旁孔透射波法在桩基检测中的应用

郑立新

中国水利水电第十二工程局有限公司

1 前言

通过旁孔透射波法来检测桩身完整性或者长度，必须具备一套完整的测试设备，在严密的现场测试工作方法下完成。同时，需要具备分析桩身完整性和长度的理论支撑，并在具体的应用案例中总结出行之有效地应用经验。为此，本文深入探讨了旁孔透射波法在桩基检测中的应用方法，现做如下分析。

2 旁孔透射波法概述

2.1 理论概述

旁孔透射波法(parallel seismic test)最早在欧洲兴起，施工人员以此方法检测桩长。通过对与桩相连侧面激振得到反馈数值，并在基桩旁注满水的测孔内悬挂检波器，从而获得接收透射波信号。以P波首至时间与深度关系来确定桩长，以及桩身到地基土波速。旁孔透射波法在桥梁桩基、建筑工程桩基方面的检测已经达到较高水平，而且诸多研究正在尝试用于对存在缺陷的桩身进行检测。

2.2 测量规范

旁孔透射波法主要用于测算基桩桩长、桩身平均波速、桩底持力层波速检测，评估基桩桩长、桩身平均波速是否满足设计要求。目前国内所使用的旁孔透射波设备，多为美国olson（奥尔森）公司生产的PS-1、PS-1G、PS-1S系统。系统运行规范符合《既有建筑地基基础检测技术标准》（JGJ/T 422—2018）；《既有建筑地基基础检测技术规程》（DB 13J/T189—2015）《基桩完整性检测技术规程》（DB 33/T 1127—2016）等基桩检测技术标准。

2.3 技术特点

旁孔透射波检测系统，具有瞬时浮点和全程浮点的放大技术。同时，高信噪比的电路设计结构也满足了复杂工况的检测需求，基本上兼顾了强弱信号不失真的数据采集要求。而且，新一代PS-1S系统配备了可拆卸锂电池且支持座充，也就满足了施工现场的检测环境状况，确保了户外工作不间断的检测信号收集。旁孔透射波检测系统同时配备旁孔测试探头，可以直接贴壁进行不间断信号检测。对施工现场的基桩桩长、桩身平均波速、桩底持力层波速等数据进行综合分析判定。

3 旁孔透射波法应用于桩基检测的基本原理

3.1 波速简化公式

P波传播速度受饱和土地基影响微小，可以忽略不计，仅以均质饱和地基作为分析条件。那么在地表裸露部分的基桩处作为分界线，从此分界线下直至桩底即为桩长埋深设为L。假设桩身存在缺陷段，该缺陷的顶部深度设为Z0，缺陷总体长度设为ΔL。旁孔距设为D（桩基与旁孔的水平间距），则可以得到简化公式用于测算桩基缺陷。在公式中，θ1、θ2分别代表了PP波、PS波，以及该波段在桩身周围土层中传播渠道的水平倾角。以n代表桩土波速比（桩身P波速度Vpp与地基土P波速度的比值）。以α代表桩身缺陷程度。则Vsp代表三维P波波速，Vpp代表地基土桩身正常段P波波速，Vdp代表低速缺陷段的P波波速。与此同时，zP代表桩身正常段透射深度，zdP可以代表缺陷低速段透射深度。

3.2 桩基顶部三维测点

当n≥α＞1时，忽略桩基顶部三维作用的关联效应时，当z值下旁孔内深度测点符合zP＜z＜zdu和zdu＜z＜L+zP取值范围时，旁孔内两直线段的深度关系相互平衡，且均为倾斜桩身的正常P波速度。进一步简化推导公式，得到zdu＜z＜L+zP范围内端点深度取值公式。

用初等几何解析计算条件，将zdu＜z＜L+zP范围内的端点深度控制在zdu=Z0+zP以下，并以该取值范围内的端点深度作为差值计算范围，得到ΔZ的计算条件。可见，当ΔZ的差值高于桩身缺陷长度ΔL时，两端点时间差即可算出。两条平行直线直接对应具体的时间截面，并以截距之差代表桩基形成条件。可将zdu＜z＜L+zP范围内取值的以地基土比例拟合直线交点，该交点深度记可记作为zi，则L桩底埋深计算结果与桩身无缺陷计算结果相同。

4 桩底深度及桩身缺陷测算方法

4.1 桩身缺陷测算方法

设桩身缺陷顶面深度为Z0、以ΔL代表缺陷长度，以α表示缺陷严重程度，以上三个测量指标来判断桩身缺陷造成的影响。进一步测算分析的过程中，必须观察旁孔内各测点变化特征，尤其是判断首至波时深关系是否发生变化。预测值可以控制在桩长深度的取值范围之内时，与两条平行线中的一条拟合，则代表桩身P波速度尚且处于合理的取值范围，可以初步判定桩身具有较好的完整度。假设，并未与两条平行线中任何一条拟合，且需要过渡段来确定拟合条件，则代表桩身已经受损存在先天或后天缺陷。

如果推断桩身已经产生明显缺陷，则需要进一步细化拟合条件，以两条平行线段的倾斜角度和P波速度Vpp代表，确定平行线段上时间轴截距之差Δt。测量范围以线段上下两端点的实际距离为取值空间，并在深度保持zud和zdu的状态下完成测量。两次测算结果之差Δz，代表了时间差值的tud，在利用简化公式测算取值范围是否存在偏差，并对读取数据的误差值做出判断，即可再次确认桩身缺陷。

