既有建筑物桩基检测技术研究现状与发展_张程林
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广州建筑 GUANGZHOU ARCHITECTURE 2014 年第 2 期
费方面， 比现场试验有较大优势， 可进一步完善 数值建模理论， 探讨检测方案的有效性。
基于桩顶自由的单桩检测技术无论在理论上 还是工程应用中都已较成熟， 而对于既有建筑物 桩基检测由于上部结构的干扰和环境的制约， 传 统的低应变反射波法检测结果不尽如人意。 找到 适用于含上部结构的桩基检测方法已成为工程界 日益关心的问题。 本文介绍的既有建筑物桩基检 测方法具有很好的工程实用价值， 值得深入研究 和进一步推广。
数值试验方面， 柴华友 [23] 模拟了应力波在平 台-桩系统的传播过程， 提出了两测点测量方法， 在桩顶和桩侧布设传感器， 通过滤波和波形比较 等 方 法 ， 综 合 确 定 桩 身 完 整 性 。 同 时 采 用 ANSYS-DYNA 对设想进行了验证。
彭 志 豪 等 [24] 分 别 建 立 了 有 无 梁 板 式 码 头 的 群桩模型， 采用 ANSYS-DYNA 分析了不同面板尺 寸， 以及不同激振点和传感器接收点对桩身内波 速传播影响的数值试验。
Research Status and Development Trend of Pile Detection Techniques Under Existing Buildings
ZHANG Cheng-lin HU He-song QI Yu-liang （Guangzhou Institute of Building Science Co., Ltd., Guangzhou 510440）
4 结语
目前传统的单桩检测方法仍是既有建筑物桩 基检测方法与试验研究的重点， 后续研究可在激 振位置、 激振方式以及传感器放置等方面寻找最 优检测手段， 同时加强对检测信号数据的分析过 滤研究， 提高检测信号识别精度。 笔者认为， 由 于单桩检测技术比较成熟， 综合考虑费用低廉、 操作简便、 无损检测等特点和要求， 把已有的检 测技术进行改进以适用于具有上部结构的单桩检 测， 仍是当前的主要研究方向。 数值模拟方法在 检测方案的对比、 试验数据的获取、 时间费用耗
季勇志 [25] 基于三维导波理论， 分析研究了码 头桩基在桩顶固连和非固连两种结构形式下的无 损检测方法， 对比研究了纵波和横波在无损检测 中的优劣， 认为横波可以有效地避开上部结构的 干扰。
动测信号数据处理也是研究的重点内容， 天 津大学孙熙平、 王元战 [26] 等人指出， 利用小波分 解的分析方法来解决高桩码头基桩检测问题是一 种很好的思路。 李学军 [27] 提出了一种对多次激振 后的检测信号进行数据加权融合的处理技术， 对 有效信号的识别和判断有较好的效果。
如 国 内 方 面 徐 攸 在 [20] 对 天 津 港 码 头 的 30m 长 的 桩分别进行了有无梁板的试验研究， 探讨了上部 结构对桩身检测曲线的影响， 同时对不同激励位 置， 各种手锤材质对桩的振动速度曲线的影响进 行了分析， 提出了采用小应变法检测码头桩应注 意的问题。
姜卫方提出上行波遇到上部结构发生反射， 在时域曲线上表现为扩颈反应， 后正常沿桩身衰 减 [21] 的理论假设， 为此进行了不同敲击位置和传 感器接收位置的对比试验， 总结了一套应用于具
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图 3 双速度法检测示意图
（3） 横波法 一维纵波理论在大直径桩中由于三维效应而 不成立， 北卡罗来纳州在 1983 年针对该问题提出 了横波检测技术 [13]， 其理论依据是桩身弯曲波能 量的频散。 在桩侧施加横向激励， 利用弯曲能量 波代替常规的压缩波， 弯曲波同时向上和向下传 播， 通过速度计记录波速并利用时域分析得到结
第 42 卷 2014 年第 2 期
广州建筑 GUANGZHOU ARCHITECTURE
Vol．42 No．2， 2014
