本發明涉及土木工程質量檢測的技術領域，更具體地講，涉及一種基于多波聯合測試的既有工程樁樁底深度確定方法。

背景技術：

在使用狀態下對與上部基礎和結構相連接的既有工程樁進行復檢和評估還是樁基檢測中的難題。對于年代久遠的工程結構，其設計或施工記錄可能已難以查詢。若出現有如擬通行更大載重的車輛而需要提高橋梁樁基的承載力、地震后需要檢驗樁基是否受到損傷，或是在長期的沖刷作用下，樁周土被沖走或變松散以致樁基承載力減小等情況，對基樁長度和完整性的檢測就會顯得尤為重要。

在目前的樁基檢測技術中，低應變反射波法以其檢測快捷、成本低、效果好而得到了普及應用。其中，低應變反射波法和機械阻抗法是最普遍采用的兩種方法。對于既有橋梁、碼頭，樁柱上部有梁、板、承臺等平臺存在，通過在平臺上豎向激振，應力波會在平臺上下界面多次反射，只有較少能量透射到樁身，樁底反射往往較為微弱。微弱的樁底反射與干擾信號疊加后，更難以識別樁底反射位置。而采用機械阻抗法測試樁頂有平臺的基樁，頻域峰值往往平坦和不易識別。另外，對于高樁碼頭、橋梁等結構，也可在樁側以盡量接近豎向進行激振，然激振后向上傳播的波形在遇到上部結構后產生反射，而且因偏心產生的彎曲波會與樁底反射波疊加而干擾樁底反射波的識別，增加了識別樁底反射波的難度，以致較難有效檢測樁長。

通過對現有技術文獻檢索發現，中國專利文獻號CN103953076A公開(公告)日2014.07.30，公開了一種基于旁孔透射波拐點法確定樁底深度的方法。但該方法是利用首至波走時曲線中的拐點確定樁底深度，不涉及通過激發樁身彎曲波進行樁底深度的識別，亦不涉及通過一次測試同時利用樁身透射到土中的P波和S波信息進行多波聯合測試。

技術實現要素：

為了解決現有技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種基于多波聯合測試的既有工程樁樁底深度確定方法。

本發明提供了一種基于多波聯合測試的既有工程樁樁底深度確定方法，所述方法包括以下步驟：

A、在待測樁的樁側鉆測孔并在待測樁的樁側分別沿著樁孔連線方向和垂直樁孔連線方向對待測樁進行水平激振，同時在測孔內進行不同深度的檢波；

B、根據不同激振方向檢波的信號分別生成樁孔連線方向時間-深度信號圖和垂直樁孔連線方向時間-深度信號圖；

C、讀取所述樁孔連線方向時間-深度信號圖中的首至FP波走時并通過線性擬合確定上段FP波擬合線和下段FP波擬合線，讀取所述垂直樁孔連線方向時間-深度信號圖中的首至FS波走時并通過線性擬合確定上段FS波擬合線和下段FS波擬合線，繪制得到樁底深度確定圖；

D、利用所述樁底深度確定圖分別確定上段FP波擬合線與下段FP波擬合線的交點、上段FP波擬合線與下段FS波擬合線的交點以及上段FS波擬合線與下段FS波擬合線的交點，分別對三個交點的深度值進行修正后確定待測樁的樁底深度。

根據本發明基于多波聯合測試的既有工程樁樁底深度確定方法的一個實施例，所述測孔為豎直鉆打孔且樁孔距為0～3m，所述測孔的深度超過預測樁底深度且大于5倍樁孔距，其中，所述測孔中放置有PVC測管并且所述PVC測管內注滿清水。

根據本發明基于多波聯合測試的既有工程樁樁底深度確定方法的一個實施例，所述水平激振為由激振錘沿著水平方向敲擊樁側或基礎外側，其中，所述水平方向包括沿著樁孔連線方向的水平方向和沿著垂直樁孔連線方向的水平方向。

