螺锁式连接预应力混凝土异型管桩桩身完整性检测分析

朱 正，朱 田

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

1 问题的提出

近年来，螺锁式连接预应力混凝土异型管桩（以下简称异型管桩）在沿海软土地区逐步推广，目前该桩施工方式主要分2种，第一种是直接沉入土中，即单桩；第二种是与柔性桩相结合形成复合型桩[1]。JGJ/T 405——2017《预应力混凝土异型预制桩技术规程》中规定异型管桩应检测桩身完整性，异型复合桩可不检测桩身完整性[2]。JGJ/T 330——2014《水泥土复合管桩基础技术规程》中提出水泥土复合管桩的桩身完整性类别判定主要受管桩的桩身完整性控制[3]。在实际工程检测中也发现，部分异型管桩及异型复合桩接头处均存在桩身裂缝、破损、接头脱开及错位等严重质量缺陷，因桩身完整性与桩基承载力密切相关，异型管桩及异型复合桩均有必要进行桩身完整性检测。

目前预制管桩完整性检测主要采用低应变法进行普测，亦可采用孔内摄像法、高应变法及静载法等综合评定桩身质量[4]。异型管桩桩身截面沿桩轴线变化，且使用机械接头，采用低应变法检测完整性时，桩身阻抗变化会导致应力波多次反射，加之接桩位置接缝比较明显，导致实测波形难以识别，无法准确判断检测结果[5]。

在上述调查研究的基础上，通过对上海某工程中应用的螺锁式连接预应力混凝土异型管桩进行大量桩身完整性检测，结合该桩型的特征、施工工艺及施工环境，对该异型管桩桩身完整性进行检测分析，总结该桩型科学有效的桩身完整性检测方法，可供同类工程参考。

2 工程概况

2.1 基桩概况及场地环境

上海某水利工程地下水池箱体基础采用螺锁式连接预应力混凝土异型管桩，部分基桩施工采用单桩，部分基桩采用复合桩。单桩施工过程主要为：先施打下节桩，在下节桩上涂抹由环氧树脂、固化剂按比例组成的密封材料，上下节桩机械连接好后，沉入至设计高程。复合桩施工过程主要为：先施打水泥土搅拌桩，6 h内植入异型管桩，接桩工艺同单桩。

本工程异型管桩采用的型号为T-PHC C500-460（100），该桩型最大外径、最小外径分别为500 ，460 mm，最大外径处壁厚120 mm，最小外径处壁厚100 mm。异型管桩外形示意见图1。工程桩采用2节桩，接桩方式见图2。为了解机械接头强度及接桩缝隙实际情况，现场对部分桩在接桩工艺完成后进行拉拔试验，完成接桩工艺后先往下压桩2～3 m，再整体上拔桩体，检查机械接头施工质量，在上拔后对接桩处间隙进行测量，间隙范围为2～6 mm，机械接头未出现脱开现象。

图1 异型管桩外形示意图 单位：mm

图2 机械连接方式图

本工程自然地面高程为4.00 m，桩顶设计高程为-12.40～-10.00 m。异型管桩采用静压法从自然地面沉桩，场地送桩深度为14～16 m，场地土层情况见表1。

表1 场地土层情况表

3 桩身完整性分析

3.1 低应变法

桩身阻抗计算公式如下：

式中：Z为桩身阻抗（kg/s）；ρ为桩身材料密度（kg/m3）；C为桩身波速（m/s）；A为桩身面积（m2）。

本工程异型管桩桩身最大外径处与最小外径处桩身截面阻抗比为1.267。对堆放于现场的单节异型管桩进行低应变测试，被测桩长8 m，测试曲线见图3。

图3 单节异型管桩低应变实测曲线图

低应变信号特征如下：①该桩桩底同向反射明显，实测波速4 100 km/s；②在桩身由最大外径——最小外径变截面处（1.80，3.65，5.45 m）均出现同向反射，在桩身由最小外径——最大外径变截面处（2.50，4.65，6.50 m）均出现反向反射，且曲线中亦存在多个阻抗变化截面的一次或多次反射相互叠加。

对工程桩（单桩和复合桩）进行低应变普测，统计分析后低应变法检测结果主要呈现3种低应变典型曲线（见图4）。

图4 低应变典型曲线图

单桩3类典型低应变曲线特征为：①3种类型信号在桩身浅部（8 m以内）受桩身阻抗变化影响明显；②第一类信号（桩号S1）无接桩反射，可见桩底反射；第二类信号（桩号S2）接桩位置出现轻微反射，可见桩底反射；第三类信号（桩号S3）接桩位置反射明显，或有二次反射，无桩底反射。

