基于PST技术的既有桩基桩长及完整性检测

檀军锋，蒋 辉，姚琦发

(1.中铁京诚工程检测有限公司，北京 100043；2.北京同度工程物探技术有限公司，北京 102209)

桩基是承受和传递上部结构荷载的重要结构，桩基的工程质量关乎其所支撑建筑物的安全，因此对既有桩基的检测需求甚广[1-2]。一方面，在众多既有建筑改建或重建工程中，为达到桩基再利用的目的，往往需要开展既有桩基长度和完整性的检测工作[3]；另一方面，既有建筑的桩基，在地震、滑坡等自然灾害或车船冲撞等外力作用的影响下，会引起地基荷载与桩基承载力的变化，从而导致桩身和上部结构出现倾斜、变形、沉降、开裂等质量问题，也需对其进行检测[4-5]。目前，经过业内专家学者的长期研究，已形成了一套桩基完整性检测技术，并大量应用于建筑、公路、铁路等行业[6]。但由于既有桩基上部结构(如已完成盖梁、承台、建筑物)的存在，不具备低应变法[7]、高应变法[8]、超声透射法[9]等桩基检测技术所依赖的桩顶检测环境，无法进行常规桩基检测。

既有桩基检测的难点在于上部结构的影响，国内外主要有两种解决方案：① 在原有桩基检测技术上，改进采集和信号分析方法，如基于低应变反射波法改进形成的桩侧激振法[10]、双速度法[11]、基于侧壁R波波速的检测技术[12]等；② 基于新原理、新模型的检测技术，如声波或电磁波等工程CT技术[13-15]、旁孔透射法[16]、荷载试验法[17]、钻孔雷达法[18]等。

文章介绍了一种专门用于既有桩基无损检测的新技术——成桥桩检测技术(PST)，又称超震波法[19]。详细阐述了PST法原理、现场检测方法和数据处理技术，并结合工程应用进行验证试验，以为既有桩基的无损检测提供新思路，为检测人员提供一定参考。

1 PST法基本原理

1.1 成桥桩检测技术

成桥桩检测技术是用于既有桥梁桩基(成桥桩)的无损检测技术，具有以下特点：① 在桩身(柱身)侧面布置激发点和接收点，采用锤击激发横波为主的声波，采用快速耦合的16道检波器拖缆等间隔接收；② 桩底、盖梁、系梁、缺陷、地层等结构表现为记录的不同时间处出现的上、下行波；③ 资料处理中，在上、下行波场分离的基础上，采用偏移成像技术计算、描绘各反射界面的位置和反射波强度。

成桥桩检测技术是建立在混凝土桩体中声波的传播特性基础之上的。当桩体受到激振时，将产生纵波和横波，其与桩体表面的相互作用产生导波。导波能量较大，是桩体内弹性能传播的主要形式。入射导波(下行波)遇到弹性波阻抗变化界面时发生反射(上行波)。根据入射、反射波和相速度，可以确定桩体的长度、内部结构、缺陷存在情况以及混凝土的质量。

1.2 PST法的波场理论

桩体缺陷与结构面的存在会导致弹性波的阻抗变化，非均匀介质波动方程为

(1)

式中：us为散射波；v0为波速；t为时间；α(r)为该装置的散射系数；uI为入射波。

式(1)表明，当受到外界激励时，弹性波阻抗异常处将产生反射。反射波强度与弹性波阻抗异常程度、激发强度成正比。盖梁、系梁、桩底、地层、缺陷等均可产生反射，追踪反射波即可发现其所在位置。

1.3 既有桩基的波场特征

桩基存在3种类型的振动，即轴对称压缩振动、剪切弯曲振动和剪切扭转振动。前一种以纵波方式传播，后两种以横波方式传播。哪种类型的振动能量占优取决于激震方式与激震位置[20]。PST在桩身侧面激发时，以剪切弯曲振动(横波)为主，轴对称压缩振动(纵波)为辅，激振后桩内产生波的类型如图1所示。当桩的直径大于数倍波长时，导波模态比较稳定，变为面波，即瑞利与勒夫波。

图1 激振后桩内产生波的类型示意

通过传播方向可将在桩基内传播的弹性波分为向上传播的上行波及向下传播的下行波，记录中的波场如图2所示。

图2 记录中的波场示意

上行波与下行波在桩基内的传播如图3所示。上行波包括a1、a2、a3的反射波b1、b2、b3，下行波包括激发形成的直达波a1、盖梁底界面反射波a2、盖梁顶面反射波a3。上行波与下行波分别由3个震相组成，第1、2震相波速差异大，而第3震相与第2震相波速接近；当桩身较短时，多次反射尤为明显。

