CN113514554B - 一种基于桩外跨孔的无损基桩检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及既有基桩无损检测领域，具体是一种基于桩外跨孔的无损基桩检测方法。通过在基桩外钻挖多个检测孔，从基桩外部构建检测所需的条件。结合裸露基桩部分的可测量数据，通过将跨孔超声检测技术应用在基桩外部构建的检测孔中，获取地下基桩部分的测量数据，最后通过公式计算，获取任一深度位置下的桩径变化，以此快速判断基桩在该深度位置的状态。本方法适用性强，采用桩外钻孔的形式进一步避免了对基桩造成二次损坏。过程方便，能快速实现对地下任一深度位置或深度范围内的基桩检测，并量化反映出该深度位置或深度范围内的桩径变化，从而判断基桩可能存在的缩径、扩径、断裂等问题，为基桩的后续维护、加固或拆除提供有效依据。

Description

一种基于桩外跨孔的无损基桩检测方法

技术领域

本发明涉及既有基桩无损检测领域，更具体地，涉及一种基于桩外跨孔的无损基桩检测方法。

背景技术

基桩是建筑中起支撑和承重作用的重要结构，由于基桩并非完全外露在地面上，具有较强的隐蔽性。作为保证建筑质量和安全重要的一环，基桩的检测不可或缺。无论是竣工后的质量检测，还是对使用多年的既有基桩进行质量评估。除部分外露的桩头可目视并直接测量外，绝大部分埋藏在地下的基桩部分均存在检测耗时长、难度大、准确率低等问题，极大地影响了既有基桩的有效检测。

传统的基桩检测技术包括：钻芯法、低应变动测法、高应变检测法和声波透射法。钻芯法会对结构混凝土造成局部损伤，是一种半破损的现场检测手段，而且钻芯法仅是一孔之见，无法完整描述基桩任一深度或任一深度范围的状态；低应变法虽能定位桩径变化区域，但无法量化反映桩径变化。对于多个缺陷形成的应力波往往会相互叠加，干扰检测人员进行准确的判断，且对既有桥梁基桩适用性较差。高应变法只能定性描述基桩缺陷，并受限于检测条件，不适合既有基桩的检测；传统的声波透射法依赖基桩内部预埋的声测管，无法适用于既有基桩，且无法检测基桩直径变化，所以同样无法获取既有基桩基桩任一深度或任一深度范围的状态变化。既有基桩的检测往往因为缺乏检测条件和会对基桩产生破坏，使得传统检测方法无从下手。所以既有基桩的检测技术应对基桩现场检测条件的依赖小，且尽量不要损坏既有基桩，以保证原有的基桩的效用。可见，传统的基桩检测方法均无法在满足上述要求的基础上实现快速准确的检测。

现有技术对既有基桩缺乏一种有效的检测手段，在不破坏既有基桩的前提下，对地下任一深度下的基桩进行快速量化的检测，以应对由于附近土地施工，局部受到撞击或其他检测需要时，能快速无损地检测既有基桩任一深度下的状态，及时发现既有基桩可能存在的损坏如：缩径、扩径、断裂等问题，并准确判断损坏出现的具体位置和程度，为后续基桩的维护、加固或拆除提供有效依据。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种基于桩外跨孔的无损基桩检测方法，用于解决如何无损快速地对既有基桩任一深度或任一深度范围进行量化检测的问题。

本发明采取的技术方案是一种基于桩外跨孔的无损基桩检测方法，包括以下步骤：S1.在基桩四周的地面上钻挖至少三个检测孔，所述任意两个检测孔在同一深度水平面内的连线中，至少一条穿过基桩且至少一条不穿过基桩；同一深度水平面内，穿过基桩的连线为测桩线且形成测桩线的两个检测孔的距离为L；同一深度水平面内，靠近基桩的连线为测土线且形成测土线的两个检测孔的距离为l；同一深度水平面内，测桩线在基桩内的线段为过桩段，过桩段的长度为D；S2.获取基桩超声波传播速度v_z、待测深度水平面内的土层超声波传播速度v_t；在检测孔中与相连的换能器，利用跨孔超声检测设备测得待测深度水平面内的测土线声时t和测桩线声时T；通过公式：D＝v_z×(T×v_t-L)/(v_t-v_z)计算获取待测深度水平面内D的长度；S3.自下而上控制换能器进行跨孔超声波检测，通过D的变化，判断基桩截面存在的异常问题和异常所在深度。