4.2 桩底深度测算方法

测算桩身缺陷之后，需要进一步测算桩底深度。而桩底深度的取值范围，也能够作为验证桩身缺陷的客观证据。按与桩身完整性类似的测算方法，采用简化公式即可完成测算。在z≥L+5D范围内拟合度越高，桩身完整性越高，桩底深度的精确度越高。桩端以下P波取值范围，与深度关系，可通过测算斜率而得。并通过地基波速Vsp的波速比n来进行二次测算。简化公式可初步推断桩底深度在完整段的透射深度zP，再通过缺陷度来确定z0位置。那么桩端以下的长度即可算出，而拟合直线在地基土上下两端的距离也可以算出，并以拟合直线作为交点深度的计算条件，进一步计算出具体桩长L。

具体桩长L为评价桩身缺陷程度提供了可靠依据，由此得到ΔL=VppΔt/（α－1）的测算结果，并将求解式范围锁定，根据n≥α＞1来确定桩身缺陷程度。那么在缺陷程度超出ΔL＜Δz的差值范围后，明显得到ΔL不满足桩身完整性的首要条件。简而言之，桩底深度不满足缺陷长度，且ΔL≤ΔLcr进行差值计算的合理性存在。此时，再对顶部和底部链接处进行二次测算，也就得到了既有工程桩的合理长度，并经过上述推导得到桩长结论。桩身缺陷参数与桩底深度无关，波侧面激振点传播时间t0亦然无相关性。所以，简化公式也对桩基测算结果具有支持作用，且同样适用所有类似工程项目。

5 旁孔透射波法在桩基检测中的应用案例

5.1 桩基案例信息

以旁孔透射波法检测的实践应用为案例，工程桩信息：桩径1.2m，预埋4根声测管，未告知桩长信息。钻孔信息：采用PVC管支撑，孔径70mm；桩孔距1m。测试设备：采用设备RSM-PST（A）旁孔测试仪，并配备旁孔测试传感器。

5.2 桩基检测步骤

首先，将传感器与仪器设备连接，把旁孔测试传感器慢慢放到PVC管支护钻孔的孔底，把触发速度传感器安装在桩顶面。其次，根据桩、孔信息，在仪器上进行相关参数的设置。再次，锤击桩顶面，通过触发传感器、旁孔测试传感器接收信号并在仪器上显示相应深度测点信号。从孔底往孔口方向，按照测点依据，依次测试各个深度测点的信号。最后，信号采集完成后，现场通过趋势判断，可以得到桩长、桩身波速、桩底持力层波速相关信息。最终，通过RSM-PST(A)分析软件，输出最终测算结果。

5.3 桩基检测结果

工程名称（WHRSM），测试仪器（RSM-PST），桩型（圆桩），桩径（1200），强度等级（C40），实测桩长（12.00），桩身平均波速（4215.46），Ⅰ桩类别。旁孔测试结果数据：桩身实测深度范围（0.00m~12.00m），桩身实测修正深度范围（0.0m~12.00m），桩身实测Vpe（4215.46m/s）；持力层实测深度范围(12.00m~18.00m)，持力层修正深度范围（m），持力层Vpe（2578.49m/s）。

6 旁孔透射波法在桩基检测中的应用展望

历经多年发展，旁孔透射波法在桩基检测中的应用条件已经相当充分，无论是检测设备，还是分析方法，都具备了较强的实践性。尤其是对于未知桩体底部深度和可能存在的桩身缺陷情况，旁孔透射波法无疑是相对更为精确的检测方法，而且在我国多数工程项目中得积累了大量实践应用经验。然而旁孔透射波法本身也存在一定缺陷，在未来工程应用方面仍然需要深入研究，具体研究方向为三点。

其一，当前对旁孔透射波法的应用，主要是通过旁孔透射首至P波测算结果来确定。但是在观察旁孔透射首至P波取值范围时，并无法直接以S波段作为二次测算的评估条件。而且旁孔透射应用案例中，目前也并未使用到S波的联合测算。未来需要开发可以稳定接收S波的检测设备，而且需要进一步研究与S波联合测算的方法，笃实理论基础方为上策。

其二，旁孔透射波法的理论测算，均假设地质均匀的前提条件。但是在实际工况中，地质层完全均匀并不可能。尤其在层状地基环境下应用旁孔透射波法的相关研究很少，得出实践经验的应用案例也并不存在。所以，有必要深入探讨减小土层不均匀状态下的波段走势影响，以及实地施工现场的环境限制中，桩基上部分结构和承载力的影响。尤其桩孔距达到2 m以上时测算结果受到的干扰，以及波形在不同土层结构环境下的误差值。

其三，现有旁孔透射波法研究，主要是围绕桩身一维P波对桩基检测结果做出的分析和预判。如果桩顶完成了上部链接的主体结构，那么被覆盖的建筑结构部分，则需要以最简单的激振方式进行检测。那么桩柱出露部分的测算就需要更为精准，尤其是开挖后露段水平横敲激振必须测算精准，否则将影响最终测算结果。进一步研究利用弯曲波来推断测算结果，对判断桩身长度和缺陷程度具有支持作用，也需要进一步补充旁孔透射波法检测的相关理论基础和试验条件。

7 结语

综上所述，旁孔透射波法，通过对钻孔首至直达波进行测算，来验证桩基桩身长度和桩身缺陷程度，能够得到较为精准的测算结果。对初步完成基础建筑设计部分和经年累月的桩基损毁状况判断，均具有直观检测结果的判断依据。但是，旁孔透射波法本身也存在一定缺陷，即便能够预判桩身完整性，在实际工况中也存在环境限制，未来仍然需要深入研究不同环境下的应用条件，以及S波段的收集数据对比，令旁孔透射波法在桩基检测中得到更为广泛的应用。