既有建筑物桩基检测技术研究现状与发展★
张程林 胡贺松 戚玉亮 （广州市建筑科学研究院有限公司， 广州 510440）
摘 要： 阐述了既有建筑物桩基质量完整性检测技术的形成和发展， 介绍了各种典型桩基检测技术的基 本原理， 并分析了其优缺点， 对未来桩基检测技术的发展趋势进行了展望， 以期促进桩基检测技术的发 展， 供桩基检测研究者参考借鉴。 关键词： 桩基； 既有建筑； 检测技术
1 引言
桩基础是一种重要的基础形式， 在我国的基 础建设中应用广泛。 建成时间较长的建筑物， 在 经历台风地震等重大自然灾害后， 对其桩基质量 的评价显得尤为重要； 一些建成时间不长的建筑 物， 由于地基问题引起比较严重的建筑物沉降、 裂缝时， 也需要对其桩基础质量重新进行评估； 与此同时， 我国的建筑业已经开始从大规模的新 建时期迈向现代化的既有建筑物加固和改造时期 [1]， 建筑物的加层加固， 也必须在获悉原有桩基质量 的基础上进行。
有上部结构的桩基检测方法， 但应用于实际尚需 进一步检验和完善。
翁有法等 [22] 提出了既有结构桩身完整性检测 的基桩前期处理方法， 采用顶置式传感器， 桩侧 激振， 推荐激振平面和传感器的安装平面在桩身 的同一高度， 离桩顶 （承台、 梁板底面） 的距离 宜为 2 ~ 3 倍桩径。 同时提出了实测波形的判读原 则， 具有一定的参考意义。
桩帽或者上部结构
测管
桩身透射 桩
检波器
桩底透射
图 2 平行地震波法检测示意图 黄大 治 等 人 [5-6] 采 用 平 行 地 震 波 法 检 测 既 有 建筑物桩基质量， 并采用三维有限元分析饱和土、 非饱和土地基中完整桩和缺陷桩的透射波信号。 但该法在广东地区的适用性还需进一步检验。 浙 江省建筑科学设计研究院吴宝杰等 [7] 利用平行地
公式法、 波形拟合法、 应力波发射法等， 衍生方 法众多， 但基本形式都由施加激励、 参数拾取、 讯号分析三部分组成， 见图 1。
施加激励 稳态瞬态 频率大小 施加位置
参数拾取
参数类型 传感器位置
讯号分析 时域分析 频域分析 对比分析
图 1 桩基动测法检测过程图 动测法是目前既有建筑物桩基检测的主要研 究方向， 本文针对其应用情况及衍变方法作一介 绍。
由于既有建筑物桩基检测的独特性和复杂性， 目前尚没有成熟的检测手段。 日益增长的既有建 筑物桩基检测需求， 促使学者进行了相关研究和 探索。 本文总结了前人的研究成果， 为科研技术 工作者提供借鉴和参考。
★ 广 州 市 科 技 计 划 项 目 ， 项 目 编 号 ： 2013J4300024； 2013Y2-00036
桩帽
L
地基土
基 桩
地基土
图 4 桩长增量逼近法示意图 其他 检 测 方 法 还 包 括 机 械 阻 抗 法 、 [16-17] 纵 阻 抗 剖 分 析 法 [18]、 动 力 参 数 识 别 法 [19] 等 ， 但 大 多 是理论上可行， 实际应用很困难， 还有待进一步 研究。 众多学者对当前的检测方法进行了改良试验，
Abstract： This article illustrates the detection technique formation and development of piles under existing build ings, elaborates on rationale of typical inspection methods, and analyses their defects and advantages. The future trend of pile inspection methods is prospected in order to promote the development of pile detection techniques, and provide a reference for pile testing researchers. Key words： piles foundation； existing buildings； detection techniques