根據本發明基于多波聯合測試的既有工程樁樁底深度確定方法的一個實施例，所述激振錘為1.4～5.5kg的普通鐵錘或脈沖錘，并且激振錘和檢波器均通過線纜與示波器連接。

根據本發明基于多波聯合測試的既有工程樁樁底深度確定方法的一個實施例，在步驟A中，在測孔內進行不同深度的檢波包括以下步驟：

將激振錘與檢波器均通過線纜連接于示波器，將檢波器置于所述測孔的底部；

用激振錘在待測樁的樁側分別沿著樁孔連線方向和垂直樁孔連線方向對待測樁進行水平激振，檢波后將檢波器的高度提升0.2～1m；

重復進行兩個方向的水平激振、檢波和提升檢波器高度0.2～1m的操作直至檢波器到達測孔孔口，完成檢波。

根據本發明基于多波聯合測試的既有工程樁樁底深度確定方法的一個實施例，在步驟C中，根據上段FP波擬合線的方程、下段FP波擬合線的方程、上段FS波擬合線的方程和下段FS波擬合線的方程分別確定上段FP波擬合線、下段FP波擬合線、上段FS波擬合線和下段FS波擬合線的斜率，其中，上段FP擬合線的斜率和上段FS波擬合線的斜率均對應于樁身彎曲波波速，下段FP波擬合線的斜率對應于樁底地基土P波波速，下段FS波擬合線的斜率對應于樁底地基土S波波速。

根據本發明基于多波聯合測試的既有工程樁樁底深度確定方法的一個實施例，在步驟D中，分別對三個交點的深度值進行修正后確定待測樁的樁底深度包括以下步驟：

將上段FP波擬合線與下段FP波擬合線的交點的深度值減去第一修正值得到L₁；

將上段FP波擬合線與下段FS波擬合線的交點的深度值減去第二修正值得到L₂；

將上段FS波擬合線與下段FS波擬合線的交點的深度值減去第三修正值得到L₃；

選取L₁、L₂和L₃中的一個值作為待測樁的樁底深度，其中，n₁′為平均樁身彎曲波波速與樁底地基土P波波速之比，n₂′為平均樁身彎曲波波速與樁底地基土S波波速之比，D為樁孔距；所述平均樁身彎曲波波速為上段FP擬合線的斜率和上段FS波擬合線的斜率的平均值。

根據本發明基于多波聯合測試的既有工程樁樁底深度確定方法的一個實施例，將L₁、L₂和L₃取平均值并將所得平均值作為待測樁的樁底深度。

與現有技術相比，本發明的方法不受上部結構對波形的影響，在樁側水平激振即可，檢測方便且綜合利用了樁身透射到土中的P波和S波，分析方法簡單，通過一次測試可同時確定多個樁底深度值，多信息源的利用可減小系統誤差，多個樁底深度值可相互驗證，提高分析測試精度和可靠性。對于無工程經驗的技術人員也具有較好的可操作性，擴寬了現有旁孔透射波法的應有范圍及測試分析效果。

附圖說明

圖1示出了采用本發明基于多波聯合測試的既有工程樁樁底深度確定方法檢測既有工程樁樁底深度示意圖。

圖2示出了沿著樁孔連線方向進行水平激振的示意圖。

圖3示出了沿著垂直樁孔連線方向進行水平激振的示意圖。

圖4示出了讀取首至波走時的原理圖。

圖5示出了實施例1中的樁孔連線方向時間-深度信號圖。

圖6示出了實施例1中的垂直樁孔連線方向時間-深度信號圖。

圖7示出了實施例1中的樁底深度確定圖。

附圖標記說明：

1-樁頂上部結構、2-待測樁、3-示波器、4-地基、5-激振錘、6-檢波器、7-測孔、8-樁身透射波、9-樁孔連線方向、10-垂直樁孔連線方向、11-上段FP波擬合線、12-下段FP波擬合線、13-上段FS波擬合線、14-下段FS波擬合線、A-上段FP波擬合線與下段FP波擬合線的交點、B-上段FP波擬合線與下段FS波擬合線的交點、C-上段FS波擬合線與下段FS波擬合線的交點。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

