房屋建筑工程中桩基质量无损检测常用方法探究

2023-01-12侯宪稳王得盟

建筑与装饰 2022年14期

侯宪稳王得盟

山东华材工程检测鉴定有限公司山东济南 250000

引言

房屋建筑工程中对混凝土桩基质量进行测试以确保桩基的正常运行，该测试在桩帽施工前进行。大部分现浇桩的失效是由于桩轴颈缩不良、外来物质侵入，以及土壤颗粒污染基部混凝土造成的桩趾形成不当、混凝土不连续、高水流导致混凝土浸出、施工不当方法，混凝土质量控制不佳等。预制混凝土桩的搬运操作过程中会产生裂缝，这也可能导致预制混凝土桩的失效。因此，为确保桩的正确放置、强度和耐久性，在完成桩承台之前进行桩基质量无损检测。

1 房屋建筑工程中桩基质量无损检测的重要性和必要性

混凝土桩和钻孔是基础的重要类别。尽管它们的成本相对较高，想将重型上层建筑（桥梁、房屋建筑工程等）的载荷转移到较低的土壤层时，就变得很有必要了。一般来说，桩的完整性是指深基础和桩的某些特征，例如：桩的物理尺寸（长度或横截面）、桩的连续性（存在空隙或主要裂缝）、桩的材料一致性等。这些元素的特殊几何形状（例如：长度、直径和钢筋笼的存在）在施工过程中提出了一定的挑战：桩的形成问题、具体放置问题、钢筋笼安装问题。这些问题可能会导致缺陷，例如：不连续（裂缝、空隙）或桩单元横截面的突然变化（鼓胀、颈缩），由于桩元件通常埋在地下，这些元件的质量控制和质量保证成为一个具有挑战性的问题。

在过去的几十年中，已经开发了不同的侵入式和非侵入式方法，以帮助工程师使用简单、可靠和经济高效的方法来评估这些元素的质量和一致性。大多数时候，桩头是唯一可以进行检查和测试的区域。桩基质量无损检测是指对桩的物理尺寸、连续性和桩的材料一致性进行定性评估。而测试方法的选择取决于许多参数，包括（但不限于）：桩尺寸（横截面、深度）、桩型、地层/土壤状况等。接触桩元件通常仅限于桩头区域，因此测试要么必须在桩头上进行，要么在桩施工期间需要实施某些特征。

桩基有效地将作用在上部结构上的荷载传递到土壤的下层。尽管成本相对较高，但它们在桥梁、房屋建筑工程等方面的需求量很大，但是桩的独特几何形状在施工过程中带来了特定的挑战。最常见的挑战涉及与混凝土浇筑、钢筋笼安装、桩形成、套管管理、钻孔、泥浆管理等有关的问题，所有这些问题都可能导致不连续性，并带来可能影响整体桩完整性的横截面变化。一旦桩元件被埋在地下，就无法进行质量控制和保证。在大多数情况下，桩头是唯一可以进行检查和测试的部分。因此，通过桩基质量无损检测，依靠其可靠且具有成本效益的方法来评估桩元件的质量和完整性[1]。

2 房屋建筑工程中桩基质量无损检测的方法与具体措施

评估桩基质量无损检测方法主要有：低应变桩完整性测试、超声波交叉孔测试、平行地震测试、热完整性测试等，每种测试方法都有一定的优势和局限性。下文将主要介绍和讨论这些测试方法。

2.1 低应变冲击完整性测试

深地基低应变冲击完整性试验或桩体完整性试验是评价桩构件完整性最常用的无损检测方法。在这种方法中，使用高精度传感器记录桩头对外部施加冲击的响应。在测试过程中，传感器安装在桩头上，使用的传感器可以是速度传感器或加速器。该测试方法可以使用脉冲回波法（PEM）、声波回波（SE）法和脉冲响应（IR）瞬态响应程序来确定加速度和原信息。低应变桩完整性测试确定：桩中的不连续性，如空隙和裂缝、桩横截面的变化，如颈缩或鼓胀、桩的深度、堆料的一致性。该方法不提供桩的承载能力，不能在桩帽上进行。此外，当在具有可变横截面的桩上进行时，该测试无效。

