旁孔透射波法在樁基檢測中的應(yīng)用

鄭立新

中國水利水電第十二工程局有限公司

1 前言

通過旁孔透射波法來檢測樁身完整性或者長度，必須具備一套完整的測試設(shè)備，在嚴(yán)密的現(xiàn)場測試工作方法下完成。同時，需要具備分析樁身完整性和長度的理論支撐，并在具體的應(yīng)用案例中總結(jié)出行之有效地應(yīng)用經(jīng)驗。為此，本文深入探討了旁孔透射波法在樁基檢測中的應(yīng)用方法，現(xiàn)做如下分析。

2 旁孔透射波法概述

2.1 理論概述

旁孔透射波法(parallel seismic test)最早在歐洲興起，施工人員以此方法檢測樁長。通過對與樁相連側(cè)面激振得到反饋數(shù)值，并在基樁旁注滿水的測孔內(nèi)懸掛檢波器，從而獲得接收透射波信號。以P波首至?xí)r間與深度關(guān)系來確定樁長，以及樁身到地基土波速。旁孔透射波法在橋梁樁基、建筑工程樁基方面的檢測已經(jīng)達到較高水平，而且諸多研究正在嘗試用于對存在缺陷的樁身進行檢測。

2.2 測量規(guī)范

旁孔透射波法主要用于測算基樁樁長、樁身平均波速、樁底持力層波速檢測，評估基樁樁長、樁身平均波速是否滿足設(shè)計要求。目前國內(nèi)所使用的旁孔透射波設(shè)備，多為美國olson（奧爾森）公司生產(chǎn)的PS-1、PS-1G、PS-1S系統(tǒng)。系統(tǒng)運行規(guī)范符合《既有建筑地基基礎(chǔ)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 422—2018）；《既有建筑地基基礎(chǔ)檢測技術(shù)規(guī)程》（DB 13J/T189—2015）《基樁完整性檢測技術(shù)規(guī)程》（DB 33/T 1127—2016）等基樁檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 技術(shù)特點

旁孔透射波檢測系統(tǒng)，具有瞬時浮點和全程浮點的放大技術(shù)。同時，高信噪比的電路設(shè)計結(jié)構(gòu)也滿足了復(fù)雜工況的檢測需求，基本上兼顧了強弱信號不失真的數(shù)據(jù)采集要求。而且，新一代PS-1S系統(tǒng)配備了可拆卸鋰電池且支持座充，也就滿足了施工現(xiàn)場的檢測環(huán)境狀況，確保了戶外工作不間斷的檢測信號收集。旁孔透射波檢測系統(tǒng)同時配備旁孔測試探頭，可以直接貼壁進行不間斷信號檢測。對施工現(xiàn)場的基樁樁長、樁身平均波速、樁底持力層波速等數(shù)據(jù)進行綜合分析判定。

3 旁孔透射波法應(yīng)用于樁基檢測的基本原理

3.1 波速簡化公式

P波傳播速度受飽和土地基影響微小，可以忽略不計，僅以均質(zhì)飽和地基作為分析條件。那么在地表裸露部分的基樁處作為分界線，從此分界線下直至樁底即為樁長埋深設(shè)為L。假設(shè)樁身存在缺陷段，該缺陷的頂部深度設(shè)為Z0，缺陷總體長度設(shè)為ΔL。旁孔距設(shè)為D（樁基與旁孔的水平間距），則可以得到簡化公式用于測算樁基缺陷。在公式中，θ1、θ2分別代表了PP波、PS波，以及該波段在樁身周圍土層中傳播渠道的水平傾角。以n代表樁土波速比（樁身P波速度Vpp與地基土P波速度的比值）。以α代表樁身缺陷程度。則Vsp代表三維P波波速，Vpp代表地基土樁身正常段P波波速，Vdp代表低速缺陷段的P波波速。與此同時，zP代表樁身正常段透射深度，zdP可以代表缺陷低速段透射深度。

3.2 樁基頂部三維測點

當(dāng)n≥α＞1時，忽略樁基頂部三維作用的關(guān)聯(lián)效應(yīng)時，當(dāng)z值下旁孔內(nèi)深度測點符合zP＜z＜zdu和zdu＜z＜L+zP取值范圍時，旁孔內(nèi)兩直線段的深度關(guān)系相互平衡，且均為傾斜樁身的正常P波速度。進一步簡化推導(dǎo)公式，得到zdu＜z＜L+zP范圍內(nèi)端點深度取值公式。