2 桩基检测技术评述
桩基检测的主要目的是判定桩身完整性和承 载力， 检测方法有钻芯法、 静载试验法、 高低应 变法等。 对于桩端自由的桩基检测， 以上方法从 理论到工程实践都已较为成熟， 检测准确率较高。 而对于既有建筑物桩基， 因为受到上部结构的阻 挡和干扰， 上述传统的检测方法已不适用。 传统 的声波透射法， 包括跨孔音波检测法和跨孔断层 扫描法， 需预先在桩内将声管绑扎或焊接挂在钢 筋笼内， 不适合既有建筑物桩基检测。 钻孔抽芯 法直观实用， 但应用于既有建筑物下桩基检测时， 由于作业空间和桩基上部结构的限制， 也难以进 行。
3 既有建筑物下桩基检测技术研究
（1） 平行地震波法 平 行 地 震 波 法 （Parallel Seismic Test） 是 国 外 学者 [2] 提出的一种有效检测既有建筑物基桩完整 性和长度的方法， 属于地震测井的一种方法， 最 先在法国得到应用 [3]。 陈龙珠教授 [4] 对这一方法 进行了引进与追踪研究， 在我国称之为 “旁孔透 射波法”。 平行地震波法是将钻孔套管放在待检测 的桩基附近， 套管与周围土体紧密结合， 同时套 管内注满清水， 水听检波器在套管内检测由桩基 顶部敲击所产生的 P 波， 绘制 P 波首先达到不同 点的深度与时间曲线， 由图形曲线可分析桩身长 度和完整性。 检测示意图见图 2。
信号分析仪 激振锤
建筑物
震波法对既有建筑物下基桩的质量进行检测， 取 得了初步成功， 但后续波与桩身质量和桩底深度 的对应关系， 波速与桩身质量、 周围各土层关系 等还不成熟， 需进一步研究。
（2） 双速度法 双速度法的提出是为了解决上下行波相互干 扰的问题 [8]， 沿 桩 身 布 置 两 个 加 速 度 传 感 器 测 取 两点应变， 如图 3 所示， 可分离桩身上行波和下 行波 [9]， 通 过 应 变 和 速 度 的 关 系 ， 得 到 了 下 行 波 的计算公式， 可不依赖实际桩长， 计算出桩身纵 波波速， 检验桩长。 同时对于上部已施工承台的 桩基形式， 有效克服了上部结构变截面处的干扰。 唐勇通过 16 根有承台和无承台模型桩的单速度和 双速度测试结果证明， 双速度法应用于既有建筑 物桩基检测具有很好的效果 [10]。 目前已有仪器和 软件支持双通道测量并可自行计算出上行波。 工 程 应 用 中 也 出 现 过 布 置 多 道 传 感 器 的 形 式 ， [11-12] 但仍处于双速度法的范畴， 理论上没有更进一步。 双速度法的优点在于可有效分离出上下行波， 减少由于承台等上部结构带来的干扰， 能做到无 损检测。 缺点是传感器的安装需要一定的桩身出 露距离， 同时传感器的间距、 安装、 敲击点的选 择、 桩身的平整度影响等一系列问题尚需不断总 结经验， 方可应用于实际工程检测。
动测法的理论依据是波动力学， 根据瞬态冲 击或者稳态振动荷载作用下桩基的动力响应来判 别桩身质量和承载力， 是目前应用最为广泛的桩 基检测形式。 根据桩土之间的位移量级， 动测法 又有高、 低应变法之分， 具体形式包括动力打桩
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广州建筑 GUANGZHOU ARCHITECTURE 2014 年第 2 期
张程林等： 既有建筑物桩基检测Hale Waihona Puke Baidu术研究现状与发展
果。 横波法有效地减弱了桩径的影响， 解决了大
直径桩中的三维效应问题， 使动测法不局限于一 维杆系理论。 其缺点是适用性不强， 只适用于软 土上的短桩， 且目前大多停留在实验阶段， 工程 应用实例较少 [14]。
（4） 桩长增量逼近法 桩长增量逼近法是利用有限元模拟实际上部 结构和初始假定桩长时的动态反应， 通过有限元 模拟曲线与实际低应变法检测曲线对比分析， 减 去上部结构影响， 得到 “剩余反应曲线”。 当模拟 桩长与实际桩长接近时 “剩余反应曲线” 发生明 显变化， 可确定桩长区间， 同样原理可用于定位 缺陷。 桩长增量逼近法示意见图 4。 桩长增量逼近法对数值模拟的精度要求很高， 有限元模拟几乎很难达到实际情况， 该方法距离 实际应用还有较大距离 [15]。
