应力波法判断混凝土桩身缺陷的工程实例

岳廷文

（沈阳中冶检测工程有限公司，辽宁沈阳 110016）

1 概述

随着我国经济和建筑业的飞速发展，巨大数量的混凝土桩基被用于工程建设上，可以肯定我国是目前混凝土用桩量最多的国家，由于桩基深埋于地下，成桩过程要受到地质因素、环境因素、安全因素、工艺因素、人为因素等多种因素影响，成桩质量是否合格、桩身中是否存在缺陷，存在的缺陷对建筑物安全影响程度的一系列问题，已经引起我国专家和学者的注意，早在1995 年，我国对工程桩的验收发生了一种阶段性的变化- 从只要求进行工序监督和检查转变为工程桩的承载力、桩身质量（桩身完整性）的检测结果列为工程验收的必要依据。我们可以从行业标准JGJ106-2003 和修订后的行业标准JGJ94-2008 的相关条款看出来，建筑行业的所有桩基工程都必须进行工程桩的承载力和桩身质量（桩身完整性）检测，这已成为人们认可的强制执行条款。

根据行业规范，工程桩的检测内容就是两项：工程桩的承载力和桩身质量（桩身完整性），限于文章，工程桩的承载力讨论不属于本文。我们只对桩身质量（桩身完整性）探讨，桩身完整性的检测方法有低应变法、高应变法、声波透射法、钻芯法和开挖验证法。前三种方法属于应力波法。桩基应力波法从20 世纪70 年发展到目前，伴随着近代高科技进步，应力波法理论、桩基检测仪器设备日趋完善成熟。

利用低应变法检测混凝土桩身完整性，低应变法能优先发现较大的、位置靠上的缺陷，次要的缺陷、位置在较大缺陷以下的就不一定能识别；即使发现了缺陷，也需通过其他方法进一步确定缺陷的缺陷程度和类别。另外难以识别上下过于靠近的相邻缺陷，也无法识别与桩底过于靠近的缺陷，对桩底沉渣情况和根据纵波波速推断混凝土强度难以取得可靠结果。由于纵波在混凝土中波速很高，应力波在桩身内的实际波长2～3m 以上，反射波重叠现象严重，再加上多次反射，要想到达很高的分辨率较为困难。

高应变法是通过桩顶的高能量冲击引发桩身与桩周土的相对运动，此时在桩顶附近采集到的反射波将不仅带来桩身阻抗变化的信息，而且也将带来桩周土的阻力信息。同样利用一维波动理论进行分析计算不但能够确定桩身初始的完整性，而且还能获取桩周土体对桩身的竖向承载力和桩身在冲击力前后的结构变化，从而对桩周土体对桩所能提供的承载力和桩身所能承受的动力作用作出判断。尽管如此，检测锤击的锤重要求是极限承载力的1.0～1.5%，这也是令人生畏的笨重设备。从桩基工程的实践和行业规范来看，并没有允许高应变法代替静载试验设计确定承载力，从行业条文精神上看，似乎高应变法的可靠性还不如原位测试和经验参数法，这就更加限制高应变法使用，所以不能作为桩身完整性检测的普查方法。

声波透射法检测中存在“盲区”，由于声测管设置在钢筋笼内部，混凝土保护层区域及桩身外部出现扩径区域就不可能检测到，即使桩身缩颈，钢筋出露也检测不到；声测管的设置数量毕竟有限，从管内发射的声波未必覆盖钢筋笼内部的全部桩身；桩顶一定范围内的检测结果与中下部测点不一致，有时无法利用。