用初等幾何解析計算條件，將zdu＜z＜L+zP范圍內(nèi)的端點深度控制在zdu=Z0+zP以下，并以該取值范圍內(nèi)的端點深度作為差值計算范圍，得到ΔZ的計算條件?？梢姡?dāng)ΔZ的差值高于樁身缺陷長度ΔL時，兩端點時間差即可算出。兩條平行直線直接對應(yīng)具體的時間截面，并以截距之差代表樁基形成條件?？蓪du＜z＜L+zP范圍內(nèi)取值的以地基土比例擬合直線交點，該交點深度記可記作為zi，則L樁底埋深計算結(jié)果與樁身無缺陷計算結(jié)果相同。

4 樁底深度及樁身缺陷測算方法

4.1 樁身缺陷測算方法

設(shè)樁身缺陷頂面深度為Z0、以ΔL代表缺陷長度，以α表示缺陷嚴(yán)重程度，以上三個測量指標(biāo)來判斷樁身缺陷造成的影響。進一步測算分析的過程中，必須觀察旁孔內(nèi)各測點變化特征，尤其是判斷首至波時深關(guān)系是否發(fā)生變化。預(yù)測值可以控制在樁長深度的取值范圍之內(nèi)時，與兩條平行線中的一條擬合，則代表樁身P波速度尚且處于合理的取值范圍，可以初步判定樁身具有較好的完整度。假設(shè)，并未與兩條平行線中任何一條擬合，且需要過渡段來確定擬合條件，則代表樁身已經(jīng)受損存在先天或后天缺陷。

如果推斷樁身已經(jīng)產(chǎn)生明顯缺陷，則需要進一步細(xì)化擬合條件，以兩條平行線段的傾斜角度和P波速度Vpp代表，確定平行線段上時間軸截距之差Δt。測量范圍以線段上下兩端點的實際距離為取值空間，并在深度保持zud和zdu的狀態(tài)下完成測量。兩次測算結(jié)果之差Δz，代表了時間差值的tud，在利用簡化公式測算取值范圍是否存在偏差，并對讀取數(shù)據(jù)的誤差值做出判斷，即可再次確認(rèn)樁身缺陷。

4.2 樁底深度測算方法

測算樁身缺陷之后，需要進一步測算樁底深度。而樁底深度的取值范圍，也能夠作為驗證樁身缺陷的客觀證據(jù)。按與樁身完整性類似的測算方法，采用簡化公式即可完成測算。在z≥L+5D范圍內(nèi)擬合度越高，樁身完整性越高，樁底深度的精確度越高。樁端以下P波取值范圍，與深度關(guān)系，可通過測算斜率而得。并通過地基波速Vsp的波速比n來進行二次測算。簡化公式可初步推斷樁底深度在完整段的透射深度zP，再通過缺陷度來確定z0位置。那么樁端以下的長度即可算出，而擬合直線在地基土上下兩端的距離也可以算出，并以擬合直線作為交點深度的計算條件，進一步計算出具體樁長L。

具體樁長L為評價樁身缺陷程度提供了可靠依據(jù)，由此得到ΔL=VppΔt/（α－1）的測算結(jié)果，并將求解式范圍鎖定，根據(jù)n≥α＞1來確定樁身缺陷程度。那么在缺陷程度超出ΔL＜Δz的差值范圍后，明顯得到ΔL不滿足樁身完整性的首要條件。簡而言之，樁底深度不滿足缺陷長度，且ΔL≤ΔLcr進行差值計算的合理性存在。此時，再對頂部和底部鏈接處進行二次測算，也就得到了既有工程樁的合理長度，并經(jīng)過上述推導(dǎo)得到樁長結(jié)論。樁身缺陷參數(shù)與樁底深度無關(guān)，波側(cè)面激振點傳播時間t0亦然無相關(guān)性。所以，簡化公式也對樁基測算結(jié)果具有支持作用，且同樣適用所有類似工程項目。

5 旁孔透射波法在樁基檢測中的應(yīng)用案例

5.1 樁基案例信息

以旁孔透射波法檢測的實踐應(yīng)用為案例，工程樁信息：樁徑1.2m，預(yù)埋4根聲測管，未告知樁長信息。鉆孔信息：采用PVC管支撐，孔徑70mm；樁孔距1m。測試設(shè)備：采用設(shè)備RSM-PST（A）旁孔測試儀，并配備旁孔測試傳感器。