本說明書公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。

旁孔透射波法的提出主要針對既有工程樁的檢測。現有旁孔透射波法確定樁底深度是通過在樁側敲擊的同時在樁身鉆取的豎向探孔中檢波，并形成時間-深度信號圖，確定圖中首至波走時并擬合確定兩條直線，以兩線交點直接或修正后確定樁底深度。該方法主要存在以下不足：1)現有旁孔透射波法主要是基于激發樁身一維P波進行測試，在樁側或樁頂承臺上應豎向或接近豎向進行敲擊；當樁頂已連接上部結構，由于沒有相應的豎向激振工作面而難以激發樁身一維P波，以致就會影響測試效果；2)現有旁孔透射波法即使有提到可以采取樁側水平敲擊的方式，但沒有明確水平敲擊確定樁底深度的理論基礎和分析方法，實際上水平激振是激發樁身彎曲波，其在確定樁底深度的理論基礎與方法與基于樁身一維P波的有所不同；3)現有方法一次測試分析只能確定一個樁底深度值，無法通過多方面信息、多種手段綜合分析確定樁底深度，以相互驗證，減小系統誤差，提高結果可靠性；4)現有旁孔透射波僅利用了樁身透射到土中的P波信息，而能量占優的S波信息尚沒有效利用。基于以上四點考慮，現有旁孔透射波法還有待進一步改進。

針對現有方法的缺陷和不足，本發明提出了一種基于彎曲波的旁孔透射波多波聯合測試的既有工程樁樁底深度確定方法。

圖1示出了采用本發明基于多波聯合測試的既有工程樁樁底深度確定方法檢測既有工程樁樁底深度示意圖。

如圖1所示，根據本發明的示例性實施例，所述基于多波聯合測試的既有工程樁樁底深度確定方法包括以下多個步驟。

步驟A：

在待測樁的樁側鉆測孔并在待測樁的樁側分別沿著樁孔連線方向和垂直樁孔連線方向對待測樁進行水平激振，同時在測孔內進行不同深度的檢波。

在本步驟中采取的水平激振為由激振錘5沿著水平方向敲擊樁側或基礎外側的激振方式，其可以激發樁身彎曲波進行測試，彎曲波會在樁土界面或樁底以P波或S波透射后繼續傳播。具體地，本發明中采用的水平方向包括沿著樁孔連線方向的水平方向和沿著垂直樁孔連線方向的水平方向。

圖2示出了沿著樁孔連線方向進行水平激振的示意圖，圖3示出了沿著垂直樁孔連線方向進行水平激振的示意圖。也即，沿著樁孔連線方向的水平方向進行激振是指激振方向沿著測孔7和待測樁2的中心線連線方向(即樁孔連線方向9)，具體如圖2所示，此時在測孔7中接收的樁身透射波8的首至波為FP波；沿著垂直樁孔連線方向的水平方向進行激振是指激振方向沿著垂直于測孔7和待測樁2的中心線連線的方向(即垂直樁孔連線方向10)，具體如圖3所示，此時在測孔7中接收的樁身透射波8的首至波為FS波。

根據本發明，測孔7為豎直鉆打孔且樁孔距為0～3m，測孔7的深度應超過預測樁底深度且大于5倍樁孔距，其中，測孔7中放置有PVC測管并且在PVC測管內注滿清水。更具體地，激振錘5為1.4～5.5kg的普通鐵錘或脈沖錘，并且激振錘5和檢波器6均通過線纜與示波器3連接。