图3 上行波与下行波在桩基内的传播示意

1.4 成桥桩检测技术数值模拟

采用Tesseral 2D全波场模拟软件进行模拟，所采用的模型为具有上部盖梁的成桥桩，桥桩模型与模拟记录偏移成像结果如图4所示。模型桩长度为31 m，将地面设置为坐标零点，则地下埋深为22 m。在地下埋深10 m处有一缺陷，缺陷厚度为2 m，地上9 m处存在盖梁，盖梁厚度为4 m。混凝土中声速为4 000 m·s-1,缺陷处声速为3 000 m·s-1。观测系统包括炮点1个(点震源)，模拟炮点位置为地上8 m处，地上0～8 m位置设置14个检波器，从高至低垂直排列，偏移距为1.5 m，道间距为0.5 m。

图4 桥桩模型与模拟记录偏移成像结果

道集模拟结果如图5所示，可以看出，道集记录数据可以清楚地反映弹性波在桩基中的衰减情况，以及遇到缺陷和桩底之后的反射情况，反射波同相轴清晰。通过时间-波速域二维扫描可以得出混凝土中的声速为4 000 m·s-1,与模型一致。经过偏移成像反演计算可得出桩长、缺陷位置和缺陷规模，且偏移图像与模型对应良好(见图4)。

图5 道集模拟结果

2 现场检测

2.1 PST检测设备

现场检测采用北京同度工程物探技术公司开发的成桥桩检测系统，主要包括32通道采集主机和专用的检波器拖缆，成桥桩检测系统实物如图6所示。

图6 成桥桩检测系统实物

2.2 PST检测方案

具有系梁的桩基检测排列如图7所示，检测装置置于桩身侧面，采用16道线性排列接收信号，在接收排列的上部激发声波，设置偏移距为1 m，道间距为0.1 m。试验时采用锤击震源进行激发，每个排列多次采集以保证数据质量。每根桩检测2～4组，排列之间互相垂直布置，排列布置时应避开系梁[20]，图7中数字为排列序号。

图7 具有系梁的桩基检测排列示意(俯视图)

2.3 PST现场检测关键技术

2.3.1 使用检波器串进行接收

成桥桩的波场分为上行波与下行波。为了分离上、下行波场，获取相速度，不能仅使用1～2个检波器，需要多道检波器串来记录桩体中的导波。这是因为记录中道数越多越容易追踪同相轴，进而易于分离波场；同时可保证排列长度大于1/4波长，防止出现假频。通常使用16道检波器串，设置其间距为100 mm，组成一个排列。布置时，将检波器串固定或贴在桩身侧面，同时使用隔声材料(如隔音棉等)包裹，减少干扰波的影响。

2.3.2 激发点位于接收点上方

激发点(震源)设置于检波器的上部，偏移距0.5～1 m处。这样布置则入射波场是下行波，反射波场是上行波，便于波场分离和数据处理。

2.3.3 同一个桩布置多个排列

既有桥梁桩基检测中外界干扰较大，对比分析同一根桩几个侧面的检测结果，有利于消除干扰，判断缺陷。

3 PST数据处理

3.1 数据处理流程

① 根据直达波走时和距离，确定桩体混凝土波速；② 进行波场分离，分离出上行波与下行波；③ 分析波组中包含的子波，构建上行波、下行波波组；④ 建立上行波组、下行波组的波组模式；⑤ 采用二维扫描进行合成孔径偏移成像；⑥ 对偏移成像结果进行工程解释。

3.2 波场分离技术

数据处理中，波场分离是至关重要的环节。由于波场中不同方向的波同时存在，故必须通过波场分离功能将不同方向的波分开，然后再进行成像计算，避免假象的出现，波场原始记录如图8所示，波场分离后的上行波场和下行波场如图9，10所示。

图8 波场原始记录

图9 波场分离后的上行波场

图10 波场分离后的下行波场

根据上下行波场的视速度相反原则，可以利用FK变换(频率/波数变换)实现波场分离。利用二维FFT(傅里叶快速变换)，将时域信号转变成频域，再根据混凝土波速(一般为大于2 000 m·s-1)确定滤波参数，进行FK滤波[20]，滤除干扰波，突出反射波，FK域滤波原理示意如图11所示。

图11 FK域滤波原理示意

3.3 波组模式及合成孔径偏移成像

将同向同速传播的一组子波定义为波组，则波组内各子波的传播方向、速度相同，保持恒定的时间差。利用时间-波速域的二维扫描，识别出其中的叠加能量极值点，并存储成波组模式，时间-波速域二维扫描结果如图12所示。

图12 时间-波速域二维扫描结果

利用波组的子波模式进行二维扫描，并进行合成孔径偏移成像。采用合成孔径成像技术，使用相关域内的地震观测数据与波速扫描给出的偏移速度，重建地质异常体α的空间图像。该图像的特征可展现地质界面的位置与形态，合成孔径偏移成像结果如图13所示。

