武广铁路客运专线混凝土桩基检测方法及其比选

蔡荣喜

(武广铁路客运专线有限公司安质部,武汉 430060)

1 概述

武广铁路客运专线在桥梁工程和路基工程中大量使用了混凝土桩基；这些工程地质条件复杂,采用的桩基形式各不相同,如何快速准确地检验桩基质量,关键在于选择合适的检测方法。桩基检测工作是一项复杂的系统工程,检测方法,检测人员的经验和技术水平、检测设备、地质情况、桩基工程参数等对桩基检测工作的质量和桩基检测评定结果的可靠性都有影响。目前常用的桩基检测方法有：低应变反射波法(瞬时激振时域频域分析法)、超声波透射法和钻孔取芯法等。

2 低应变反射波法

低应变反射波法是目前应用最为广泛的桩基检测方法,即采用低能量瞬态激振方式对桩顶施加冲击荷载,实测桩顶部的加速度(或速度)时程曲线,通过波动理论的时域分析,对桩身完整性进行判定的检测方法。

2.1 优点

低应变反射波法具有检测快捷方便、效率高、能够实时做出判断、对工期基本无影响、属无损检测、检测费用较低等特点。该方法主要用来检查桩身完整性,并可检查缩径、扩径、夹泥、断桩、空洞、离析、沉渣,核对桩长、推算混凝土强度；是目前应用最广泛的桩基质量检测方法。

2.2 缺点

低应变反射波法受弹性波传播特性和激发能量的制约较大；判别时受到的干扰因素较多,如：缺陷反射、地质变层反射、桩端持力层岩性、桩身截面突变、激振方式选用、桩头的处理情况等都会对判别结果造成影响。

(1)桩周土层对波形曲线有影响,桩周土层的土力学性能越好,应力波在桩周土层中的损耗就越大。同时受桩周土层的土模量大小的影响。在硬土层处将会产生为似扩径的反射波,在软土层处将会产生由于应力波透射损耗小而产生似缩径的反射波。如果不考虑桩周土层对所采集曲线的影响,不了解桩侧的土质情况,有时会造成误判。

(2)较难识别桩身浅部的缺陷,因为在本质无论大桩还是小桩,桩顶近端都不可以完全套用一维应力波理论,应该用三维效应展开讨论。

(3)缺乏对缺陷程度的定量分析。应力波反射法靠单一的波形特征,要想定量给出离析段厚度、沉渣厚度、裂隙宽度及缩径程度的准确值是不可能的。

(4)第二缺陷判断困难。当第一缺陷较大时,阻断了信号的上行与下达,给深部缺陷和桩底的识别增加了困难,特别是当第二缺陷为第一缺陷的两倍时更难以识别。

(5)渐变缺陷波形曲线失真。对于桩径缓慢变大然后突然缩径的桩,在曲线上往往不能分辨出扩径现象而只看到缩径现象,对于这种突变的桩,在曲线上表现为缩径的信号。

2.3 适用桩形

低应变反射波法适用于地质条件简单、桩长小于50 m或桩径小于1.5 m以下的桩基完整性检测,也可用于大面积桩基质量普查。

2.4 检测实例

武广铁路客运专线某大桥4号墩,设计桩径1.0 m,设计桩长21 m,桩身混凝土龄期45 d,混凝土强度等级C30；地质情况:从地表向下依次为粉质黏土-强风化-弱风化泥质板岩,同一个基坑里的每个桩地质情况变化很大,在对2号桩进行低应变法检测时波形如图1所示。

图1 低应变法检测波形一(桩号04-02A)

对上述单个波形分析,若以图上A点为桩底,对应波速为6 200 m/s,显然超过了C30强度等级混凝土的波速了；所以仅从低应变角度分析,要么此桩在A处断了,要么有严重缺陷。以本桥的平均波速4 300 m/s计算,A点位置在14.5 m附近。再对此桩进行声波透射法检测,数据见表1。

表1 声波透射法检测数据一

通过对声波透射法数据分析,发现此桩在14.5 m附近并没有出现异常情况。

后对2号桩取芯验证,发现桩身混凝土质量完好,在14.5 m附近没有缺陷,对应地质资料,分析得A点出现的同向反射应为入岩信号的上半部,下半部的反向反射表现的不明显。这种情况单从低应变波形上看就很容易出错.在桩身混凝土质量判断能力上来看,超声波明显比低应变准确性要高很多且不受桩位地质变化影响。

