一种基于定向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，具体为一种基于定向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，静载试验不合格率较高，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定向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；需要说明的是：工程实际中的钻芯孔一般不在基桩的中心位置，具有不确定的偏心距离；因此在偏心孔中发射和接收的非定向声波由于不同方向上的反射距离的不同，最快和最慢反射波到达时间具有较大的时差，反射波区域难以判断；采用具有定向发射和接收超声波功能的换能器，减小了最快和最慢反射波到达时间的时差，降低了识别反射波的难度，提高了截取界面回波的精度。
4.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
5.一种基于定向声波法的基桩嵌岩深度检测方法，包括如下步骤：
6.步骤s1：在基桩上的探测孔内选取多个检测点；
7.步骤s2：利用具有定向发射声波功能和相同方向的声波接收功能的换能器对探测孔内多个检测点进行探测，获得多组波形图；
8.步骤s3：对步骤s2接收的多组定向声波波形图消除干扰波，得到反射波调辉图；
9.步骤s4：从步骤s3反射波调辉图中截取界面回波区域，得到多个界面回波区域的归一化反射能量系数r的值；
10.步骤s5：以探测孔的深度为纵坐标、混凝土桩与围岩界面归一化反射能量系数r的值为横坐标，得到反射系数曲线图；
11.步骤s6：根据步骤s5得到的曲线图判断嵌岩面的位置：曲线中出现明显突变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。
12.作为上述技术方案的进一步改进：
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.步骤s4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。
16.换能器定向发射声波的范围为0
°
～90
°
。
17.换能器包括绝缘体和用于发射或接收声波的晶体，晶体的横截面为扇环形，绝缘体的横截面为扇环形，晶体和绝缘体连接成一横截面为环形的结构，晶体所在扇环形对应的圆心角为0
°
～90
°
。
18.所述探测孔的直径为80mm～120mm。
19.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。
20.步骤s3中消除干扰波的方法包括但不限于滤波、相关、反褶积、模态分解。
21.步骤s4中各检测点基桩与围岩界面的归一化反射能量系数r的计算公式为：
[0022][0023]
式中r——基桩与围岩界面的归一化反射能量系数；
[0024]
r0——基桩内参考区间声波平均能量；
[0025]ri
——第i个检测点位置基桩与围岩界面反射波能量；
[0026]
其中r0按如下公式计算：
[0027][0028]
式中，x
ij
——第i检测点j时刻的反射波幅度；
[0029]
n1——第i检测点位置归一化参考反射波能量计算时间区间起点；
[0030]
n2——第i检测点位置归一化参考反射波能量计算时间区间终点；
[0031]
n——归一化参考反射系数能量计算测点起点；
[0032]
其中ri按如下公式计算：
[0033][0034]
式中x
ij
——第i检测点j时刻的基桩与围岩界面反射波幅度；
[0035]
m1——第i检测点位置基桩与围岩界面反射波能量计算时间区间起点；
[0036]
m2——第i检测点位置基桩与围岩界面反射波能量计算时间区间终点。
[0037]
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；采用具有定向发射和接收超声波功能的换能器，降低了偏心检测孔识别反射波的难度，减小了最快和最慢反射波到达时间的时差，提高了截取界面回波的精度。
附图说明
[0038]
图1是本发明的嵌岩桩示意图。
[0039]
图2是本发明的换能器的晶体和绝缘体示意图。
[0040]
图3是本发明的一实际检测基桩3.0m-15.8m孔中检测间距为0.1m的定向反射波形图。
[0041]
图4是本发明中对图3的波形图采用滤波和模态分解方法消除干扰波得到的反射波调辉图。
[0042]
图5是本发明一实际检测基桩3.0m-15.8m孔中检测间距为0.1m的反射系数曲线图
具体实施方式
[0043]
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。
[0044]
所述基桩1为混凝土灌注桩。所述检测方法为声波检测法，其原理为：混凝土灌注桩设置在地层中，其周围被围岩包围。超声波在混凝土桩中的速度为3500～4500m/s,超声波在围岩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，超声波在围岩的中风化层的传播速度较高。混凝土灌注桩、强风化围岩及中风化围岩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之间的界面反射系数不同于混凝土灌注桩与中风化围岩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之间的界面上或混凝土桩与中风化围岩之间的界面上的反射波。设所述中风化围岩和强风化围岩之间的界面为嵌岩面3，如图1所示。
[0045]
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
；强风化围岩的密度为ρ
强
，超声波在强风化围岩的速度为v
强
；中风化围岩的密度为ρ
中
，超声波在中风化围岩的速度为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、中风化围岩的声阻抗的值，分别为z