广州建筑 GUANGZHOU ARCHITECTURE 2014 年第 2 期
费方面， 比现场试验有较大优势， 可进一步完善 数值建模理论， 探讨检测方案的有效性。
基于桩顶自由的单桩检测技术无论在理论上 还是工程应用中都已较成熟， 而对于既有建筑物 桩基检测由于上部结构的干扰和环境的制约， 传 统的低应变反射波法检测结果不尽如人意。 找到 适用于含上部结构的桩基检测方法已成为工程界 日益关心的问题。 本文介绍的既有建筑物桩基检 测方法具有很好的工程实用价值， 值得深入研究 和进一步推广。
数值试验方面， 柴华友 [23] 模拟了应力波在平 台-桩系统的传播过程， 提出了两测点测量方法， 在桩顶和桩侧布设传感器， 通过滤波和波形比较 等 方 法 ， 综 合 确 定 桩 身 完 整 性 。 同 时 采 用 ANSYS-DYNA 对设想进行了验证。
彭 志 豪 等 [24] 分 别 建 立 了 有 无 梁 板 式 码 头 的 群桩模型， 采用 ANSYS-DYNA 分析了不同面板尺 寸， 以及不同激振点和传感器接收点对桩身内波 速传播影响的数值试验。
Research Status and Development Trend of Pile Detection Techniques Under Existing Buildings
ZHANG Cheng-lin HU He-song QI Yu-liang （Guangzhou Institute of Building Science Co., Ltd., Guangzhou 510440）
4 结语
目前传统的单桩检测方法仍是既有建筑物桩 基检测方法与试验研究的重点， 后续研究可在激 振位置、 激振方式以及传感器放置等方面寻找最 优检测手段， 同时加强对检测信号数据的分析过 滤研究， 提高检测信号识别精度。 笔者认为， 由 于单桩检测技术比较成熟， 综合考虑费用低廉、 操作简便、 无损检测等特点和要求， 把已有的检 测技术进行改进以适用于具有上部结构的单桩检 测， 仍是当前的主要研究方向。 数值模拟方法在 检测方案的对比、 试验数据的获取、 时间费用耗
季勇志 [25] 基于三维导波理论， 分析研究了码 头桩基在桩顶固连和非固连两种结构形式下的无 损检测方法， 对比研究了纵波和横波在无损检测 中的优劣， 认为横波可以有效地避开上部结构的 干扰。
动测信号数据处理也是研究的重点内容， 天 津大学孙熙平、 王元战 [26] 等人指出， 利用小波分 解的分析方法来解决高桩码头基桩检测问题是一 种很好的思路。 李学军 [27] 提出了一种对多次激振 后的检测信号进行数据加权融合的处理技术， 对 有效信号的识别和判断有较好的效果。
如 国 内 方 面 徐 攸 在 [20] 对 天 津 港 码 头 的 30m 长 的 桩分别进行了有无梁板的试验研究， 探讨了上部 结构对桩身检测曲线的影响， 同时对不同激励位 置， 各种手锤材质对桩的振动速度曲线的影响进 行了分析， 提出了采用小应变法检测码头桩应注 意的问题。
姜卫方提出上行波遇到上部结构发生反射， 在时域曲线上表现为扩颈反应， 后正常沿桩身衰 减 [21] 的理论假设， 为此进行了不同敲击位置和传 感器接收位置的对比试验， 总结了一套应用于具
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图 3 双速度法检测示意图
（3） 横波法 一维纵波理论在大直径桩中由于三维效应而 不成立， 北卡罗来纳州在 1983 年针对该问题提出 了横波检测技术 [13]， 其理论依据是桩身弯曲波能 量的频散。 在桩侧施加横向激励， 利用弯曲能量 波代替常规的压缩波， 弯曲波同时向上和向下传 播， 通过速度计记录波速并利用时域分析得到结
第 42 卷 2014 年第 2 期
广州建筑 GUANGZHOU ARCHITECTURE
Vol．42 No．2， 2014
既有建筑物桩基检测技术研究现状与发展★