本方法将传统用于检测混凝土质量的跨孔超声检测设备用于既有基桩的缺陷检测中。区别于传统声波透射法需要在基桩内部预埋声测管且只适用于在建基桩，本方法无需依赖在基桩内部设置声测管，而是通过在基桩外附近四周的地面上钻取检测孔。这时，作为检测条件的检测孔的施工范围大，能配合跨孔超声检测设备的需要，也能根据实际环境合理进行位置规避，适应性强。在基桩外钻挖检测孔作为对基桩的检测基础，对基桩本身是无损的，所以无需担心对基桩造成二次损坏，同时对基桩周围土层的影响可以忽略不计，不会影响基桩附近的固定基础。

本方法所需的检测基础结构简单，施工方便，能快速实现对地下某一深度范围内的基桩检测。结合本申请采用的算法，利用声时的变化和对比，基桩裸露部分的尺寸测定，可以精确量化地判断某一地下深度范围内的D的变化，而D信息无疑量化地反映了在不同深度同一位置上基桩截面两点的变化，从而反映缩径、扩径、断裂等问题的程度，为后续基桩的维护、加固或拆除提供有效依据。本技术方案中，进一步限定同一深度水平面内测桩线与测土线的长度一致，检测孔竖直向下。测桩线与测土线的长度一致能缩小同一土层内的声时差异，使测取的土层速度与实际土层状态更加接近。检测孔的设置通过竖直向下钻挖，这种设置容易快速确认深度，而且竖直的检测孔在换能器上下的过程中更容易实现发射器和接收器的同步连续扫描。

本技术方案中对步骤S2进行了进一步的限定，在检测孔中设置跨孔超声检测设备前，还包括步骤：S21.钻挖检测孔终孔后，在检测孔中埋放套管，所述套管的内径大于超声波换能器的外径且套管竖直向下；S22.埋入套管后，在套管外壁与检测孔的孔壁之间填充混凝土，使套管外壁与各个土层紧密相连；S23.所述套管内注满清水，并持续维持套管内满水状态。既有基桩地下部分的检测深度不一，特别是需要对较深的位置进行检测，检测孔精度和尺寸的一致性受加工设备和土层结构的影响很大，越深，保持一致性的难度越大。若检测孔的一致性不足，会导致跨孔超声检测设备连接的换能器与检测孔的结合不够紧密。由于跨孔超声检测设备的换能器需要上下运动，在运动的过程中容易破坏检测孔的孔壁，所以检测孔的尺寸无法与换能器的尺寸形成紧配合，或通过填充的方式增加换能器与土层的接触，避免了跨孔超声检测设备的检测超声波在空气中被极大衰减，保证了跨孔超声检测设备的准确性和量程。

管套与检测孔之间可以通过混凝土完全填充消除两者之间的缝隙，超声波穿透套管后能直接传递到土层中，减少声波的衰减。进一步，在套管中加入清水，消除超声波与管套之间的空气层降低超声波在空气传播过程中的衰减，。由于换能器上下移动，管套中的清水不可避免的被带出或减少。为了保持最佳的效果，套管内需要保持满水状态，而满水的状态同时也在一定程度上对换能器进行了保护，减少了可能出现的设备摩擦。

本技术方案中对检测孔的深度作出了进一步的限定，所述检测孔的深度为基桩的待检测区域最深位置下延至少5米。确定检测的深度后进行3米至8米的下延有助于节省时间和准确测量。因为实际判断基桩需要检测深度的依据一般是影响源所在土层的位置，或者是基桩下沉量等因素。由于土层下的基桩具有隐蔽性，在某一位置受到影响后不可避免地会引起其附近相连的位置发生变化。延长深度，一方面不是盲目地增加检测的范围导致耗费工时，另一方面能全面有效地反映某一问题对基桩的整体影响，并防止了断裂分离导致的异常。检测孔孔深的下延避免了检测孔二次钻挖导致的时间损耗，是定量和适量的深度增加，使检测位置的上下范围被完整覆盖，从而更能准确反映基桩的在某一深度范围下的准确状态。

本技术方案中进一步限定了所述测桩线过基桩某一截面的圆心。测桩线的D在该截面中为桩径长度。在基桩中，D越长就越能反映基桩的整体变化，而当D为基桩的桩径时，D达到最大值。由于测桩线过基桩某一截面的圆心，所以D的变化除了反映基桩的缺陷外，还能一定程度上反映基桩的垂直度和整体变形，使得一次检测获取的信息更加丰富，为后续工具提供更多的参考。