开挖法有受地质、环境、安全等因素局限，对于较深部位基桩开挖验证，易对工程施工产生干扰，对桩周土产生扰动，此法不可取。

钻芯法最为明显的局限性是“一孔之见”，设备笨重，成本高且周期长，不能作为桩身混凝土质量的普查手段。

2 基本机理

2.1 低应变法

低应变法的理论依据是一维波动理论。通过桩顶施加竖向激振产生应力波，该应力波沿桩身向下传播，在遇到不连续界面（缩颈、扩径、蜂窝、松散、离析、夹泥、断桩、空洞等缺陷）和桩底面时，将会产生反射和透射，基桩动测仪记录沿桩身传播的下、上行应力波的全过程。通过对所记录的波形进行时域、频域分析，判断桩身完整性。

2.1.1 确定桩身混凝土的纵波速度

桩身混凝土纵波速度可按下式进行计算：c=2L/ΔT 或c=2L×Δf

式中：c- 桩身纵波速度(m/s)；

L -测点下桩长(m)；

ΔT- 速度波第一峰与桩底反射波峰间的时间差(s)；

Δf- 幅频曲线上桩底相邻谐振峰间的频差(Hz)；

桩身缺陷位置按下列公式计算：x=1/2000 ×Δtx×c 或x=1/2 ×c/Δf’

式中：x 桩身缺陷至传感器安装点的距离(m)；

Δtx- 速度波第一峰与缺陷反射波峰间的时间差(s)；

c- 受检桩的桩身波速(m/s)；

Δf’- 幅频信号曲线上缺陷相邻谐振峰间的频差(Hz)。

2.1.2 确定桩身质量

反射波波形特征是桩身质量的反映，利用反射波曲线进行桩身完整性判定时，应考虑相位、振幅、频率及波至时间等因素，反射波特征不仅受桩身质量的影响，还与施工工艺、桩周土、基岩性质、厚度等均有关系，评价时应综合分析。桩身完整性分类按以下标准：

Ⅰ类：桩身完整；

Ⅱ类：桩身有轻微缺陷，不会影响桩身结构承载力正常发挥；

Ⅲ类：桩身有明显缺陷，对桩身结构承载力有影响；

Ⅳ类：桩身存在严重缺陷。

Ⅰ、Ⅱ类桩为合格基桩，可以满足设计要求，Ⅲ类桩采用其它方法进一步分类确认。Ⅳ类桩为不合格基桩，如使用，应进行加固，并经检测合格。

低应变法操作简单、过程短暂、费用低廉、仪器设备便携，对工程施工干扰极小，几乎可在任何场地进行；检测抽检率高，覆盖面大，甚至普查；能查出断桩、桩身缺陷明显并能实现实测信号现场快速处理，确定其所在深度和严重程度，也能及时现场确定桩长严重不符的基桩。低应变法检测也可在混凝土龄期不高时检测，及时发现问题。这也是低应变法发展迅速，被世界各国广泛应用于基桩完整性检测的原因。

2.2 声波透射法（跨孔法）

声波透射法是利用弹性波穿越介质前后的变化来探测介质性状方法的一种，其理论基础是固体介质弹性波传播理论。声波透射法是采取人工激发的方式向混凝土内发射声波，在一定的空间距离外接收穿越混凝土传播过来的声波，通过对接收到的声波能量衰减、速度变化和波形畸变来判断声波传播路径上的混凝土质量。当声波在传播路径上遇到缺陷时，会产生局部范围的绕射、反射和折射，引起声波传播速度和振幅减小、频率与其他声学参数的改变，因而为我们能够发现和评定各种局部缺陷，由于声波在混凝土里传播过程中与混凝土的质量密切相关，接收到的声波携带有关桩的完整性各种信息，这是声波透射法检测桩身完整性应用的基础。

当传播路径遇到混凝土质量较差，如离析、夹泥等缺陷时，接收到的声波将发生衰减，部分声波将绕过缺陷传播，使得传播时间增加，波速减小；若遇有空洞，声波发生散射，使得波幅减少；缺陷使混凝土不连续，声波传播路径复杂化，引起波形畸变。所以，声波在有缺陷的混凝土中传播时，接收到的声波波幅减少，波速降低，波形畸变。

