桩身完整性检测及判定方法分析

2021-06-20燕季红

运输经理世界 2021年28期

燕季红

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃兰州730000）

1 桩基完整性检测概述

在目前的公路建设中，桩基完整性的判定结果不仅影响着整个结构物的下一步工序，也是评定该结构物整体质量的关键指标。因此，桩基完整性的判定是桩基施工过程中必不可缺的环节。

现有的桩身完整性检测方法，大体可分为无损检测法（低应变反射波法、声波透射法）和钴探取芯法[1]。无损检测具有操作简单、仪器设备轻便、检测速度较快等特点，可较快检测出桩身的缺陷位置及情况，从而判定桩身完整性的类别，这种检测方法在桩基质量普查中应用比较广泛[2]；钻芯法的操作过程更复杂，仪器较为笨重，但却能直观、可靠地观察桩身缺陷，从而准确判定桩身的完整性，这也是无损检测方法中的仲裁方法。

桩基完整性的检测与判定涉及工程地质学、桥梁设计理论、桩基的施工方法、声波的振动理论等多门学科和理论[3]。因此，需要现场检测人员和判定人员不仅具有丰富的理论知识，还要积累大量的检测经验，便于出具科学、合理的判定结果，从而保障桩基的施工质量。

随着计算机技术的不断发展，相关的检测设备也在不断更新，桩基检测技术也更加成熟和方便。相关技术标准和规范的制定，也使得对桩基完整性的判定工作进一步规范，对保证桩基质量起到了良好的指引作用。

综上所述，在使用以上方法时，还应依据桩基的设计理论、现场地质条件、承载能力、施工方法等因素，对缺陷进行综合分析，这不但能对桩身完整性的类别做出可靠评价，还可以对桩的承载能力做出客观评估[4]。

2 桩基完整性的内容和检测方法分析

2.1 低应变反射波法

2.1.1 基本原理

把桩基视为介质密度为ρ、截面积为A、纵波波速为C、弹性模量为E的一维弹性均质杆件，在不考虑桩周围土体对桩身波速传播影响的前提下，可定义桩身材料的广义波阻抗为式（1）：

当在桩顶施加激励力时，所产生的压缩波将沿桩身向下传播，在遇到缺陷时，桩身波阻抗将产生变化，压缩入射波在波阻抗界面将产生反射波和透射波。应力波在桩顶和缺陷处来回反射，会出现相邻两阶的固有频率差、缺陷频率谐振峰与相邻振峰差，即通过反射波与入射波相位的关系，判别某一波阻抗界面的性质，这是采用低应变反射波法判别桩身缺陷的理论依据。

2.1.2 判别依据

第一，当桩身的波阻抗与施加的桩顶波阻抗相等时，即应力波在桩身连续传递，桩身无反射波信号，应力波完全透射，无明显阻抗差异产生，即表示桩身完整。

第二，当桩身的波阻抗大于施加的桩顶波阻抗时，反射波为上行拉力波，反射波与入射波同相。另外，通过对弹性杆波动传播的符号定义来解释，上行拉力波与下行压力波的方向一致，即反射波引起的质点速度与入射波的波速同向。这样，桩顶接收到的反射波速度和应力，均与入射波信号极性一致，即桩身可能存在缩径、离析、空洞、摩擦桩底等情况。

第三，当桩身的波阻抗小于施加的桩顶波阻抗时，反射波为上行压缩波，这样，桩顶接收到的反射波速度及应力，均与人射波信号的极性相反。由此可以得出，桩底处的波速速度为零，而应力却加倍，即桩身可能存在扩径、膨胀或端承桩的情况。

2.1.3 检测过程中的注意事项

第一，凿去桩头后，应清除桩顶的浮浆或部分松散、破损的混凝土，直至表面露出坚硬的混凝土。

第二，清理桩顶，尤其是桩顶积水，桩顶表面应平整、干净。

第三，选择敲击点和传感器的黏接点，并对该部位进行打磨、平整，否则有可能在多次锤击时，仪器接收到的信号重复性较差。

第四，若桩头与垫层连接对测试信号有影响时，应断开连接。

第五，将传感器与桩顶用耦合剂黏结时，耦合剂层应尽可能薄，使传感器底面与桩顶混凝土面紧密接触。在距桩中心2/3R 处安装传感器，传感器和激振安装均应处于桩轴线上。

第六，检测过程中，应在同一条件下对同一工程的同一批桩进行检测，检测时要对激振点和传感器布置的位置、激振操作等中任一条件的改变进行现场记录，并记录混凝土质量的异常情况和桩头的外观尺寸，以便后期通过信号分析，在发现异常情况时提供必要的判定和解释依据。

第七，当桩径增大时，桩各截面内各部位运动的不均匀性也会随之增加，桩浅部位的阻抗变化也随之表现出明显的方向性。因此，检测时应增加检测点的数量，通过多个波形的变化差异，判断浅部缺陷是否也存在方向性。每个检测点接收到的有效信号不少于3 个，且重复性良好，通过信号的叠加，提高测点的信噪比。

