用于高承台桩质量检测的桩侧压入探头透射波检测方法与流程

本发明属于地基基础检测和试验领域，具体涉及一种用于高承台桩质量检测的桩侧压入探头透射波检测方法。

背景技术：

高桩承台基础广泛应用于跨越江河湖海水域的桥梁以及风电平台中，因为长期的腐蚀、冲刷、波浪荷载、地震以及可能的人为损伤(车船撞击)等作用容易造成损伤，又因其隐蔽性而不易发现。水中桩基常见病害包括钢筋锈蚀、混凝土剥落、河床冲刷导致的桩身截面阻抗减小，断裂等病害，及时检测与界定桩基损伤程度，评价其在不同损伤程度下继续服役的性能或承载能力十分重要。

作为一种桩身完整性检测方法，旁孔透射波法具有信号强、干扰少、能反映桩身缺陷及缺陷以下桩身质量信息等优点，自提出以来就在桩基检测中，尤其是在既有建筑工程桩中得到了广泛应用。该方法在桩侧或与桩相连的基础侧面激振，在基桩旁注满水的测孔内悬挂检波器接收透射波信号，根据p波的首至时间与深度的关系和波形变化，可确定桩身及地基土波速、桩长等信息，同时用于分析桩身潜在缺陷的位置。目前旁孔透射法在高承台桩检测的应用中主要还存在以下几方面有待改善的地方：

1、旁孔与被检桩之间的水平间距过大，对桩身p波透射到旁孔的p波(简称pp波)和s波、(简称ps波)在土中的传播时间占比，以及地基土层状特性对旁孔透射法的影响将不可忽视，尤其对于非饱和地基而言，地基土的层状特性对p波波速的影响显著，减小旁孔与被检桩水平间距可大大提高测试结果的准确性。但由于受到钻孔设备的影响，目前工程上旁孔与被检桩水平间距无法控制到足够小；

2、旁孔的施工工序相对较为复杂，耗时长，而且钻孔费用高，在一定程度上降低了桩基测试的效率和经济性；

3、传统旁孔透射波法在土层和检波器之间隔有套管，套管的存在对与检波器检波的精度有不利影响。

为了解决这些缺陷，提出了本文的方法：结合已有旁孔透射波法的检测原理，设计出一种桩侧压入探头的透射波法，通过对静力触探分节探杆进行改进，并将三向高灵敏度的加速度传感器固定在探头内，最后压入地基土中不同深度，再通过多次水平敲击或竖向敲击桩身，来进行桩基缺陷等信息的检测。该方法可免去打孔费用，并节省大量时间，操作方便；由于对操作空间要求低，可使传感器与桩身更贴近，提高测试数据灵敏性及结果准确性；此外，与传统的旁孔透射法在传感器和土层之间存在套管和清水不同，本方法的探头直接紧贴土层，使得测试信号更准确。本方法在高承台桩受到地震、车船撞击后损伤的快速检测方面具有很好的实用价值。

技术实现要素：

为解决传统旁孔透射波法在高承台桩质量检测中的不足，结合静力触探方法提出了一种新的桩侧压入探头透射波法，可用于已有建筑高承台桩基在地震、车船撞击以及服役过程中其他损伤的快速检测。

本发明的主要发明构思概括如下：将高灵敏加速度传感器固定在静力触探的探杆内部，再利用液压设备将多段探杆压入地基土中，作为检波装置来测量敲击桩身信息。在桩身设置固定的夹具平台，用于给液压设备提供反力，同时可以作为桩身的激励平台，最后根据检测目的选择水平或竖向激振，根据波形特征判断桩身信息。

本发明具体采用的技术方案如下：

一种用于高承台桩质量检测的桩侧压入探头透射波检测方法，其步骤如下：

步骤1、将液压缸通过夹具平台固定在待测桩身侧部，且保持液压缸的活塞杆垂直朝下；所述夹具平台上具有激振承受部件，激振承受部件与待测桩身构成刚性传导，用于作为外部激振设备对待测桩身施加激振的着力点；

步骤2、将多节中空杆体连接组装而成的探杆穿过夹具平台，所述探杆底部的探头中内置有检波器；再调节探杆的高度，使探头刚好与待测桩身的地基表面平齐，保持液压缸的活塞杆处于收缩状态并将可松脱夹具调整至位于液压缸的活塞杆末端下方，对探杆与可松脱夹具之间进行可松脱式的相对固定；将检波器的数据线沿探杆中心穿出后与外部数据采集设备相连；

步骤3、利用液压泵驱动液压缸的活塞杆伸长，使活塞杆通过可松脱夹具对探杆施加向下的压力，带动探杆钻进地基的预定深度处；

步骤4、利用外部激振设备对夹具平台上的激振承受部件施加预设的激振，施加的激振通过夹具平台传导至待测桩身中，由检波器检测到该激振的土体振动信号，并由数据采集设备采集和保持；

