综合管波探测法、孔旁透射波法和钻芯法在既有桩基检测中的应用

彭 超，李学文

(广东省地质物探工程勘察院，广东 广州 510800)

1 引 言

桩基础是一种广泛使用的基础形式，能有效提高地基承载力，减少建筑物沉降。既有桩基在长期使用后，受复杂地质条件、自然灾害和人为因素的影响，可能出现各种缺陷，需对既有桩基进行检测、重新评估桩基质量[1]。

桩基检测主要目的是判别桩身完整性和承载力，传统的检测方法主要有钻芯法、高应变法、低应变法、静载试验法等[1]。近年来，孔旁透射波法、管波探测法、声波CT、电磁波CT等方法亦逐步应用于桩基检测中[2-8]。

本文将管波探测法、孔旁地震透射波法、钻芯法综合应用于某高速公路桥梁桩基检测，对管波探测法、单孔地震透射波法、钻芯法的检测结果进行了对比分析。

2 工程概况

由于长期超负荷运营，某高速公路桥梁桩基存在一定病害。待检桥梁为旱桥，桥墩柱体周边为平地，具备良好的检测场地条件。该桥梁的桥墩为工字型、王字形多桩承台形式，承台设计强度为C40。基桩为钻孔灌注桩，设计强度为C20，直径为1 200 mm。

3 检测方法技术

3.1 钻芯法

钻芯法是一种直观的桩基检测方法，能有效查明桩基的完整性、桩底沉渣厚度、持力层的完整性。钻芯法对查明大面积的混凝土离析、疏松、夹泥、空洞等缺陷比较有效，但对局部缺陷和水平裂缝等判别不够精确[9]。因此钻芯法常与其他检测方法结合使用。本次钻芯法采用XY-1型钻机，在现状地面待检桩基的中心开始钻探。

3.2 管波探测法

管波探测法是在钻孔中利用“管波”这种特殊的弹性波，探测孔旁一定范围内地质体的孔中物探方法。管波在孔液和孔壁外一定范围内沿钻孔轴向传播，具有能量强、衰减慢、传播速度与孔液纵波波速相当等特征。在孔径变化处、孔底和孔液表面处、任何波阻抗变化处都将产生反射。在钻孔周围的圆柱状空间，波阻抗的变化必定是由钻孔旁侧的岩性差异、不良地质体的存在造成的，因而可通过分析反射管波来确定钻孔旁侧是否存在岩性差异及不良地质体。

管波探测法已成熟应用于岩溶地区桩位岩溶探测，能有效查明孔旁直径2 m范围内的岩溶、溶蚀裂隙、节理裂隙、软弱夹层的发育分布情况，评价嵌岩桩基桩持力层的完整性[10-14]。目前亦有将管波探测法成功应用于混凝土灌注桩桩身完整性检测的实例，通过分析管波时间剖面即可判定桩身的完整性、桩底持力层是否存在空洞、软弱夹层,并确定缺陷的顶底深度[5,6]。

图1 管波探测法工作示意图

管波探测采用一发一收、固定收发距的测量装置，探测时从下至上进行，同步提升发射、接收探头。本次检测管波探测法在钻芯孔中实施，采用广州量米勘探科技有限公司研制的TTS3型管波探测仪，收发探头间距为0.6 m，探测点距为5 cm。

管波探测法根据管波直达波、反射波和续至波能量的强弱和波组的连续性，参照《城市工程地球物理探测标准(CJJ/T7-2017)》将桩身混凝土解释为完整混凝土、轻微缺陷混凝土、一般缺陷混凝土、严重缺陷混凝土。

3.3 孔旁透射波法

孔旁透射波法又称平行地震波法(Paraller Seismic Test)，是一种有效的检测既有建筑物基桩长度、基桩完整性的方法。该方法是在与待测基桩相连的既有建筑结构上激发弹性波，在钻孔中观测透射波，来探测、检测建筑基础和基桩。

