基于瞬态机械阻抗法的既有建筑物基桩完整性的检测装置的制作方法

本实用新型涉及建筑物基桩无损检测领域，尤其涉及一种基于瞬态机械阻抗法的既有建筑物基桩完整性的检测装置。

背景技术：

既有建筑物在长期荷载作用下，由于建筑物周边环境变化(例如附近有新建高层建筑或者地铁等地下工程)，或者建筑物使用功能变化(如增层、增载改造)，或发生意外事件(如地震、滑坡、车辆冲撞)等原因，都会引起既有建筑物地基荷载及地基承载力的变化；而对于一些因地基问题或施工质量问题，容易造成上部建筑物倾斜、变形、沉降、开裂的问题，故需要对相应建筑物桩基进行完整性检测；因此，准确评价既有建筑物桩基础的完整性，对于了解桩基承载能力，保证上部建筑物的安全具有非常重要的意义。

根据《建筑基桩检测技术规范》的检测方法及其相关要求，利用其检测方法来检测既有建筑的桩长以及进入持力层的深度，在不影响基桩正常使用的情况下已经无法实现。目前，基桩完整性的检测方法有四类，即低应变法、高应变法、超声波法以及钻芯法。对于既有建筑物，由于桩顶与承台以及上部结构已相互连接，采用低应变法时，桩顶敲击产生的激振信号将受承台或筏板影响，桩身振动信号反射较为复杂，识读困难，适用性不高；采用高应变方法时，在桩顶安装传感器并利用重锤敲击在既有建筑物中均无法实现；采用超声波方法进行检测时，则需要提前在桩中埋设声测管，对于既有建筑物的基桩检测也是无法进行的；而对于钻芯法检测，则需要采取从桩顶开始垂直钻探施工，对于既有建筑物桩基来说，钻芯难度大，倾斜度也无法控制，因此利用钻芯法评估既有建筑桩基完整性较为困难。

除上述常规桩基检测方法外，公开号为CN 10157097A、CN 105672371A、CN 106320401A、CN 104594395 A的中国专利均采用了与“旁孔透射波法”类似的检测方法，上述方法对于桩身质量检测的可靠性还不够成熟，且对于较多桩基的既有建筑物来说，采用上述检测方法工程量巨大、费时费力，很难在实际工程中大范围推广应用；而公开号为CN 105887940 A中国专利公开了“采用桩身内激励检测既有桩基完整性的双速度低应变方法”，该方法采用沿桩身纵向布置两个加速度传感器的方式，实现桩身上行波与下行波的分离，从而消除桩身上部结构对激振信号的干扰；但是，该方法需要在桩身上布置两个加速度传感器，而对于既有建筑物来说，桩身一般位于筏板或承台下部，这对于传感器的安装极为不利，致使该方法实施较为困难。

且现有的瞬态机械阻抗法检测时，是通过人工或吊挂装置实现力夯自由下落，对既有建筑承台施加冲击荷载，安全性低、检测结果不够准确、成本高，且检测时间长，不利于准确评价既有建筑物桩基础的完整性。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种基于瞬态机械阻抗法的既有建筑物基桩完整性的检测装置，其检测结果准确可靠、安全性高、测试设备简单、成本低和检测时间短。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于瞬态机械阻抗法的既有建筑物基桩完整性的检测装置，包括激振车、力夯、力传感器、速度传感器、信号采集器和数据处理计算机，所述力传感器设置在所述力夯上，所述速度传感器设置在基桩的顶部，所述力传感器和所述速度传感器分别与所述信号采集器的数据采集端连接，所述信号采集器的数据输出端与所述数据处理计算机连接，所述激振车包括龙门架、斜撑梁、卷扬机和移动底座，所述龙门架设置于所述移动底座的前端，所述卷扬机设置于所述移动底座的后端，所述龙门架包括横梁和升降竖梁，所述升降竖梁设有两个，所述横梁连接在两个所述升降竖梁的顶部之间，所述升降竖梁设有用于调节所述升降竖梁的高度的摇杆，所述横梁的中部设有滑轮，所述卷扬机上的钢索的末端通过所述滑轮与所述力夯连接，所述钢索的末端上设有用于连接所述力夯的自动脱钩机构。

