不同桩基完整性检测方法的探讨

吴腾辉

（广州仲恒房屋安全鉴定有限公司）

0 引言

桩基由桩身与桩顶承台组成的深基础或者由柱与桩基连接的单桩基础，通常情况下桩身较长且埋于土体中，属于隐蔽的地下基础工程。桩基主要承受上部结构传递下来的荷载，因而桩基质量的好坏将直接关系着上部结构的质量及安全，因此对桩基进行科学、准确地检测具有重要意义，桩基检测主要包括承载力检测和桩身完整性检测[1]。

《建筑基桩检测技术规范》[2]中明确了桩身完整性的检测方法主要有钻芯法、低应变法、高应变法和声波透射法，工程研究人员根据规范中提及的检测方法对桩基完整性展开了丰富的研究。董承全[3]、钱芬芳[4]等研究表明每种检测方法具有其局限性，采用多种检测方法可实现优势互补，提高检测结果的可靠性；蔡杰龙[5]等基于工程实例对比分析并综合评价了钻芯法、低应变法、高应变法和声波透射法，结果表明四种方法各有优势，在工程实际中应根据基桩的特点、要求和试验条件科学合理的选择检测方法。本文在文献阅读的基础上，阐述了钻芯法、低应变法、高应变法和声波透射法检测桩基完整性的原理，并归纳了各种检测方法的优缺点，根据相关工程案例探讨了不同检测方法的差异性，最后对桩基完整性检测方法的发展进行了展望。

1 桩基完整性检测方法的原理及优缺点

1.1 钻芯法

钻芯法属于局部破损检测方法，其做法是利用钻机设备从桩基中钻取芯样，直接反映桩身的情况。钻芯取样过程虽基本不受试验场地的限制，但钻机设备的垂直度对取样的成功与否起到至关重要的作用，因此在安装钻机设备时需保持周正、稳固以及底座水平，试验时需要时刻关注钻芯孔与桩体的偏离情况，若发生偏离应立即停机并进行垂直度校准。

钻芯法具有以下优点[6-8]：

⑴能够客观、准确的反映混凝土灌注桩的桩身完整性、桩长、桩身混凝土强度、桩底沉渣厚度、骨料分布、桩端持力层等多方面状况，有助于对灌注桩进行全面、直观地观察与分析；

⑵可以利用钻探孔对桩基进行灌浆增强、补强处理，提升桩身混凝土的强度。

另一方面，钻芯法具有以下缺点[5-8]：

⑴钻芯取样需要的时间比较长，在一定程度上会影响工程进度，而且检测成本相对较高；

⑵钻芯法适用于灌注桩，在使用范围上也具有一定的局限性；

⑶取芯位置、芯样直径、芯样数量等选择不当会导致桩身中缺陷没有被检测到，因而不能准确反映桩基完整性的实际状况。

1.2 低应变法

低应变法的基本原理是反射波法，建立在一维波动理论基础上。将桩假设为弹性连续杆，在桩顶采用低能量瞬态或稳态激振的方式使其发生竖向激振产生弹性波并沿着桩身向下传播，当桩身出现显著变异的界面，如断桩、离析、桩底等，或者桩身截面面积发生明显变化的部位，如缩径、扩径等，此时波阻抗将有明显变化，产生反射波并传递到桩顶。与此同时，安装在桩顶的传感器将收集的反射波传递至检测仪中进行分析计算，判断桩身缺陷的位置。采用低应变法进行桩基完整性检测的示意图如图1 所示。

图1 低应变法检测示意图

低应变法具有以下优点[6-8]：

⑴设备轻便易携带，操作简单，理论模型成熟；

⑵检测速度快，效率高，有助于对桩基进行大面积检测，而且检测费用低。

同时，低应变法具有以下缺点[6-9]：

⑴检测结果受桩身缺陷的尺寸效应和几何形状的影响，容易对检测结果造成误判；

⑵只能对桩身缺陷程度作定性判断，无法达到精确定量的程度；

⑶不能全面、准确地反映出桩身缺陷的具体位置，容易发生漏检、误检等情况，无法检测桩底的沉渣。

1.3 高应变法

高应变法与低应变法的原理类似，同样是建立在波动理论的基础上。假设桩身是一维均质线弹性杆体并且破坏发生在桩土界面处，利用锤击系统在桩顶施加竖向瞬时冲击荷载，使桩体产生显著的加速度与惯性力，桩身与土体的界面处在冲击荷载作用下产生相对位移，使桩侧摩阻力得到充分发挥，同时桩端阻力也得到激发。另一方面，在靠近桩顶处桩身的两侧对称装有传感器，用于接收锤击响应信号（桩身应变应力曲线、桩身质点运动速度曲线），通过分析响应信号判断桩身的完整性以及计算单桩的承载力。检测仪器如图2 所示，高应变法检测桩身完整性的示意图如图2 所示。

图2 高应变法检测示意图

高应变法具有以下优点[6-8]：

⑴由于重锤的冲击能量大，能够检测出桩身深部以及桩底存在的缺陷；

⑵在检测桩身完整性的同时可测试单桩承载力。

另一方面，高应变法具有以下缺点[6-8]：

⑴重锤质量大，操作较为困难，检测效率低且检测费用高；

⑵锤击系统对场地要求高，通常需要大型起重设备进行配合工作。

1.4 声波透射法

声波透射法是利用预埋在混凝土灌注桩中的声测管之间发射并接收声波，根据波的传播理论，声波在桩身混凝土中遇到如断桩、扩径、缩径、空洞等有缺陷的部位，声波在传播过程中会发生反射、折射、投射等现象，声波可将缺陷信号传递至检测仪中。通过收集声波在混凝土介质中传播的声时、声速、波幅和主频等参数结果，利用相关公式进行计算并绘制曲线图，从而对桩身完整性展开分析，判定桩身缺陷的程度以及相应位置，检测示意图如图3 所示。为准确判断缺陷的位置，在桩身可疑处可采取加密检测，或采取斜测、扇形扫测等手段，如图4 所示。

