旁孔透射波法檢測樁長的影響因素及修正方法探討

董明華，劉志亮

(廊坊市中鐵物探勘察有限公司，河北 廊坊 065000)

1 引 言

樁基礎(chǔ)作為常見的深基礎(chǔ)形式之一，其樁長和樁身完整性對地基基礎(chǔ)的承載力和安全性有著重要影響[1]。與新建建筑不同，既有建筑的基礎(chǔ)檢測工作通常在建筑物已經(jīng)存在的情況下開展，因而受上部結(jié)構(gòu)的影響較大。作為常見的無損檢測方法之一，低應(yīng)變反射波法具有成本低、效率高、操作性強(qiáng)等優(yōu)點，在樁基檢測中應(yīng)用廣泛[2,3]。然而當(dāng)樁身上部存在承臺或結(jié)構(gòu)時，應(yīng)力波會沿激振點傳至承臺或上部結(jié)構(gòu)處發(fā)生反射，形成極為復(fù)雜的上、下行應(yīng)力波列，可造成有效反射信號提取困難[4]。而在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的旁孔透射法(Parallel Seismic Test，PS Test)[5]則不受樁頂以上的構(gòu)件的干擾。

旁孔透射波法由法國Davis[5]最早應(yīng)用于檢測既有建筑物的基礎(chǔ)深度，隨后國內(nèi)學(xué)者[6,7]將此方法用于橋梁基礎(chǔ)深度檢測，李軍[8]采用旁孔透射波法對鐵路地基樁基質(zhì)量進(jìn)行了檢測。旁孔透射波法檢測的既有房屋樁基，包括打入樁[9]、人工挖孔樁[10]、沉管灌注樁[11,12]等，湯建新等[13-15]通過建立三維樁-土有限元模型分析了飽和和非飽和土地基中完整樁和缺陷樁的旁孔透射信號，表明旁孔透射波法同樣適用于水泥攪拌樁的樁長及質(zhì)量檢測。旁孔透射波法目前多應(yīng)用于鐵路、房建、橋梁等業(yè)務(wù)范圍的樁長、樁基質(zhì)量檢測，具有巨大的應(yīng)用前景[16]。

旁孔透射波法在既有樁基樁長檢測方面具有顯著優(yōu)勢，并且已寫入《既有建筑地基基礎(chǔ)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 442-2018)，其基本原理如圖1所示[17]。在待測基樁附近處鉆孔，鉆孔深度大于設(shè)計樁長5 m以上，在鉆孔內(nèi)用檢波器檢測樁頂敲擊產(chǎn)生的縱波至各個深度的初至?xí)r間,繪制深度(Z)-時間(t)關(guān)系圖形,并識別深度(Z)-時間(t)關(guān)系圖形的拐點來確定樁底所在的深度。旁孔透射波法的測試分析對象是經(jīng)樁身傳播到旁孔的首至波，是直達(dá)法測量，不受樁頂以上構(gòu)件產(chǎn)生的反射波的影響，能量強(qiáng)弱與樁身完整性、長度等質(zhì)量因素密切相關(guān),是檢測基樁樁長的有效方法。

圖1 旁孔透射波法現(xiàn)場檢測示意圖Fig.1 Schematic diagram of on-site detection of side hole transmission wave

2 樁長判定影響因素

經(jīng)過多次試驗研究分析，旁孔透射波法檢測樁長應(yīng)用效果受以下因素影響：①周圍地層波速不均勻，但現(xiàn)有方法在判定樁長時默認(rèn)地層為均勻地層，一般不考慮該因素，實際這是影響檢測精度的最主要因素；②樁孔間距不相等：判定樁長時假設(shè)樁孔是平行的，但規(guī)范中樁身的垂直度允許偏差應(yīng)為±1 %，實際可能更大，鉆孔也可能有一定的傾斜；③ 鉆孔孔徑有變化，且檢波器與孔壁接觸位置不固定：不同的地層井徑會有變化，有的地層會塌孔，有的地層會縮孔，用支壁式探頭進(jìn)行縱波初至測量，探頭和井壁接觸的方向會影響傳播路徑，從而影響初至?xí)r間；④樁底混凝土和土體混合物：旁孔透射檢測樁長的理論基礎(chǔ)是建立在樁和土明顯的介質(zhì)變化，具有不同的縱波速度基礎(chǔ)上的，但實際工程樁在施工中(尤其CFG樁)，樁底有一部分是樁土的混合物，不是理想的界面，所以也會對檢測結(jié)果有影響，初至曲線表現(xiàn)為漸變形式；⑤人為因素：敲擊位置偏差、測點位置不精確等，由于檢測步距為0.5 m或者更小，所以微小的誤差都會引起初至精度誤差，造成樁長判定的誤差。

