桩的旁孔透射波法检测技术进展与应用实例

陈龙珠，杜 烨，2，吴宝杰

(1．上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240;2．山东科技大学矿业与安全工程学院，山东青岛 266590;3．浙江省建筑科学设计研究院有限公司，浙江杭州 310012)

桩身工程质量的好坏，直接关系着桩基承载力及其支撑的建筑安全。目前广泛应用于基桩工程质量检测的低应变反射波法，在对长径比过大或缺陷严重的基桩进行检测时，往往由于能量损耗或缺陷段顶面反射强烈而难以接收到其下部桩身和桩底的反射信号，因而无法有效地检测更深部的桩身缺陷和桩底深度或桩长。

旁孔透射波法(parallel seismic test)是由欧洲科技人员为解决既有建筑工程桩的桩长检测问题而提出［1］。该方法在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，根据其P波的首至时间与深度关系(简称时深关系)确定桩身及地基土波速和桩长。这一方法不仅可用于既有工程桩的检测，也适用于在建工程桩的检测［2-3］，并被尝试用于检测桩身缺陷［4］。

要成功地应用旁孔透射波法检测桩长和桩身完整性，一是应有一套合适的测试仪器系统和现场测试工作方法，二是需将桩长和桩身完整性的分析方法建立在可信的理论基础之上。与此同时，从工程应用实例中获得实践经验也是一个重要的方面。

旁孔透射波法自提出之后，由于它比反射波法信号强、干扰少且能反映缺陷以下桩身质量信息［5］，研究与应用逐渐增多。Kenai等［6］采用旁孔透射波法对一机场复工改建工程的11根桩进行了检测分析，除测试桩底深度外，还通过拟合其P波平均速度来判断桩身质量好坏。Sack等［7］利用动力触探设备联合开展地基土特性和桩长的旁孔透射波法检测。Lo等［8］系统介绍了旁孔透射波检测技术的仪器系统和测试方法，并对桥柱基础底端埋深进行检测。吴宝杰等［2，9］采用联合磁法和旁孔透射波法检测了桩长和钢筋笼的长度。

在理论研究方面，Liao等［10］利用 Snell定律建立了旁孔透射波法的理论基础，提出由两拟合线交点及相应的校正算式确定桩底深度，并用有限元模型进行检验。黄大治等［11-12］通过三维有限元模拟分析了旁孔透射波法检测水泥搅拌桩和顶部带承台的既有工程桩长度的可行性，提出将上段首至波走时拟合线平移过原点，其与下段拟合线的交点作为桩底深度。Huang等［13］通过模型试验对比分析了桩顶连接承台前后进行的旁孔透射波法测试，发现桩顶覆盖承台前后均能较好地确定桩底深度。旁孔透射波法测试中钻孔与桩身不平行时测试结果会产生较大误差。Ni等［14］则给出了考虑旁孔倾斜角的桩底深度校正算式。陈龙珠等［3，15］综述了旁孔透射波法研究与应用的阶段性成果，并采用简化分析模型，给出了完整桩的底端深度计算公式和适用条件，使得检测及分析结果更加可靠。

欧美现有的旁孔透射波法在检测时将检波器悬挂于注满水的旁孔之中，分析桩底深度或桩长主要利用桩身向下传播的P波及其透射传播到旁孔的P波(简称PP波)的时深关系。若利用下孔法检测地基土波速的三分量检波器，因其可以通过充气囊或弹簧片弹性固定于孔壁，不但可以采集PP波信号，而且可以采集到桩身P波透射到旁孔的S波(简称PS 波)［7，16-17］。Zhang 等［18-19］通过数值模拟分析了竖向或接近于竖向的斜向激励下旁孔透射波的竖向和水平信号特征，表明分别在竖向信号上识别PS波首至时间、在水平信号上识别PP波首至时间相对更加简便。

