浅谈建筑桩基及其质量检测方法

沈红梅

（中国建材检验认证集团江苏有限公司，江苏 苏州 215000）

1 引言

桩基础是建设工程中重要的基础类型。桩基础工程的质量决定建筑主体结构的可靠性、安全性。桩基础属于隐蔽性工程，控制其质量较难。因此，桩基质量检测显得特别重要。近年来，工程建设发展迅速，工程质量要求不断提高，桩基检测技术将在工程建设中起到重要的作用。

2 建筑桩基应用历史

桩基础这一种基础形式很早就被人类所利用。在很久以前的新石器时代，人类已经将木桩用作基础建造房屋。人类使用木桩历经很长时间。19世纪初，开始采用钢板桩建造码头。19世纪末，钢材、水泥开始普遍使用，桩的材料有了根本性的改变。20世纪初，在美国钢桩得到广泛应用。1949年出现钢筋混凝土管桩。50年代我国也开始使用预制钢筋混凝土桩[1]。

从此，随着桩基技术不断成熟，为桩基础在复杂地质环境下的使用提供了有力保障。如今，桩基础的使用越来越广泛，桩基检测技术也不断向前推进发展。

3 建筑基桩主要分类与检测方法

桩基础中的单桩称为基桩，基桩的分类方法很多。按桩制作方式可分成预制桩、灌注桩等；按荷载传递方式划分有摩擦型桩、端承型桩；按桩设置时对土的作用分为挤土桩、非挤土桩等；按桩的材料分成钢桩、混凝土桩等。

基桩检测方法种类繁多。按施加荷载分，有静力法、动力法。按检测结果性质分直接法、间接法。就检测内容而言分完整性检测、承载力检测等。

4 桩身完整性检测

4.1 低应变反射波法

低应变法是以一维波动方程的波动解为基础。将桩视为一维弹性杆，在桩顶作用一外力，力向下传递。当存在明显的波阻抗（ρAS）时，应力波产生反射与透射。波阻抗Z 的变化决定反射的相位与幅值。如图1所示。

图1 桩身阻抗变化

Z1表示上部桩界面的波阻抗，下部桩界面波阻抗为Z2。根据变截面处平衡条件得：

下标R、I、T 指反射、入射和透射IF、IV为透射系数，RF、Rv为反射系数。两种介质的波阻抗决定反射与透射的程度。波阻抗差距较小时，反射程度较小透射程度较大。波阻抗相差较大时，透射程度较小反射程度较大。当桩身遇到缩颈、断裂、离析等缺陷时，Z2＜ Z1，由式（2）可得VR、VI同号，入射波与反射波同相位。当桩底支撑介质较硬，桩身存在鼓肚、扩颈时，Z2＞Z1，由式（2）推出VR、VI符号相反，入射波相位与反射波反向。当桩截面均匀无缺陷时，只有单一的透射波。若桩底为岩石层，则反射波与入射波反向。若桩底为一般软质土层，则反射波、入射波同向。

4.2 钻探取芯法

钻芯法是判定成桩质量的有效方法。钻芯法对查清桩身是否存在大量夹泥、孔洞等效果显著。而对水平裂缝、局部缺陷等的判断不一定准确。钻芯法可直观检查桩身的完整性也能够测出桩长、沉渣厚度等参数。但此方法操作不便、设备庞大、成本过高。因此钻芯法只能用于抽样检查，不宜进行大批量的检测。

钻芯法是一种局部破损的检测方法。采用金刚石钻头进行取样，回次钻进，进尺长度宜在1.5m 以内。钻进中，应多次校正钻机垂直度。在样品箱中把取出的芯样沿深度编号摆好。将芯样做成试件时宜采用锯切法。规范对试件的垂直度、平整度要求很高，可以采用补平或研磨的方法处理芯样。芯样试件混凝土抗压强度可按下式得出：

式中：fccu为试件的抗压强度，精确至0.1MPa；P 为试件的破坏荷载；A 为试件的承压面积；α 为试件的强度换算系数；ξ 为试件的抗压强度折算系数。

钻芯法要求有良好的钻具和较高的技术水平才能保证质量，要求采样率达95%以上，钻孔垂直度偏差＜1%。当桩身质量评价满足设计要求时，应及时修补桩上留下的孔洞。

4.3 声波透射法

声波透射法广泛应用于桩身完整性检测中。该法是利用了声波透射原理。声波在介质中传播有一定的速度范围。当传播中遇到桩身夹泥、断裂等缺陷时，声波会减弱。造成声波计算速度降低，波形不正常变化。可利用超声波相关性质参数的改变，检测分析桩身质量。

声测管应预先埋入灌注桩中，可焊接在钢筋笼内侧。声测管的下口应严格封闭。上顶端应加盖封闭管口，以防杂物落入管内。按以下规定埋设：桩径为0.6～1.0m 时埋设2 根：；1.0～2.5m 应埋设3 根；2.5m 以上时埋设4 根。声测管布置方式如图2所示：

