基于冲击回波法的大埋深桥梁桩基长度检测

情况采用冲击回波法对亚克力棒进行了长度检测的模拟试验，得到的结果与实际长度基本吻合，验证 了冲击回波法应用于桥梁桩基埋深测量的可行性，同时总结出了传感器的布置点与信号质量之间的 关系；后于工程现场，使用冲击回波法对待测桥梁桩基的埋深进行了测量并阐述了数据分析方法。结

果表明：冲去回波技术应用于大埋深桩基的长度检测中是可行的，当工况复杂，传统的检测方法失去 了工作条件时，可以采用该技术，其具有误差低、快捷高效以及工作环境适应能力强等优点。关键词：冲击回波法；振动与波；大埋深；桩基检测中图分类号：TG115.28 文献标志码：A 文章编号:1000-6656（2019）10-0021-06The detection technology of pile foundation length of large buried deep bridge based on

impact echo methodZHENG Haikun1 , ZHANG Mingwei12, CAO Xiaowei3, YUAN Guotao2, J IAN Bingyu1(1.School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116» China；

2.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology,

Xuzhou 221116» China；3.Xuzhou Metro Ltd., Xuzhou 221008, China)Abstract：The construction of Xuzhou metro line passes through a bridge with a large buried pile foundation. In

order to distinguish its influence on subway tunnel construction, nondestructive detection of the length of bridge pile foundation is required. Prior to the on-site detection, laboratory studies of the simulation experiment were performed

according to the actual situation of the acrylic rods by the shock echo method to detect the length, and it was found that the result and the actual length were consistent, which verified that the shock echo method was feasible for bridge pile foundation depth measurement. At the same time, the sensor layout and the relationship between the signal quality for engineering field detection were summarized. After that, the buried depth of bridge pile foundation is measured on site and how to analyze the data is expounded. The results verify the feasibility of shock echo

technology applied to the detection of pile foundation length with large buried depth, and show that when the working condition of detection is complex and the traditional detection method loses the working condition, the

impact echo method can be used for the detection, which has the advantages of low error, high efficiency and strong

adaptability to the working environment.Key words：impact echo method； vibration and wave； large buried depth； pile foundation detection收稿日期:2018-12-19基金项目：国家自然科学基金青年项目（51504237）作者简介：郑海坤（1999—）,男，主要从事微震与声发射、矿井物

在各种检测技术中，无损检测W刃能够在不损坏 工程结构的情况下对工程进行质量检测，不会对结

控方面的工作构的整体质量与稳定性产生影响，具有显著优势。 冲击回波法在各种无损检测技术中占据了重要位2019年第41卷第10期通信作者：张明伟,zhkl60001@163.com

郑海坤，等：基于冲击回波法的大埋深桥梁桩基长度检测置，多年来国内外很多专家学者对冲击回波法检测 技术的应用进行了大量研究〔38,虽然该技术已被

情况，然后用所采集到的数据绘制波形图，通过对波

形图信号的解析求得桩基内部振动波的波速，并进 一步计算出桩基的埋深长度。1.1桩基内部振动波波速的测量原理广泛采纳使用，但其应用研究大多局限于混凝土内 部缺陷的检测和厚度检测等方面。作为基础工程建设中较常用的一种，桩基的重 要地位不言而喻。在桩基检测领域，国内外学者也 进行了大量研究皿⑷，目前研究的主流方法是低应 变法和声波透射法，但是这些方法具有一定的局限