图3 声波透射法检测示意图

图4 声波透射法三种检测方法

超声波透射法具有以下优点[6-8]：

⑴检测细致、准确性高，能够判定桩身缺陷的大小以及具体位置；

⑵不受桩身尺寸以及桩长的限制，对纵向缺陷反应强烈，桩身中的多处缺陷不相互影响，避免发生漏测、误测现象。

另一方面，超声波透射法具有以下缺点[5-8]：

⑴需要提前预埋声测管，对施工造成不便，对安装工艺要求严格；

⑵仅对声测剖面范围内有效，不具有随机性。

2 不同检测方法的对比分析

2.1 声波透射法、低应变法与钻芯法

文献[4]以福建省某工程中冲孔灌注桩为例，依次采用声波透射法、低应变法以及钻芯法检测桩身完整性。检测人员根据声波透射法的检测结果发现该灌注桩的桩身有明显的缺陷，判定桩底存在离析现象，但采用低应变法进行检测发现该桩没有缺陷反射信号，由于两种检测结果存在的较大差异，检测人员采用钻芯法进行取样分析，结果与声波透射法检测结果相符，桩身底部发生离析现象。

文献[5]以某工程中混凝土灌注桩为例，分别采用低应变法和声波透射法对桩身完整性进行检测。检测人员根据低应变法的实测曲线判断该桩有轻微缺陷和轻微缩径，而根据声波透射法的检测结果却只判断出该桩仅有轻微缺陷，并未检测出桩身具有轻微缩径。但声波透射法能够准确定位轻微缺陷的深度范围，而低应变法却无法实现；另一方面，由于声波透射法仅能识别声测管内部混凝土的缺陷，因此未能检测出该灌注桩具有轻微缩径。低应变法判定该灌注桩为Ⅱ类桩，而声波透射法则判定为Ⅳ类桩。

以上案例表明，低应变法在检测过程中由于应力波能量的衰减，不利于对桩身底部缺陷的判定，同时对于桩身缺陷的判定不够准确，而声波透射法对于桩身缺陷位置、范围以及程度的判断更加准确，钻芯法虽能够直观地展现桩身的状况，但操作过程比较耗时且费力，因此，对于桩身完整性的检测宜优先采用声波透射法。

2.2 低应变法与高应变法

文献[5]以某工程混凝土灌注桩为例，分别采用低应变法和高应变法检测桩身完整性，检测人员根据检测的曲线结果发现，低应变法检测出桩身的轻微缺陷出现在桩身浅部位置且桩底信号不明显，而高应变法则显示轻微缺陷出现在桩身靠底部位置且桩底信号明显。经分析认为此两种检测方法的测试原理虽相同，但锤击能量与频率不同，低应变法的锤击能量低但频率高，更容易检测出浅部微小缺陷，而高应变法的锤击能量高、频率低，因此容易忽略浅部微小缺陷。此外，低应变法为单通道信号传感器而高应变法为多通道信号传感器，力通道与速度通道的信号特征相反，可相互补充辅助分析，提检测结果的准确性。

3 桩基完整性检测方法的发展与展望

钻芯法、低应变法、高应变法和声波透射法作为检测桩基完整性的常规方法，每种方法都有其各自的优势，但也存在不足之处，操作不当容易对桩基完整性产生误判。为提升检测结果的准确性，一方面需要科研院所的研究人员加大对检测仪器的研发，提升传感器件的性能，以确保检测数据的准确性、稳定性、科学性，此外还应对各种检测方法的理论模型进行改进与创新，提高检测数据的可靠性；另一方面，检测人员应熟练掌握每种检测方法，能够根据实际工况选择合适的检测方法，灵活运用不同检测方法，制定科学合理的检测方案，发挥不同检测方法的优势以确保桩基完整性检测的顺利进行，此外检测人员对检测结果应具有较强的分析判断能力，能够给出准确、全面的桩基完整性评价报告[10-12]。

4 结论

本文阐述了钻芯法、低应变法、高应变法和声波透射法进行桩基完整性检测的基本工作原理以及各自优缺点，并通过相关工程实例探讨分析了不同方法检测结果的差异性，主要得到以下结论：

⑴钻芯法作为局部有损破坏检测方法，取芯过程比较耗时、费力、检测效率较低，但是芯样结果能较为直观的反映混凝土灌注桩的实际情况；低应变法、高应变法和声波透射法属于无损检测方法，检测效率相对较高，但是桩基完整性检测结果不如钻芯法直观、准确。

⑵几种检测方法拥有各自的特点与优势，但也存在不足之处，因此在进行桩基完整性检测时应根据实际工况灵活选择合适的检测方法，制定科学的检测方案，多种检测方法的相互配合有助于提高检测结果的准确性。

⑶为提升检测结果的准确性，检测人员应熟练掌握各种检测方法，并对检测结果具有较强的分析能力；相关科研院所加强对检测仪器的研发，提高检测数据的准确性、稳定性、科学性，研究人员对检测方法的理论模型进行改进与创新，提高数据的可靠性。