图13合成孔径偏移成像结果

4 PST检测结果分析

PST检测的重点是偏移图像，同一排桩的偏移图像和地质图像如图14所示。图像的纵坐标为深度，红蓝条纹表示反射界面的位置，线条的宽度表示反射能量的大小。检测结果的解释以偏移图像为依据，其中重点内容是对桩底、系梁、缺陷、地层等界面做出判定,此外还要对混凝土的质量做出评价。桩体中不同的结构对象在偏移图像中都有各自的特点，可依据偏移图像的特点做出工程解释与判定。根据大量既有桩基的检测试验，总结出如下工程解释要点。

4.1 桩底与桩长的判定

桩长是PST检测的主要内容之一。在偏移图像中依据下列3个特点即可判定桩底界面，确定桩长：① 偏移图像中桩底界面的反射清晰，能量比较强；② 同一根桩几个不同侧面的结果中桩底的位置比较接近；③ 参考设计资料，桩长与设计的深度接近。

4.2 系梁位置的判定

由于系梁距离检测位置比较近，偏移图像中反射界面具有以下4个明显特点：① 系梁的反射能量最强，比桩底的反射能量还强；② 同一根桩不同侧面检测出的位置一致；③ 同一系梁相关桩的检测结果一致；④ 检测结果与设计资料接近。

4.3 结构损伤与缺陷的判定

结构损伤与缺陷是既有桩基检测的重要内容，也是判别的难点。每处损伤与缺陷的程度和规模可能各不相同，具有局部特性，可以解释到某个排列所在的侧面。偏移图像中具有以下特征时，可以认定反射界面为结构损伤或缺陷：① 界面的反射能量较强，强于桩底反射能量；② 至少有两个相邻侧面的偏移图像中的反射界面的位置和能量相一致。

4.4 主要地层界面位置的判定

桩基与地层之间为弹性接触，其相互作用会引起桩基截面弹性波阻抗的变化。刚度变化较大的地层界面的反射波会出现在桩体中。地层界面具有区域相关性，使用排列比较的方法可以判定哪些反射界面是地层的反应。例如，位置接近的几根桩，在相同的埋深上反射界面反射强度接近，则可判定这个反射界面是地层界面。由图14可以看出，近似在同一深度位置上，都会存在相同的反射界面，反映了同一个地层从细砂进入到中砂的变化。

图14 同一排桩的偏移图像与地质图像

4.5 混凝土波速的确定

波速是表征混凝土密实性、强度的力学指标，可以作为评价混凝土质量的定量指标。PST检测中通过时间-波速域二维扫描得到的波速是低阶高频导波的相速度，这个相速度近似等于桩体面波的波速VR。

5 现场应用及验证

某高架桥受洪水冲击影响，其中99#桩附近边坡岩石垮塌，桩基明显出露，桩基外观及检测现场如图15所示。为避免对其承载力产生影响，采用PST技术对其桩长及完整性进行检测。该桩基设计长度为38 m，设计强度为C30，桩型为嵌岩桩。检测时按照图7所示方式在柱身侧壁布置检测排列，PST偏移成像结果如图16所示，桩基检测结果如表1所示。

表1 桩基检测结果

图15 桩基外观及检测现场

图16 PST偏移成像结果

为了验证检测结果的可靠性，开展了旁孔透射波检测对比试验，桩长的旁孔法计算结果为40.05 m。对比发现，设计桩长、PST计算结果、旁孔透射波检测结果之间相差小于1%。早在施工期开展的声波透射法检测结果显示，1013 m位置轻度离析，在PST偏移图像中该段存在众多红蓝条纹，即存在弹性波阻抗差异界面，表明该段桩身混凝土分布不均匀，存在缺陷。综上所述，PST检测方案可对既有桩基的长度及完整性进行检测，且结果准确，丰富了既有桩基的无损检测手段。

6 结语

文章介绍了一种新型的无损检测技术——成桥桩检测技术。该技术具有以下特点：① 采用桩身侧面布置检测排列的检测方式，适用性更广；② 采用多道检波器串的接收方式，利于波场分离；③ 采用波场分离技术，区分上下行波场，避免了假象；④ 采用时间-波速域二维扫描技术确定混凝土波速，不仅能评价混凝土质量，还可定位反射界面的位置，使桩长的计算更准确；⑤ 采用偏移成像技术，将反射界面绘制在图像中，更直观地表现出缺陷、桩底等检测目标。

通过开展检测试验，总结出了成桥桩检测结果的工程解释规律；在役既有桩基的检测结果表明，成桥桩检测技术结果准确，可供检测人员参考、使用，应加以推广。