旁孔透射波法检测桩长的影响因素及修正方法探讨

董明华，刘志亮

(廊坊市中铁物探勘察有限公司，河北 廊坊 065000)

1 引 言

桩基础作为常见的深基础形式之一，其桩长和桩身完整性对地基基础的承载力和安全性有着重要影响[1]。与新建建筑不同，既有建筑的基础检测工作通常在建筑物已经存在的情况下开展，因而受上部结构的影响较大。作为常见的无损检测方法之一，低应变反射波法具有成本低、效率高、操作性强等优点，在桩基检测中应用广泛[2,3]。然而当桩身上部存在承台或结构时，应力波会沿激振点传至承台或上部结构处发生反射，形成极为复杂的上、下行应力波列，可造成有效反射信号提取困难[4]。而在此基础上发展起来的旁孔透射法(Parallel Seismic Test，PS Test)[5]则不受桩顶以上的构件的干扰。

旁孔透射波法由法国Davis[5]最早应用于检测既有建筑物的基础深度，随后国内学者[6,7]将此方法用于桥梁基础深度检测，李军[8]采用旁孔透射波法对铁路地基桩基质量进行了检测。旁孔透射波法检测的既有房屋桩基，包括打入桩[9]、人工挖孔桩[10]、沉管灌注桩[11,12]等，汤建新等[13-15]通过建立三维桩-土有限元模型分析了饱和和非饱和土地基中完整桩和缺陷桩的旁孔透射信号，表明旁孔透射波法同样适用于水泥搅拌桩的桩长及质量检测。旁孔透射波法目前多应用于铁路、房建、桥梁等业务范围的桩长、桩基质量检测，具有巨大的应用前景[16]。

旁孔透射波法在既有桩基桩长检测方面具有显著优势，并且已写入《既有建筑地基基础检测技术标准》(JGJ/T 442-2018)，其基本原理如图1所示[17]。在待测基桩附近处钻孔，钻孔深度大于设计桩长5 m以上，在钻孔内用检波器检测桩顶敲击产生的纵波至各个深度的初至时间,绘制深度(Z)-时间(t)关系图形,并识别深度(Z)-时间(t)关系图形的拐点来确定桩底所在的深度。旁孔透射波法的测试分析对象是经桩身传播到旁孔的首至波，是直达法测量，不受桩顶以上构件产生的反射波的影响，能量强弱与桩身完整性、长度等质量因素密切相关,是检测基桩桩长的有效方法。

图1 旁孔透射波法现场检测示意图Fig.1 Schematic diagram of on-site detection of side hole transmission wave

2 桩长判定影响因素

经过多次试验研究分析，旁孔透射波法检测桩长应用效果受以下因素影响：①周围地层波速不均匀，但现有方法在判定桩长时默认地层为均匀地层，一般不考虑该因素，实际这是影响检测精度的最主要因素；②桩孔间距不相等：判定桩长时假设桩孔是平行的，但规范中桩身的垂直度允许偏差应为±1 %，实际可能更大，钻孔也可能有一定的倾斜；③ 钻孔孔径有变化，且检波器与孔壁接触位置不固定：不同的地层井径会有变化，有的地层会塌孔，有的地层会缩孔，用支壁式探头进行纵波初至测量，探头和井壁接触的方向会影响传播路径，从而影响初至时间；④桩底混凝土和土体混合物：旁孔透射检测桩长的理论基础是建立在桩和土明显的介质变化，具有不同的纵波速度基础上的，但实际工程桩在施工中(尤其CFG桩)，桩底有一部分是桩土的混合物，不是理想的界面，所以也会对检测结果有影响，初至曲线表现为渐变形式；⑤人为因素：敲击位置偏差、测点位置不精确等，由于检测步距为0.5 m或者更小，所以微小的误差都会引起初至精度误差，造成桩长判定的误差。

3 桩长判定方法

旁孔透射波法确定桩底深度的研究中，最初由Olson等[18]提出通过桩侧段和桩底段分别直线拟合确定两条直线，由两线交点确定桩底深度(记为“交点法”)。由于该方法操作简单，无需额外修正,在工程实践中运用广泛。之后，黄大治等[19]提出将交点法中的上段拟合线平移经过原点﹐其与下段直线的交点确定为桩底深度(记为“平移法”)。Zhang等[20]推荐桩底深度校正式对初始桩底深度修正后确定桩底深度(记为“校正法”)。由于3种方法确定桩底深度结果不一致，在具体测试条件下选择合适的方法存在盲目性，对得到的桩底深度精度及可靠性亦不可知。

3.1 交点法

桩孔距离较近时，不做修正，是《既有建筑地基基础检测技术标准》(JGJ/T 422-2018)推荐使用的确定桩长的方法。该规范对应桩长确定方法为：通过拟合深度—时间曲线，并识别拟合直线的拐点确定桩长。根据理论模型分析，交点法确定的桩底深度比实际桩底深度偏大，且随着旁孔距离D的增大而增大，随着桩土波速比n的增大而减小。

3.2 平移法

由于桩与钻孔有一定的间距，对深度-时间曲线的上段直线还应扣除纵波在此间距中传播的时间，即将该直线向左平移至通过坐标原点；对下段直线，由于波传播路径与上段的有所不同，由其后半部分为主绘制的直线受桩—孔间距的影响较小，因而可不作波时修正。经过上述修正后的两直线交点对应的深度Z′，便可认为是被检桩底的真实深度，该方法称为平移法。根据理论模型分析，平移法确定的桩底深度比实际桩底深度偏小，误差随着旁孔距离D的增大而增大，随着桩土波速比n的增大而减小。