图2 声测管布置示意图

声波检测法是非破损的间接法检测。只能用声波定性的判定混凝土的强度。如何根据试验数据更全面的评价桩身质量还要结合当地地质条件和工程经验综合分析。

5 桩的承载力检测

5.1 静荷载试验法

桩的静载试验是目前比较权威的检测承载力的手段。按桩的受荷载条件，静荷载试验可分为竖向抗压、抗拔以及水平静载试验。

5.1.1 竖向抗压静载试验

荷载作用于桩顶时，将使桩产生位移，可得到荷载沉降曲线即Q S- 曲线，还可获得桩顶沉降随时间的变化曲线。对于单桩荷载在4000kN 以上的重要建筑物时，宜埋设测试元件，可测定各土层极限侧阻力、端阻力。加载装置一般用油压千斤顶。当使用两个或多个千斤顶加载时，应采用同种型号和规格的千斤顶工作。根据实际情况选择加载反力装置包括：锚桩横梁反力装置、地锚反力装置等。按不同的检测需要，加载方式可分为：慢速、快速维持荷载法、循环加卸载法等。根据试验数据和试验成果曲线，确定极限承载力标准值。

5.1.2 竖向抗拔静载试验

建筑物受抗压荷载与竖向抗拔荷载的共同作用，有时上拔力较大成为主要荷载。高层建筑的基础、地下室、膨胀土地基上的建筑物都要求承受上拔力。当前，上拔承载力的计算方法不够成熟，现场原位检测就显得尤为重要。试验宜使用支座桩提供反力，考虑场地条件也可利用天然地基提供反力。抗拔检测一般使用慢速加载法。有时结合实际需要也可采取多循环加、卸载方法。竖向抗拔承载力的判定：在陡变型U-δ 曲线中，取陡升点对应的荷载为极限荷载；在缓变形U -δ 曲线中，综合评定上拔量与δ -lgt 曲线变化，取Δ-lgt 曲线斜率明显变大的前一级荷载作为极限荷载。

5.1.3 水平静载试验

桩会受到如风力、地震力等水平力作用。随着高层建筑的大量兴建，水平荷载成为桩基工程的控制因素，桩基的水平承载力和位移计算成为桩基工程的重要工作。试桩一般使用卧式千斤顶加载。采取荷重传感器或测力环测定荷载大小。反力装置一般使用反力桩、横梁反力架。选用大量程百分表量测水平位移。由量测的桩身应变算出水平荷载作用下的弯矩。水平静载试验常采用单向多循环加卸载法。由检测数据确定水平临界荷载、极限荷载。绘制关系曲线需要得到水平抗力系数的比例系数。可按下式确定：

式中：m 为水平抗力系数的比例系数；α 为桩的水平变形系数；vx为桩顶水平位移系数；Hcr为水平临界荷载；xcr为水平临界荷载对应位移；b0为桩身计算宽度。

5.2 高应变动力检测法

5.2.1 波动方程半经验解析法（CASE 法）

CASE 法习惯上也称为Case-Goble 法。该方法由美国俄亥俄州凯斯大学教授G.C.Goble 教授于1975年首先提出。CASE 法是以行波理论为基础的。利用PDA 打桩分析仪（Pile Driving Analyzer），可以在现场立即测得锤击能量、打击应力等参数。CASE 法将桩看作连续的弹性杆，并假定：1）桩为一细长均质连续的弹性体；2）动阻力主要集中于桩尖；3）应力波没有能量耗散和信号畸变。依据下式得出桩承载力：

式中：RC为静阻力；RD为动阻力；JC为桩尖土阻尼系数；F1、F2分别为t1、t2时刻的锤击力；V1、V2分别为t1、t2时刻的质点运动速度。

结构完整性系数β 可按下式计算：

式中：ΔR 为缺陷上部部分土阻力估计值。

5.2.2 波形拟合法

在稍微复杂的现场条件下，当需要更进一步了解桩侧摩阻力分布规律时，用CASE 法的计算公式可能产生较大误差。波形拟合法采用的是静动对比的经验解决方法。利用CASE 法实测曲线通过编程计算获得数值解。通过计算值与实测值的多次比较迭代，不断修改参数，直到两条曲线基本吻合为止。进而可以得出单桩极限承载力。不可片面寻求吻合程度，忽略参数取值的客观性。该方法要求检测人员具有丰富的工程经验和扎实的土力学知识以及对现场地质条件和桩施工过程的深入了解。

6 结语

通过上面的介绍可以看到，桩基检测方法很多，优缺点明显。在工程实践中，检测人员应充分考虑现场地质条件、施工因素等实际情况，利用综合检测方法进行检测。在工程建设中，桩基检测对于控制基桩的质量起着非常关键的效用。检测人员应加强专业能力，结合工程经验，利用各种检测方法解决工程实际问题，以确保建筑工程结构的可靠性与安全性。