声波透射法的基本方法是基桩成孔后，灌注混凝土之前，在桩内预埋若干根声测管作为声波发射和接收换能器的通道，在桩身混凝土达到一定强度就可检测，用声波检测仪沿桩的纵轴方向以一定的间距逐点检测声波穿过桩身各截面的声学参数，然后对这些检测数据进行处理、分析和判断，确定桩身混凝土缺陷的位置、范围、程度，从而推断桩身混凝土的连续性、完整性和均匀性状况，评定桩身完整性等级。桩身完整性判定标准如下：

Ⅰ类桩：各检测剖面的声学参数均无异常，无声速低于低限值异常；

Ⅱ类桩：某一检测剖面个别测点的声学参数出现异常，无声速低于低限值异常；

Ⅲ类桩：某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现异常，两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现异常，局部混凝土声速出现低于低限值异常；

Ⅳ类桩：某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现明显异常，两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现明显异常，桩身混凝土声速出现普遍低于低限值异常或无法检测首波或声波接受信号严重畸变。

声波透射法被认为对桩身混凝土质量进行最全面、最细致的检查，是检测成功概率和结果可靠性最高的桩身完整性检测方法，且检测技术简单易掌握，检测结果如“瀑布图”直观易懂。只要声测管数量和深度满足要求，桩长不受限制，有别于低应变法，桩身深部缺陷不受浅层缺陷影响，且缺陷的形态和数量不受限制。同时对桩底端混凝土浇注情况作出一定判断。检测也可在低龄（有时小于24 小时）混凝土内进行，能较早发现桩身浇注质量问题，便于尽早采取补救措施，调整施工工艺，减少工程延误和经济损失。检测也可对任何具有一定整体性介质（复合地基低强度的灌浆桩、粉喷桩、搅拌桩）完整性检测。检测费用相比钻芯法便宜，对施工影响小，检测覆盖面大。

3 工程实例

3.1 某工程一桩，桩径600mm，桩长26m，混凝土强度C30，旋挖钻孔灌注桩。从低应变时域检测曲线上看，该桩波形畸变异常，波峰间隔均匀而呈振荡图形，如图1 所示，怀疑桩身浅部有异常或缺陷，我们按同一工地平均应力波波速3400m/s 取值，反算异常部位在桩头下0.95m，经开挖验证，桩头下1.0m 完全断裂，如图2 所示。

图1 低应变法时域检测曲线

图2 开挖照片

该桩断裂的原因是破桩头时车辆碰断。我们建议挖掉上部桩头，采用高一标号混凝土接桩处理。对于类似的低应变检测曲线，我们发现在CFG 桩检测中经常出现，个别工地会出现高达20%的桩头断裂现象，这完全是人为因素造成的。

3.2 某工程一桩，桩径800mm，桩长12.6m，混凝土强度C30，钻孔灌注桩。低应变检测发现该桩4.82m 处有同相异常反射，频率较低，如图3 所示，为提高判别的准确性，在随后的声波透射法检测中，发现4.60～6.70m 范围声波曲线不连续，波幅减小，如图4 所示，判定该桩为III 类基桩，该桩做补强加固处理

图3 低应变法时域检测曲线

图4 声波透射法单剖面波列图

3.3 某工程桩，桩径800mm，桩长6.3m，混凝土强度C30，钻孔灌注桩。低应变检测发现该桩4.25m 处有同相异常反射，如图5 所示，为提高判别的准确性，在随后的声波透射法检测中，发现4.10～4.50m 范围声波曲线不连续，波幅减小，但有微弱的首波，孔底浇注不良，如图6 所示，判定该桩为II 类基桩。