作为优选的，还包括钢筋笼，所述钢筋笼设有上端口和下端口，所述钢筋笼的左右两侧分别与各自对应的所述升降竖梁固定连接，所述力夯能在所述钢筋笼内自由下落。

作为优选的，还包括橡胶垫，所述橡胶垫设置在基桩顶部且与所述钢筋笼的下端口相对。

作为优选的，所述升降竖梁与所述移动底座之间设有斜撑梁。

作为优选的，所述斜撑梁为伸缩斜撑梁，所述斜撑梁的一端与所述升降竖梁转动连接，所述斜撑梁的另一端与所述移动底座转动连接，所述升降竖梁与所述移动底座转动连接。

作为优选的，所述斜撑梁设有用于控制所述斜撑梁的伸缩长度的制动按钮。

作为优选的，所述力夯的外周设有导向杆，所述钢筋笼设有与所述导向杆配合的竖直导轨。

作为优选的，所述自动脱钩机构包括提拉板和脱钩，所述提拉板的上端与所述钢索的末端连接，所述脱钩的中部通过旋转轴与所述提拉板的下部连接，所述脱钩的上部与所述提拉板的上部之间设有用于控制脱钩开合的电磁铁；电磁铁失电时，所述脱钩的上部与所述提拉板的上部分离，所述脱钩打开；电磁铁通电时，所述脱钩的上部与所述提拉板的上部吸合，所述脱钩闭合。

作为优选的，所述升降竖梁上设有用于校准所述力夯的高度位置的刻度。

作为优选的，所述移动底座的底部前端设有脚轮，所述移动底座的底部后端设有万向轮，所述移动底座的后端设有拉杆。

实施本实用新型的基于瞬态机械阻抗法的既有建筑物基桩完整性的检测装置，与现有技术相比较，具有如下有益效果：

本实用新型利用激振车代替人工或吊挂装置实现力夯自由下落，对既有建筑承台施加冲击荷载，具有检测结果准确可靠、安全性高、测试设备简单、成本低、检测时间短、灵活方便且适用于既有建筑物狭窄空间的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1是本实用新型提供的一种既有建筑物基桩质量检测装置的结构示意图；

图2是激振车的结构示意图；

图3是力夯的结构示意图；

图4是自动脱钩机构的结构示意图；

图5是基桩导纳函数曲线。

图中所示：1为激振车，2为力夯，21为导向杆，22为提拉环，3为力传感器，4为速度传感器，5为信号采集器，6为数据处理计算机，7为基桩，8为龙门架，81为横梁，82为升降竖梁，83为摇杆，84为滑轮，85为刻度，9为斜撑梁，91为制动按钮，10为卷扬机，11为移动底座，111为脚轮，112为万向轮，113为拉杆，12为自动脱钩机构，121为提拉板，122为脱钩，123为旋转轴，124为电磁铁，13为钢筋笼，131为上端口，132为下端口，133为竖直导轨，14为橡胶垫。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图4所示，本实用新型提供的一种基于瞬态机械阻抗法的既有建筑物基桩完整性的检测装置的优选实施例，包括激振车1、力夯2、力传感器3、速度传感器4、信号采集器5和数据处理计算机6，所述力传感器3设置在所述力夯2上，所述速度传感器4设置在基桩7的顶部，所述力传感器3和所述速度传感器4分别与所述信号采集器5的数据采集端连接，所述信号采集器5的数据输出端与所述数据处理计算机6连接，所述激振车1包括龙门架8、斜撑梁9、卷扬机10和移动底座11，所述龙门架8设置于所述移动底座11的前端，所述卷扬机10设置于所述移动底座11的后端，所述龙门架8包括横梁81和升降竖梁82，所述升降竖梁82设有两个，所述横梁81连接在两个所述升降竖梁82的顶部之间，所述升降竖梁82设有用于调节所述升降竖梁82的高度的摇杆83，所述横梁81的中部设有滑轮84，所述卷扬机10上的钢索的末端通过所述滑轮84与所述力夯2连接，所述钢索的末端上设有用于连接所述力夯2的自动脱钩机构12。由此，本实用新型利用激振车1代替人工或吊挂装置实现力夯2自由下落，对既有建筑承台施加冲击荷载，具有检测结果准确可靠、安全性高、测试设备简单、成本低、检测时间短、灵活方便且适用于既有建筑物狭窄空间的优点。