本技术方案中进一步对步骤S2进行了限定，任一深度水平面的土层超声波传播速度v_t能通过以下步骤获取：S24.通过跨孔超声检测设备测得该深度水平面的测土线声时t；S25.通过以下公式：v_t＝l/t，计算获取该深度水平面的土层超声波传播速度v_t。实际检测土层的方法有很多，基于现有的检测基础，即检测孔的位置的布置，可以利用上述步骤快速测得某一深度水平面的土层超声波传播速度v_t，从而获取该深度下，D计算所需的参数之一。

测土线与测桩线具有一个共同的检测孔，与测桩线相比，测土线经过的均为土层，利用公式计算，测土线计算后获取的土层超声波传播速度v_t与测桩线上的土层超声波传播速度v_t几乎一致，所以能将测土线计算所得的土层超声波传播速度v_t用于测桩线的计算之中。值得注意的是，土层超声波传播速度v_t为一变化值，不同深度水平面下的土层声检传播速v_t由于土层的结构不同所以存在差异，所以每一个深度水平面的土层超声波传播速度v_t需要独立计算。

本技术方案中进一步对步骤S2进行了限定，基桩超声波传播速度v_z能通过以下步骤获取：S26.选取一近地面的深度水平面，获取该深度水平面的土层超声波传播速度v_t和测桩线声时T；S27.通过开挖的方式使该深度水平面的基桩裸露，运用测量工具直接测得该深度水平面的测桩线的过桩段长度为D₀，通过以下公式：计算获取基桩超声波传播速度v_z。

在获取近地面的深度水平面上的土层超声波传播速度v_t后，由于该处的测土线和测桩线均位于地下，无法准确测量，但该深度水平面与外露基桩的位置近，以挖开近地面使基桩局部外漏的方式直接测量长度D₀代替该深度水平面的D，配合公式获取基桩超声波传播速度v_z。基桩超声波传播速度v_z是一个固定值，这是默认基桩内的整体混凝土结构一致，所以无论是任何深度水平面下的基桩超声波传播速度v_z均认为是同一个固定值，基桩超声波传播速度v_z只需计算一次。

本技术方案中进一步对步骤S1进行了优化，S1步骤中，检测孔为四个且能在同一深度水平面内形成四条首尾相连且包围基桩的测土线和两条相交的测桩线；所述形成四条测土线的每对检测孔组合之间的距离分别为：l₁、l₂、l₃、l₄；所述形成两条测桩线的每对检测孔组合之间的距离分别为：L₁，L₂。

通过一种由四个检测孔构建而成的检测基础，大幅度提升了对基桩和桩径状态的测量准确性。两条相交的测桩线反映的D能较为完整地体验基桩在不同深度平面下的桩径变化和基桩垂直方向上的变形。而测土线形成包围基桩的结构能更全面地反映基桩四周土层的结构和速度，从而提升了检测结果的可靠性和准确性。

本技术方案中进一步对具有四个检测孔构建的检测过程进行限定，所述检测孔任一深度的水平面内，距离为l₁、l₂、l₃、l₄的测土线通过跨孔超声设备测得对应的测土线声时为t₁、t₂、t₃、t₄，该深度水平面内的土层超声波传播速度v_t能通过以下公式：计算获得。通过取围绕基桩四周的四条测土线的土层超声波传播速度v_t的平均值，消除土层分布不均产生的差异性，获取最接近测桩线上的土层超声波传播速度v_t。

本技术方案中，选取一近地面的深度水平面，距离为L₁、L₂的测桩线通过跨孔超声设备测得该深度水平面内对应的测桩线声时分别为T₁、T₂；并获得该深度水平面的土层超声波传播速度v_t，通过开挖的方式使该深度水平面的基桩裸露，运用测量工具直接测得该深度水平面的测桩线的过桩段长度分别为D₁、D₂；，基桩超声波传播速度v_z能通过以下公式： 计算获得。在具有四个检测孔形成的检测基础上，通过取两条测桩线上计算所得的基桩超声波传播速度v_z的平均值，获取更接近实际的基桩超声波传播速度v_z。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本方法适用性强，无论是既有基桩或在建基桩都能使用，采用桩外钻孔的形式进一步避免了对基桩造成二次损坏。过程方便，能快速实现对地下任一深度位置或深度范围内的基桩检测，并量化反映出该深度位置或深度范围内的桩径变化，从而判断基桩可能存在的缩径、扩径、断裂等问题，为基桩的后续维护、加固或拆除提供有效依据。

