不同基桩完整性检测方法的对比分析与评价

蔡杰龙，张君禄，蔡灿旭，王梓鑫，邓忠启

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635;2.广东省水利新材料与结构工程技术研究中心，广东 广州 510635;3.广东省水利重点科研基地，广东 广州 510635)

1 概述

基桩是桩基础中单桩，其主要作用是将建筑物上部结构荷载均匀传递到地下土层(或岩层)，是整个建筑物结构受力的关键部位。基桩属于隐蔽的地下基础工程，在工程隐蔽前基桩施工质量的好坏关系着整个工程的质量与安全[1-3]。根据现行国家标准[4]的规定，工程桩应进行承载力和桩身完整性检验，其中不同类型的混凝土预制桩和灌注桩质量检验主控项目均包括承载力和桩身完整性。根据行业标准[5]的规定，基桩验收检测时，宜先进行桩身完整性检测，后进行承载力检测。由此可见，基桩桩身完整性是工程桩施工质量的重要控制指标，关系着整个基础工程和建筑物结构的质量与安全。

根据现行标准[5-8]的定义，基桩的“桩身完整性”是反映桩身截面尺寸相对变化、桩身材料密实性和连续性的综合定性指标；“桩身缺陷”是指在一定程度上使桩身完整性恶化，引起桩身结构强度和耐久性降低，出现桩身断裂、裂缝、缩颈、夹泥(杂物)、空洞、蜂窝、松散等不良现象的统称。参照国内各行业和地方现行不同检测标准，基桩完整性常用检测方法包括有低应变法、声波透射法、钻芯法和高应变法四种。在实际工程应用中，根据各种检测方法的适应范围和特点，结合地基条件、桩型及施工质量可靠性、使用要求等因素，我们应合理选择检测方法，科学客观准确判断桩身完整性，为基础工程隐蔽验收和整个建筑物结构质量与安全评价提供重要依据。为此，本文基于工程应用实例对比分析并综合评价以上4种不同基桩完整性检测方法在工程基桩检测中的优劣势，这对于工程科学合理选择检测方法，辅助工程参建各方评定工程施工质量具有重大的意义。

2 检测方法简介

2.1 低应变法

低应变法是采用低能量瞬态或稳态方式在桩顶激振，实测桩顶部的速度时程曲线，或在实测桩顶部的速度时程曲线同时，实测桩顶部的力时程曲线。通过波动理论的时域分析或频域分析，对桩身完整性进行判定的检测方法[5]。

低应变法激振能量较低，测试方法简便快捷，对基桩无破坏性，同时测试成本低，检测效率高，适用于检测数量较大的基桩检测。

2.2 声波透射法

声波透射法是在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，对桩身完整性进行检测的方法[5]。

声波透射法检测方法简便，对场地要求不高，检测效率高，对基桩无破坏性，缺点是需要在基桩施工过程中预埋声测管，声测管在施工过程中容易出现堵管现象，需要施工人员对施工过程工艺进行严格的控制。同时，根据规范的规定，对于桩径小于0.6 m的桩，不宜采用本方法进行桩身完整性检测[5]。

2.3 钻芯法

钻芯法是用钻机钻取芯样，检测桩长、桩身缺陷、桩底沉渣厚度以及桩身混凝土的强度，判定或鉴别桩端岩土性状的方法[5]。

钻芯法可以直观反映桩身完整性，并对缺陷类型进行准确的定性，检测结果可靠性较高。然而，钻芯法的缺点是对基桩具有一定的破坏性，需要进行灌浆补孔封闭，检测效率较低，且检测成本相对较高。

2.4 高应变法

高应变法是用重锤冲击桩顶，实测桩顶附近或桩顶部的速度和力时程曲线，通过波动理论分析，对单桩竖向抗压承载力和桩身完整性进行判定的检测方法[5]。

高应变法的优点是可以在检测基桩的完整性的同时反映基桩的竖向承载力，但对场地条件和试验条件要求比较高，需要大型起重设备配合，且一般情况需要加做桩帽，桩帽需要一定龄期，相比较于其它基桩完整性检测方法，检测效率较低，检测成本较高。

3 不同方法的对比分析与评价

3.1 低应变法与声波透射法

本次以某工程中的混凝土灌注桩案例进行对比分析，该工程桩设计桩长为21.2 m，桩径为800 mm，本次在基桩施工满28 d后分别进行低应变法和声波透射法检测。

根据图1低应变实测曲线可知，该桩在深度3.63 m左右存在1个同相反射波，根据波形初步判断为轻微缺陷，可是混凝土胶结较差或轻微离析所致；在深度9.86 m左右存在1个先同相后反相的反射波，根据波形判断为轻微缩颈所致。因以上均为轻微缺陷，且有桩底反射波，波速正常，根据JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》中表8.4.3桩身完整性判定标准[5]判定该桩为Ⅱ类桩。

图1 低应变实测时速曲线示意

根据图2声波透射法波列图可知，该桩在1-2、2-3和1-3剖面(深度范围分别为3.2～3.7 m、3.7～3.8 m和3.5～3.9 m)均存在声学参数明显异常、波形明显畸变的异常声测线，且异常声测线均在3个检测剖面的一个区段内纵向连续分布，异常区段均在桩身同一深度范围内横向分布。同时，根据表1计算所得的声学参数可知，该桩3个检测剖面在连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅值均小于临界值。由此，根据JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》中表10.5.11桩身完整性判定标准[5]判定该桩为Ⅳ类桩。