振动波在柱体内部触碰到柱体界面时会发生反 射现象，当振动波每一次被传感器监测到时，都会在 波形图中出现相对应的能量主峰值，根据这些峰值

在波形图中的位置便可以进一步得到其对应的时

性，如低应变法不能适应复杂工况。因此需要发展 适应性更强的方法来完善桩基检测技术。冲击回波

刻。但随着振动波在传播过程中的能量衰减，以及 在柱体中其他位置处发生的反射，振动波逐渐变成

法具有误差低、快捷高效以及工作环境适应能力强 等特点，故将其引入桩基检测领域，具有重要意义。比较杂乱的混波，以至于波峰变得不再明显而很难

被甄别出来。使用数据绘制出波形图，并在图中提取出波峰

文中的研究对象为徐州市焦山河桥，该桥已完 工并投入使用多年，其桩基的上部被桥梁所覆盖，常 规的低应变无损检测技术已不再适用。不仅如此，

及其对应的时间，理论上相邻两个波峰间的时间间

隔即为振动波沿着桩体的截面直径方向传播后反射 所消耗的时间，基于已知的柱体直径，便能计算出振

该桥梁桩基的绝大部分浸在水中和埋入岩土层里， 仅有上部0.5 m左右的长度露出水面，可供检测用

动波波速的平均值。1.2桩基埋深深度的检测原理的区域仅为此0.5 m左右的柱面范围，并且在人工 振源激励时只能做柱面锤击，施工操作难度大（根据

在桩基长度的检测中，当振动波传播到柱体底

其周围的地质条件和桥梁设计结构等可推测出该桥 梁桩基为大埋深摩擦桩），但是在柱面上使用冲击回 波法检测桩长的可行性还有待更深入地研究。1桩基埋深长度检测原理面时会发生反射，利用振动波初次到达传感器及桩

底反射波到达传感器的时差，借助前一步骤所测得 的振动波在桩基内部的波速，即能计算出桥梁桩基 的长度。此步骤中对来自于桩基底部的反射波的甄别尤

对于冲击回波法原理的研究，国内外很多学者

为关键，也是核心难点所在。桥梁桩基的长度较长，

提出了多种模型对于数据的处理也有多种方 法。冲击回波法检测桩基埋深长度的原理（见图1）

会导致振动波中高频成分的能量在传播中大幅衰减， 因此需要对波形进行处理，同时对大量检测数据进行 综合分析，以有效地判断出桩基底部的反射波。另

为：当外力敲击柱体表面时，桥梁桩基柱体内部会产 生振动波，此时将桥梁桩基视为一个均匀介质的圆

外,桩基本身可能存在的缺陷也会对振动波的波形造 成一定的影响，使数据的分析处理变得较困难。2试验方案柱体并认为振动波在其内部的传播是匀速的，使用 传感器监测并采集特定位置处振动波随时间的变化为了验证使用冲击回波法检测桩基埋深长度的

可行性，以及明确在柱面激发人工振源和布置传感 器能否采集到有效数据，笔者先于实验室内以冲击 回波法为原理设计了相似的模拟试验，然后通过试 验结果分析该方法的可行性。试件为高透明亚克力有机玻璃圆柱体，其长为

1 000 mm,直径为100 mm。使用标准煤岩样品压

裂过程震电磁效应同步监测系统〔阁来采集振动波 信号，配置传感器12个。试验方案为：在一定高度释放重物（小铁针或者 小），使其做自由落体运动后砸到柱体表面上，222019年第41卷第10期郑海坤，等：基于冲击回波法的大埋深桥梁桩基长度检测在柱体表面激发一个人工被动振源，同时监测并采 集特定位置处振动波的信号。图2为试验流程及试

层4个），并在顶面和底面也各布置了一个传感器。

2.2试验数据的处理在进行了多次测试试验后，先使用采集到的数 据分别绘制出波速测试波形图与长度测试波形图， 然后根据波形图提取到的数据绘制出波速计算表与

验系统结构框图。长度计算表。另外，在对长度测试试验的数据处理后发现，不

同位置上的传感器所采取到的信号质量不同，其中 与激励点位于同一母线上的两个传感器采集到了质 量最佳的信号；而正对着这两个传感器方向上的传 感器采集到的信号质量次之；最后，位于侧面的传感

图2试验流程及试验仪器系统框图器信号质量最差。为了得到更精确的结果，文章只

在结合现场中桥梁桩基只有其上部半米左右可

采用信号质量最好的数据作为依据来计算柱体的长 度，另外由于传感器布置位置的不同而需要对柱体

供检测操作的实际情况后，试验中所使用的传感器 也只能位于玻璃棒的一端，并且小也必须在玻

长度进行一定的初始位置偏差修正。图4和表1为波速求解的部分结果，图5和表2璃棒的侧面上空释放，以尽可能地模拟现场的实际 情况，从而使试验结果更为可靠、更具有参考价值。