2.2 超声透射波法

2.2.1 基本原理

采用声波透射法需要在灌注桩中提前预埋声测管，声测管作为换能器上下运行的检测通道，检测前应将管中注满清水，作为耦合剂，现场检测时，按顺序分别在声测管内放置超声发射换能器和接收换能器。超声发射换能器会产生超声脉冲，并在条件相同的混凝土中传播，另一声测管中的接收换能器接收混凝土传来的脉冲，并经检测仪器放大，检测人员现场初步判定后将数据存储，再进行下一步分析和判定。

混凝土的密实度直接决定了超声脉冲波传播的速度，对于相同条件的桩基，脉冲波的转播速度较为均匀，且传播速度越快，证明混凝土越密实。但当混凝土中出现了空洞、裂缝或其他杂物时，脉冲波必然会绕过这些缺陷，才能被接收换能器接收，缺陷的存在使这些绕行的波加长了传播途径，相对应的声时也随之加长，波幅增大，声速降低，依据这些参数变化绘制曲线图，检测人员可以分析、判断出桩身具有的缺陷类型和范围，估算出这些缺陷的大小、位置等，并按相关技术规范对桩基的完整性进行分类。

2.2.2 判定方法

采用超声透射波法检测和判定的主要参数有声时、声速、波幅及主频，通过检测仪器绘制的声速—深度（v-z）曲线、波幅—深度（A-z）曲线和PSD 来分析和判定桩身的缺陷情况，步骤是：

首先，用概率统计法统计所有波速值，判断出低于临界值异常点的深度和位置，然后再分析振幅的大小变化，将波速值和振幅都小于临界值的测点，判定为异常部位。

其次，采用缩短换能器行程加密检测、斜测等方法，进一步判定缺陷的大小和范围。

最后，通过查阅施工资料、了解现场施工情况，结合检测人员的经验，综合判定缺陷的性质和种类，从而判定桩身完整性的类别。

2.2.3 检测过程中的注意事项

第一，桩基混凝土强度不得低于设计强度的70%，且不得小于15MPa，龄期需达到7d 以上。

第二，凿除后的桩头标高应达到桩顶的设计标高，且声测管标高应高于桩顶的设计标高。

第三，检测前，应在声测管内灌满清水，并检查声测管是否畅通。

第四，声测管按路线的前进方向顺时针编号。

第五，精确测量声测管的内、外径及声测管外壁间的净距离。

第六，采用标定法确定仪器系统的延迟时间。

第七，计算声测管和耦合水层声时修正值。

2.3 钻探取芯法

2.3.1 钻探取芯的目的

第一，检测桩身混凝土的密实度和完整性情况，检查是否存在空洞、夹泥、蜂窝、断桩等缺陷，从而判定桩身的完整性类别，为科学分析缺陷产生的原因、程度及处理方法提供依据。

第二，核验桩长是否满足设计长度，检验桩底沉渣厚度是否满足设计和规范要求，验证桩底持力层的岩土坚硬性是否满足承载力要求。

第三，作为无损检测方法的验证和修正，甚至检测结果的仲裁。

第四，能够直观反映缺陷的类型和深度。

2.3.2 钻探取芯的分析与判定

第一，芯样试件的抗压强度代表值，应取同一组三块合格试件强度的平均值。若评定同一根桩基同一部位的两组或两组以上试件的抗压强度代表值，应取其平均值作为该桩基该部位的芯样试件抗压强度的代表值。

第二，单桩混凝土芯样试件的抗压强度代表值，应取不同深度的芯样试件抗压强度代表值中的最小值，作为该桩的强度代表值。

第三，桩端持力层的岩土性状，应根据岩土的芯样特征、芯样单轴抗压强度、动力触探、标准贯入度等试验结果综合判定。

第四，因地质条件的复杂性和施工过程中存在的差异，成桩后的质量也存在较大差异。为保证评定结果的准确性，应按单桩进行混凝土强度和桩身完整性的评价。

2.3.3 当出现下列情况之一时，应判定为该桩不满足设计要求

第一，混凝土芯样试件的抗压强度代表值小于设计强度等级。

第二，桩长和桩底沉渣厚度不满足设计和规范要求。

第三，端持力层岩土性状（强度）或厚度不满足设计要求。

2.3.4 检测过程中的注意事项

第一，取芯位置应避让桩基受力较大的部位、安全度不足的截面、应力分布比较复杂的部位，宜选取桩基的中部进行取芯工作。

第二，尽量避开混凝土结构中的钢筋位置，特别是主筋和深测管的预埋位置。

第三，选取具有代表性的混凝土强度位置进行取芯。

第四，进行无损修正时，取芯位置应接近无损检测区。

第五，试件芯样的平整度、垂直偏差、尺寸和高径比，都会影响试件的强度。

3 案例分析

图1 为声波透射法成果图，是一根1.5m 长、孔深32.4m 的桩基，采用声波透射法对其三个剖面进行检测的成果图。由图分析可知，在孔深达到19.0～20.0m 处，声速、波幅值均小于临界值，PSD 值也有异常反应，该位置的声学参量明显异常。图2 是经钻探取芯获得的验证图，1 号管子的19.0～19.6m 附近有混凝土夹泥，混凝土不密实，影响了1-2、2-3 剖面，说明该桩基有较严重的质量问题，桩身完整性类别判定为Ⅲ类桩。经分析发现，由于施工过程中导管提拔速度过快，且混凝土坍落度过小，泥浆护壁刚度不足，导致混凝土未及时流出导管，使孔壁土涌入桩身，而造成了桩身夹泥的问题。