对PP波来说，若桩基工程所在场地的地下水埋深浅，土处于饱和状态，则由于P波速度受土孔隙率的影响相对较小［20］，在旁孔透射波法检测分析时，可不考虑地基土的层状特性。但对于非饱和地基土，P波速度受地基层状特性的影响将不可忽视;对PS波来说，无论地下水位高低，由于地基土的成层性对S波速度的影响较大，都应该予以修正。降低地基土层状特性对旁孔透射波法的影响，可采取两种方式:①尽量减小旁孔与被检桩的水平净间距［2，8］，使得 PP 波、PS 波在土中的传播时间占比及对地基土层状特性的影响得以降低;②在旁孔中采用下孔法实测地基土P波、S波速度沿深度的变化，并结合勘探报告划定地基土的分层界面，然后在桩的旁孔透射波法检测分析时消除它们的影响［17，19］。但是第2种方式目前尚须研究建立层状地基条件下旁孔透射波法的测试分析方法。

对实际工程来说，不但桩底深度或桩长需要检测，而且还需要了解桩身是否存在缺陷。对此，Liao等［10］利用有限元模型模拟分析了缩颈、扩颈段对旁孔透射波法PP波时深关系的影响。上海交通大学土木工程系陈龙珠的课题组［3，4，19］利用射线理论建立了桩身具有一段缺陷条件下的PP波时深关系计算公式，由此提出了桩底和缺陷深度、缺陷段长度及其P波速度(反映缺陷程度)的确定方法，并用有限元模型进行了模拟比较分析，但仍需要接受试验结果的检验。浙江省建筑科学研究院有限公司曾对某实际工程中一根静载抗压试验结果异常的基桩，采用了旁孔透射波法进行检测。本文首先扼要阐述旁孔透射波法检测桩身缺陷的分析方法，接着对该试桩的旁孔透射波法检测信号进行分析，评估其桩身质量和桩底深度，以此说明旁孔透射波法检测分析桩身质量的过程，并作为对本文方法的一次检验。

1 缺陷桩的旁孔透射波法检测原理

饱和土地基的成层性对P波传播速度的影响不大，以下将其按均质饱和地基进行分析。如图1所示，对顶面裸露于地表的在建工程基桩，桩底埋深即桩长为L;假定桩身存在一个低速缺陷段，缺陷段顶面深度为z0，缺陷段长度为ΔL;旁孔与被检基桩之间的水平净间距(简称旁孔距)为D，有:

式中:θ1、θ2分别为首至 PP波、PS波在桩周土中传播路径的水平倾角;n为桩身P波速度Vpp与地基土P波速度的比值，以下简称桩土波速比;α为桩身缺陷程度;Vsp、Vpp和Vdp分别为地基土的三维 P波波速、桩身正常段和低速缺陷段的一维P波波速;zP和zdP分别为桩身正常段和低速缺陷段的透射深度。一般有 n≥α＞1。

在不考虑顶部三维效应的情况下，当旁孔内深度为 z的测点处于 zP＜z＜zud和 zdu＜z＜L+zP范围时，旁孔内首至波的时深关系为相互平行的两直线段，其斜率为桩身正常段一维P波速度［4］(图1(c))。对文献［4］的简化理论公式作进一步整理和简化，则zdu＜z＜L+zP范围内的直线段的上端点深度zdu可表示为

图1 单个低速缺陷段的旁孔透射波法简化分析示意图

为两平行直线在时间轴上的截距之差(图1(c))。

将zdu＜z＜L+zP范围内直线与桩底以下地基土对应的拟合直线的交点深度记为zi，则可得如下桩底埋深或桩长L的计算公式，它与桩身无缺陷时的形式相同［3］:

2 桩身缺陷及桩底深度的确定方法

桩身缺陷主要由缺陷顶面深度z0、缺陷长度ΔL和缺陷严重程度α三要素来衡量。在检测分析中，观察所得旁孔内各测点首至波时深关系的变化特征，在预估的桩长深度范围内，若能以一条直线拟合，而且由其确定的桩身P波速度值处于正常范围，则认为桩身完整;若需要用两条平行直线及其中间过渡段来拟合，则意味着可能存在一段桩身缺陷。