3 声波透射法

声波透射法是在桩身预埋声测管之间发射并接收声波,通过实测声波在混凝土介质中传播的声时、频率和波幅衰减等声学参数的相对变化,对桩身完整性进行判定的检测方法。

3.1 优点

声波透射法具有检测细致,属无损检测、检测结果准确性高、可估算混凝土强度；不受桩长和桩径限制、对桩长的判定直观有效、干扰因素少；检测无盲区、声测管埋到什么部位就可以检测到什么部位、包括桩顶低强度区和桩底沉渣厚度；只要声测管外露长度符合要求,无需桩顶露出地面也可检测、对施工影响小。

3.2 缺点

声波透射法需要事先埋设声测管,检测费用较高；当声测管和混凝土握裹不好或管周围存在局部泥团时,可能会反应为严重的断桩信号,容易造成误判或重判。

3.3 适用桩形

声波透射法适用于地质条件复杂、桩长大于50 m或桩径大于1.5 m以上的桩基完整性检测；也可用于低应变反射波法等间接桩基检测方法的验证。

3.4 检测实例

武广铁路客运专线某大桥3号墩,设计桩径1.25 m,设计桩长15.5 m,桩身混凝土龄期36 d,混凝土强度等级C30；地质情况:从地表向下依次为粉质黏土、黏土、强风化页岩。对此桩进行了低应变检测波形如图2所示。

图2 低应变法检测波形二(桩号3-3)

分析发现在C点处有一时显的同向反射波形,从波形上来看应为离析、缩颈类缺陷。以此桥的平均波速4 300 m/s,计算得C点位置为3.5 m附近。再对此桩某断面进行声波透射法检测,数据见表2。

表2 声波透射法检测数据二

从声波透射法数据来分析,此桩在3.5 m附近没有缺陷。为了查找此处低应变反射波法出现同向反射的原因,经开挖验证,此桩在3.4 m处有一段约50 cm缩颈,钢筋笼没有外露。对比得出低应变法对桩的潜层缺陷(盲区以外)较敏感,声波透射法对声测管以外的区域没有检测能力。

4 钻芯法

钻芯法是用钻机钻取桩身混凝土及桩底持力层芯样,判定桩身完整性及桩底岩土性状的检测方法。钻芯法是一种直接检测方法,不受场地条件限制,可以直观判断桩长、桩身混凝土强度、桩底沉渣厚度、桩端持力层岩土性状和桩身完整性；检测结果准确性高,但检测速度慢、对桩身有一定的破坏性,检测费用较高,且属于“一孔之见”,检测结果判定受到钻孔位置和数量的制约；该方法适用于大直径桩基或用于对其他桩基检测方法的验证检测。

武广铁路客运专线某大桥12号墩,设计桩径1.25 m,龄期28 d,设计桩长20 m,混凝土强度等级C30,地质情况:从地表向下依次为粉质黏土、黏土、强风化页岩。对此桩某断面进行声波透射法检测,数据见表3。

表3 声波透射法检测数据三

从声波透射法数据来分析,此桩在7.5～7.75 m附近有离析类缺陷。

再对此桩进行了低应变检测波形如图3所示。

图3 低应变法检测波形三

以平均波速4 225 m/s,分析看来此桩身完整性很好,没有缺陷；显然与声波透射法结果不符。

在此情况下采用钻芯法检测验证,此桩在7.5 m处有一段约50 cm混凝土芯样呈短柱状,芯样吻合率不太好。后经过查看地质资料,发现在7 m附近桩已经进入岩层,受地质影响,低应变测试此处的缺陷信号被削弱或掩蔽。对比得出声波透射法对于较轻的缺陷测试时优于低应变反射波法,且比低应变反射波法更准确直接。

5 结语

桩基完整性检测方法各有其技术特点和适用性,低应变法对桩基浅部缺陷较敏感,但受地质条件影响较大；声波透射法对于较轻的缺陷测试时优于低应变反射波法,且更为准确,但对声测管以外的区域没有检测能力；钻芯法虽然能够直观体现桩基质量,但检测时间长,且仅能说明取芯部位,不能全面反应桩基质量状况。综上所述在选择桩基检测方法时,应结合工程地质情况、桩基类型、施工工艺、设计要求和检测费用等因素,综合考虑,合理选择。既要满足快速检测,又要确保检测结果的准确性和可靠性,这也是服务施工,保证桩基质量的要求。

[1] 铁建设[2005]160号,客运专线铁路桥涵工程施工质量验收暂行标准[S].

[2] TB10218—99,铁路工程基桩无损检测规程[S].

[3] 铁建设[2005]160号，客运专线铁路桥涵工程施工质量验收暂行标准[S].

[4] TZ213—2005，客运专线铁路桥涵工程施工技术指南[S].