步骤5、不断重复步骤3和4，对不同的地基深度的土体振动信号进行收集；当活塞杆下一次需向下移动的距离超过液压缸行程时，先保持液压缸的活塞杆与可松脱夹具处于可分离状态，通过液压泵驱动液压缸的活塞杆缩进，使得活塞杆末端与可松脱夹具分离；然后将可松脱夹具与探杆拆卸分离，将可松脱夹具相对于原固定位置向上移动重新调整至位于活塞杆的末端下方，对探杆与可松脱夹具之间进行相对固定，再继续重复步骤3和4，直至得到地基中的全桩长范围内的波形信息；

步骤6、测试完成后，将可松脱夹具与活塞杆末端进行相对固定，保持探杆与可松脱夹具之间相对固定，通过液压泵驱动液压缸的活塞杆缩进，将探杆向上拉动，拔离地基，实现探杆的回收利用。

作为优选，所述的液压缸具有多个，各液压缸的活塞杆平衡地支顶于所述可松脱夹具上，同步施加下压力。

作为优选，所述的夹具平台中与待测桩身固定的部件为一个与桩身横截面匹配的卡箍，卡箍由两个半箍体拼装而成，可拆卸式固定在桩身上。

作为优选，所述的多节中空杆体通过螺丝扣顺次连接，当探杆长度无法满足要求时，在顶部的中空杆体上再继续连接其余的中空杆体。

作为优选，所述的可松脱夹具为液压缸提供反力支撑；在探杆下钻过程中，可松脱夹具与液压缸的活塞杆端部保持可非固定的顶压状态；在回收探杆过程中，可松脱夹具与液压缸的活塞杆端部保持相对固定。

作为优选，所述的液压泵和数据采集设备均搭载于试验船上。

作为优选，所述的检测装置在对待测桩身进行检测前，均搭载于试验船上，由试验船携带至待测桩身附近后，进行安装和检测

作为优选，所述的检波器采用三向加速度传感器，检波器固定于探头的内壁上。

作为优选，所述的外部激振设备为敲击锤，敲击锤水平或竖向敲击夹具平台上的激振承受部件，对待测桩身施加一次激振。

作为优选，所述的数据采集设备采集到地基中的全桩长范围内的波形信息后，通过旁孔透射波法原理确定桩身质量。

本发明对传统旁孔透射波法进行改良，结合静力触探中探杆压入的方式，将检波器压入桩侧临近的地基土中，可避免传统打孔(尤其是水上打孔)费用高、耗时长、孔距远等缺陷，同时能够提高检测结果的准确性。本发明可免去钻孔费用，节省桩基检测时间，并能提高检测结果的准确性，而且检测施工方式相对于传统透射波法更为方便，具有很好的工程应用前景。

附图说明

图1为高承台桩桩侧压入探头透射波桩身质量检测装置的结构示意图；

图2为高承台桩桩侧压入探头透射波桩身质量检测装置在桩身上的的安装示意图；

图3为检测过程中的第一个施工状态示意图；

图4为检测过程中的第二个施工状态示意图；

图5为检测过程中的第三个施工状态示意图；

图6为检测过程中的第四个施工状态示意图；

图中附图标记为：夹具平台1、液压缸2、可松脱夹具3、检波器4、探杆5、探头6、数据线7、液压泵8、激振设备9、待测桩身10、桩身裂缝11、试验船12、横梁13、桥面14和数据采集设备15。

具体实施方式

下面结合附图和实施步骤对本发明进一步说明。

本发明提供了一种用于高承台桩质量检测的桩侧压入探头透射波法及其施工方法和装置。下面对桩侧压入探头透射波法基本原理、装置、连接方式和功能进行说明。

高桩承台基础广泛应用于跨越江河湖海水域的桥梁以及风电平台中，其桩身上方通过横梁13架设桥面14，底部伸入水面a中，并进入地基的持力层。

在本发明的一个较佳实施例中，如图1所示，高承台桩桩侧压入探头透射波桩身质量检测装置包括夹具平台1、液压缸2、可松脱夹具3、检波器4、探杆5和数据采集设备15，其安装状态如图2所示。其中，夹具平台1按功能可以分为三个部分，分别为激振承受部件、桩身固定件和液压缸固定件。其中，桩身固定件用于与待测桩身10固定，而且两者之间的固定属于可拆卸式固定，以便于对整个装置进行回收再利用。在本实施例中，桩身固定件为一个与待测桩身10横截面匹配的卡箍，例如桩身为圆形则卡箍的内圈也呈同尺寸的圆形，桩身为方形则卡箍的内圈也呈同尺寸的方形。卡箍由两个半箍体可拆卸式拼装而成，其连接位置可以用螺栓等进行固定。激振承受部件与桩身固定件刚性连接，其作用是作为外部激振设备9对待测桩身10施加激振的着力点。在本实施例中，整个夹具平台1为金属材质，激振承受部件为一块突出与卡箍的平整金属块，外部激振设备9一般采用敲击锤，敲击锤直接敲击于金属块上，由于金属块通过卡箍与待测桩身10连接，因此构成了刚性传导结构，能够产生对桩身的激振。

