一种基于钻孔雷达的基桩三维检测装置及基桩三维检测方法

技术领域

本发明涉及一种基桩完整性检测领域，更具体地，涉及一种基于钻孔雷达的基桩三维检测装置及基于该装置的基桩三维检测方法。 

背景技术

现行建筑基桩完整性检测的常规检测方法中较为普遍的是声波透射法、高应变和低应变法以及钻芯法，这几种检测方法多年来得到较快的发展并日趋完善，但还存在不少问题。其中声波透射法、低应变法和高应变法是无损检测方法但存在较大的测试盲区，它们可归属于二维检测技术方法，只能判断异常出现的深度位置而不能判断其方位，而且由于方法本身的限制无法判断出桩底出现异常时，是由桩底沉渣还是持力层造成的；钻芯法是有损检测方法属于直接法，能较直观的反映出钻孔位置处的基桩情况，用其评判整桩的完整性类别存在以点代面的问题。同时，以上四种检测方法均不能描述出待检基桩和其钢筋笼的轮廓，而随着建设工程的多样化和质量要求的提高，现代建筑会伴生很多特殊的基桩设计和施工工艺，对这些基桩的探测往往让常规检测手段无能为力，这就要求能有一种有效的检测方法来解决这些问题。 

钻孔雷达探测是一种把发射和接收天线都放进钻孔中的地质雷达测试方法，其在地下发射信号和接收信号，突破了地面地球物理方法的局限性而实现一种更大范围的探测，研究和应用钻孔雷达技术使得现代建筑可以进行大范围的地下岩层探测并得到可靠的精度。近年来，钻孔雷达技术在工程中的应用越来越普遍，其解决实际问题的优势也愈加明显，钻孔雷达技术的应用研究主要有地质调查、工程勘察、环境调查、水电大坝勘察、探测断裂带、空洞探测、喀斯特地区调查和盐层调查等领域，但现有技术中，钻孔雷达的应用仅限于二维探测或检测。 

发明内容

本发明的目的是针对现有检测技术在基桩检测中存在较大的测试盲区，对缺陷的具体大小、方位较难准确判断，而且无法准确的检测桩底沉渣和钢筋笼的情况等问题，提出了一种基于钻孔雷达的基桩三维检测装置和一种基桩三维检测方法。 

利用本发明所述的基于钻孔雷达的基桩三维检测装置可以让钻孔雷达的井内天线停顿于基桩轴向通孔内的任意位置，从而实现对基桩本身及基桩底部地质情况的三维探测。 

为了达到上述目的，采用如下技术方案： 

一种基于钻孔雷达的基桩三维检测装置，基于内设通孔的基桩，所述通孔沿基桩轴向方 向延伸，包括： 

钻孔雷达，包括相互连接的井中天线和雷达主机，所述井中天线设置于通孔内，用于对所在空间进行三维扫描探测，所述雷达主机用于接收井中天线发送的探测数据； 

牵引模块，与井中天线连接，用于带动井中天线在通孔内移动或定位； 

中央控制模块，与雷达主机连接，用于接收雷达主机传输的探测数据并绘制三维图像。 

作为一种具体实施例，所述井中天线包括依次连接的定位单元，定向天线及配重，所述定位单元包括微型控制单元和与微型控制单元连接的微型电机和若干个位置传感器，所述微型控制单元与中央控制模块连接，其中： 

微型控制单元、用于控制微型电机的转动； 

微型电机，用于驱动定向天线沿轴向转动； 

位置传感器，用于确定定向天线在通孔内的方位； 

定向天线，用于定向发射和定向接收电磁波。 

作为一种具体实施例，所述牵引模块包括驱动电机及用于收放井中天线的牵引绳，所述牵引绳一端与电机输出端连接，一端连接井中天线。 

利用本发明所述的基桩三维检测方法可以实现对基桩完整性、桩底沉渣厚度、钢筋笼和桩身轮廓及持力层的检测，并可以得到三维图像，让探测人员直观地看到基桩及基桩外围的情况。 

