超配筋超大直径桩基完整性综合评价

王 振，冯忠居，吴敬武，刘 闯，孙平宽，王定梧，黄 鹏，尹相龙，熊 英

超配筋超大直径桩基完整性综合评价

王 振1，冯忠居1，吴敬武2，刘 闯3，孙平宽2，王定梧4，黄 鹏5，尹相龙5，熊 英2

(1.长安大学公路学院，陕西西安 710064;2.中国公路工程咨询有限公司，北京 100097;3.海南省交通运输厅，海南海口 570204;4.中交一公局土木工程建筑研究院有限公司，北京101102;5.中交第二航务工程局有限公司第五工程分公司，湖北武汉 430012)

根据海南铺前大桥主墩桩基础的实际情况，应用超声波对桩径为4．3 m、钢筋笼径向设置4层的桩基础进行完整性分析，并结合桩基础取芯结果对桩身完整性进行综合评价。结果表明:声测管在钢筋笼内侧，超声波信号未出现畸变，当超声波穿越钢筋笼时，声速正常，但声幅衰减起伏变化十分明显，且与钢筋笼梯次布置规律具有统一性，取芯结果证明混凝土密实。因此，超声波穿透钢筋时，需采用不同方法对桩基完整性进行综合评价。

桩基础;超声波检测;超大直径;超配筋

0 引言

随着公路桥梁建设技术的进步，桩基础朝着深长、大直径方向发展，因此桩基础工程的检测环节备受关注［1］。其中，超声波检测技术作为桩基完整性检测的方法，具有操作简单、设备灵活简便、探测距离大、不破坏桩的完整性、检测结果精确度高、定位准确、较钻芯法费用低等优点，国内的大型桥梁桩基完整性检测大多采用该技术［2-6］。现有桩基超声波检测操作规范中仅对桩基直径大于2.0 m的声测管进行了笼统叙述，并将声测管置于钢筋笼内侧，未考虑钢筋笼对于桩基超声波检测的影响。因此，采取合理的桩基检测技术对于确保桩基工程的质量具有重要意义［7］。

刘曙光结合湖北襄樊、宜城两座特大公路桥桩基的检测实践，介绍了超声脉冲法判定钻孔灌注桩内部缺陷性质、大小的分析方法，以及各类缺陷桩的判别和钻芯验桩的比较结果。O'Neill［8］对桩基产生的缩颈、夹泥、离析等多种缺陷进行分析，并对超声波检测在发生缺陷时的声学参数进行对比。冯忠居等［9］对大直径钻埋预应力混凝土空心桩施工工艺进行了阐述，并对大直径桩基础的施工工艺进行了探讨。陈国栋［10］针对洛阳南外环高速公路处某桥梁的桩基础，运用检测仪器进行了现场检测，并采用相应程序，通过声时、声幅、声速、波形不同判据对该桩基础进行了分析判断。赵毅［11］结合孟加拉一座桥梁的桩基检测结果对声测管埋设在双层钢筋笼之间的超声波检测结果进行分析，并对国内外桩基超声检测评定标准进行了比较。刘洋涛［12］介绍了混凝土超声检测原理及方法，并利用波形、波幅和声时等声学参数的变化与混凝土质量的相关性，提出了能够准确判定混凝土灌注桩质量缺陷性质、位置和大小的理论方法，在工程实际应用中得到了很好的验证。范瑛［13］通过试验以及工程实例进行分析，提出声测管管距对于超声波波速、波幅的影响规律，并对其之间的关系进行剖析。

本文基于海南铺前大桥主墩超大直径、超配筋桩基现场超声波检测过程中的实际问题，对其完整性进行评价，布设8根声测管，根据超声波信号是否穿越钢筋笼的声学参数进行对比，并结合试验桩取芯试验、回弹试验对其进行综合评判。

1 超声波检测原理及声测管布设要求

超声波检测时，发射换能器放置于充满水的声测管中，将发射系统传送来的电信号转换为脉冲声波向桩身内部辐射，当声波通过混凝土到达另一个声测管时，管中另外一根探头将信号接收并转换为电信号，经过接收放大器放大后，由数据采集系统将数据离散化并存入计算机［14］。混凝土的质量和缺陷等会使穿透的超声波信号在传输过程中发生折射、绕射等，使得信号的振幅、频率、传播时间等声学参数发生变化，根据这些声学参数可以对桩身混凝土的完整性、胶结的优劣、缺陷及其分布做出判断。超声波检测中，声波在混凝土中的传播速度反映了混凝土的弹性性质，而弹性性质与桩基混凝土的强度具有相关性，因此超声波声速与混凝土强度存在相关性;超声波声波波幅是表征声波穿过混凝土后能量衰减程度的指标之一，一般情况下接收波波幅强弱与混凝土的黏塑性有关，接收波幅值越低，混凝土对声波的衰减就越大［15］。声速波幅简明综合判断见表1。