复合桩3类典型低应变曲线特征为：①低应变曲线出现类似“浅部扩径”的特征，受桩身阻抗变化影响不明显；②第一类信号（桩号A1）无接桩反射，可见桩底反射；第二类信号（桩号A2）接桩位置出现轻微反射，可见桩底反射；第三类信号（桩号A3）接桩位置反射明显，或有二次反射，无桩底反射。

经统计，该工程单桩中第一类信号占比约85%，第二类信号占比约12%，第三类信号占比约3%。复合桩中第一类信号占比约68%，第二类信号占比约20%，第三类信号占比约12%。现场对该桩桩头倾斜度进行测量，倾斜度大于5%，经低应变检测大部分桩均为第三类信号。

3.2 孔内摄像法

孔内摄像法可直观、精确地检测多重缺陷的位置及对缺陷进行定量分析。对上述低应变法检测出现的3种类型桩分别进行孔内摄像法检测，在检测过程中重点对接桩部位进行动态观察，如地下渗水、泥挂壁等情况。典型检测成果见图5。

图5 孔内摄像成果图

孔内摄像法检测结果：

（1）低应变检测为第一类桩（52#桩）：桩孔内壁未见桩身裂缝，接桩处无渗水或流挂现象，接桩处密贴且吻合程度较好；

（2）低应变检测为第二类桩（48#桩）：桩孔内壁未见桩身裂缝，接桩处局部可见约3 mm的缝隙，有轻微渗水现象，接桩处局部稍欠密贴；

（3）低应变检测为第三类桩（247#、352#、421#、69#桩）：247#桩孔内壁未见桩身裂缝，接桩处泥挂明显，上节桩混凝土局部破碎并有轻微错位；352#桩孔内壁未见桩身裂缝，接桩处可见约8 mm的间隙，有轻微渗水现象，接桩处不密贴；421#桩孔内有明显的泥挂现象；69#桩未见桩身裂缝，上下桩完全脱开，脱开距离约6 cm，机械连接插杆清晰可见，中间夹泥较厚。

以上分析可知：经低应变及孔内摄像法检测，有桩底反射的桩，接桩处质量较好；有明显接桩缺陷的桩，接桩处可能存在错位、脱开、间隙3种情况，受机械插杆安装偏差、端面不平整等影响，机械接头连接好后，端面本身会存在一定的间隙，仅低应变法和孔内摄像法无法直接判定有间隙的桩接头是否脱开。

3.3 静载法

该工程水池采用异型复合桩，设计桩长为28 m，桩径500 mm，水泥土搅拌桩直径700 mm，内芯与外芯桩长相等，单节异型管桩长度分别为13，15 m。设计要求复合桩竖向抗压极限承载力标准值为2 412 kN，复合桩竖向抗拔极限承载力标准值为1 080 kN。

经低应变法普测后，挑选典型低应变信号桩进行竖向抗压及抗拔承载力试验。

（1）无接桩反射及有轻微接桩反射的桩。对120#、285#桩进行低应变检测，2根桩在接桩位置均有轻微反射，且有桩底反射，对120#桩进行竖向抗压静载荷试验，对285#桩进行竖向抗拔静载荷试验，检测结果见图6。

检测结果表明：抗压桩Q-s曲线及抗拔桩U-δ曲线呈缓变型，抗压桩s-lgt曲线及抗拔桩δ-lgt曲线尾部无明显弯曲，抗压极限承载力及抗拔极限承载力均不小于最大试验荷载，试验结果均满足设计要求。

（2）有明显接桩缺陷的桩。对10#、25#桩进行低应变检测，接桩位置均有明显反射，对10#桩进行竖向抗压静载荷试验，对25#桩进行竖向抗拔静载荷试验，检测结果见图7。

竖向抗压静载荷试验：荷载加载至第6级（1 447 kN）并维持30 min后沉降量突然增大，s-lgt曲线尾部出现明显的弯曲。该级荷载作用共历时300 min后，桩顶沉降量达到稳定，最终该级沉降量为22.83 mm，为上一级荷载作用下沉降量的5.06倍，在该级荷载作用下最终累计沉降量为35.28 mm。继续加载至设计最大加载量2 412 kN，桩土未破坏，累计沉降量为52.36 mm。

图6 静载荷试验结果图

图7 静载荷试验结果图

试桩结果说明该桩未经压实前上下2节桩接桩处有28 mm左右脱开。加载至1 447 kN时，上节桩桩侧摩阻力破坏，未压实前，竖向抗压极限承载力为1 260 kN，上下2节桩被压实后，下节桩承载力开始发挥，压实后竖向抗压极限承载力不小于2 412 kN，满足设计要求。

竖向抗拔静载荷试验：荷载加载至第5级（540 kN）并维持90 min后上拔量突然增大，s-lgt曲线尾部出现明显的弯曲，本级桩顶上拔量为24.73 mm，是上一级荷载下上拔量的26.3倍，试验终止。最终累计上拔量为27.41 mm，该桩竖向抗拔极限承载力仅为432 kN，不满足设计要求。说明25#桩上下接头脱开，仅上节桩承受拉力。