本次孔旁透射波法在钻芯孔内进行，测试采用Geometrics公司生产的Geode地震仪和广州量米勘探科技有限公司研制的CH3R型高灵敏度多道水听器。测试时，先将高灵敏度多道水听器编织成道间距0.5 m的水听器链，将水听器链沉放至孔底，在立柱上用小锤激振，每次激振记录一张地震记录。记录采样间隔20.833μm，记录长度32 ms。按0.1 m间距提升水听器链，逐点测试，至将水听器链提至孔口为止。

数据分析时将原始地震记录抽成道距0.1 m的时间剖面，根据透射波的视速度、振幅、频率等特征判定基桩的完整性。

图2 孔旁透射波法工作示意图

4 结果分析

本文以编号为A4-C1、A4-D2的两桩为例，分析钻芯法、管波探测法、孔旁透射波法检测结果。

4.1 A4-C1桩

图3(a)～图3(c)分别为A4-C1桩芯样照片、管波探测法检测成果、孔旁透射波法检测成果。

4.1.1 钻芯法

如图3(a)所示，钻芯法揭露0～2.6 m为回填粉质黏土、块石。2.6～4.3 m为承台混凝土，胶结良好，粗细骨料分布均匀，钻遇钢筋，与桩顶接触良好。4.3～11.44 m为桩身混凝土、胶结良好，粗细骨料分布均匀，11.44 m处芯样较破碎。11.44～14.83 m为微风化砂砾岩。

4.1.2 管波探测法

如图3(b)所示，0.0～2.6 m段管波直达波能量微弱，管波法解释该段为土层，与钻芯法揭露的粉质黏土、块石层深度范围吻合。2.6～4.3 m段管波直达波能量强、波速稳定，承台顶界面的反射波在层内传播，能量强、速度高。管波法解释该段为完整混凝土。钻芯法揭露承台底埋深为4.3 m，管波成果图中，深度4.3 m处直达波速度高、无明显反射波组，表明该处承台底与桩顶接触良好。4.3～11.0 m段管波直达波速度高、能量稳定，解释为完整混凝土。11.0～11.4 m段管波直达波能量较弱，该段顶底界面存在明显的上行、下行反射波组，该段解释为一般缺陷混凝土，与钻芯法揭露的11.44 m处芯样破碎情况吻合。11.4～14.2 m段管波直达波速度高、能量稳定，钻芯法揭露该段为微风化砂砾岩，管波法解释为完整基岩段。

4.1.3 孔旁透射波法

如图3(c)所示，0.0～2.4 m段直达波视速度低、频率低，波组明显“下陷”，为土层段。2.4～4.5 m段直达波视速度高，频率高，能量强，为承台混凝土段。4.5～10.7 m段直达波能量强、视速度高(约为3 900 m/s)，视速度、频率较填土层高、较承台段低，为桩身混凝土段。据此可区分承台、桩身的深度范围。10.7～11.2m段直达波能量明显变弱，且在11.2 m处存在明显的上行反射波组，与钻芯法和管波探测法揭露的缺陷基本吻合。11.2～14.6 m段直达波能量较强、视速度较高(约为3 000 m/s)，为基岩段，在深度14 m处存在明显的波速分界面，这与管波解释成果中深度14.1 m处上行反射波组吻合。

图3 A4-D2桩综合检测成果

图3 A4-C1桩综合检测成果

A4-C1桩钻芯法揭露深度11.44 m芯样破碎；管波探测法、孔旁透射波法分别于深度11.0～11.4 m、10.7～11.2 m发现缺陷。该缺陷于三种检测方法均有明显反映，且深度范围基本吻合。

