基于声波法的基桩嵌岩深度检测方法与流程

1.本发明属于嵌岩深度探测技术领域，具体为基于声波法的基桩嵌岩深度检测方法。


背景技术：

2.建筑物基桩是决定建筑物稳定性和安全性的重要因素，当地下水位较高且地下室尺寸较大时，水浮力可能会大于建筑物自重和压重之和，建筑物结构稳定性会受到影响。地层包括土体层和岩体层，土体层位于岩体层上方，基桩抗拔承载能力主要由土体提供的抗拔力和嵌岩端岩体提供的抗拔力以及自身自重这三部分组成，其中岩体提供的抗拔力是影响基桩抗拔承载能力的主要因素。对于基桩抗拔力的检测主要通过抗拔静载试验、自平衡试验等方式进行检测，费时费力，设备成本高，不易操作。而衡量嵌岩端岩体抗拔力的重要参数是基桩嵌入岩体层的深度，即嵌岩深度。进一步的，土体层和岩体层的分界面为中风化层和强风化层的分界面。然而目前对混凝土灌注桩的质量检测方法，如低应变法、钻芯法、高应变法和静载法等所检测指标均不能检测嵌岩深度。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种基于声波法的基桩嵌岩深度检测方法，利用超声反射法检测混凝土灌注桩嵌岩深度，为建筑基桩抗拔力评价提供重要参考指标；检测方法简单易操作，检测成本低、效率高、准确率高；可以利用钻芯法钻取的钻芯孔作为超声法检测的探测孔，无需另外钻取探测孔。
4.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
5.基于声波法的基桩嵌岩深度检测方法，包括如下步骤：
6.步骤s1：在基桩的探测孔内选取多个检测点；
7.步骤s2：利用声波换能器对探测孔内多个检测点进行探测，获得多组声波数据；
8.步骤s3：在步骤s2获得的多组声波数据中截取界面回波区域，得到多个界面回波区域的回波能量α的值；
9.步骤s4：以探测孔的深度为纵坐标、回波能量α的值为横坐标，得到回波能量曲线图；
10.步骤s5：根据步骤s4得到的图判断嵌岩面位置：曲线中回波能量由大变小并出现明显转折或者拐点处的纵坐标值即为嵌岩面的深度，所述嵌岩深度为基桩的长度减去嵌岩面的深度。
11.作为上述技术方案的进一步改进：
12.所述探测孔和基桩共中心线。
13.所述基桩深度为l1，探测孔深度为l2，则l1≤l2。
14.多个检测点沿着探测孔深度方向间隔布置。
15.所述探测孔直径为80mm～120mm。
16.相邻检测点之间的垂直水平面方向的距离为50～200mm。
17.对已经进行钻芯法检测的基桩，可将进行钻芯法时钻取的钻芯孔作为所述探测孔，对于未有钻芯孔的基桩，需在所述基桩上钻一个探测孔。
18.步骤s2中，声波换能器包括发射端和接收端，使用时，发射端位于检测点上，发射端和接收端的连线与所述基桩中心线平行，发射端和接收端之间的距离为0～100mm，当间距为0时，所述声波换能器为自发自收型探头。
19.步骤s3中，根据基桩尺寸和声波在基桩中的传播速度计算反射波位置，从而确定界面回波区域，所述界面回波为基桩和围岩之间的界面反射的声波。
20.步骤s3中，回波能量α的计算公式为：
[0021][0022]
其中，amp(t)是振幅随时间的变化；t1是截取的界面回波区域的初始点的横坐标值，t2是截取的界面回波区域的终止点的横坐标值；abs是绝对值化。
[0023]
本发明的有益效果是：利用超声反射法检测混凝土灌注桩嵌岩深度，为建筑基桩抗拔力评价提供重要参考指标；检测方法简单易操作，检测成本低、效率高、准确率高；可以利用钻芯法钻取的钻芯孔作为超声法检测的探测孔，无需另外钻取探测孔。
附图说明
[0024]
图1是本发明一个实施例的嵌岩桩示意图。
[0025]
图2是本发明一个实施例的两个检测点的发射端和接收端位置示意图。
[0026]
图3(a)是本发明一个实施例的三个检测点(与地表面的距离依次为0.8m、0.9m、1.0m)的声波数据的时域波形图。
[0027]
图3(b)是本发明一个实施例的四个检测点(与地表面的距离依次为1.1m、1.2m、1.3m、1.4m)的声波数据的时域波形图。
[0028]
