京沪高铁大汶河特大桥钻孔桩基完整性检测

史明吉吉，张 兴

（中国水利水电第四工程局基础分局，四川 成都 610091）

1 概述

京沪高速铁路大汶河特大桥位于山东段全桥长21.142 km。双线无砟轨道，设计时速350 km/h，桥墩656个，京向、沪向桥台各1个。桥墩基础采用明挖、井挖和钻孔桩基3种形式,其中445个桥墩为钻孔桩基础，共3 888根钻孔灌注桩，桥墩桩基数量一般为8根或10根，少数几个为12根和21根，桩长最小为5.5 m，最大74.0 m，桩径1.0，1.25，1.50 m。

2 桩基完整性检测方法

钻孔灌注桩是隐蔽工程，不仅在施工过程中对成孔及清孔、钢筋笼制作及安装、浇筑等各工序进行质量检查，而且在成桩后要对桩身结构完整性进行检测，判断桩身缺陷位置、范围，及缺陷对桩体承载力的影响程度，并判定成桩等级。

目前桩身完整性检测常用低应变反射波法(瞬态激振时域频域分析法)、声波透射法、钻孔取芯法等3种检测方法。检测混凝土灌注桩桩长、桩身混凝土强度、桩底沉渣厚度，鉴别桩端岩土性状，验证或判定桩身完整性类别，以及混凝土结构的内在质量。

钻孔取芯检测法，在取芯过程中，如果操作不当，芯样断口磨损严重时，容易将断口磨损严重部位误认为是缺陷，为了减少岩芯断口磨损，一般采用低速、低压钻进，故速度慢，成本高，常用在有疑问的基桩或指定的基桩进行补充检测，基桩检测主要采用低应变反射波法和声波透射法。

3 基桩检测原理

1)低应变反射法。采用瞬态激振方式，通过实测桩顶加速度或速度信号的时域、频域特征，采用一维弹性波动理论分析判定基桩桩身完整性质量，即桩身存在的缺陷位置及其影响程度。低应变反射法适用桩长小于50 m的桩基或摩擦桩。

2）声波透射法。由超声脉冲发射源在混凝土内激发高频弹性脉冲波，并用高精度的接收系统记录该脉冲波在混凝土内传播过程中表现的波动特征；当混凝土内存在不连续或破损界面时，缺陷面形成波阻抗界面，波到达该界面时，产生波的透射和反射，使接收到的透射能量明显降低；当混凝土内存在松散、蜂窝、孔洞等缺陷时，将产生波的散射和绕射。根据波的初至到达时间和波的能量衰减特征、频率变化及波形畸变程度等特性，可以获得测区范围内混凝土的声学参数。测试记录不同测试剖面对面和斜面的超声波动特征，经过处理分析就能判别测区内混凝土的参考强度和内部存在缺陷的性质、大小及空间位置。声波透射法适用于桩长大于50 m桩基或柱桩（端承桩）。

4 桩基检测流程

图1 桩基检测流程图

5 桩基检测条件

受检桩基混凝土强度至少达到设计强度的70%，或龄期不少14 d；剔除桩顶浮浆或松散破损部分，露出坚硬的混凝土表面，修理平整，使桩顶呈平面状；检测时桩顶标高为设计标高。

6 桩基检测

6.1 低应变反射法检测

1）检测仪器。采用PIT-V基桩检测仪。

2）测试参数设定规定。时域信号记录的时间段长度在2 L/c时刻后延续不少于5 m/s；幅频信号分析的频率范围上限不应小于2 000 Hz；设定桩长应为桩顶测点至桩底的施工桩长。

3）信号采集和筛选规定。各检测点重复检测次数不少于3次，且检测波形应具有良好的一致性；当信号干扰较大时，可采用信号增强技术进行重复激振，提高信噪比；不同检测点及多次实测时域信号一致性较差时，分析原因，排除人为和检测仪器等干扰因素，增加检测点数量，重新检测。

4）现场检测。在桩的中心位置打磨出直径约为10 cm的平面；在距桩中心2/3半径处，对称布置打磨3处，直径约为6 cm的平面，打磨面平顺光洁密实，见图2；传感器安装在已打磨的部位，用黄油粘结，激振点位置在桩中心，激振方向沿桩轴线方向，采用力棒或自由落锤激振时，自由下落，不得连击。见图2；短桩或浅部缺陷桩的检测采用轻锤快击窄脉冲激振；长桩、大直径桩或深部缺陷桩的检测宜采用重锤宽脉冲激振。