为了达到上述目的，采用如下技术方案： 

一种基于权利要求1所述基于钻孔雷达的基桩三维检测装置的基桩三维检测方法，包括以下步骤完成： 

S1牵引模块将井中天线放至基桩通孔内的待检深度位置； 

S2井中天线对所在空间进行三维扫描探测，并将探测数据发送至雷达主机； 

S3牵引模块改变井中天线的深度位置，井中天线对所在空间进行三维扫描探测，并将探测数据发送至雷达主机； 

S4雷达主机接收井中天线发送的探测数据并传送给中央控制模块； 

S5中央控制模块基于收到的探测数据绘制三维图像，并根据三维图像判断基桩完整性及其轮廓，揭露桩底和持力层情况。 

作为一种具体实施例，所述步骤S3中，牵引模块改变井中天线的深度位置的方式是在相邻测点间距间匀速提升井中天线。 

作为一种具体实施例，所述通孔贯穿基桩底部，与持力层连通。 

作为一种具体实施例，所述步骤S1之前，还包括沿基桩轴向方向钻孔以形成通孔的步骤。 

作为一种具体实施例，所述步骤S1之前，还包括在基桩施工时在沿轴向预埋PVC管以形成通孔的步骤。 

作为一种具体实施例，所述步骤S2或S3中，所述井中天线通过转动定向天线控制探测方向实现360度全向探测。 

作为一种具体实施例，所述步骤S2或S3中，所述井中天线通过分时分向探测方式实现360度全向探测。 

与现有技术相比，本发明的有益效果在于： 

本发明通过在基桩的轴向通孔内放入井中天线，并通过预埋管或钻孔到持力层，可以实现对基桩本身及基桩底部地质情况的探测，本发明在探测过程中通过转动定向天线或分时分向探测可以实现360度方向发射和接收数据，基于该探测的后期三维成图可以三维呈现桩身完整性、桩底沉渣厚度、钢筋笼和桩身轮廓及持力层情况等信息。本发明的技术方案具有分辨率高、抗干扰能力强、可进行三维探测等特点，可以更加全面地显示出基桩的信息，具有良好的应用前景和实用价值。 

附图说明

图1为本发明所述基于钻孔雷达的基桩三维检测装置的一个优选实施例的结构示意图。 

图2为图1中预埋管基桩部分的俯视图。 

图3为本发明所述基于钻孔雷达的基桩三维检测装置的雷达井中天线的构造图。 

图中：10-基桩；11-钢筋笼；12-通孔；20-PVC管；30-持力层；40-井中天线；41-定位单元；411-微型控制单元；412-微型电机；42-定向天线；43-配重；50-牵引绳；60-雷达主机；70-驱动电机；80-桩底沉渣；100-中央控制模块。 

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明做进一步说明： 

参见图1，本发明所述的基于钻孔雷达的基桩三维检测装置，基于内设通孔12的基桩10，所述通孔12沿基桩10轴向方向延伸，探测装置包括： 

钻孔雷达，包括相互电连接的井中天线40和雷达主机60，所述井中天线40设置于通孔12内，用于对所在空间进行三维扫描探测，所述雷达主机60用于接收井中天线40发送的探测数据。 

所述井中天线40上包括从上到下依次连接的定位单元41、定向天线42、配重43及连接电缆，所述定位单元41至少包括一个微型控制单元411、一个用于驱动定向天线旋转的微型电机411及若干个用于确定定向天线42在通孔12中所在方位的位置传感器，微型控制单元411与中央控制模块100连接，其中微型电机411可控制定向天线42在井下匀速缓慢转动， 定向天线42可定向发射和定向接收电磁波。 

牵引模块，与井中天线40连接，用于带动井中天线40在通孔12内移动或定位。 

中央控制模块100，与雷达主机60连接，用于接收雷达主机60传输的探测数据并绘制三维图像。 

所述牵引模块包括驱动电机70及用于收放井中天线40的牵引绳50，所述牵引绳50一端与电机输出端连接，一端连接井中天线40，与牵引绳50并列还设置有电缆线，电缆线一端连接井中天线40的连接电缆，另一端与雷达主机60连接，用于供应电力并允许高速数据传输。 

在本实施例中，基桩10为混凝土桩，基桩10内预埋有PVC管20，可以利用钻机沿着PVC管20内部钻进到基桩10底部的持力层30，则井中天线40可以沿着PVC管20和钻孔下放到持力层30所在空间，以方便井中天线40对基桩10底部环境进行探测。 

基于上述结构和设置，本发明所述的基桩三维检测方法，包括以下步骤完成： 

S1牵引模块将井中天线40放至基桩通孔12内的待检深度位置。 

本步骤中，驱动电机70通过放开牵引绳50使井中天线40逐步下沉，直至停留在预设待检深度位置，在通孔12开口位置还设有一个滑轮90形成对牵引绳50的支撑，牵引绳50通过滑轮90可以改变牵引方向。 