图5 低应变法时域检测曲线

图6 声波透射法3 剖面波列图

3.4 某桥桩工程一桩，桩径1500mm，桩长48.0m，混凝土强度C30，旋挖钻孔灌注桩，由于一个声测管堵管，只能给出一个剖面。声波透射法检测中，发现两处12.50～12.80m、28.60～35.60m 范围声波曲线不连续，波幅减小，波形畸变，尤其28.60～35.60m 部位严重，但个别地段有微弱的首波，根据波幅、波速、主频、PSD，采用多个指标相互印证和补充，如图7 所示，综合判定该桩为Ⅳ类基桩。

图7 注浆前影像图

原来该桩在浇注混凝土时，在30 米发生堵管现象，消除了故障，浪费时间大约4 个小时，未采取其他措施，直接二次浇注混凝土，从而形成断桩。为了处理加固该桩，施工单位采取高压注浆，图8 为注浆后声波透射法检测影像图，我们看到，高压注浆效果不明显。20 天后，重复检测，如图9 所示，最终高压注浆没有达到令人满意效果。最后，施工单位被迫凿除该桩，重新在原位成桩，经济成本不算，浪费1 个半月时间。

图8 注浆后影像图

图9 注浆后20 天影像图

3.5 某桥桩工程一桩，桩径1200mm，桩长25.80m，混凝土强度C30，钻孔灌注桩。该桩在浇注混凝土后3 天进行声波透射法检测，在3 个剖面均发现0.0～9.80m 范围，波形曲线时断时续，波形严重畸变或者无法接收波形。桩底端波形曲线不连续，波速低，波幅减少，衰减大，如图10 所示。该桩由于导管提升不当，长度22 米的导管，提出12 米，剩下10 米导管留在桩顶以下10 米范围内，桩头清楚可见导管。桩底部位清孔不彻底，桩底存在400～500mm 沉渣，结合波幅、波速、主频、PSD 及地质情况等指标，综合判定该桩为Ⅲ类基桩，作补桩处理。

图10 声波透射法影像图

3.6 某桥桩工程26-3-3#桩，桩径1500mm，桩长37m，混凝土强度C30，钻孔灌注桩。在声波透射法检测中，AC▼剖面未见异常；AB▼剖面发现7.30～10.50m 波形曲线不连续，波速低，波幅减少；BC▼剖面发现7.50～10.80m 波形曲线不连续，波速低，波幅减少，有的测点能识别首波，如图11 所示。怀疑存在异常，随后进行低应变法检测，异常部位不明显，如图12。为检测判别准确性，对该桩进行钻芯验证，第一孔位于A 管、B 管中间距B管40cm 处，钻至11m，芯样完整，如图13 所示。第二孔位于B管与C 管之间，距B 管22cm，由于钻机的原因，无法再靠近B管，钻至11m，同样芯样完好。事后，基桩施工人员追忆在该桩浇注混凝土时，失落一根4m 左右的声测管，所以怀疑贴在B 管附近，我们认为这是一次失败的检测，吸取教训的检测，但也排除工程质量隐患，综合判定该桩为III 类基桩。

图11 声波透射法3 剖面波列图

图12 低应变法时域检测曲线

图13 钻芯法芯样

4 结论与建议

在常规的基桩完整性检测手段中，声波透射法对桩身缺陷判断准确性最高，可定量分析出桩身缺陷的大小和确切部位，从而判定桩身完整性类别；但是，我们应看到，声波透射法还有许多有待改进的地方，如对频率与波幅的分析利用方面上，还不充分，尽管如此，在基桩完整性检测领域内，声波透射法的迅速推广将是必然的，我们在以后的桩基完整性检测中，把声波透射法与低应变法、钻芯法、开挖法等其他检测方法结合起来，根据地质情况及成桩工艺、桩的类型，充分合理的运用多种检测手段，积累大量的工程实践经验，进行系统和深入的研究，以较低的成本和代价，提高基桩工程质量检测的精度与可靠性，减少误判、漏判，为工民建筑、水利电力、铁路、公路和港口等工程桩基建设的多个领域提供优质服务。