其中，本步驟中在測孔內進行不同深度的檢波可以包括以下步驟：

將激振錘5與檢波器6均通過線纜連接于示波器3，將檢波器6置于測孔7的底部；

用激振錘5在待測樁2的樁側分別沿著樁孔連線方向9和垂直樁孔連線方向10對待測樁2進行水平激振，檢波后將檢波器6的高度提升0.2～1m；

重復進行兩個方向的水平激振、檢波和提升檢波器高度0.2～1m的操作直至檢波器6到達測孔7孔口，完成檢波。

步驟B：

根據不同激振方向檢波的信號分別生成樁孔連線方向時間-深度信號圖和垂直樁孔連線方向時間-深度信號圖。

其中，時間-深度信號圖是將檢波器6接收的信號按照檢波深度布置在時間-深度坐標系中形成的圖形，分別按照沿樁孔連線方向激振和沿垂直樁孔連線方向激振分別布置得到樁孔連線方向時間-深度信號圖和垂直樁孔連線方向時間-深度信號圖。

步驟C：

讀取樁孔連線方向時間-深度信號圖中的首至FP波走時并通過線性擬合確定上段FP波擬合線和下段FP波擬合線，讀取垂直樁孔連線方向時間-深度信號圖中的首至FS波走時并通過線性擬合確定上段FS波擬合線和下段FS波擬合線，繪制得到樁底深度確定圖。

其中，首至FP、FS波是指激發的樁身彎曲波在樁土界面或樁底分別以P波和S波透射后達檢波器的首至波，其路徑遵循最小走時原理。

圖4示出了讀取首至波走時的原理圖。如圖4所示，根據信號出現波動的起始點判斷首至波走時并進行讀取。

在進行線性擬合時，除了在樁底深度確定圖中擬合、確定并繪制出擬合線上段FP波擬合線11、下段FP波擬合線12、上段FS波擬合線13和下段FS波擬合線14之外，還應得出各擬合直線的方程。

步驟D：

利用步驟C繪制得到的樁底深度確定圖分別確定上段FP波擬合線與下段FP波擬合線的交點、上段FP波擬合線與下段FS波擬合線的交點以及上段FS波擬合線與下段FS波擬合線的交點，分別對三個交點的深度值進行修正后確定待測樁的樁底深度。

在步驟C中，首先需根據上段FP波擬合線的方程、下段FP波擬合線的方程、上段FS波擬合線的方程和下段FS波擬合線的方程分別確定上段FP波擬合線、下段FP波擬合線、上段FS波擬合線和下段FS波擬合線的斜率，其中，上段FP擬合線的斜率和上段FS波擬合線的斜率均對應于樁身彎曲波波速，下段FP波擬合線的斜率對應于樁底地基土P波波速，下段FS波擬合線的斜率對應于樁底地基土S波波速。在需要使用樁身彎曲波波速時，優選地使用將上段FP擬合線的斜率和上段FS波擬合線的斜率計算得到的平均值作為平均樁身彎曲波波速來使用。

根據本發明，在本步驟中分別對三個交點的深度值進行修正后確定待測樁的樁底深度包括以下步驟：

將上段FP波擬合線與下段FP波擬合線的交點A的深度值減去第一修正值得到L₁；

將上段FP波擬合線與下段FS波擬合線的交點B的深度值減去第二修正值得到L₂；

將上段FS波擬合線與下段FS波擬合線的交點C的深度值減去第三修正值得到L₃；

選取L₁、L₂和L₃中的一個值作為待測樁的樁底深度，其中，n₁′為平均樁身彎曲波波速與樁底地基土P波波速之比，n₂′為平均樁身彎曲波波速與樁底地基土S波波速之比，D為樁孔距；所述平均樁身彎曲波波速為上段FP擬合線的斜率和上段FS波擬合線的斜率的平均值。

為了降低誤差并使樁底深度值可靠，優選地將L₁、L₂和L₃取平均值并將所得平均值作為待測樁的樁底深度。

下面結合具體實施例對上述基于多波聯合測試的既有工程樁樁底深度確定方法進行具體說明。

實施例：

如圖1所示，地基土S波速為140m/s，非飽和地基中P波速為262m/s，飽和地基中P波速為1400m/s。樁長12m，缺陷樁問題中缺陷位于樁身5～6m，分別沿樁孔連線方向和垂直樁孔連線方向進行水平激振以有效識別旁孔透射首至FP和FS波。