液压缸固定件为开设有螺栓孔的固定平板，液压缸2的缸体后端盖固定于液压缸固定件上，两者通过螺栓可拆卸式连接固定。液压泵8与液压缸2通过液压油管相连构成液压驱动系统，可在远离桩身的位置为液压缸2的钻入提供动力。液压缸2以活塞杆作为位移输出端，且液压缸2的活塞杆垂直向下。液压缸2的作用是对可松脱夹具施加垂直向下的压力，因此为了保持平衡同时提供足够大小的压力，液压缸2应当具有两个或两个以上，各液压缸2相对于可松脱夹具3对称布置，其活塞杆平衡地支顶于可松脱夹具3上。

可松脱夹具3的主要作用是将液压缸2的下压力传导至探杆5上，使探杆5能够被压入地基土层中，同时在探杆5上提过程中将液压缸2的拉力传导至探杆5上。因此，可松脱夹具3中需要设有探杆5的固定件，该固定件是一个可拆卸式的固定件，可根据施工的需要灵活的调整探杆5的被夹持状态。固定件可采用卡扣、压紧套、螺栓紧固件等实现。另外，可松脱夹具3与液压缸2的活塞杆之间也需要设置连接固定件，但该连接固定件应当是可拆卸式的，例如采用通过螺栓连接。一般而言，可松脱夹具3在探杆5钻进时可不与液压缸活塞杆顶部固定在一起，在测试结束后需要回收地基中的探杆5时，再将两者固定起来，通过液压缸活塞杆将探杆5拔出地基，完成一次高承台桩质量检测。桩身夹具平台1和可松脱夹具3的尺寸、形状等需根据桩径、探杆5尺寸等来确定。

探杆5的作用是固定其底部的探头6，进行力的传导，同时也为数据线提供放置空间。夹具平台1上具有容纳探杆5顶部传出的孔洞，探杆5穿过夹具平台1垂直布置。探杆5由多节中空杆体连接组装而成，多节中空杆体通过螺丝扣顺次连接，其长度可以灵活调整。当探杆5长度无法满足要求时，在顶部的中空杆体上再继续连接其余的中空杆体。探杆5上部由固定件可松脱式夹持固定，其底部带有探头6。检波器4内置于探头6中，且探头6的数据线7沿探杆5的内腔伸出并与数据采集设备15相连。

本实施例中，检波器4采用三向加速度传感器，检波器4固定于探头6的内壁上。因此，该装置中采用静力触探中探杆压入的方式替代传统旁孔透射波法中的打孔、孔中固定检波器的方式，可以减小检波器与被检桩之间的水平间距，同时可将内置有检波器的探头直接紧贴桩侧土，以获得更佳的测试信号、更高的测量精度和准确性。

另外，由于高承台桩位于水面上，考虑检测方便，本实施例中还可以配制试验船12，液压泵8和数据采集设备15均搭载于试验船12上。夹具平台1、液压缸2、可松脱夹具3、检波器4、探杆5、探头6安装完毕后，液压泵8和数据采集设备15依然放置于试验船12上。

为避免传统旁孔透射波法中需要在桩侧打孔的缺陷，本发明通过静力触探的方式将内置检波器4(三轴加速度传感器)的探杆5压入桩侧地基中。液压缸2为探杆5压入土中提供动力，随着探杆5向下压入，还可起到精确控制检波器4位置的作用。由于可松脱夹具3与探杆5之间可根据需要拆卸和固定，因此在液压缸2一次行程后可与探杆5之间松脱，上移至探杆5下一加载位置或另一节探杆5上，实现探杆5不断向下钻进，从而带动检波器4进入地基土中。在探杆5向下钻进的过程中，使用振动锤在水平或竖向敲击桩身夹具平台1，从而能够采集和分析地基土中不同深度处的振动信号。

结合该装置，本发明进一步详细描述本发明提供的用于高承台桩质量检测的桩侧压入探头透射波检测方法，其步骤如下：

步骤1、检测装置在对待测桩身10进行检测前，均搭载于试验船12上，由试验船12携带至待测桩身10附近后，进行安装。先将液压缸2通过夹具平台1固定在待测桩身10侧部，且保持液压缸2的活塞杆垂直朝下，可松脱夹具3为液压缸2提供反力支撑。夹具平台1上具有前述的激振承受部件，激振承受部件与待测桩身10构成刚性传导，用于作为外部激振设备9对待测桩身10施加激振的着力点。夹具平台1在桩身的固定位置应当与上方的横梁13、桥面14保持一定间距处，需预留足够空间满足敲击激振需要。