3 樁長判定方法

旁孔透射波法確定樁底深度的研究中，最初由Olson等[18]提出通過樁側(cè)段和樁底段分別直線擬合確定兩條直線，由兩線交點確定樁底深度(記為“交點法”)。由于該方法操作簡單，無需額外修正,在工程實踐中運用廣泛。之后，黃大治等[19]提出將交點法中的上段擬合線平移經(jīng)過原點﹐其與下段直線的交點確定為樁底深度(記為“平移法”)。Zhang等[20]推薦樁底深度校正式對初始樁底深度修正后確定樁底深度(記為“校正法”)。由于3種方法確定樁底深度結(jié)果不一致，在具體測試條件下選擇合適的方法存在盲目性，對得到的樁底深度精度及可靠性亦不可知。

3.1 交點法

樁孔距離較近時，不做修正，是《既有建筑地基基礎(chǔ)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 422-2018)推薦使用的確定樁長的方法。該規(guī)范對應(yīng)樁長確定方法為：通過擬合深度—時間曲線，并識別擬合直線的拐點確定樁長。根據(jù)理論模型分析，交點法確定的樁底深度比實際樁底深度偏大，且隨著旁孔距離D的增大而增大，隨著樁土波速比n的增大而減小。

3.2 平移法

由于樁與鉆孔有一定的間距，對深度-時間曲線的上段直線還應(yīng)扣除縱波在此間距中傳播的時間，即將該直線向左平移至通過坐標(biāo)原點；對下段直線，由于波傳播路徑與上段的有所不同，由其后半部分為主繪制的直線受樁—孔間距的影響較小，因而可不作波時修正。經(jīng)過上述修正后的兩直線交點對應(yīng)的深度Z′，便可認(rèn)為是被檢樁底的真實深度，該方法稱為平移法。根據(jù)理論模型分析，平移法確定的樁底深度比實際樁底深度偏小，誤差隨著旁孔距離D的增大而增大，隨著樁土波速比n的增大而減小。

3.3 校正法

由兩擬合線交點確定的深度減去相應(yīng)的校正公式確定的校正值，得出樁底深度的方法為校正法。根據(jù)樁土理論推導(dǎo)出簡化深度校正公式如下：

(1)

其中，ΔL為深度修正值，單位為m；n為樁土波速比；D為旁孔距，單位為m。

3.4 實測地層波速修正法

針對目前三種判定方法的不足，經(jīng)過反復(fù)試驗研究引入一種新的樁長判定方法——實測地層波速修正法。在外業(yè)測試過程中，增加鉆孔縱波波速測試，獲得樁周土層的實際縱波速度，在鉆孔的對面選取激振點(保證激振點和鉆孔之間沒有樁體)，確保地層速度準(zhǔn)確，不受樁體干擾。在計算樁體波速時，用總時間減掉土層走時(由于一般樁土波速比n比較大，為簡化計算，在土層中縱波路徑近似按樁孔距離考慮修正)計算樁體波速，從而計算樁長，詳見式(2)：

(2)

式中：T為實測的最深測點的總時間，單位為ms；L樁為計算樁長，單位為m；L孔為孔深度，單位為m；D為旁孔距離，單位為m。V樁為用實測地層波速對初至?xí)r間修正后計算所得樁體速度，單位為m/s，考慮樁頭和樁底影響因素，建議用樁身中間1/3深度范圍內(nèi)波速取平均值，V土為樁底以下至孔底深度內(nèi)土層平均速度，單位為m/s。

由式(2)可以看出：T、D、L孔均為實測數(shù)據(jù)，V樁和V土是計算L樁的關(guān)鍵參數(shù)，而V樁的計算準(zhǔn)確度也受土層速度的影響，所以當(dāng)土層速度變?yōu)閷崪y數(shù)據(jù)時，V樁和V土的準(zhǔn)確度都會提高，所以該方法的精度會有大幅提高。

4 實測地層波速修正法計算樁長模型

為了驗證該方法的有效性，建立如下正演模型：樁長20 m，鉆孔深度25 m，樁孔間距1.0 m，樁體波速2 500 m/s，土層縱波速度在0～5 m為250 m/s，5.5～10 m為300 m/s，10.5～15 m為350 m/s，15.5～20 m為400 m/s，20.5～25 m為450 m/s。計算結(jié)果見表1和圖2。

