩、岩过渡带波速比持力层波速高，说明桩底桩、岩过渡带强度符合要求。
综上分析桩底持力层完整连续，达到强风化砂岩要求。
权利要求
1、建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法，其特征在于，检测步骤如下(1)在待检测桩的侧边布设探测孔，探测孔最少一个探测孔为发射孔，一探测孔为接收孔；(2)在发射孔内设置弹性波发射源；在接收孔内设置有弹性波接收装置，弹性波接收装置与信号记录处理系统连接；(3)发射源激振产生弹性波，弹性波传播经过岩、土层及待检测桩的桩体被接收孔内的弹性波接收装置接收并传至信号记录处理系统进行处理；(4)信号记录处理系统将接收到的弹性波信号处理成弹性波层析成像图，根据弹性波层析成像图判断待检测桩的桩长度及桩身完整性和桩底持力层完整性。
2、 根据权利要求1所述的建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法，其特征 在于，所述的发射孔和接收孔位于待检测桩的两侧，发射孔和接收孔与待检测 桩的中心点呈对称布置。
3、 根据权利要求2所述的建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法，其特征 在于所述的发射孔和接收孔分别有若干个，每对发射孔和接收孔分别位于待 检测桩的两侧，与待检测桩的中心点呈对称布置。
4、 根据权利要求1所述的建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法，其特征 在于，所述的探测孔的深度大于桩长度。
5、 根据权利要求1所述的建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法，其特征 在于，所述的发射源是用电火花震源、爆炸震源或超磁致震源，发射源与地面 上的发射机连接。
6、 根据权利要求1所述的建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法，其特征 在于，所述的弹性波接收装置是接收换能器或检波器。
7、 根据权利要求1所述的建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法，其特征 在于，所述的信号记录处理系统包括有声波仪或地震仪。
8、 根据权利要求1所述的建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法，其特征 在于，所述的发射源激振产生弹性波采用一孔激发，跨孔单道接收或一孔激发 跨孔多道接收的方式。
9、 根据权利要求1或8所述的建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法，其 特征在于，所述的发射源的发射点距和接收点距为O.l、 0.25、 0.5或1米。
10、 根据权利要求1所述的建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法，其特 征在于，所述的弹性波层析成像图的数据处理方法如下(1) 第一步进行网络划分，设成像剖面内共测有N条射线，首先根据测试精 度将剖面分为M个单元；(2) 第二步建立并求解太型射线走时方程组<formula>formula see original document page 3</formula>其中Lij:第i条射线在第j个单元内的路径长度；AVj二l/Vj是第j个单元的曼度值(速度的倒数)； ti:第i条射线走时值。 (3)第三步计算出AVj后，对初始弹性波速模型进行修正，重新迭代上述方 程组，直到实测走时与理论走时的相对误差小于5%，即可输出结果，最终生成 弹性波层析成像图，根据不同位置上接收的弹性波速差异，便可直观准确地判 断基础桩长度及对基础桩桩身完整性和桩底持力层完整性作出评价。
全文摘要
建筑物基础桩弹性波层析成像检测方法，其检测步骤如下(1)在待检测桩的侧边分别布设最少一个探测孔为发射孔，一探测孔为接收孔；(2)在发射孔内设置弹性波发射源；在接收孔内设置有弹性波接收装置；(3)发射源激振产生弹性波，弹性波传被接收孔内的弹性波接收装置接收并传至信号记录处理系统进行处理；(4)处理信号生成弹性波层析成像图，根据弹性波层析成像图判断待检测桩的桩长度及桩身完整性和桩底持力层完整性。本发明操作简单、快捷、经济，无需损坏所测建筑物基础桩，检测到的数据经处理生成的弹性波层析成像图直观明了，可对建筑物基础桩的桩长和桩身结构质量及桩底的完整性作出客观评价。
文档编号E02D33/00GK101614022SQ20091004111
公开日2009年12月30日 申请日期2009年7月14日 优先权日2009年7月14日
发明者邓业灿 申请人:邓业灿