张程林 胡贺松 戚玉亮 （广州市建筑科学研究院有限公司， 广州 510440）
摘 要： 阐述了既有建筑物桩基质量完整性检测技术的形成和发展， 介绍了各种典型桩基检测技术的基 本原理， 并分析了其优缺点， 对未来桩基检测技术的发展趋势进行了展望， 以期促进桩基检测技术的发 展， 供桩基检测研究者参考借鉴。 关键词： 桩基； 既有建筑； 检测技术
1 引言
桩基础是一种重要的基础形式， 在我国的基 础建设中应用广泛。 建成时间较长的建筑物， 在 经历台风地震等重大自然灾害后， 对其桩基质量 的评价显得尤为重要； 一些建成时间不长的建筑 物， 由于地基问题引起比较严重的建筑物沉降、 裂缝时， 也需要对其桩基础质量重新进行评估； 与此同时， 我国的建筑业已经开始从大规模的新 建时期迈向现代化的既有建筑物加固和改造时期 [1]， 建筑物的加层加固， 也必须在获悉原有桩基质量 的基础上进行。
有上部结构的桩基检测方法， 但应用于实际尚需 进一步检验和完善。
翁有法等 [22] 提出了既有结构桩身完整性检测 的基桩前期处理方法， 采用顶置式传感器， 桩侧 激振， 推荐激振平面和传感器的安装平面在桩身 的同一高度， 离桩顶 （承台、 梁板底面） 的距离 宜为 2 ~ 3 倍桩径。 同时提出了实测波形的判读原 则， 具有一定的参考意义。
桩帽或者上部结构
测管
桩身透射 桩
检波器
桩底透射
图 2 平行地震波法检测示意图 黄大 治 等 人 [5-6] 采 用 平 行 地 震 波 法 检 测 既 有 建筑物桩基质量， 并采用三维有限元分析饱和土、 非饱和土地基中完整桩和缺陷桩的透射波信号。 但该法在广东地区的适用性还需进一步检验。 浙 江省建筑科学设计研究院吴宝杰等 [7] 利用平行地
公式法、 波形拟合法、 应力波发射法等， 衍生方 法众多， 但基本形式都由施加激励、 参数拾取、 讯号分析三部分组成， 见图 1。
施加激励 稳态瞬态 频率大小 施加位置
参数拾取
参数类型 传感器位置
讯号分析 时域分析 频域分析 对比分析
图 1 桩基动测法检测过程图 动测法是目前既有建筑物桩基检测的主要研 究方向， 本文针对其应用情况及衍变方法作一介 绍。
由于既有建筑物桩基检测的独特性和复杂性， 目前尚没有成熟的检测手段。 日益增长的既有建 筑物桩基检测需求， 促使学者进行了相关研究和 探索。 本文总结了前人的研究成果， 为科研技术 工作者提供借鉴和参考。
★ 广 州 市 科 技 计 划 项 目 ， 项 目 编 号 ： 2013J4300024； 2013Y2-00036
桩帽
L
地基土
基 桩
地基土
图 4 桩长增量逼近法示意图 其他 检 测 方 法 还 包 括 机 械 阻 抗 法 、 [16-17] 纵 阻 抗 剖 分 析 法 [18]、 动 力 参 数 识 别 法 [19] 等 ， 但 大 多 是理论上可行， 实际应用很困难， 还有待进一步 研究。 众多学者对当前的检测方法进行了改良试验，
Abstract： This article illustrates the detection technique formation and development of piles under existing build ings, elaborates on rationale of typical inspection methods, and analyses their defects and advantages. The future trend of pile inspection methods is prospected in order to promote the development of pile detection techniques, and provide a reference for pile testing researchers. Key words： piles foundation； existing buildings； detection techniques
2 桩基检测技术评述