当初步判断桩身可能存在缺陷时，细化拟合两平行直线段，以合理地确定它们的斜率和桩身正常段的P波速度Vpp、平行直线段在时间轴上的截距之差Δt及上一直线段下端点和下一直线段上端点所在深度zud和zdu，两者之差Δz以及所对应的时间差tud，并利用式(9)检验这些数据读取的误差程度。按与完整桩类似的方法［3，15］，在 z≥L+5D 范围拟合桩端以下首至P波的时深关系，由其斜率确定地基土P波速度Vsp及桩土波速比n，由式(2)确定桩身完整段的透射深度zP，再由式(7)即可确定桩身缺陷位置z0。由桩端以下地基土拟合直线与缺陷段下方拟合直线的交点深度zi，采用式(11)计算桩长L。

为评价桩身缺陷程度，由式(10)得ΔL=VppΔt/(α－1)，将其代入式(8)的第1个式子，得到关于α的一元二次方程为

求解式(12)并根据n≥α＞1确定桩身的缺陷程度α，再将得到的 α分别代入式(4)、式(5)和式(10)计算 ΔLcr、Δz1和 ΔL。由前述推导，得到的 ΔL应满足 ΔL＞ΔLcr且 ΔL＜Δz的条件。

若通过上述计算得到的ΔL不满足上述条件，则桩身的缺陷程度及缺陷长度应按ΔL≤ΔLcr进行评价。将式(4)代入条件ΔL≤ΔLcr，整理得:

对顶部与基础或上部结构相连的既有工程桩，经公式推导表明，桩长及桩身缺陷参数与波由基础侧面激振点至桩顶面的传播时间t0无关。因此，上述公式对既有工程桩同样适用。

3 工程检测实例分析

位于浙江省沿海城市温岭深厚软土地区的某装饰材料有限公司，其3～5号厂房为两层框架结构。地基土部分物理力学指标如表1所示，其基础采用直径500mm、壁厚65mm的高强预应力混凝土薄壁管桩，桩身混凝土强度设计等级为C60，设计桩长33 m(分3节，每节长11 m)。在进行单桩竖向抗压静载试验时，发现1根试桩的承载力偏低且与设计要求相差较大。在检测该桩的长度是否达到设计要求的过程中，因存在桩身接头反射干扰，以及整桩的长径比过大(L/d=66)，桩底反射难以辨识，因而低应变反射波法检测难以给出可信的结论。于是，在桩侧邻近地基土中钻孔埋管(旁孔距约为10 cm，可测深度37m)，尝试采用了欧美国家用于检测既有工程桩长的旁孔透射波法和磁法联合试验来解决问题［2］。

表1 地基土力学参数统计

旁孔透射波法的检测信号如图2所示，该图曾在文献［2］中出现过，但在制图排版过程中出现失误而使部分竖轴的深度标注偏移了位置，现予以纠正，同时对初至波之前的噪音也作了适当的过滤。

图2 基桩旁孔透射波法实测信号

由图2可知，在整个设计桩长范围内，旁孔透射波信号上的首至P波均清晰可辨，且在深度大约超过11 m后，波形特征发生了较为明显的变化。但在当时采用这种检测技术时，尚无缺陷桩的旁孔透射波信号特征和桩身缺陷的分析方法，只能将桩底以上首至P波的时深关系拟合成一条直线，意味着认为桩身是完整无缺陷的。但是，由该拟合直线关于横坐标(时间)的斜率确定的桩身P波速度仅约为3650 m/s。这对C60的先张法预应力钢筋混凝土管桩来说，这个波速值显然偏低了。因此，不能认为该基桩桩身质量完好。

工程场地地下水位埋深浅，可近似按均质饱和地基来分析被检基桩的旁孔透射波特性。根据图2信号的特征，在钻孔测试深度范围内，可将首至P波时深关系分成4个区段，其中与桩身有关的3个区段是上、下各1条直线及其之间的过渡段，最下方是桩底以下土层对应的直线段。与桩身对应的首至波时深关系上的两条直线基本平行，由其斜率分别得到桩身P波速度为3945m/s和3750m/s，均值为3848 m/s，与用锤击法测试C60混凝土P波速度的常见范围基本相符;对与桩底以下相关的直线，由其斜率确定饱和地基土的P波速度为1346 m/s，与饱和软黏土P波速度的常见范围相符［20］。