4.2 A4-D2桩

图4(a)～图4(c)分别为A4-D2桩芯样照片、管波探测法检测成果、孔旁透射波法检测成果。

4.2.1 钻芯法

如图4(a)所示，钻芯法揭露该孔0～2.5 m为回填粉质黏土、块石。2.5～4.4 m为承台混凝土，胶结较好，粗细骨料分布均匀，钻遇钢筋，与桩顶接触良好。4.4～10.96 m为桩身混凝土，胶结良好，粗细骨料分布均匀。10.96～15.17 m为微风化砂砾岩。桩底0.3 m基岩破碎，夹泥质物。

4.2.2 管波探测法

如图4(b)所示，0.0～2.4 m管波直达波能量微弱，管波解释该段为土层，与钻芯法揭露的粉质黏土、块石层深度范围吻合。2.4～4.4 m段管波直达波能量强、波速稳定，承台顶界面的反射波在层内传播，能量强、速度高。管波法解释该段为完整混凝土段。钻芯法揭露承台底埋深为4.4 m，管波成果图中，深度4.4 m处直达波速度高、无明显反射波组，表明该处承台底与桩顶接触良好。4.4～11.1 m段管波直达波速度高、能量稳定，解释为完整混凝土。11.1～12.1 m段管波直达波能量微弱，管波探测时间剖面表现为“空白”。管波法解释该段为桩底破碎基岩段，存在严重缺陷，与钻芯法揭露的10.96～11.26段岩芯破碎情况基本吻合。管波解释的该段缺陷长度达1 m，大于钻芯法揭露的范围。12.1～13.6 m段管波直达波速度高、能量稳定，解释为完整基岩段。

4.2.3 孔旁透射波法

如图4(c)所示，0.0～2.5 m段直达波视速度低、频率低，波组明显“下陷”，为土层段。2.5～4.0 m段段直达波视速度高，频率高，能量强，为承台混凝土段。4.0～10.6 m段直达波能量强、视速度高(约为4 300 m/s)，视速度、频率较填土层高、较承台段低，为桩身混凝土段。据此可区分承台、桩身的深度范围。10.6～12.6 m段直达波能量明显变弱，且在11 m处存在明显的上行、下行反射波组，与钻芯法和管波探测法揭露的缺陷吻合。12.6～13.5 m段直达波能量较强、视速度较高(约为3 200 m/s)，为基岩段。

A4-D2桩钻芯法揭露深度10.96～11.26 m桩底岩芯破碎；管波探测法、孔旁透射波法分别于深度11.1～12.1 m、10.6～12.6 m发现缺陷。该缺陷于三种检测方法均有明显反映，且深度范围基本吻合。

4.3 综合分析

对比分析A4-C1、A4-D2桩的检测结果，可发现三种方法对基桩缺陷均有明显的反映。钻芯法可直观反映基桩的质量，但钻芯法探测范围仅限于钻芯孔，无法总体判定钻芯孔周边基桩的质量。管波探测法可全面有效查明整个基桩的质量、准确判定缺陷的位置及程度。由于管波探测法的探测范围是以探测孔为中心、直径为2 m的空间，管波探测法查明的缺陷范围往往较钻芯法揭露的缺陷范围偏大。孔旁地震透射波法通过分析透射波的速度、振幅、频率等特征，可有效区分承台、桩身的深度范围，可定性判别基桩缺陷的位置及程度。

5 结 语

本文将管波探测法、孔旁透射波法和钻芯法综合应用于既有桩基检测。三种方法均适宜检测既有桩基的完整性，各方法查明的缺陷位置及深度范围基本吻合。三种检测方法各有特点：①钻芯法可直观地判定桩基质量，但探测范围较小，无法总体判定钻芯孔周边桩基的质量；②管波探测法须在钻芯孔中实施，检测现场即可判定检测结果，可准确、全面判定桩基质量，并准确测定缺陷的位置及程度;③孔旁地震透射波法须在钻芯孔中实施，可有效区分承台、桩身的深度范围，可定性判别基桩缺陷的位置及程度;综合三种检测方法的特点，钻芯法与管波探测法的组合应为同类工程的最佳检测方案。