表1 旁孔透射法正演模型計算數(shù)據(jù)

續(xù)表1

圖2 旁孔透射波法正演模型Fig.2 Forward modeling of side hole transmission method

建立反演模型：反演模型初至及T、D、L孔均為正演模型中數(shù)據(jù)，V土由實測值和估算值(正演模型中地層波速平均值)分別計算，進(jìn)行對比，V樁根據(jù)對應(yīng)V土用樁身5～15 m深度范圍內(nèi)計算波速平均值。

V土用實測值計算如下：

V土=0.45 m/ms 、V樁=2.503 m/ms，代入式(2)得出如下方程：

(3)

計算得出L樁=20.0 m，舍掉解方程中另外一個解28.4 m。

V土用估算值計算如下：V土=0.35 m/ms 、V樁=2.297 m/ms，代入公式得出如下方程：

(4)

計算得出L樁=21.7 m，舍掉解方程中另外一個解27.4 m。

同樣正演模型，用交點法得出L樁=20.5 m，平移法得出L樁=18 m，校正法得出L樁=19.5 m， 通過模型計算可以得出，實測地層波速修正法計算樁長準(zhǔn)確度相對其他方法提高了很多，從理論上基本達(dá)到真實樁長的精度。

5 實測地層波速修正法計算樁長實例

某工程施工樁長24 m，鉆孔深度L孔=29 m，樁孔間距D=0.5 m，采用豎向錘擊樁頂表面形式激發(fā)，采樣點距0.5 m，采樣點數(shù)2 048，采樣周期50 μs，實測波形圖見圖3。從圖3中可以看出,波形在24 m附近初至?xí)r間斜率有明顯拐點變化。樁體旁孔透射波法測試完畢后，重新把三分量檢波器探頭下入旁孔中，激發(fā)檢波器安裝在離鉆孔0.5 m的土層中，大錘豎向敲擊地表土層，測試點距1 m，測試深度29 m，其他測試參數(shù)相同，本次土層主要以粉土和黏性土為主。

圖3 實測樁體波形Fig.3 Measured pile waveform

土層實測縱波速度在0～5 m為300 m/s，5.5～10 m為360 m/s，10.5～15 m為500 m/s,15.5～20 m為450 m/s，20.5～24 m為360 m/s，24.5～29 m為500 m/s，用實測地層波速修正法計算V土=0.5 m/ms，V樁=3.4 m/ms，實測最深處走時T=17.4 ms。把上述參數(shù)帶入式(2)計算求取L樁=23.83 m，經(jīng)取芯驗證該樁實際樁長23.9 m，驗證了該校正方法的有效性和準(zhǔn)確性。實測地層波速修正后深度-初至曲線見圖4。

圖4 實測地層波速修正后深度-初至曲線Fig.4 Corrected depth first break curve of measured formation wave velocity

6 結(jié) 論

通過實測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性影響因素分析，以及實測地層波速修正法計算樁長模型及實例的分析比對，可得出以下幾點結(jié)論：

1)旁孔透射波法在既有基礎(chǔ)的基樁樁長檢測中是一種有效方法，能夠快速、無損、方便地確定既有建筑物樁基樁長，但樁長判定方法較多，需要根據(jù)樁體設(shè)計資料、地層信息和測試數(shù)據(jù)綜合考慮，選擇合理適用的樁長判定方法。

2)旁孔透射波法檢測樁長的準(zhǔn)確性受很多因素影響，需要綜合考慮地層波速的均勻性、樁孔距、鉆孔孔徑變化、樁身質(zhì)量、敲擊方向等因素，現(xiàn)場測試過程中，需要嚴(yán)格根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置采集參數(shù)，準(zhǔn)確獲取鉆孔的地層信息，詳實記錄好現(xiàn)場干擾信息，便在后期數(shù)據(jù)處理過程中能夠全面綜合分析各影響因素，以得出最為準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。

3)旁孔透射波法測定樁長通過實測地層波速修正法能夠大幅度提高準(zhǔn)確度，是一種全新、合理、有效的樁長判定方法。但在實測過程中，測試土層波速過程應(yīng)與樁長測試同步進(jìn)行，確保檢波器在孔中位置的一致性，另外需要準(zhǔn)確讀取土層及樁體的初至，精確計算土層和樁體波速。