示例性的，如图2所示，检测装置还包括钢筋笼13，所述钢筋笼13设有上端口131和下端口132，所述钢筋笼13的左右两侧分别通过螺栓与各自对应的所述升降竖梁82固定连接，所述力夯2能在所述钢筋笼13内自由下落；在钢筋笼13的作用下，力夯2通过可沿着下落，力夯2在下落到地面后，在反弹力作用下，力夯2不会发生倾倒，从而滚落承台的现象，同时，将钢筋笼13安装于力夯2外侧并确保力夯2在自由下落过程中不受钢筋笼13阻碍。

示例性的，如图2和图3所示，所述力夯2的外周设有导向杆21，所述钢筋笼13设有与所述导向杆21配合的竖直导轨133，力夯2在自由下落时，能通过导向杆21沿着竖直导轨133上下移动，不易与钢筋笼13内部发生摩擦；此外，所述力夯2的底部设有力传感器3，将力传感器3与检测装置中的信号采集器5连接，将信号采集器5与数据处理计算机6相连接，便于信号采集；所述力夯2的顶部设有与所述自动脱钩机构12连接的提拉环22，便于力夯2与自动脱钩机构12连接。

示例性的，如图1所示，检测装置还包括橡胶垫14，所述橡胶垫14设置在基桩7顶部且与所述钢筋笼13的下端口132相对，可在力夯2在自由下落到地面后产生缓冲作用，避免力夯2对基桩7顶部造成破坏。

示例性的，如图2所示，所述升降竖梁82与所述移动底座11之间设有斜撑梁9。由此，升降竖梁82、移动底座11和斜撑梁9构成三角形结构，能大大提高了龙门架8的稳定性。

示例性的，如图2所示，所述斜撑梁9为伸缩斜撑梁，所述斜撑梁9的一端与所述升降竖梁82转动连接，所述斜撑梁9的另一端与所述移动底座11转动连接，所述升降竖梁82与所述移动底座11转动连接，所述斜撑梁9设有用于控制所述斜撑梁9的伸缩长度的制动按钮91。由此，激振车1在使用状态时，通过制动按钮91调节斜撑梁9的伸出量，斜撑梁9带动龙门架8向上翻转，直至龙门架8与移动底座11相互垂直后固定；激振车1在闲置状态时，通过制动按钮91调节斜撑梁9的伸出量，斜撑梁9带动龙门架8向下翻转，直至龙门架8完全折叠收纳在移动底座11上。

示例性的，如图4所示，所述自动脱钩机构12包括提拉板121和脱钩122，所述提拉板121的上端与所述钢索的末端连接，所述脱钩122的中部通过旋转轴123与所述提拉板121的下部连接，所述脱钩122的上部与所述提拉板121的上部之间设有用于控制脱钩122开合的电磁铁124；电磁铁124失电时，所述脱钩122的上部与所述提拉板121的上部分离，所述脱钩122打开；电磁铁124通电时，所述脱钩122的上部与所述提拉板121的上部吸合，所述脱钩122闭合。由此，操作员能通过遥控关闭脱钩122上的电磁铁124，使电磁铁124失去磁性，脱钩122打开，从而力夯2自由下落，实现远程控制。

示例性的，如图2所示，所述升降竖梁82上设有用于校准所述力夯2的高度位置的刻度85，操作方便，保证试验参数的准确性。

示例性的，如图2所示，为方便激振车1能够灵活移动，所述移动底座11的底部前端设有脚轮111，所述移动底座11的底部后端设有万向轮112，所述移动底座11的后端设有拉杆113。本实施例中，脚轮111设有两个，万向轮112设有一个。

本实用新型是一种基于瞬态机械阻抗法的既有建筑基桩7完整性的检测装置，利用瞬态机械阻抗法进行检测桩基完整性具有测试设备简单、检测成本低和检测时间短等优点，尤其适合在既有建筑物这种复杂的现场环境下对桩基完整性进行测试，并且不会对既有建筑物的结构安全带来任何风险。本实用新型正是依据瞬态机械阻抗法测桩的基本原理，利用适用于狭小空间的自动锤击激振车1，对受检桩基进行激振；对于较厚的承台(＞1m)采用钻孔至桩顶表面，在钻孔底部安装速度传感器4的方式，来降低桩基上部承台等结构对桩身激振信号的干扰；通过力传感器3采集到的冲击荷载信号及通过速度传感器4采集到的桩身振动速度信号，绘制导纳函数曲线，如图5所示。