根据以上原则，分别设计了检测振动波在试验材料

中的传播速度以及试验材料长度的方案。2.1试验步骤在波速求解试验中，由于试验材料本身直径较 小,无法得到有效的径向反射波来求解波速。但是，

试验材料的长度与工程现场的桩基直径很接近，因

此可以将传感器布置于顶底两面以达到与现场实际

012345678时间/ms工程中相似的效果。图4波速求解试验的波形（1-CH3波形信号）时间Ans

图5长度求解试验的波形（1-CH3波形信号）（b）波速试验传感器布置示意试验表1材料波速计算的部分结果主能量到第1次反第5次反平均反射

波速/序号达时刻/射时刻/射时刻/msms 2.668 8 3.136 0

ms6.7 26.977 6时间/ ms(m*s_1 )2 065.931-CH3（c）长度试验传感器布置实物图图3试验传感器布置示意试验1.656 8表20.968 10.968 43-CH112.148 82 065.36柱体长度计算的部分结果间隔/

第1次反射第2次反射 时刻/ms时刻/ms柱体长度/传感器的布置方案如图3所示，在波速测试中

序号msm0.99于柱顶和柱底中心处分别布置一个传感器。在试验 材料长度（即桩长）的测试中，传感器为层状布置（每

1-CH33-CH80.933 61.156 01.844 0 2.084 8

0.910 40.928 81.012019年第41卷第10期23郑海坤，等：基于冲击回波法的大埋深桥梁桩基长度检测为长度求解的部分结果。动，计算出振动波在亚克力材料中的平均波速为

图6,7分别为根据试验结果绘制出的亚克力棒

2 068.96 m-s-1,进一步得到柱体的平均长度为

中振动波波速的分布图与材料长度的分布图，可以 0.999 m,与实际长度基本一致。看出每次试验所测得的波速都在一定范围内波2.3小结（1） 冲击回波法用于柱体长度的检测是可行的。（2） 不具备在柱体顶面激发振源的条件时，可在

柱体柱面上进行人工振源触发,再通过布置在柱面上

的传感器采集到的数据也可以精确地计算出其长度。（3） 当传感器布置点与激发点处于同一母线上

时，所采集到的信号质量要好于其他位置。（4） 采用试验中的数据分析方法，可以求解得

试验序号到较精确的结果。图6振动波在亚克力材料中的波速分布3现场检测3.1焦山河桥桩基概况在徐州某地铁线的建设中，地铁开挖线路恰

好于徐州市焦山河桥下经过（见图8）。但由于桥 梁修建的时间较久远，其各项建造数据已无从查

询，为了确定桥的桩基长度是否会影响地铁隧道 的开掘，以及为后期施工提供有效参考，需要精确

试验序号测量桥梁桩基的埋深深度，以便制定相应的地铁

图7材料长度分布线路建设方案。图8地铁线路开挖与桥桩之间的关系焦山河桥共14根桩基，随机选取其中一根桩 如图9所示的传感器布置方案：其中桩基上布置4 基，并以此桩基为例求解桩基埋深。个传感器用于波速的检测；考虑到径向反射波过强

3.2波速的求解会覆盖桩底反射波，用于检测桩长的传感器应尽量 使用中国矿业大学自主研发的MPS微震监测

布置在远离振源的地方，同时为了得到质量更好的 系统，在现场采集振动波数据，根据试验结果，采用数据，应将传感器与振源激励点置于桩基的同一条

母线附近，因此选择在距离桩基柱体很近的梁下处 布置4个传感器。系统采集到的原始数据总时长为1.5 s,采样频

率为每秒128 000次。超前信号阈值触发，柱体直 径为0.9 m。综合考虑数据的有效性和样本的多样

1性，只取每个波形图的前6个峰值。求得多组解，最 图9传感器布置示意图后取平均值，即为最终的波速平均值。242019年第41卷第10期郑海坤，等：基于冲击回波法的大埋深桥梁桩基长度检测分别于5号和8号传感器附近进行了大量的波 得的平均值基本一致，所以可以认为桥梁桩基为均匀

速测试，在南北方向（即8号传感器所在方向）和东 西方向（即5号传感器所在方向）上各随机抽取了部

介质的柱体。但因为桥梁桩基建造时间较早，建造工 艺不精良，再加上长期浸泡在水中，早已吸水饱和，故 其内部振动波的传播速度慢，求取其平均值作为桩基

分数据。根据南北方向上6号传感器和东西方向上5号

内部振动波的波速，为1 617.79 mL。传感器分别绘制出波形，如图10,11所示。1.00.8> 0.6罄0.43.3桩长的求解利用梁下1,2,3,4号4个传感器采集得到的数