在使用低应变冲击完整性测试时，必须认识到该方法的能力和局限性。基坑结果的质量直接取决于操作员对系统的熟悉程度和对桩基的经验，例如，传感器连接的桩表面处理、对特定桩尺寸使用特定锤重、数据处理等因素，如果不认识它们的贡献，很容易影响结果。钻孔桩或螺旋钻孔灌注桩，其横截面具有多个或大的变化，可能会导致难以或不可能分析的复杂记录。此外，一般情况下，长径比不超过30的桩可以产生必要的信号，而不会因土壤阻力或桩的材料特性而产生过度阻尼，尽管有时可能会偏离这一规则，并且在特殊情况下，对较大比的桩进行合理测试。

低应变冲击完整性测试不会生成有关桩承载力或桩荷载传递机制的信息。然而，低应变冲击完整性测试能够产生有关桩质量的信息，如，是否存在空洞或断裂等缺陷，以及桩的长度等，即使这些能力也会受到信号处理过程中需要做出的假设的影响。此外，即使在理想条件下，也应谨慎地允许结果存在一定程度的不确定性，尽管不确定性程度受可用信息的可信度的影响。假设桩长上的坑结果变化高达10%的情况并不少见，尤其是已知由于材料质量（例如混凝土）的变化，波速变化为±5%的可能性很大。

2.2 超声波交叉孔测试

超声波交叉孔测试提供有关混凝土均匀性和完整性的信息。该方法用于识别劣质混凝土区域，克服了低应变冲击完整性测试的局限性。这种方法需要在混凝土浇筑期间使用平行的金属或塑料管制作许多垂直孔，根据桩的直径，可以确定这些孔的数量和配置，孔应充满水。一个声波发射换能器被降低到一个管子的底部，而另一个声波接收换能器被放置在第二个管子的底部，两个换能器都以相同的速率向上拉，来自发射器和接收器探头以及深度测量装置的信号被传输到现场计算机化设备，用于以超声波剖面的形式记录、处理和显示数据，分析信号以确定缺陷的位置，以及识别缺陷的程度。可以使用多个孔扩展测试，从而对桩进行完整的横截面分析。超声波交叉孔测试是评估大直径桩时的理想测试。

例如，在项目现场获得的超声波交叉孔测试数据可能显示缺陷，也可能不显示缺陷。在现场获得的所有扫描中，也可能只有很少一部分显示出缺陷。在这种情况下，了解缺陷沿桩长的范围以及横向的范围非常重要，这可以通过断层扫描分析实现，断层扫描分析可用于获得缺陷的三维分析或图像视图，层析成像分析要求桩体内至少有4根管子和6次扫描，并使用混凝土波速作为参数来获得输出，该方法评估缺陷的程度和大小。为简洁起见，仅提供了一次扫描，尽管该直径为1000mm的钻孔桩获得了6次扫描。通过此类分析了解缺陷的确切位置和范围，可以更换或修复桩。

2.3 平行地震测试

低应变冲击完整性和超声波交叉孔测试方法需要清楚地进入桩尖。平行地震法主要用于现有结构的混凝土桩的完整性评估，因为上部结构已经建立在基础上。对于完整性评估，在靠近桩并与桩平行的地方钻孔。钻孔衬有塑料管并充满水，用于传感器和周围表面之间的耦合，声波接收器放置在管的底部，以恒定的速度向上移动。桩帽由手持锤进行击打，来自接收器探头和深度测量装置的信号被记录下来，并以声波轮廓的形式进行分析，然后使用该轮廓来评估桩的完整性。

