基桩低应变曲线应用分析

杨 海

（广州市稳建工程检测有限公司，广东 广州 510378）

0 引言

基桩属于隐蔽工程，桩体若存在缺陷会造成工程完成后使用中存在安全隐患，引发经济损失和重大安全事故。桩身完整性的判断是明确缺陷隐患的主要方式。低应变法是桩身完整性判断的方法之一，主要通过应力波理论进行曲线反射，然后根据曲线变化情况探明桩身质量问题[1]，这在基桩检测中优势十分明显，操作简单、无损，效果较好，被广泛应用。本文结合具体工程案例，就基桩低应变曲线分析进行探讨。

1 低应变法检测原理

近几年地下隐蔽工程较多，其中基桩工程属于常见的隐蔽工程，施工难度较大、工序较多，地下施工或水下施工过程监测难度大，受复杂地质、水渗流等影响，很容易出现塌孔、缩孔等问题，或混凝土灌注时若出现停顿、拔管过快或导管拔空等情况，很容易导致桩身夹泥、断桩、缩径、疏松、不密实等问题。这些缺陷如果得不到及时的修补处理，将直接影响桩身完整性、稳定性，影响建筑项目的使用。而低应变法就能够有效地发现这些缺陷。

低应变法采用能量瞬态或稳态激振方式于桩顶进行激振，通过能量的激振力形成波动，而波动从桩身一直到桩底进行传播，通过实测桩顶部加速度时程曲线或速度导纳曲线，结合波动理论进行分析，从而完成桩身完整性的判定。在瞬时锤击力的冲击下，压力波以波速C向桩底传播，若存在桩身混凝土内部缺陷，缺陷面形成波阻抗界面，波到达该界面时会透射与反射，桩顶接收到反射波能量，从而出现变化，以此探明桩身质量。不同情形下反射波特征曲线表现差异较大，可探明桩身缺陷、断裂、沉渣等情况，在实际的应用中取得了比较理想的应用效果。

2 基桩低应变法检测的判断依据

低应变法进行基桩完整性检测主要运用反射波理论，物理模型为一维弹性杆件，桩深波阻抗大于桩周土，用力锤击桩，顶桩中产生引力波，引力波在向下传播过程中遇到波阻抗界面会出现波的反射，人们根据反射波的波形、相位、振幅、频率及波的到达时间进行桩身完整性的判断，其对应具体的判断依据。若桩身完整，任意两个截面桩身内不会产生引力波，此时桩顶加速度传感器测量得到的反射波信号为零。桩身存在缩径问题，引力波由桩顶向下传播时由大截面传播到小截面，也就是缩径处，反射波到达桩顶时检波器检测到的引力波与冲锤击压缩波方向一致；若桩身存在扩径问题，弹性波由桩顶向下传播，先小截面传播，后大截面，反射波到达桩顶时检波器会测到引力波与初始锤击波压缩波方向相反。桩身存在离析问题，主要对应不规则的波形表现，且波形频率偏低，第一反射波与初始波一致，后续反射波信号杂乱无章。桩身断裂或存在夹层情况，反射波波形十分尖锐，能量强，主频率单一夹高频成分似正弦波形，到下半副则减弱，若存在大斜形断裂问题，波形会有明显畸变表现。

3 采用低应变法进行基桩检测曲线判断时的注意事项

3.1 钻孔灌注桩上部护筒

钻孔灌注桩成孔施工作业时，会在上部倒入比桩深直径偏大的护筒，一般规格为1200~1500mm之间，当桩浇灌成型后会对应上大下小的变径，当使用低应变法进行基桩检测，曲线在变径部位会有缩径反射，甚至出现多次反射的情况，干扰正常信号，影响判读。图1显示了钻孔灌注桩的上部护筒影响曲线的具体情况。针对这一问题，要先了解桩帽是否存在，避免出现误判的情况。