桩基检测的主要目的是判定桩身完整性和承 载力， 检测方法有钻芯法、 静载试验法、 高低应 变法等。 对于桩端自由的桩基检测， 以上方法从 理论到工程实践都已较为成熟， 检测准确率较高。 而对于既有建筑物桩基， 因为受到上部结构的阻 挡和干扰， 上述传统的检测方法已不适用。 传统 的声波透射法， 包括跨孔音波检测法和跨孔断层 扫描法， 需预先在桩内将声管绑扎或焊接挂在钢 筋笼内， 不适合既有建筑物桩基检测。 钻孔抽芯 法直观实用， 但应用于既有建筑物下桩基检测时， 由于作业空间和桩基上部结构的限制， 也难以进 行。
3 既有建筑物下桩基检测技术研究
（1） 平行地震波法 平 行 地 震 波 法 （Parallel Seismic Test） 是 国 外 学者 [2] 提出的一种有效检测既有建筑物基桩完整 性和长度的方法， 属于地震测井的一种方法， 最 先在法国得到应用 [3]。 陈龙珠教授 [4] 对这一方法 进行了引进与追踪研究， 在我国称之为 “旁孔透 射波法”。 平行地震波法是将钻孔套管放在待检测 的桩基附近， 套管与周围土体紧密结合， 同时套 管内注满清水， 水听检波器在套管内检测由桩基 顶部敲击所产生的 P 波， 绘制 P 波首先达到不同 点的深度与时间曲线， 由图形曲线可分析桩身长 度和完整性。 检测示意图见图 2。
信号分析仪 激振锤
建筑物
震波法对既有建筑物下基桩的质量进行检测， 取 得了初步成功， 但后续波与桩身质量和桩底深度 的对应关系， 波速与桩身质量、 周围各土层关系 等还不成熟， 需进一步研究。
（2） 双速度法 双速度法的提出是为了解决上下行波相互干 扰的问题 [8]， 沿 桩 身 布 置 两 个 加 速 度 传 感 器 测 取 两点应变， 如图 3 所示， 可分离桩身上行波和下 行波 [9]， 通 过 应 变 和 速 度 的 关 系 ， 得 到 了 下 行 波 的计算公式， 可不依赖实际桩长， 计算出桩身纵 波波速， 检验桩长。 同时对于上部已施工承台的 桩基形式， 有效克服了上部结构变截面处的干扰。 唐勇通过 16 根有承台和无承台模型桩的单速度和 双速度测试结果证明， 双速度法应用于既有建筑 物桩基检测具有很好的效果 [10]。 目前已有仪器和 软件支持双通道测量并可自行计算出上行波。 工 程 应 用 中 也 出 现 过 布 置 多 道 传 感 器 的 形 式 ， [11-12] 但仍处于双速度法的范畴， 理论上没有更进一步。 双速度法的优点在于可有效分离出上下行波， 减少由于承台等上部结构带来的干扰， 能做到无 损检测。 缺点是传感器的安装需要一定的桩身出 露距离， 同时传感器的间距、 安装、 敲击点的选 择、 桩身的平整度影响等一系列问题尚需不断总 结经验， 方可应用于实际工程检测。
动测法的理论依据是波动力学， 根据瞬态冲 击或者稳态振动荷载作用下桩基的动力响应来判 别桩身质量和承载力， 是目前应用最为广泛的桩 基检测形式。 根据桩土之间的位移量级， 动测法 又有高、 低应变法之分， 具体形式包括动力打桩
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广州建筑 GUANGZHOU ARCHITECTURE 2014 年第 2 期
张程林等： 既有建筑物桩基检测Hale Waihona Puke Baidu术研究现状与发展
果。 横波法有效地减弱了桩径的影响， 解决了大
直径桩中的三维效应问题， 使动测法不局限于一 维杆系理论。 其缺点是适用性不强， 只适用于软 土上的短桩， 且目前大多停留在实验阶段， 工程 应用实例较少 [14]。
（4） 桩长增量逼近法 桩长增量逼近法是利用有限元模拟实际上部 结构和初始假定桩长时的动态反应， 通过有限元 模拟曲线与实际低应变法检测曲线对比分析， 减 去上部结构影响， 得到 “剩余反应曲线”。 当模拟 桩长与实际桩长接近时 “剩余反应曲线” 发生明 显变化， 可确定桩长区间， 同样原理可用于定位 缺陷。 桩长增量逼近法示意见图 4。 桩长增量逼近法对数值模拟的精度要求很高， 有限元模拟几乎很难达到实际情况， 该方法距离 实际应用还有较大距离 [15]。