3.4 桩身质量的影响因素

结合场地施工环境、施工工艺及检测结果分析该工程异型桩接桩处存在缺陷的原因如下：

（1）复合桩施工中压桩力小，桩侧水泥土提供的土压力小，且送桩深度较深，施工垂直度不易控制，导致单桩及复合桩接桩处一侧受压，一侧受拉。受压侧混凝土容易压碎，受拉侧接头容易拉断，导致上下节桩出现脱开、错位；

（2）机械接头安装过程中，由于端面混凝土平整度不满足要求、人工插杆的安装高度不一致等导致上下桩之间端面缝隙超过允许偏差（≤2 mm）；

（3）沉桩速率过快，日打桩量较多，沉桩顺序不满足规范要求，部分桩因挤土效应上浮或倾斜，造成上下桩端面出现较大缝隙或脱开；

（4）现场基坑开挖时，土体开挖速率过快，导致部分桩头上浮超过20 cm，部分桩出现倾斜现象；

（5）因安装偏差，部分桩插杆未能全数就位，导致可用机械接头数量减少，抗拉强度不满足要求，接头易被拉断。

4 桩身完整性综合评价

对本工程异型管桩先进行低应变普测，再进行孔内摄像法、静载法综合验证，总结本工程异型管桩桩身完整性评价标准，作为质量验收和评定的重要依据，具体如下：

Ⅰ类（无缺陷）：低应变检测，无接桩反射，且有桩底反射；孔内摄像法检测，桩孔内壁无桩身裂缝，接桩处无渗水或挂泥现象，接桩处密贴且吻合程度较好；静载法检测，抗压桩Q-s曲线及抗拔桩U-δ曲线呈缓变型，抗压桩s-lgt曲线及抗拔桩δ-lgt曲线尾部无明显弯曲，承载力满足设计要求。

Ⅱ类（轻微缺陷）：低应变检测，有轻微的接桩反射，且有桩底反射；孔内摄像法检测，桩孔内壁有轻微裂缝，或接桩处有轻微缝隙，或有轻微渗水、挂泥等现象，接桩处局部稍欠密贴；静载法检测，抗压桩Q-s曲线及抗拔桩U-δ曲线呈缓变型，抗压桩s-lgt曲线及抗拔桩δ-lgt曲线无明显弯曲，承载力满足设计要求。

Ⅲ类（明显缺陷）：低应变检测，有明显的接桩反射或有二次反射，无桩底反射；孔内摄像法检测，桩孔内壁明显裂缝（多呈环状），或明显的渗水、挂泥现象，或接桩处存在局部脱开，明显错位；静载法检测，在某级荷载作用下抗压桩Q-s曲线及抗拔桩U-δ曲线发生明显陡降，抗压桩s-lgt曲线及抗拔桩δ-lgt曲线尾部出现明显弯曲，承载力不满足设计要求，接桩处脱开距离不大于10 mm。若承载力满足设计要求，且接桩处脱开距离不大于6 mm可判Ⅱ类，大于6 mm可判Ⅲ类。

Ⅳ类（严重缺陷）：低应变检测，有明显的接桩反射或有二次反射，无桩底反射；孔内摄像法检测，桩孔内壁严重裂缝（多呈破碎状），或渗水、挂泥现象明显，或接桩处全部脱开、严重错位；静载法检测，抗压桩Q-s曲线及抗拔桩U-δ曲线发生明显陡降，抗压桩s-lgt曲线及抗拔桩δ-lgt曲线尾部出现明显弯曲，承载力不满足设计要求，接桩处脱开距离大于10 mm。

5 结论和建议

（1）异型管桩的完整性检测应先采用低应变法进行普测，在整体分析低应变曲线特征基础上，对不同类型曲线进行孔内摄像法、静载法等方法验证，总结桩身完整性评价标准，从而科学、准确判定桩身完整性。

（2）在低应变普测的基础上，对无明显接桩缺陷的桩进行承载力抽检验证，若承载力满足设计要求，可认定接桩质量可靠。

（3）对有明显接桩缺陷的桩，最直接有效的验证方法是进行抗拔承载力试验。

（4）受桩身截面变化及桩侧水泥土的影响，低应变法无法准确识别桩身浅部缺陷，如桩身裂缝、破损等缺陷，对此类桩身质量有疑问可采取孔内摄像法补充检测，建议异型管桩在出场及进场进行严格的质量验收，严格控制现场吊装、沉桩施工工艺。

（5）严格控制现场异型管桩施工质量，尤其对送桩深度、垂直度及机械连接件的安装质量进行控制；严控基坑开挖方式和周边环境，减少桩周土体环境对桩身完整性的影响。