5.2 樁基檢測步驟

首先，將傳感器與儀器設(shè)備連接，把旁孔測試傳感器慢慢放到PVC管支護鉆孔的孔底，把觸發(fā)速度傳感器安裝在樁頂面。其次，根據(jù)樁、孔信息，在儀器上進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。再次，錘擊樁頂面，通過觸發(fā)傳感器、旁孔測試傳感器接收信號并在儀器上顯示相應(yīng)深度測點信號。從孔底往孔口方向，按照測點依據(jù)，依次測試各個深度測點的信號。最后，信號采集完成后，現(xiàn)場通過趨勢判斷，可以得到樁長、樁身波速、樁底持力層波速相關(guān)信息。最終，通過RSM-PST(A)分析軟件，輸出最終測算結(jié)果。

5.3 樁基檢測結(jié)果

工程名稱（WHRSM），測試儀器（RSM-PST），樁型（圓樁），樁徑（1200），強度等級（C40），實測樁長（12.00），樁身平均波速（4215.46），Ⅰ樁類別。旁孔測試結(jié)果數(shù)據(jù)：樁身實測深度范圍（0.00m~12.00m），樁身實測修正深度范圍（0.0m~12.00m），樁身實測Vpe（4215.46m/s）；持力層實測深度范圍(12.00m~18.00m)，持力層修正深度范圍（m），持力層Vpe（2578.49m/s）。

6 旁孔透射波法在樁基檢測中的應(yīng)用展望

歷經(jīng)多年發(fā)展，旁孔透射波法在樁基檢測中的應(yīng)用條件已經(jīng)相當(dāng)充分，無論是檢測設(shè)備，還是分析方法，都具備了較強的實踐性。尤其是對于未知樁體底部深度和可能存在的樁身缺陷情況，旁孔透射波法無疑是相對更為精確的檢測方法，而且在我國多數(shù)工程項目中得積累了大量實踐應(yīng)用經(jīng)驗。然而旁孔透射波法本身也存在一定缺陷，在未來工程應(yīng)用方面仍然需要深入研究，具體研究方向為三點。

其一，當(dāng)前對旁孔透射波法的應(yīng)用，主要是通過旁孔透射首至P波測算結(jié)果來確定。但是在觀察旁孔透射首至P波取值范圍時，并無法直接以S波段作為二次測算的評估條件。而且旁孔透射應(yīng)用案例中，目前也并未使用到S波的聯(lián)合測算。未來需要開發(fā)可以穩(wěn)定接收S波的檢測設(shè)備，而且需要進一步研究與S波聯(lián)合測算的方法，篤實理論基礎(chǔ)方為上策。

其二，旁孔透射波法的理論測算，均假設(shè)地質(zhì)均勻的前提條件。但是在實際工況中，地質(zhì)層完全均勻并不可能。尤其在層狀地基環(huán)境下應(yīng)用旁孔透射波法的相關(guān)研究很少，得出實踐經(jīng)驗的應(yīng)用案例也并不存在。所以，有必要深入探討減小土層不均勻狀態(tài)下的波段走勢影響，以及實地施工現(xiàn)場的環(huán)境限制中，樁基上部分結(jié)構(gòu)和承載力的影響。尤其樁孔距達到2 m以上時測算結(jié)果受到的干擾，以及波形在不同土層結(jié)構(gòu)環(huán)境下的誤差值。

其三，現(xiàn)有旁孔透射波法研究，主要是圍繞樁身一維P波對樁基檢測結(jié)果做出的分析和預(yù)判。如果樁頂完成了上部鏈接的主體結(jié)構(gòu)，那么被覆蓋的建筑結(jié)構(gòu)部分，則需要以最簡單的激振方式進行檢測。那么樁柱出露部分的測算就需要更為精準(zhǔn)，尤其是開挖后露段水平橫敲激振必須測算精準(zhǔn)，否則將影響最終測算結(jié)果。進一步研究利用彎曲波來推斷測算結(jié)果，對判斷樁身長度和缺陷程度具有支持作用，也需要進一步補充旁孔透射波法檢測的相關(guān)理論基礎(chǔ)和試驗條件。

7 結(jié)語

綜上所述，旁孔透射波法，通過對鉆孔首至直達波進行測算，來驗證樁基樁身長度和樁身缺陷程度，能夠得到較為精準(zhǔn)的測算結(jié)果。對初步完成基礎(chǔ)建筑設(shè)計部分和經(jīng)年累月的樁基損毀狀況判斷，均具有直觀檢測結(jié)果的判斷依據(jù)。但是，旁孔透射波法本身也存在一定缺陷，即便能夠預(yù)判樁身完整性，在實際工況中也存在環(huán)境限制，未來仍然需要深入研究不同環(huán)境下的應(yīng)用條件，以及S波段的收集數(shù)據(jù)對比，令旁孔透射波法在樁基檢測中得到更為廣泛的應(yīng)用。