图4是本发明一个实施例的回波能量曲线图。
具体实施方式
[0029]
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0030]
所述基桩为混凝土灌注桩。基于声波法的基桩嵌岩深度检测方法的原理为：混凝土灌注桩设置在地层中，其周围被围岩3包围。超声波在混凝土桩中的速度为3500～4500m/s,超声波在围岩3的强风化层中的传播速度较低，通常小于超声波在混凝土灌注桩中的传播速度，超声波在围岩3的中风化层的传播速度较高。混凝土灌注桩、强风化围岩4及中风化围岩5的声阻抗存在明显的差异，从而混凝土灌注桩与强风化围岩4之间的界面反射系数不同于混凝土灌注桩与中风化围岩5之间的界面反射系数，通过超声波探头在混凝土灌注桩的钻孔内某个深度点上进行激发和接收，就能得到混凝土桩与强风化围岩4之间的界面上或混凝土桩与中风化围岩5之间的界面上的反射波。设所述中风化围岩5和强风化围岩4之间的界面为嵌岩面。
[0031]
设混凝土灌注桩的密度为ρ
桩
，超声波在混凝土灌注桩中的速度为v
桩
；强风化围岩4
的密度为ρ
强
，超声波在强风化围岩4的速度为v
强
；中风化围岩5的密度为ρ
中
，超声波在中风化围岩5的速度为v
中
。这些参数都可以通过基桩施工之前测量得到或取芯测试得到，进而得到混凝土灌注桩、强风化围岩4、中风化围岩5的声阻抗的值，分别为z
桩
、z
强
、z
中
。
[0032]
设入射波为s(t)，反射波为x(t)，基桩与围岩3的反射系数为r，则有x(t)＝r
·
s(t)。
[0033]
由于入射波都是在混凝土灌注桩内传播，传播到混凝土灌注桩与强风化围岩4之间的界面和混凝土灌注桩与中风化围岩5之间的界面上的时间和能量相同，因此，界面反射系数与反射波振幅或反射波强度成正比。
[0034]
基于上述原理，基于声波法的基桩嵌岩深度检测方法，包括如下步骤：
[0035]
步骤s1：在基桩上的探测孔内选取多个检测点，所述基桩深度为l1，探测孔深度为l2，则l1＜l2。
[0036]
此步骤中，较佳的，所述探测孔和基桩共中心线。
[0037]
此步骤中，多个检测点沿着探测孔深度方向间隔布置。相邻检测点之间的垂直水平面方向的距离为50～200mm。
[0038]
所述基桩为混凝土灌注桩，对已经进行钻芯法检测的混凝土灌注桩，可将进行钻芯法时钻取的钻芯孔作为所述探测孔。对于未有钻芯孔的混凝土灌注桩，需在所述基桩上钻一个超声反射法检测孔，即所述探测孔。钻孔要求可参考钻芯法的相关要求。
[0039]
所述探测孔直径为80mm～120mm，较佳的，取100mm。
[0040]
步骤s2：利用声波换能器对探测孔内多个检测点进行探测，获得多组声波数据。
[0041]
声波换能器包括发射端f和接收端s(图2所示)。使用时，发射端f和接收端s接触探测孔的孔壁或者置于有水耦合的检测孔中，发射端f和接收端s的连线与所述基桩中心线平行，且发射端f位于接收端s的上方。发射端f和接收端s之间的距离为0～100mm，当间距为0时所述声波换能器为自发自收型探头。使用时，发射端f位于检测点上，较佳的，声波换能器的激励频率为10khz～40khz。
[0042]
本步骤中，每个检测点获得一组声波数据。
[0043]
步骤s3：在步骤s2获得的多组声波数据中截取界面回波区域，得到多个界面回波区域的回波能量α的值。
[0044]
此步骤中，根据基桩尺寸和声波在基桩中的传播速度计算反射波位置，从而确定界面回波区域。所述界面回波为基桩和围岩之间的界面反射的声波。声波从发射端f发射，到达基桩和围岩之间的界面，然后被基桩和围岩之间的界面反射，形成界面回波，界面回波到达接收端s。声波从发射到被界面反射回接收端s走过的距离除以声波传播速度得到界面回波从发射到反射回换能器耗费的时间。基于上述原理，根据时域波形图中的横坐标时间，即可确定时域波形图中界面回波的位置，如图3中虚线截取部分即为一实施例中截取的界面回波区域。
[0045]
此步骤中，回波能量α的计算公式如下：
[0046][0047]