其中，瞬态机械阻抗法通过对导纳曲线的分析来判断桩基长度及完整性，评估桩的承载力。机械阻抗法的主要分析参数有动刚度Kd、频差Δf、几何平均值Nm、嵌固系数q，由式(1)、(2)、(3)、(5)计算：

式中：fM——导纳曲线低频段某一点的频率，Hz；

|V/F|M——导纳曲线低频段某一点的导纳值，m/(s·N)。

其中，Kd反映了桩的承载能力，桩的各种不利缺陷最终都表现为承载力的下降，即Kd偏小。当桩身混凝土完好无缺陷时，Kd值的降低往往意味着桩底持力层不佳，或有较厚的沉渣等。

式中：L——实测桩长，m；

c——纵波在桩身混凝土中的传播速度，m/s；

Δf——导纳曲线上两个相邻波峰(或波谷)之间的频率差，Hz。

根据Δf计算出桩长L与设计长度相比，若L短得多时，桩身可能出现大的缺陷、断裂，并可确定缺陷距离桩顶的位置。

式中：P、Q分别为导纳曲线的极大值(峰值)和极小值(谷值)，m/(s·N)。

导纳曲线的理论值，即为桩身波阻抗的倒数。

式中：ρ——桩身的密度，kg/m³；

A——桩身横截面积，m²。

若Nm>N则表明在定值激振力作用下，桩的响应比预期的大，桩的承载力下降。桩的各类缺陷，如断裂、缩颈、桩底软弱层、离析等都会导致Nm值偏大。

式中：f0——桩基速度导纳曲线上第一谐振频率；

Δft——完整桩理论导纳曲线上相邻峰间的频差。

q值在0～0.5之间。q值的大小反映桩与基岩持力层的嵌固情况，q值越大，嵌固得越好。

实施本实用新型的基于瞬态机械阻抗法的既有建筑物基桩7完整性的检测装置，其检测步骤如下：

步骤一、当承台厚度较厚(＞1m)时，在离基桩7中心约2/3半径位置对承台进行钻孔，在孔底采用快硬砂浆整平并在砂浆顶部预埋铁板，待快硬砂浆凝固完成后，将速度传感器4通过磁力探头吸附于小钢板上；当承台厚度较薄(＜1m)时，使用膨胀螺丝将速度传感器4直接固定于承台顶面距桩中心2/3半径处；

步骤二、将橡胶垫14放置于基桩7顶部且与所述钢筋笼13的下端口132相对，将激振车1架设于承台上方，力夯2放置于橡胶垫14上，将钢筋笼13安装于力夯2外侧并确保力夯2在自由下落过程中不受钢筋笼13阻碍，并通过螺栓将钢筋笼13的左右两侧分别与各自对应的所述升降竖梁82固定连接；

步骤三、微调激振车1位置，使得力夯2激励点作用于基桩7中心位置；然后将力传感器3、速度传感器4与信号采集器5连接，信号采集器5与数据处理计算机6相连接；

步骤四、接通装置电源，将脱钩122连接于力夯2提拉环22；打开电动机，将力夯2提升至指定高度(一般为1m)；

步骤五、遥控关闭脱钩122上的电磁铁124，电磁铁124失去磁性，脱钩122装置起效，力夯2自由下落，对既有建筑承台施加冲击荷载，本步骤需重复三次以上，从而获得稳定的冲击荷载及桩身振动速度信号；

步骤六、采集器通过力传感器3采集激振力、通过速度传感器4采集桩基顶部振动速度，并将采集的信号输入至数据处理计算机6，依据瞬态机械阻抗法相关理论，绘制桩基导纳函数曲线，根据导纳函数曲线计算机械阻抗法中的主要分析参数：动刚度、频差、几何平均值和嵌固系数，由上述参数评估既有建筑桩基的桩长与完整性。

综上所述，本实用新型通过激振车1、力夯2、信号采集器5、速度传感器4、力传感器3、数据处理计算机6等等的配合使用，具有灵活方便、对既有建筑物破坏小、适用于既有建筑物狭窄空间、检测结果准确可靠等优势，同时，解决了既有建筑桩基完整性检测过程中遇到的检测条件受限和以往检测手段对既有建筑破坏较为严重的现象，通过导纳函数曲线分析所得检测结果更为理想，可满足既有建筑桩基完整性检测的要求。

以上所揭露的仅为本实用新型的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。