表1 声速、波幅简明综合判断

根据国内规范，声测管的布设数量取决于桩直径的大小:桩径小于或等于800 mm时应对称布置2根声测管;桩径大于800 mm小于2 000 mm时，应布置不少于3根声测管;桩径不小于2 000 mm时，应布置不少于4根声测管［16］。

2 铺前大桥大直径深长桩设计参数及声测管布设

海南铺前大桥主墩有32根直径为4．3 m的嵌岩桩，左幅16根桩长38 m，钢筋笼为梯次设计;右幅16根桩在桩顶以下22 m范围内是4层钢筋笼，22～27 m是3层钢筋笼，27～38 m为单层钢筋笼，采用C35混凝土。按照初始设计埋设4根声测管，混凝土浇注两周后采用RSM-SY8基桩超声波CT成像测试仪进行测试，探头发出的信号能量几乎接收不到;后采用功率较大的超声波探头，虽然可接收到信号，但检测信号出现较大的畸变，若按照此结果对铺前大桥主墩桩基进行评定，34#主墩桩基均属于不合格桩。经过分析论证，超声波信号出现畸变可能有3个原因:声测管管距过大，信号传输困难［17-18］;钢筋笼过密，超声波在穿过钢筋笼时发生变化;混凝土在穿过钢筋笼时，由于钢筋的阻挡作用造成混凝土不密实。分析施工现场记录发现，桩基础浇筑时混凝土在同一截面上高差很小，说明混凝土在流动性上满足要求，因此着重分析前2种原因。为检测桩基钢筋笼是否对超声波信号造成影响，在主墩18#桩(桩长38 m、直径4．3 m)钢筋笼内外对称埋设8根声测管，内外相邻两根声测管与桩中心呈45°夹角，如图1所示，声测管编号及检测剖面如图2所示。

图1 声测管布设

图2 声测管编号及检测剖面

3 超声波检测结果分析

3．1 内4根声测管检测结果

主墩18#桩基础成桩2周后，使用大功率超声波桩检仪器对18#桩进行超声波检测，内部4根超声波检测结果如图3所示。

从图3可知:内部4根声测管检测时信号未穿过钢筋笼，且该桩超声波检测的声速、声幅较均匀，未出现明显畸变现象，声速大于4 km·s－1，属于正常范围;有个别点超判，超判点处声速正常，波幅略低，且大致位于声测管接头处，可能是由于声测管接头连接操作不规范所致。因此，单从内4根超声波检测结果来看，18#桩混凝土密实，强度也达到设计要求的35 MPa。

图3 内部声测管检测结果

3．2 外4根声测管检测结果

主墩18#桩基础外部4根声测管超声波检测结果如图4所示。

图4 外部声测管检测结果

从图4可知:该桩超声波检测声速变化比较均匀，未出现明显畸变现象，但声幅衰减起伏变化十分明显，大致可分为3个渐变阶段:从桩底38 m到25 m为第1个阶段，从25 m到20 m为第2个渐变阶段，从20 m至桩顶为第3个渐变阶段。该声幅变化的3个阶段恰好与桩身3层钢筋笼布置的层次相吻合，从上到下为4层、3层、1层钢筋笼。通过声幅衰减变化的规律，可知钢筋笼层次变化对超声波检测的声幅存在影响，超声波信号穿过的钢筋笼层数越多，其声幅越小，但钢筋笼层数对声速影响较小。

按照表1对外4根声测管检测信号进行判定，18#桩顶至25 m位置虽然强度正常但表面不良或有内部缺陷，不能满足设计要求。

3．3 内外交叉声测管检测结果分析

主墩18#桩基础内外交叉超声波检测结果图5所示。

图5 内外声测管检测结果

从图5可知:内外声测管呈三角形检测时，从上至下超声波依次进行穿透3层钢筋笼、空透2层钢筋笼及不穿过钢筋笼的检测，其穿过钢筋笼的声学参数与外4根声测管检测结果类似。声幅虽有衰减，但衰减幅度比外4根声测管较小，原因是外4根声测管穿过6层钢筋笼，内外声测管仅穿过3层钢筋笼。通过对比图4、图5发现，该桩的声速依然变化不大，未出现明显畸变现象。