步骤2、将多节中空杆体连接组装而成的探杆5穿过夹具平台1，探杆5底部的探头6中内置有检波器4。再调节探杆5的高度，使探头6刚好与待测桩身10的地基表面(即泥面b)平齐，保持液压缸2的活塞杆处于收缩状态并将可松脱夹具3调整至位于液压缸2的活塞杆末端下方，对探杆5与可松脱夹具3之间进行可松脱式的相对固定；将检波器4的数据线7沿探杆5中心穿出后与外部数据采集设备15相连。最终状态如图3所示。

步骤3、利用液压泵8驱动液压缸2的活塞杆伸长，使活塞杆通过可松脱夹具3对探杆5施加向下的压力，带动探杆5钻进地基的预定深度处，如图4所示。

步骤4、利用外部激振设备9对夹具平台1上的激振承受部件施加预设的激振，外部激振设备9为敲击锤，敲击锤水平或竖向敲击夹具平台1上的激振承受部件，对待测桩身10施加一次激振。施加的激振通过夹具平台1传导至待测桩身10中，由检波器4检测到该激振的土体振动信号，并由数据采集设备15采集和保持；

步骤5、不断重复步骤3和4，即可对不同的地基深度的土体振动信号进行收集。

但需要注意的是，由于液压缸2的行程是有限的，无法在单个行程内完成整个桩体的检测，因此当活塞杆下一次需向下移动的距离超过液压缸2行程时，先保持液压缸2的活塞杆与可松脱夹具3处于可分离状态，通过液压泵8驱动液压缸2的活塞杆缩进，使得活塞杆末端与可松脱夹具3分离，如图5所示。然后将可松脱夹具3与探杆5拆卸分离，将可松脱夹具3相对于原固定位置向上移动重新调整至位于活塞杆的末端下方，对探杆5与可松脱夹具3之间进行相对固定，如图6所示。然后，再继续重复步骤3和4，直至得到地基中的全桩长范围内的波形信息。

步骤6、测试完成后，将可松脱夹具3与活塞杆末端进行相对固定，保持探杆5与可松脱夹具3之间相对固定，通过液压泵8驱动液压缸2的活塞杆缩进，将探杆5向上拉动，拔离地基，实现探杆5的回收利用。

需注意的是，在上述过程中，在探杆5下钻过程中，可松脱夹具3与液压缸2的活塞杆端部保持可非固定的顶压状态；在回收探杆5过程中，可松脱夹具3与液压缸2的活塞杆端部保持相对固定。

在本发明中，数据采集设备15采集到地基中的全桩长范围内的波形信息后，通过旁孔透射波法原理确定桩身质量，判断其桩长是否满足要求，桩身是否存在桩身裂缝11等。

旁孔透射波法的基本原理属于现有技术，为了更便于理解，下面简述如下：该方法是在桩顶面(或与桩顶联结的承台、桩帽等上部结构)上用激振设备垂直方向敲击产生应力波，并沿着桩身向下传播。桩旁边事先钻好的孔，并埋设声测管，传感器放入声测管并根据测量需要调整深度。当应力波遇到周围土层进行透射，通过桩旁声测管内放置的传感器来接收透射波信号，由此读取不同深度的波时并绘制初至时间和深度的关系图。当传感器低于桩底时，则声速将会改变，会在时间一深度图上显示一个拐点，由图中直线斜率发生变化的位置来推断桩的长度，两条直线的斜率可以分别用来推断桩身平均波速和桩底持力层的波速，基于这些信息即可判断桩身质量。而本发明中，探杆5相当于传统旁孔透射波法中的声测管，通过探杆5将内置检波器4的探头6压入不同地基深度，相当于将检波器在声测管中上下移动调整高度。因此，通过本发明的检波器4，获取到全桩长范围内的波形信息后，也可绘制出初至时间和深度的关系图，用于判断桩身质量。

本发明通过上述技术方案，设计出一种高承台桩桩侧压入探头反射波法，来改进传统旁孔透射波法的不足，实现桩身质量的快速检测。本发明能够减小检波器与被检桩之间的水平间距，避免打孔费用和施工时间，且检波器不需要置于套管中，能够大大提高桩身质量检测结果的准确性，节省检测时间和费用，而且操作方便，尤其适用于桥梁等已有建筑高承台桩受外力的桩身损伤检测。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，液压系统的类型、尺寸，夹具平台和探杆的形状尺寸等可以根据实际工程要求进行改变。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。