一 (2.593 75,1)据计算桩长。为了能更直观地辨认能量很弱的反射

(3.695 31, 0.438 55)波，对采集到的原始数据做以下处理：①对数据进 行零飘处理，以方便数据的后期处理；②将全部数 据取绝对值，以便于分辨波形的各个峰值；③取出

0.20.00

2

4

(4.804 69, 0.296 97)(5.906 25, 0.139 65) /^(6.929 69, 0.068 45)179 69, 0.057 71)6 8 时间/ms整个数据中的有效部分绘制出波形，从图中找到反

10 12射波存在的大致位置;④为了精确寻找反射波的位

置，将数据分成两段，由于反射波存在于第二段中， 故第一段中的信号幅值不变，将第二段中的信号幅 值整体放大5倍，从而使反射波的位置明显地显现

图10南北方向桩基波速波形出来。图13,14为第一组数据的1号和2号传感器数 据处理后的波形图（为了简化计算，横坐标数据为等

间隔的归一化时间段，无量纲）。图11东西方向桩基波速波形根据从波形图中提取到的数据，绘制出表3（部

分数据），表中E表示东西方向，S表示南北方向。表3桩基内部振动波波速的计算（部分数据）编号主能量到0

第1次反第5次反平均反射波速/(m*s-1)图13

1 000 2 000 3 000 4 000归一化时间段达时刻/ms射时刻/ms射时刻/ms时间/ ms1号传感器波形图S1CH6S3CH8E1CH62.593 751.710 94

3.695 313.0 692.703 133.828 13&179 697.242 197.085 948.148 441.102 431.091 151 632.761 9.1 623.811 586.531.492 191.108 511.134 55E3CH82.328 13桥梁桩基的波速大小如图12所示。由图12可 以明显地看出，每个事件所测得的波速都在可以

接受的误差范围内波动，且南北方向和东西方向所求图14 2号传感器波形图现场共采集了数十组数据,文章随机抽取一部分

数据进行分析并绘制成表4,但是在解析波形图时发

现了两个可能的反射波点，分别计算其对应的桩长。由表4可以看出，第一点所对应的桩长虽然也

波速试验编号

图12桥梁桩基的波速大小能取得较为理想的数据，但其方差较大，平均值为

15.03 m；第二点所对应的桩长则取得了优于第一点2019年第41卷第10期25郑海坤，等：基于冲击回波法的大埋深桥梁桩基长度检测的数据，其平均值为17.46 mo出现两个结果的原 因是当桩基存在缺陷时，也会反射振动波，形成类似

于来自桩底的信号，但是由于缺陷的界面一般不均

匀，而桩底较为平整，因此缺陷位置处测得的信号数 据偏差比来自桩底的信号数据偏差大。表4桩基长度的计算编号初始点点1点2桩长1/m桩长2/m1-15532 8033 33714.2217.591-25822 9043 37714.6717.661-35752 9113 33214.7617.421-453 0053 36115.4217.682-15592 8883 34314.7217.602-25862 9243 36314.7717.552-35833 0303 33515.4617.392-45983 0113 36115.2517.46一平均值一

一15.0317.46方差0.190.12综上，可以得到以下结论：①所测桥梁桩基的 长度为17.46 m,同时在距离桩底约2.4 m处存在一

处缺陷。桩基深度进入到了地铁隧道的开挖断面之 内，且到达开挖隧道底部；②鉴于桩基的施工特点，

推算其他桩基的深度也在地铁隧道的开挖断面之 内；③基于以上数据的计算，得到的桩基深度结果

的平均值为17.46 m。该结果是建立在桩基混凝土 波速为1 617.79 m-s\"1的基础上得出的，实际波速

跟此数值有一定的出入。而获取的结果受波速的取

值影响比较大。4结论(1) 冲击回波法可以应用于大埋深桥梁桩基长

度的检测中，且方法操作简便、成本低廉、可适应多 种复杂工况。(2) 不具备在桩顶进行检测操作的条件时，可

以采用柱面敲击的方案。检测振动波波速的传感器

应置于振源激励点的正对面，另外，为了避免径向反

射波过强而覆盖桩底反射波，用于检测桩长的传感 器应尽量布置在远离振源的地方，同时应将传感器 与振源激励点置于桩基的同一条母线附近，以得到

质量更好的数据。(3) 对于振动波在桩内传播的方式与过程，仍

存在疑问，如：振动波沿桩基边缘的传播是否会因受 到界面变化的黏滞影响而与桩基内部的传播速度不 一致。2 6

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