桩
、z
强
、z
中
。
[0046]
设入射波为s(t)，反射波为x(t)，基桩1与围岩的反射系数为r，则有x(t)＝r
·
s(t)。
[0047]
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之间的界面和混凝土灌注桩与中风化围岩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。
[0048]
基于上述原理，可以利用声波检测技术获取混凝土灌注桩内不同深度的反射波特性，从而判断嵌岩面3的位置。利用声波进行检测时，声波换能器需要放入混凝土灌注桩内的探测孔2内。然而，检测时很难保证换能器始终位于混凝土灌注桩的中心线上，传统的孔中径向发射和接收超声换能器不具有方向性，因此混凝土桩与围岩的界面反射波到达接收换能器的距离不同，从而反射波到达时间不同，最快和最慢反射波达到时间存在一个时间段，即有时差，造成后续分析时反射波的识别选取困难。
[0049]
本方案中，选用具有定向发射声波功能的定向声波换能器。
[0050]
基于上述原理，一种基于定向声波法的基桩嵌岩深度检测方法，包括如下步骤：
[0051]
步骤s1：在基桩1上的探测孔2内选取多个检测点。
[0052]
所述基桩1深度为l1，探测孔2深度为l2，则l1＜l2。
[0053]
此步骤中，较佳的，所述探测孔2和基桩1共中心线。
[0054]
此步骤中，多个检测点沿着探测孔2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100mm。
[0055]
所述基桩1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2。对于未有钻芯孔的混凝土灌注桩，需在所述基桩1上钻一个超声反射法检测孔，即所述探测孔2。钻孔要求可参考钻芯法的相关要求。
[0056]
所述探测孔2直径为80mm～120mm，较佳的，取100mm。
[0057]
步骤s2：利用具有定向发射声波功能和相同方向的声波接收功能的换能器对探测孔2内多个检测点进行探测，获得多组波形图，图3为某实际检测基桩中，在探测孔中深度为3.0m-15.8m之间的位置设置检测点，相邻检测点的间距为0.1m，探测孔中3.0m-15.8m的定向反射波形图。对应的，每个检测点获得一个波形图。
[0058]
声波换能器包括发射端和接收端。较佳的，发射端和接收端的连线与所述基桩1中心线平行，且发射端位于接收端的上方。发射端和接收端之间的距离为10～100mm。较佳的，声波换能器的激励频率为30khz～40khz。
[0059]
较佳的，换能器定向发射声波的范围为0
°
～90
°
。
[0060]
本步骤中，所采用的换能器包括晶体4和绝缘材质的绝缘体5，晶体4用于发射或接收声波。晶体4的横截面为扇环形，绝缘体5的横截面为扇环形，晶体4和绝缘体5连接成一横截面为环形的结构。晶体4所在扇环形对应的圆心角β为0
°
～90
°
，进行声波发射时，声波发射范围为0
°
～90
°
。
[0061]
步骤s3：对步骤s2接收的多组波形图进行消除干扰波处理，得到反射波调辉图，如图4所示，由此图可以方便的判断回波区域在两条竖虚线之间。
[0062]
步骤s3中，消除干扰波的方法包括滤波、相关、反褶积、模态分解等方法。得到反射波调辉图后，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。声波从发射到被界面反射回接收端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，根据反射波调辉图中的时间坐标，即可确定时域波形图中界面回波的位置，如图4中虚线截取部分即为一实际应用中截取的界面回波区域。
[0063]
步骤s4：从步骤s3反射波调辉图中截取界面回波区域，得到多个界面回波区域的归一化反射能量系数r的值；
[0064]
此步骤中，各检测点混凝土桩与围岩界面归一化反射能量系数的计算公式为：
[0065][0066]
式中r——基桩与围岩界面的归一化反射能量系数；
[0067]
r0——混凝土桩内参考区间声波平均能量；
[0068]ri
——第i个检测点位置混凝土桩与围岩界面反射波能量；
[0069]
其中r0按如下公式计算：
[0070][0071]
式中x
ij
——第i检测点j时刻的反射波幅度；
[0072]
n1——第i检测点位置归一化参考反射波能量计算时间区间起点；
[0073]
n2——第i检测点位置归一化参考反射波能量计算时间区间终点；
[0074]
n——归一化参考反射系数能量计算测点起点；
[0075]
其中ri按如下公式计算：
[0076][0077]
式中x
ij
——第i检测点j时刻的混凝土桩与围岩界面反射波幅度；
[0078]
m1——第i检测点位置混凝土桩与围岩界面反射波能量计算时间区间起点；
[0079]
m2——第i检测点位置混凝土桩与围岩界面反射波能量计算时间区间终点。
[0080]
综上，上述参考反射波能量计算时间区间起点和终点及混凝土桩与围岩界面反射波能量计算时间区间起点和终点由步骤s3的反射波调辉图容易确定。
[0081]
因此，根据每个检测点的波形图最终得到一个基桩与围岩界面的归一化反射能量系数r值。
[0082]
步骤s5：以探测孔2的深度为纵坐标、混凝土桩与围岩界面归一化反射能量系数r的值为横坐标，得到反射系数曲线图如图5所示；
[0083]
步骤s6：根据步骤s5得到的反射系数曲线图判断嵌岩面3的位置：曲线中出现明显突变或者拐点处的纵坐标值即为嵌岩面3的深度，图5对应的基桩的嵌岩面位置为11.9m处，所述嵌岩深度为基桩1的长度减去嵌岩面3的深度为1.7m。
[0084]
较佳的，检测时所述探测孔2内填充有清水。
[0085]
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。