在对基桩10进行检测前，提前一天向预埋PVC管20中注满清水。 

为了在基桩10中形成通孔，以便形成钻孔雷达的井中天线上下畅行的通道，在本步骤之前还可能通过以下两种方式来达成： 

一是在基桩10基桩施工时在基桩中间从桩底到桩顶预埋PVC管20，PVC管20直径应比雷达井中天线40直径稍大，为使井中天线40能顺利到达桩底，必须保证PVC管20完好无损。 

另一种方式中，可以利用钻芯法对基桩10实施检测后的通孔12作为井中天线40的通道，对于未采用过钻芯法探测的基桩10，也可以沿基桩10轴向方向钻孔至桩底持力层30或其他任何需要检测的深度，从而使得检测基桩10内钢筋笼11、桩底沉渣80和持力层30的结构情况成为可能。 

S2井中天线40所在空间进行三维扫描探测，并将探测数据发送至雷达主机60。 

在本步骤中，井中天线40沿着基桩10中因预埋PVC管20或钻孔形成的通孔12下放到通孔底部，则井中天线40对自身所在空间的周围空间进行三维扫描探测，其探测过程是利用一个天线发射高频宽带电磁波，另一个天线接收来自混凝土桩身缺陷部位或地下岩土介质的反射波。雷达波的传播受到介质电磁性质及几何形态的影响，接收端电磁波强度和波形将随 之发生变化。据此，根据接收端电磁波的双程走时（Travel Time）、振幅（Amplitude）和波形（Waveform）资料，可以推测出桩身完整性及地下岩土介质的结构特征。 

为了获得360度全向数据，井中天线40通过置于其上的定位单元41和定向天线42之间的配合动作控制定向天线42的探测方向进行全向探测，也可以通过分时分向探测方式实现360度全向探测，在上述探测中，均可利用位置传感器确定定向天线42的方位关系，从而进一步保证全向探测的完整性和可靠性。在探测的同时，井中天线40通过电缆线将探测数据传送到雷达主机60。 

为了实现定位，其中一种比较常见的方法是在钢筋笼的某个方向预置一条特殊的钢筋(如直径较大)，则由于该钢筋的特殊性，其对于井中天线40的反射波有所不同，基于该差异化的反射波即可判断出该钢筋的位置，而以该钢筋位置为参考即可实现对定向天线42位置状态的确定。 

S3牵引模块改变井中天线40的深度位置，井中天线40对所在空间进行三维扫描探测，并将探测数据发送至雷达主机60； 

为了实现对基桩10的不同位置均进行检测，井中天线40的检测实际是一个动态过程，其根据事先预定好的不同深度位置进行多次探测，其中相邻探测点的距离越小，探测得到基桩10的整体结构就越清楚。本实施例中，井中天线40从通孔12底部开始探测，并由牵引模块匀速提升井中天线40从而改变井中天线40的深度位置，使其保持一定的速度按一定的测点间隔匀速提升，完成每个预定测点处的全向测试。与步骤S2的过程类似地，井中天线40获得探测数据也通过电缆线发送至地面雷达主机60处。 

S4雷达主机60接收井中天线40发送的探测数据并传送给中央控制模块100。 

本步骤中，雷达主机60接收到井中天线40发送的探测数据后转换为中央控制模块100可以识别的格式，并传递给中央控制模块100。 

S5中央控制模块100基于收到的探测数据绘制三维图像，并根据三维图像判断基桩完整性。 

本实施例中，中央控制模块100可以是工控机、个人电脑或者其他具有计算功能的计算机设备，中央控制模块100对来自雷达主机60的探测数据进行数据处理、并依据钢筋、密实混凝土、不密实混凝土、桩周岩土层、桩底岩层等不同介质电阻率和介电常数差异，分析各测点的全向实测数据，绘制剖面图和整桩三维立体图，从而显示出基桩的轮廓、钢筋笼的轮廓、桩底沉渣80、持力层30甚至更深层周边地质情况和桩身完整性（包括缺陷立体位置、程度等），根据需要，还可以对存在异常的部位进行同深度和同半径的切片提取成图。 

上述三维图像的生成由中央控制模块100中预设的三维成图软件完成，其通过预先建立 的坐标，并在该坐标中按预设的标准导入钻孔雷达获得的数据，即可得到三维图像，鉴于该成像过程为本领域的常用技术手段，此处不再赘述。 

基于上述三维图像，探测人员还进一步可以实现勾画基桩的形状、判断基桩是否存在缺陷（如离析、夹泥、缩径、空洞等）、判定检测桩底沉渣80的厚度、检测钢筋笼的长度等情况、查明桩底持力层30或更深层地质情况。 

应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。