其中，amp(t)是振幅随时间的变化；t1是截取的界面回波区域的初始点的横坐标值(时间)，或说t1为初始时间，t2是截取的界面回波区域的终止点的横坐标值(时间)，或说
t2为截止时间；abs是绝对值化的意思，其作用是为了计算波群能量，将amp(t)绝对值化。
[0048]
因此，获得的多个回波能量α依次对应多个检测点的声波数据中的界面回波区域。
[0049]
步骤s4：以探测孔的深度为纵坐标、回波能量α的值为横坐标，得到回波能量曲线图。
[0050]
步骤s5：曲线中回波能量由大变小并出现明显转折或者拐点处的纵坐标值即为嵌岩面的深度，所述嵌岩深度为基桩的长度减去嵌岩面的深度。
[0051]
需要说明的是，强风化和中风化界面(即嵌岩面)的大概深度范围可以提前通过地质资料等渠道获知。本方案中可以较准确的检测基桩所在地的嵌岩面的深度，而基桩的深度已知，基桩的深度减去嵌岩深度便是基桩嵌入岩体的深度，即嵌岩深度。
[0052]
下面通过一个实施例进行具体说明。
[0053]
如图1所示，为一嵌入岩体层的基桩(嵌岩桩)的示意图。本实施例中，基桩1为圆柱状，基桩1的深度l1＝1.5m，基桩1的半径r1＝0.5m。
[0054]
步骤s1：在基桩1的中部钻探测孔2，探测孔2和基桩1共中心线，探测孔2的深度l2＝2m，探测孔2的孔径为100mm。.
[0055]
步骤s2：在探测孔2内选取14个检测点，利用声波换能器对探测孔内14个检测点进行探测，获得14组声波数据。相邻检测点之间的垂直水平面方向的距离为100mm。14个检测点与地表面的距离依次为0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、0.6m、0.7m、0.8m、0.9m、1.0m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m。最下方的一个检测点(与地表面距离1.4m的检测点)位于基桩1底部的上方，对最下方的一个检测点检测时，发射端f位于检测点上，接收端s位于基桩1的底部，或说接收端s和基桩1的底部平齐等高。
[0056]
如图2中显示了14个检测点的其中两个检测点进行检测时发射端f和接收端s的位置。
[0057]
本实施例中，发射端f和接收端s之间的距离为100mm，声波换能器的激励频率为30khz。
[0058]
检测时，从最下方或说最底部的一个检测点开始检测，依次提升换能器，使换能器由下到上到达每个检测点进行检测。
[0059]
利用声波换能器对探测孔内多个检测点进行探测，获得多组声波数据，如图3(a)和3(b)所示为14组声波数据中的其中七组典型声波数据图，附图中每组声波数据图右上角的数字代表各检测点与地表面的距离。
[0060]
步骤s3：在步骤s2获得的多组声波数据中截取界面回波区域，得到多个界面回波区域的回波能量α的值。
[0061]
本实施例中，根据基桩尺寸和声波在基桩中的传播速度计算反射波位置，截取的界面回波区域如图3(a)和3(b)中虚线部分所示。
[0062]
步骤s4：以探测孔的深度为纵坐标、回波能量α的值为横坐标，得到回波能量曲线图。如图4所示。
[0063]
步骤s5：根据步骤s4得到的图判断嵌岩面位置：曲线中回波能量由大变小并出现明显转折或者拐点处的纵坐标值即为嵌岩面的深度，所述嵌岩深度为基桩的长度减去嵌岩面的深度，该点的纵坐标值为1.1m，即为嵌岩面的深度，嵌岩深度的值等于基桩长度1.5m减去嵌岩面的深度1.1m，为0.4m。
[0064]
本实施例中，测试深度为0.1m～1.1m时，回波能量α递减；测试深度为1.1m～1.4m时，回波能量小幅振荡，从此例可以看出，在1.1m以上位置回波能量与在1.1m以下位置的回波能量的变化趋势明显不同，因此可以判断1.1m处是分界面。本实施例中，嵌岩面深度的实际值为1.0m，即本方案与实际值有0.1m的误差是由于测试换能器的间距为0.1m造成的测试系统误差，这在工程中是可以接受的。
[0065]
最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。