4 试验桩取芯及回弹试验分析

由于超声波穿透钢筋笼之后信号变化较大，无法判断信号是由于钢筋笼密集混凝土粗骨料无法穿过还是钢筋笼对其产生的影响，也无法对工程桩在钢筋笼间或保护层进行破坏性取芯，故采取钢筋笼内侧取芯以及回弹试验进行判断。试验桩位于地面上，直径为4.3 m，长3 m;钢筋笼全长为4层，其余参数、混凝土配比、施工工艺等与工程桩一致，如图6所示。由于不同的取芯位置、取芯方法以及不同的芯样直径、强度换算方法等对桩基的质量评定都会有很大的影响［19］，所以取芯位置与工程桩8根声测管位置一致，芯样如图7所示。

从图6、7可知:试验桩外表面光滑，混凝土密实，无蜂窝麻面等情况;试验桩芯样混凝土无蜂窝麻面等外观质量问题，桩身混凝土较均匀，符合规范要求。

在达到14 d之后，将试验桩挖出并采用乙炔割除钢护筒进行回弹试验，结果发现，桩基的强度达到39.5 MPa，大于设计强度的35 MPa。

图6 割除钢护筒的试验桩

图7 试桩部分芯样

5 结语

本文依据海南省铺前大桥桩基超声波检测过程中的实际情况，对特大直径多层钢筋笼桩基的完整性判定进行探讨，得出结论如下。

(1)声测管在钢筋笼之间，超声波信号未出现畸变，桩身25 m处超声波信号声速变化比较均匀，声幅衰减起伏变化十分明显，与钢筋笼梯次布置规律具有相关性。

(2)声测管位于2层及3层钢筋笼之间，内部信号清晰，声速正常，仅声幅出现衰减，经取芯可以判断:混凝土密实，不存在离析等缺陷。

(3)在此类桩基础混凝土浇注时，应适当增大混凝土的流动性，防止因钢筋笼的过密造成桩身夹泥或混凝土离析。

(4)4．3 m超大直径桩基础、4层钢筋笼的设计远超桩基检测规范，在检测过程中应根据现场实际施工情况并综合多种检测手段对其进行综合判定，以防止单一检测方法造成误判。

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Comprehensive Evaluation of Integrity of Pile Foundation with Super Large Diameter and Extra Reinforcement

WANG Zhen1，FENG Zhong-ju1，WU Jing-wu2，LIU Chuang3，SUN Ping-kuan2，WANG Ding-wu4，HUANG Peng5，YIN Xiang-long5，XIONG Ying2
(1．School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China;2．China Highway Engineering Consulting Corporation，Beijing 100097，China;3．Department of Transport of Hainan Province，Haikou 570204，Hainan，China;4．Institute of Civil Engineering Construction of CCCCFirst Highway Engineering Co．，Ltd．，Beijing 101102，China;5．No．5 Branch of CCCC Second Harbor Engineering Co．，Ltd．，Wuhan 430012，Wuhan，China)

Based on the actual situation of the pile foundation of main pier of Puqian bridge in Hainan Province，the integrity analysis of the pile foundation with a diameter of 4．3 m and 4 layers of radially set reinforcement cages was conducted using ultrasonic wave．The integrity of pile shaft was also evaluated in terms of the results of core sampling．The results show that the ultrasonic signal is not distorted when the acoustic pipe is inside the reinforcement cage;the sound speed is normal when the ultrasonic waves pass through the reinforcement cage，but the fluctuation of the sound amplitude is very obvious and is in accordance with the echelon arrangement of the reinforcement cage;according to the core sample，the concrete is well compacted．Therefore，when the ultrasonic wave penetrates the reinforcing bars，the comprehensive evaluation of the integrity of pile foundation needs to be conducted in different ways．

pile foundation;ultrasonic inspection;super large diameter;extra reinforcement

U443．15

B

1000-033X(2017)10-0119-04

2017-03-07

海南省交通科技项目(HNZXY2015-045R)

冯忠居(1965-)，男，山西万荣人，教授，博士生导师，从事公路岩土工程方面的教学和科研工作。

［责任编辑:杜敏浩］