附图说明

图1为本发明通过三个检测孔构建检测基础的示意图。

图2为本发明采用三个检测孔测量时既有基桩外露和地下的示意图。

图3为本发明检测孔结构示意图。

图4为本发明通过四个检测孔构建检测基础的示意图。

图5为本发明实施例2中的检测结果曲线图。

附图标记说明：基桩100，土层101，混凝土层102，套管103，水层104，检测孔200，第一检测孔201，第二检测孔202，第三检测孔203，第四检测孔204，第一测桩线211，第二测桩线212，第一测土线221，第二测土线222，第三测土线223，第四测土线224，第一过桩段231，第二过桩段232，桩裸露部分111，桩地下部分112，近地测桩层122，待检测层123。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，本实施例是在待测的既有基桩100四周的地上设置三个直径和深度一致的检测孔200，三个检测孔200分别为第一检测孔201、第二检测孔202和第三检测孔203。第一检测孔201和第三检测孔203的连线形成第一测桩线211，第一检测孔201和第二检测孔202的连线形成第一测土线221。第一测桩线211的过基桩100截面的圆心且长度为L，第一测土线221靠近基桩100，与基桩100的距离为1-1.5倍的检测孔200的直径长，第一测土线221的长度与第一测桩线211相等。

如图2所示，确认待测基桩100需要检测的深度为H，该深度下的水平面为待检测层123。三个检测孔200的深度位于待检测层123下方5米。终孔后，如图3所示，按照检测孔200的长度，在检测孔200中插入深度匹配的套管103。套管103固定后，在套管103外壁与检测孔200的孔壁之间填充混凝土形成混凝土层102，使套管103外壁与土层101之间通过混凝土完全连接为一体。最后在套管103内注满清水，形成水层104。

如图2所示，三个检测孔200竖直向下，在桩地下部分112且靠近地面的位置取一近地测桩层122，近地测桩层122离地表的距离为0.5-2米。在第一检测孔201、第二检测孔202和第三检测孔203中分别放入跨孔超声检测装置的换能器，使所有换能器位于近地测桩层122这一水平面上，并及时补充套管103中缺失的清水。测得近地测桩层122的测桩线声时为T，测土线声时为t。由于测桩线和测土线的长度相同且均为L，采用公式计算得土层101超声波传播速度v_t＝L/t。

通过开挖的方式使近地测桩层122的基桩100裸露，运用测量工具直接测得该深度水平面的第一测桩线211的第一过桩段231的长度为D₀，桩径为R，根据公式计算得基桩100超声波传播速度

最后，将跨孔超声检测装置的换能器水平移动至桩地下部分112的待检测层123，测得测桩线声时为T_H，测土线声时为t_H，先通过v_tH＝L/t_H计算得到待检测层123的土层101超声波传播速度，结合基桩100超声波传播速度v_z，计算得待检测层123中测桩线的第一过桩段231：D_H＝v_z×(T_H×v_tH-L)/(v_tH-v_z)，根据D_H和R的差异可以快速判断基桩100是否存在缺陷和缺陷的程度。

实施例2

如图4所示，本实施例检测一待测的既有基桩100，检测深度范围为地表下7-10米，在基桩100四周的地上设置四个直径为150mm，竖直向下且深度为15米的检测孔200，四个检测孔200分别为第一检测孔201、第二检测孔202、第三检测孔203和第四检测孔204。第一检测孔201和第三检测孔203的连线形成第一测桩线211，第二检测孔202与第四检测孔204形成第二测桩线212；第一检测孔201和第二检测孔202的连线形成第一测土线221，第二检测孔202和第三检测孔203的连线形成第二测土线222，第三检测孔203和第四检测孔204的连线形成第三测土线223，第四检测孔204和第一检测孔201的连线形成第四测土线224。第一测桩线211和第二测桩线212的中点与基桩100截面的圆心重合且长度分别为1500mm和2320mm。第一测土线221长1530mm，第二测土线222长1140mm，第三测土线223长1650mm，第四测土线224长1120mm。

终孔后，在检测孔200中插入长度为15米的4寸PVC管。将PVC管固定在检测孔200内，在PVC管套外壁与检测孔200的孔壁之间填充混凝土形成混凝土层102，使套管103外壁与土层101之间通过混凝土完全连接为一体，最后在套管103内注满清水。