图2 打磨点数及位置示意图

6.2 声波透射法检测

1）检测准备。将伸出桩顶的声测管在距桩顶混凝土面30 cm处切割，且在同一标高，测量管口标高，作为计算各测点高程的基准，并编号，检测剖面编组分别为：1-2，1-3，2-3，见图 3；将各声测管内注满清水，封口待检；在放置换能器前，检查声测管畅通情况，以免换能器卡住或换能器电缆被拉断，造成损失；准确测量桩顶面相应声测管之间外壁净距离，两声测管间距精确至1 mm。

图3 声测管布置示意图

2）检测仪器。采用NM-4A型跨孔超声检测仪。

3)现场检测。将发射与接收声波换能器通过深度标志，分别置于两根声测管中同一高度的测点处；发射与接收声波换能器以相同标高或保持固定高差同步升降，测点间距为200 mm；提升时不断向被检测声测管中注水，使发射与接收声波换能器始终在水面以下；实时显示和记录接收信号的时程曲线，读取声时、首波峰值和周期值，同时显示频谱曲线及主频值；以两根为一个检测剖面进行全组合，分别对所有检测剖面完成检测；在桩身质量可疑的测点周围，加密测点，或采用斜测、扇形扫测进行复测，进一步确定桩身缺陷的位置和范围。

7 波形特征

7.1 低应变反射波特征

1）完整桩。仅有桩底反射，反射波和入射波同相位，见图4。

图4 完整桩

2）截面变大桩：桩身截面变大处反射为上行压力波，遇桩顶自由端反射为下行拉力波（t1=t2=2△L/c），见图 5。

图5 截面变大桩

3）断桩。在断桩处应力波产生多次反射，反射波和入射波同相位，看不到桩底反射，见图6。

图6 截面变人桩

4）半断桩。桩身缺口处的反射波和入射波同相位，桩底反射波和入射波同相位，见图7。

图7 半断桩

5）缩颈、离析桩。开始部位的反射波和入射波同相位，结束部位反射波和入射波反相位，缩颈和离析不严重时，部分应力波还透射传播，可看到桩底反射波，反射波和入射波同相位，见图8。

图8 缩颈、离析桩

7.2 声波透射法波形特征

1）完整桩。声波属混凝土正常波速范围，波形减小波幅不大，较稳定，见图9。

图9 实测曲线（虚线为异常临界值）

2）轻微缺陷桩。1个剖面有1个测点声波速略小于正常混凝土波速，波形减小幅度不大，波形畸形不明显，见图10。

3）缺陷桩。2个或3个剖面均存在1个测点声波和波幅小于正常混凝土波速和波幅，该测点波形畸形，见图11。

图10 实测曲线（虚线为异常临界值）

4）严重缺陷桩。3个剖面均存在2个以上测点声波小于正常混凝土波速，波幅明显下降，波形畸形，见图12。

8 检测成果分析

桩基检测成果分析采用专用计算机分析软件进行处理。

低应变反射法包括桩身平均波速、阻抗变化位置判定，并依据波形特征、信号衰减特性、缺陷深度及影响程度等按照桩身完整性标准判定桩身完整性类别。桩身完整性判定标准见表1。

表1 低应变反射法桩身完整性判定表

声波透射法包括声速、波幅、主频、斜率法的PSD等，根据桩基混凝土的声速、波幅临界值、声速低限值、PSD判据，及桩身质量可凝点的加密测试后确定的缺陷范围、波形特征等，对照桩身完整性判定标准判定桩身完整性类别。桩身完整性判定标准见表2。

为了确保大汶河特大桥桥墩基础每根钻孔桩质量，每个桥墩的每根桩均进行桩身完整性检测。采用声波透射法检测377个桥墩3 258根，采用低应变反射法检测68个桥墩630根，共计445个桥墩3 888根，根据《低应变反射法桩身完整性判定表》和《声波透射法桩身完整性判定表》判定等级，均评为I类。

图11 实测曲线（虚线为异常临界值）

图12 实测曲线（虚线为异常临界值）

表2 声波透射法桩身完整性判定表

9 结语

1）大汶河特大桥桥墩钻孔桩基在已完成完整性检测的桩基中选择了5个桥墩进行了单桩竖向抗压承载力试验，在设计最大承载力下，最大沉降量为3.71 mm，试验过程桩身结构未发生变化，完全满足设计要求。

2）声波透射法检测设备总重量约15 kg、检测人员3名；低应变反射法检测设备总重量约10 kg，检测人员2名。检测设备轻便、人员少、移动方便。

3）检测一根桩长30 m的桩基，正常情况下声波透射法检测用时15 min；低应变反射法检测用时5～8 min。检测速度快，且对桩身不形成损坏。

4）用专用计算机软件分析检测数据，科学、准确、可靠。

5）声波透射法、低应变反射法是检测钻孔灌注桩完整性的较好方法，可在工业民用建筑、铁路、公路、港口和水电等工程建设桩基检测中广泛应用。