3.3 校正法

由两拟合线交点确定的深度减去相应的校正公式确定的校正值，得出桩底深度的方法为校正法。根据桩土理论推导出简化深度校正公式如下：

(1)

其中，ΔL为深度修正值，单位为m；n为桩土波速比；D为旁孔距，单位为m。

3.4 实测地层波速修正法

针对目前三种判定方法的不足，经过反复试验研究引入一种新的桩长判定方法——实测地层波速修正法。在外业测试过程中，增加钻孔纵波波速测试，获得桩周土层的实际纵波速度，在钻孔的对面选取激振点(保证激振点和钻孔之间没有桩体)，确保地层速度准确，不受桩体干扰。在计算桩体波速时，用总时间减掉土层走时(由于一般桩土波速比n比较大，为简化计算，在土层中纵波路径近似按桩孔距离考虑修正)计算桩体波速，从而计算桩长，详见式(2)：

(2)

式中：T为实测的最深测点的总时间，单位为ms；L桩为计算桩长，单位为m；L孔为孔深度，单位为m；D为旁孔距离，单位为m。V桩为用实测地层波速对初至时间修正后计算所得桩体速度，单位为m/s，考虑桩头和桩底影响因素，建议用桩身中间1/3深度范围内波速取平均值，V土为桩底以下至孔底深度内土层平均速度，单位为m/s。

由式(2)可以看出：T、D、L孔均为实测数据，V桩和V土是计算L桩的关键参数，而V桩的计算准确度也受土层速度的影响，所以当土层速度变为实测数据时，V桩和V土的准确度都会提高，所以该方法的精度会有大幅提高。

4 实测地层波速修正法计算桩长模型

为了验证该方法的有效性，建立如下正演模型：桩长20 m，钻孔深度25 m，桩孔间距1.0 m，桩体波速2 500 m/s，土层纵波速度在0～5 m为250 m/s，5.5～10 m为300 m/s，10.5～15 m为350 m/s，15.5～20 m为400 m/s，20.5～25 m为450 m/s。计算结果见表1和图2。

表1 旁孔透射法正演模型计算数据

续表1

图2 旁孔透射波法正演模型Fig.2 Forward modeling of side hole transmission method

建立反演模型：反演模型初至及T、D、L孔均为正演模型中数据，V土由实测值和估算值(正演模型中地层波速平均值)分别计算，进行对比，V桩根据对应V土用桩身5～15 m深度范围内计算波速平均值。

V土用实测值计算如下：

V土=0.45 m/ms 、V桩=2.503 m/ms，代入式(2)得出如下方程：

(3)

计算得出L桩=20.0 m，舍掉解方程中另外一个解28.4 m。

V土用估算值计算如下：V土=0.35 m/ms 、V桩=2.297 m/ms，代入公式得出如下方程：

(4)

计算得出L桩=21.7 m，舍掉解方程中另外一个解27.4 m。

同样正演模型，用交点法得出L桩=20.5 m，平移法得出L桩=18 m，校正法得出L桩=19.5 m， 通过模型计算可以得出，实测地层波速修正法计算桩长准确度相对其他方法提高了很多，从理论上基本达到真实桩长的精度。

5 实测地层波速修正法计算桩长实例

某工程施工桩长24 m，钻孔深度L孔=29 m，桩孔间距D=0.5 m，采用竖向锤击桩顶表面形式激发，采样点距0.5 m，采样点数2 048，采样周期50 μs，实测波形图见图3。从图3中可以看出,波形在24 m附近初至时间斜率有明显拐点变化。桩体旁孔透射波法测试完毕后，重新把三分量检波器探头下入旁孔中，激发检波器安装在离钻孔0.5 m的土层中，大锤竖向敲击地表土层，测试点距1 m，测试深度29 m，其他测试参数相同，本次土层主要以粉土和黏性土为主。

图3 实测桩体波形Fig.3 Measured pile waveform

土层实测纵波速度在0～5 m为300 m/s，5.5～10 m为360 m/s，10.5～15 m为500 m/s,15.5～20 m为450 m/s，20.5～24 m为360 m/s，24.5～29 m为500 m/s，用实测地层波速修正法计算V土=0.5 m/ms，V桩=3.4 m/ms，实测最深处走时T=17.4 ms。把上述参数带入式(2)计算求取L桩=23.83 m，经取芯验证该桩实际桩长23.9 m，验证了该校正方法的有效性和准确性。实测地层波速修正后深度-初至曲线见图4。

图4 实测地层波速修正后深度-初至曲线Fig.4 Corrected depth first break curve of measured formation wave velocity

6 结 论

通过实测数据准确性影响因素分析，以及实测地层波速修正法计算桩长模型及实例的分析比对，可得出以下几点结论：

1)旁孔透射波法在既有基础的基桩桩长检测中是一种有效方法，能够快速、无损、方便地确定既有建筑物桩基桩长，但桩长判定方法较多，需要根据桩体设计资料、地层信息和测试数据综合考虑，选择合理适用的桩长判定方法。

2)旁孔透射波法检测桩长的准确性受很多因素影响，需要综合考虑地层波速的均匀性、桩孔距、钻孔孔径变化、桩身质量、敲击方向等因素，现场测试过程中，需要严格根据规范要求设置采集参数，准确获取钻孔的地层信息，详实记录好现场干扰信息，便在后期数据处理过程中能够全面综合分析各影响因素，以得出最为准确的检测结果。

3)旁孔透射波法测定桩长通过实测地层波速修正法能够大幅度提高准确度，是一种全新、合理、有效的桩长判定方法。但在实测过程中，测试土层波速过程应与桩长测试同步进行，确保检波器在孔中位置的一致性，另外需要准确读取土层及桩体的初至，精确计算土层和桩体波速。