图2 声波透射法波列示意

表1 声波透射法声学参数

根据以上低应变法和声波透射法数据对比分析可知，两种方法均能对该工程桩在深度3.6 m左右位置的缺陷进行定位，但低应变时域曲线在3.63 m处仅出现轻微缺陷反射波，与声波透射法相比，其无法准确定位该缺陷的深度范围，究其原因，主要因低应变是一维应力波，而超声波是三维应力波，两种方法对缺陷反映程度不一样所致。同时，低应变法反映在深度9.86 m存在轻微缺陷反射波，缺陷类型初判为缩颈所致，但声波透射法在该深度的声测线并未发现明显异常，究其原因，这与声波透射法仅能识别声测管内部混凝土的缺陷有关，声测管外围的混凝土是测试盲区。另外，根据桩身完整性判定结果可知，两种不同方法对于同一根桩判定结果亦不相同，低应变法判定结果为Ⅱ类桩，声波透射法判定结果为Ⅳ类桩。

综上分析，声波透射法对缺陷位置、范围和程度判定准确性整体优于低应变法。因此，在实际工程应用中，基于准确性考虑，对于设计要求与重要性较高的基桩桩身完整性的检测建议优先采用声波透射法。

3.2 低应变法和高应变法

本次以某工程中的混凝土灌注桩案例进行对比分析，该工程桩施工桩长为21.67 m，桩径为800 mm，单桩竖向承载力特征值为1 400 kN，本次在基桩施工满28 d后分别进行低应变法和高应变法检测。

根据图3低应变实测曲线可知，该桩桩身在浅部位置出现1个先同相后反相的缺陷反射波，初判为浅部出现轻微缩颈所致。同时，根据曲线可知桩底信号并不明显。

图3 低应变实测时速曲线示意

根据图4高应变速度波形曲线可知，该桩在15.0 m左右存在轻微缺陷反射波，桩底信号较明显。

图4 高应变力和速度波形曲线示意

根据两种方法不同曲线对比分析可知，对于同一根桩，低应变法和高应变法实测的时速曲线存在一定差异。该两种方法测试原理基本一致，但在锤击的能量和频率方面存在差异。低应变法锤击能量低，测试频率高，更容易识别浅部微小缺陷，高应变法锤重比较大，测试频率比较低，较容易忽略了浅部的缺陷特征。另外，低应变只使用1个通道，高应变采用多个通道，其中力通道信号特征和速度通道信号特征相反，两者可相互补充辅助分析。

综上分析可知，低应变法和高应变法测试原理一致，但对缺陷的识别各有优势。从工程应用效果分析可知，低应变法操作简便，检测效率高，费用低，而高应变法一般应加做桩帽，对场地条件和试验条件要求比较高，需要大型起重设备配合，检测效率低，一般多用于基桩竖向承载力的检测，不单独用于检测桩身完整性。

3.3 声波透射法和钻芯法

本次以某工程中的混凝土灌注桩案例进行对比分析，该工程桩施工桩长为32 m，桩径为1 600 mm，本次在基桩施工满28 d后进行声波透射法检测。

根据图5声波透射法波列影像图可知，该桩在桩顶0.0～2.0 m和22.0～25.0 m范围内均存在声学参数严重异常、波形严重畸变的异常声测线，且异常声测线均在3个检测剖面的1个区段内纵向连续分布，2个异常区段均在桩身同一深度范围内横向分布。

图5 声波透射法波列影像示意

在完成声波透射法检测后，本次利用钻芯法对该桩20.0～25.0 m范围内的桩身完整性进行钻孔取芯验证。钻芯结果如图6所示。

图6 钻孔取芯验证孔芯样示意

根据钻芯验证孔结果可知，该桩20.5～22.1 m桩身范围内的混凝土芯样连续、完整、胶结好，芯样侧表面光滑，芯样呈长柱状、断口吻合；22.1～23.2 m桩身范围的混凝土芯样胶结较好，但呈短柱状；23.2～25.1 m范围的混凝土芯样完整性和胶结质量较差，芯样呈破碎状。根据钻芯验证结果分析初步判定该桩在22.1～25.1 m桩身范围内存在严重缺陷，与声波透射法检测结果基本一致。结合该桩的施工记录分析可知，该缺陷主要是混凝土在浇筑过程出现严重离析所致。

根据两种方法的检测结果对比分析可知，声波透射法能够准确识别声测管范围内的混凝土缺陷的位置和范围，钻芯法则能够直观准确反映钻孔范围内混凝土缺陷的位置、范围、类型和程度，两种方法各有优劣势，声波透射法对基桩无损，测试盲区在声测管外围，钻芯法则有损，仅能反映钻孔范围内小部分混凝土的质量。

4 结语

基桩完整性的准确判定关系着整个基础工程和建筑物结构的质量与安全。当前，常用的基桩完整性检测方法有四种，包括低应变法、声波透射法、钻芯法和高应变法，其中工程应用中各有优势，亦存在不同的局限性。基于以上工程应用实例对比分析与综合评价结果可知，低应变法能够基本准确定位整桩桩身缺陷的位置，但无法准确识别缺陷的范围和程度；声波透射法能够准确识别声测管范围内的混凝土缺陷的位置和范围，但声测管外围是测试盲区；高应变法较容易识别桩底信号，但亦容易忽略了浅部的缺陷特征；钻芯法则能够直观准确反映混凝土缺陷的位置、范围、类型和程度，但仅能反映钻孔范围内小部分混凝土的质量。

基于以上分析结果，建议在实际工程应用中，应根据不同基桩的特点、要求和试验条件科学合理选择相应的桩身完整性检测方法。其中，设计等级或重要性较高的基桩完整性建议优先采用声波透射法进行检测，地基条件简单且施工质量可靠性较高的基桩建议优先采用低应变法，有竖向抗压承载力要求的基桩完整性可结合高应变法进行判定，以上检测结果有疑问宜采用钻芯法进行验证并综合评定。