离地下0.5米处设置近地测桩层122，测得近地测桩层122中：第一测土线221、第二测土线222、第三测土线223和第四测土线224对应的测土线声时分别约等于0.72ms、0.52ms、0.77ms和0.53ms；采用公式计算得近地测桩层122的土层101超声波传播速度为2130m/s。测得近地测桩层122中，第一测桩线211和第二测桩线212的测桩线声时于约等于0.35ms和0.55ms，通过挖开基桩附近的泥土至近地测桩层，测得D₁＝D₂＝桩径＝1000mm；采用公式/>计算得近地测桩层122的基桩100超声波传播速度为4331m/s。

跨孔超声检测换能器在深度12米处开始匀速向下移动，每200mm采集一次测桩线声时和测土线声时，并通过公式D＝v_z×(T×v_t-L)/(v_t-v_z)计算得到各个深度下第一过桩段231和第二过桩段232的长度和两者的均值，如图5所示，根据结果和曲线快速获取既有基桩100在出现缩径的位置为深度8米处，以及缩径的程度为约0.2m。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于桩外跨孔的无损基桩检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.在基桩四周的地面上钻挖至少三个检测孔，所述任意两个检测孔在同一深度水平面内的连线中，至少一条穿过基桩且至少一条不穿过基桩；

同一深度水平面内，穿过基桩的连线为测桩线且形成测桩线的两个检测孔的距离为；

同一深度水平面内，靠近基桩的连线为测土线且形成测土线的两个检测孔的距离为；

同一深度水平面内，测桩线在基桩内的线段为过桩段，过桩段的长度为；

S2. 获取基桩超声波传播速度、待测深度水平面内的土层超声波传播速度/>；

在检测孔中设置跨孔超声检测设备，利用跨孔超声检测设备测得待测深度水平面内的测土线声时和测桩线声时/>；通过公式：/>

计算获取待测深度水平面内的长度；

S3. 控制跨孔超声检测设备竖直上下运动，通过的变化，判断基桩截面存在的异常问题和异常所在深度；

所述步骤S2中，任一深度水平面的土层超声波传播速度能通过以下步骤获取：

通过跨孔超声检测设备测得该深度水平面的测土线声时；

通过以下公式：，计算获取该深度水平面的土层超声波传播速度/>；

所述步骤S2中，基桩超声波传播速度能通过以下步骤获取：

选取一近地面的深度水平面，获取该深度水平面的土层超声波传播速度和测桩线声时/>；

通过开挖的方式使该深度水平面的基桩裸露，运用测量工具直接测得该深度水平面的测桩线的过桩段长度为，通过以下公式：

计算获取基桩超声波传播速度。

2.根据权利要求1所述的一种基于桩外跨孔的无损基桩检测方法，其特征在于，同一深度水平面内测桩线与测土线的长度一致，检测孔竖直向下。

3.根据权利要求1所述的一种基于桩外跨孔的无损基桩检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，在检测孔中设置跨孔超声检测设备前，还包括步骤：

S21.钻挖检测孔终孔后，在检测孔中埋放套管，所述套管的内径大于超声波换能器的外径且套管竖直向下；

S22.埋入套管后，在套管外壁与检测孔的孔壁之间填充混凝土，使套管外壁与各个土层紧密相连；

S23.所述套管内注满清水，并持续维持套管内满水状态。

4.根据权利要求1所述的一种基于桩外跨孔的无损基桩检测方法，其特征在于，所述检测孔的深度为基桩的待检测区域最深处下延至少5米。

5.根据权利要求1所述的一种基于桩外跨孔的无损基桩检测方法，其特征在于，所述测桩线过基桩某一截面的圆心。

6.根据权利要求1所述的一种基于桩外跨孔的无损基桩检测方法，其特征在于，所述S1步骤中，

检测孔为四个且能在同一深度水平面内形成四条首尾相连且包围基桩的测土线和两条相交的测桩线；

所述形成四条测土线的每对检测孔组合之间的距离分别为：、/> 、/>、/>；

所述形成两条测桩线的每对检测孔组合之间的距离分别为：，/>；

所述检测孔任一深度的水平面内，距离为：、/> 、/>、/>的测土线通过跨孔超声设备测得对应的测土线声时为/>、/>、/>、/>，该深度水平面内的土层超声波传播速度/>能通过以下公式：

;

计算获得；

选取一近地面的深度水平面，距离为、/>的测桩线通过跨孔超声设备测得该深度水平面内对应的测桩线声时分别为/>、/>；并获得该深度水平面的土层超声波传播速度/>，通过开挖的方式使该深度水平面的基桩裸露，运用测量工具直接测得该深度水平面的测桩线的过桩段长度分别为/>、/>；基桩超声波传播速度/>能通过以下公式：

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计算获得。