取正常桩身P波速度Vpp=3848 m/s，它与地基土P波速度之比n=2.86。旁孔距D=0.1 m，则桩身完整段的P波透射深度zP=0.04 m。在桩长范围内，旁孔首至P波时深关系由两条平行线及其之间的过渡段构成，表明该试桩桩身存在缺陷。在图2中，这两条平行线在时间轴上的截距差Δt=4.525×10－4s;上一条直线段下端点深度zud=16.5 m，由式(7)得缺陷顶面深度z0约为16.5 m;下一条直线段上端点的深度zud=22.5m，则Δz=6.0m。将Vpp、D、Δt、Δz、n 代入式(13)～ (15)，并求解式(12)得到2个解:①α1=1.374，相应有 ΔL=4.73 m，ΔLcr=0.009 m，zdp=0.055 m，Δz1=0.008 m;②α2=1.291，则ΔL=5.99 m，ΔLcr=0.007 m，zdp=0.051 m，Δz1=0.007 m。

上述两种情况均满足 ΔL＞ΔLcr和 ΔL＜Δz的条件，但只有②能够同时满足式(8)和式(10)，所以它是有意义的解。由α=1.291和Vpp=3848 m/s得缺陷段桩身P波速度约为2981 m/s，严重低于C60混凝土波速的正常范围。可以推测，该段桩身在打桩施工和竖向抗压静载试验过程中已遭受损坏，从而导致桩顶在明显低于设计要求的极限承载力对应的荷载下发生急剧的沉降。

由图2可知，与缺陷以下完整桩身相关的下一条直线与桩底以下土相关的直线之交点深度为31.5 m。可采用式(11)计算出桩底埋深为31.4 m，比3节预制桩长度33m小约4.8%。试桩顶面离场地表面的高差、桩身缺陷段在竖向抗压静载试验过程中破损压缩，均会使桩底埋深小于3节预制桩的长度。

桩顶沉降为桩身压缩量与桩底沉降之和。在静载试验加载过程中，若桩底沉降正常，但桩身缺陷段受压破坏而产生较大的压缩量，则桩顶便会出现骤增的沉降。在这个工程实例中，工程桩的抗压特性应属于端承摩擦型的，桩底埋深即使略有不足，也不会严重降低基桩的极限承载力。

综合上述旁孔透射波法检测分析结果，笔者认为，该试桩在竖向抗压静载试验中出现异常的主要原因，很可能是因为桩身中部存在缺陷段或被打桩挤土效应产生了竖向弯曲，在加载到一定数值后发生桩身破坏所致。

4 结语

由欧美提出的用于检测既有建筑工程桩基长度的旁孔透射波法，经过20年来的不断研究，其测试系统、分析理论和应用范围都得到了良好的发展，这其中我国科技人员在提高桩底深度或桩长测试精度、桩身缺陷分析方法以及PS波利用等方面作出了贡献。

采用旁孔透射波法对浙江沿海深厚软土地区某工程竖向抗压静载试桩进行检测与分析，结果表明该桩在静载试验过程中出现异常的主要原因，很可能是桩身受力破坏，而不是桩长不足而未进入持力层所致。

旁孔透射波法由于实测信号是经桩身传播透射到紧邻旁孔的直达波，对既有服役建筑下的桩，其首至时间不受与桩顶相连的基础和上部结构反射下行波的影响;对顶面裸露的在建工程桩，其传播路径远比反射波法的短且能量损耗小。因此，实测信号相对更为清晰，能够反映缺陷以下桩身的质量信息，是一种在桩基检测中值得推广应用的新技术。

致谢:第二作者参与本文研究工作，并由此得到了山东省高等学校青年骨干教师国内访问学者项目资助。

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