图1 钻孔灌注桩的的上部护筒影响曲线示意

3.2 人工挖孔桩上部变直径

正常情形下，人工挖孔桩混凝土护壁厚度在150~200mm之间。若土层较好的情形下，部分施工企业为节约成本，减少材料使用，上部护壁进行规范施工，而下部护壁减少厚度，一般减少30~70mm，此时桩身直径变小会形成桩顶大、桩身小的桩帽，此时低应变法基桩检测其曲线，在变径处会有明显的类缩径反射或出现多次反射的情况，也需要特殊关注，了解桩帽是否存在，避免出现误判情况。

3.3 钻孔桩入岩变直径

若在软土层中钻孔灌注桩钻头晃动，土层存在自然塌方的风险。桩孔直径会大于钻头直径，当其进入硬质土层或坚硬的岩石层，在其导向作用下，桩孔直径不变，但桩身从软土层进入硬土层或岩石后桩身直径变小，使用低应变法进行基桩检测及对应的曲线有缩径反射可能，而桩身从硬质土层进入软质土层会出现相反的情况，此时桩身直径变大，曲线则对应扩径问题。这种情况也要做好地质勘察，了解土层情况，获取关键信息，以避免做出假缩径、假扩径的误判。钻孔桩入岩变直径现象影响曲线见图2。

图2 钻孔桩的入岩变直径现象影响曲线示意

3.4 人工挖孔桩入岩变直径

在实际的低应变法基桩完整性检测中，也存在人工挖孔桩入岩变直径的情形。这是因为人工挖孔混凝土灌注桩，当桩身进入岩石后，便不再使用混凝土护壁。此时桩身直径会小于土层中的桩身直径，偏差在200~300mm，低应变法基桩检测所对应的曲线在该部位会出现类缩径反射，典型的入岩人工挖孔桩桩底清理相对干净，桩底反射十分微弱，在曲线判读时，要避免将类缩径反射当作来自于桩底的反射信号，从而产生误判。

3.5 人工挖孔桩桩底混凝土离析

部分基桩施工作业项目地形条件复杂，地下水太大，且没有采用水下混凝土灌注工艺，使得桩身下部位或整个桩身在水的浸泡作用下会出现混凝土离析的问题。桩身混凝土离析是渐变的过程，需要长期的渐变反应，因此在使用低应变法进行基桩完整性检测时，所获取的曲线反应不够明显，且无法获知桩底反射信号，也可能对应桩底反射信号；或者能获取，但频率变低、波形变宽，平均波速变小，在这种情况下，应避免盲目根据曲线情况进行桩身质量的判断，应配合钻孔取芯检查，以查明混凝土离析的真实情况。人工挖孔桩桩底混凝土离析现象影响曲线情形见图3。

图3 人工挖孔桩的桩底混凝土离析现象影响曲线

3.6 入岩深度偏大的大直径灌注桩

当前路桥施工中基桩工程较多，而针对路桥工程也存在入岩深度大的大直径灌注桩的作业情形，若基桩入岩时深度偏大，甚至超过了桩长的80%以上，岩石会对激发能量波有吸收作用，此时使用低应变法进行基桩检测，可能无法检测到桩底，只能检测到大致的入岩位置，因此获取的曲线只是震荡波，震荡波见图4。这种情况也要特殊对待，结合多种材料进行综合判断，熟悉地质条件，明确施工的特殊性，根据低应变法测试曲线探明桩质量问题。

图4 大直径灌注桩入岩很深时影响曲线示意

4 低应变法在基桩检测中的具体应用案例

4.1 桩径变化产生的低应变曲线同向反射信号

以某跨海大桥为例，对其水中墩8-8号桩进行检测。桩长34m，桩径1000mm，所获取的低应变检测曲线如图5。从低应变曲线情况来看，6m处有比较明显的缺陷，反射信号存在，于桩中心两侧部位靠近钢筋笼处钻芯，两孔分别取芯8m。从取芯情况看，芯样连续、完整且坚硬，对应的骨料分布也比较均匀，侧壁处于光滑状态，没有发现明显缺陷。由此可认为是因为桩径变化产生的低应变曲线引发的误判问题。8号墩处于水中，共计8根，桩顶高程为-5.69m，护筒底高程为-11.98m，深度在6m左右，且有不同程度的同向反射信号，尤以8号桩最为严重，但通过取芯验证却没有发现明显的缺陷，整个灌注作业过程中也没有明显的失误，综合判断得出结论，护筒直径超出桩直径0.3m，护筒底部以下桩身有明显假缩径问题，造成低应变检测曲线判断结果不准，建议水中墩灌注桩护筒应延伸至桩顶以下数米，且确保护筒直径大于桩身直径。由此可知，在进行低应变法基桩检测时，应先排除护筒扩径的因素。