本實施例中的待測樁2為高樁形式，設計深度為12m，樁徑為1.0m。樁頂上部結構1為承臺且承臺長3m、寬1m、高1m。樁孔距D為1m，地基4為均勻非飽和地基，激振方式為在樁側距地面1m高沿樁孔連線方向和垂直樁孔連線水平豎敲。檢測如圖1所示，激振方向如圖2和圖3所示，具體實施方法和步驟為：

1)測試準備并清理場地：在待測樁2附近1m遠處鉆測孔7，孔深25m；在測孔中下放管徑為80mm的PVC管，管長25m；在管周回填土讓其密實，并將管內注滿清水，管底密封嚴實，防止漏水和雜物進入。

2)將激振錘5與檢波器6均通過線纜連接于示波器3，檢測時先將檢波器6先置于測孔孔底，并用激振錘5在樁側距地面1m高位置沿樁孔連線方向和垂直樁孔連線方向的兩個方向分別進行水平激振、檢波后將檢波器6高度提升0.5m，重復激振、檢波、提升檢波器高度0.5m這一過程，以接收不同深度的信號。

3)根據不同激振方向檢波的信號分別生成樁孔連線方向時間-深度信號圖和垂直樁孔連線方向時間-深度信號圖，具體如圖5和圖6所示。

4)根據信號出現波動的起始點判讀首至波走時，判讀方式如圖4所示。對圖5中所示信號判讀首至FP波走時，對圖6中所示信號判讀首至FS波走時。

5)根據2～10m段和20～25m段首至FP、FS波走時數據分別線性擬合確定上段FP波擬合線y＝1904x-15.1、下段FP波擬合線y＝263x+10.1、上段FS波擬合線y＝1852x-29.7和下段FS波擬合線y＝139x+10.7，所得樁底深度確定圖如圖7所示。

6)根據圖7和步驟5中得到的擬合線斜率，由上段FP波擬合線斜率、上段FS波擬合線斜率確定樁身彎曲波波速為1904m/s、1852m/s，取二者的平均值1878m/s作為平均樁身彎曲波速；由下段FP波擬合線斜率確定樁底地基土P波波速為263m/s，由下段FS波擬合線斜率確定樁底地基土S波波速為139m/s。

7)如圖7所示，由上段FP波擬合線11與下段FP波擬合線12確定交點A對應的深度值為14.1m，由第一修正值公式確定的修正值為2.1m，其中n₁′由步驟6中確定的平均樁身彎曲波速與樁底地基土P波波速之比確定，由此確定的樁底深度L₁為12m；

由上段FP波擬合線與下段FS波擬合線確定交點B對應的深度值為12.7m，由第二修正值公式確定的修正值為1.1m，其中n₁′由步驟6中確定的樁身彎曲波速與樁底地基土P波波速之比確定；n₂′由步驟6中確定的平均樁身彎曲波速與樁底地基土S波波速之比確定，由此確定的樁底深度L₂為11.6m；

由上段FS波擬合線與下段FS波擬合線確定交點C度應對應的深度值為12.7m，由第三修正值公式確定的修正值為2.2m，其中n₂′由步驟6中確定的平均樁身彎曲波速與樁底地基土S波波速之比確定，由此確定的樁底深度L₃為11.8m；

8)根據步驟8中確定的三個樁底深度分別為12m、11.6m、11.8m，三個數值的離散性小，確定的樁底深度值可靠，取三者的平均值11.8m作為最終的樁底深度值，其與設計樁底深度12m較接近，誤差僅為-1.7％。

本發明的方法不受上部結構對波形的影響，在樁側水平激振即可，檢測方便且綜合利用了樁身透射到土中的P波和S波，分析方法簡單，通過一次測試可同時確定多個樁底深度值，多信息源的利用可減小系統誤差，多個樁底深度值可相互驗證，提高分析測試精度和可靠性。對于無工程經驗的技術人員也具有較好的可操作性，擴寬了現有旁孔透射波法的應有范圍及測試分析效果。

本發明并不局限于前述的具體實施方式。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。