图5 8-8号桩低应变曲线

4.2 基桩施工工艺不当引发的桩身质量缺陷

施工工艺不当会导致桩身质量缺陷。通过低应变法基桩检测曲线查明桩深质量，以某工程为例，0~8号桩桩长43m，桩径1000mm，使用低应变法进行基桩检测获得曲线如图6。在26m处有类似桩底反射信号，但根据灌装记录看，确实灌注了43m，为验证26m处的桩身质量，钻芯进行验证，取芯结果表明，0~25.9m处芯样处于完整状态，而25.9~26.6m芯样一小部分为黄色黏性土，26.6m以下又对应完整芯样，认为26m左右有缩径问题。

图6 0-8号桩低应变曲线

4.3 施工失误引发的基桩质量缺陷问题

某工程0~10号桩，桩长50m，桩径1500mm，采用低应变法基桩检测获取检测波曲线。从曲线情况看，全部存在缺陷，开挖验证发现垂直桩身竖向有裂纹。裂纹严重程度较高，但考虑到一维理论检测桩身纵向裂纹依据不充分，遂采用扩径桩理论进行解释，再使用低应变法进行基桩检测，但没有明显裂纹，低应变法检测曲线则探明浅部缺陷，施工单位在桩头剔除过程中发现桩头有竖向裂纹，未探明裂纹深度，挖开桩周土发现两侧均有裂纹，且下延进1m。调查发现，相邻桩近6m长的桩头倒向该桩并砸中[2]，属施工失误引发基桩质量缺陷问题。

5 基桩的低应变法检测曲线判断注意事项

单纯依靠曲线变化情况进行桩身完整性的判断并不全面。结合几个典型案例，认为混凝土灌注桩低应变法检测应注意以下几点：

（1）要明确基桩位置的地质情况、水文情况。特别是桩身存在穿过软土层、砂土层时，若工艺运用不当很容易出现孔壁坍塌问题，出现缩径现象。因此，当判明桩身有缺陷时要调整施工工艺。

（2）要明确基桩的施工方法，这是使用低应变法进行基桩检测的基本要求。当前的灌注中有沉管灌注、钻孔灌注、人工挖孔灌注等不同类型，且又对应反循环钻孔、正循环钻孔等成孔法，需要施工单位根据具体情况合理选择施工方法，并做好特殊保护。在使用低应变法进行基桩检测时要预估到这些情况，对护筒过长、直径过大等问题有所考虑。

（3）要关注低应变反射波法受到的干扰因素，诸如桩身截面突变、断桩、空洞、离析、沉渣、应变/激振方式选用、桩头的处理情况等都会对判别结果造成影响，对于大直径桩、长径比很小的桩，应注意其尺寸效应，不能完全用一维理论来解释，可采用增加检测点、与其它检测方法相互校核的方式进行。这也要求检测人员在检测过程中要细心、全面、谨慎，避免出现人为误判的情况，只有多方面综合分析，必要时配合钻孔取芯或开挖验证才能真正保证桩身质量过关。

6 结束语

本文根据低应变反射波法测桩工作原理，在参考相关文献、分析具体检测案例的基础上，对低应变检测曲线中波形判读的几个“假缺陷”现象进行了论述，并对产生这些波形的原因进行了系统的分析，希望对检测人员有一定的指导与参考，真正引起现场测试及分析人员的重视，提高检测工作质量，确保检测评定结果的高可信度，也为基桩施工作业提供检测理论支持。