例如，当使用平行地震测试确定安装桩的长度时，使用混凝土和土壤中的波速变化，如果接收器位于桩尖下方，波的到达会延迟，这可以在制作地震仪时看到。然后，可以通过两条线的交点以图形方式估算桩的长度，由于钻孔偏移，提出了一个修正系数，并证明该修正系数可以改善结果。此外，已知放置接收器的钻孔在桩附近时会发生偏差，这是由于桩安装期间土壤变硬造成的，提出了另一个修正系数，其中考虑了这种偏差，这意味着应该知道钻孔的偏差，这可以在钻孔或锥体中使用测斜仪。桩留下的另一个印象是脚趾的振动，桩尖作为一个新的振动源，以相对较高的振幅向各个方向发送声波。从数值和实验测试来看，平行地震测试在确定长度时被证明相对准确，它可以用于多种类型的基础，如深基础或房屋建筑工程中。与其他无损检测方法相比，平行地震测试方法成本较高，因此并不总是首选方法[2]。

平行地震测试的成本主要来自钻孔或在地面安装接收器。桩身缺陷检测在寻找缺陷时，过程更加复杂，地震仪可以用来显示波在不同深度的到达时间，这将显示阻抗变化时波的速度如何变化，或波如何被反射、折射等。例如，如果桩的直径减小，穿过土壤的路径就会增加，由于土壤中的波速小于通过桩体的波速，因此缺陷附近接收器处的a.t延迟。如果存在凸起，则可以预期相反的情况，且a.t较短。如果振动从桩转移到缺陷位置的土壤，这是可以测量的。除了p波的到达外，s波的到达可能也很重要。缺陷的一个可能迹象是两种波的振幅，根据缺陷的类型，p波或s波变得更加突出。在这种情况下，缺陷和接收器的深度也很重要。缺陷的另一个指标是在缺陷上方测量的波在缺陷处的反射，同样，使用清晰的地震仪，可以看到头波后的反射。

2.4 热完整性分析

最近，利用养护混凝土的自然温升，开发了一种评估钻孔竖井完整性的新方法。热完整性分析（TIP）使用混凝土水泥浆的温度变化来评估桩和深基础的完整性。该方法涵盖范围广泛的桩和深地基，包括钻孔桩、微型桩、现浇预钻桩、连续飞行预钻桩、钻孔置换桩等。该技术背后的概念是记录水泥固化期间的温度变化和历史，该温度可以与混凝土的强度增益以及桩和深地基的完整性相关联。

与之前描述的方法相比，TIP有几个优点：

2.4.1 热完整性分析可用于评估钢筋笼外的混凝土部分，提供桩质量的实时数据，可以缩短施工时间，数据解释相对容易。TIP测量对桩和深基础的完整性测试有一些限制，包括：只能用于新桩的完整性测试。热完整性分析需要一个参考图来比较记录的日志以进行完整性评估，TIP电线和传感器在安装和混凝土浇筑过程中可能会损坏。

2.4.2 TIP测量是一种用于完整性评估的比较方法，即使混凝土桩是健全的，与参考图相比，混合设计的变化可能会导致巨大的差异。

2.4.3 TIP这个概念涉及精确测量井筒内的温度，这是由于温度梯度存在时（第一周内）产生的水合热。随后与计算机模型的信号匹配用于识别不产生热量的夹杂物的位置和大小。

2.4.4 除了全面完整性评估的优点外，该方法还可以在混凝土仍为“绿色”时提供完整性反馈，便于取芯、冲洗和灌浆受影响区域。在1980年底，南佛罗里达州大学研究人员理想化了一种基于固化混凝土基础单元周围的实测土壤温度评价钻孔轴完整性的方法，被认为当时正在发展的准静态圆锥贯入仪可以配备热电偶，能够记录水泥水化反应产生的热量引起的土壤温度的细微变化，这些温度变化表明竖井结构受损。从概念上讲，均质混凝土圆柱体将产生随深度变化的均匀温度剖面（某些变化归因于土壤地层学）。然而，由于许多钻孔竖井是在不适合圆锥贯入试验的土壤（例如岩石或砾石土壤）中浇筑的，因此这种方法的应用受到严重限制。例如，钻杆加固笼中的进入管的一般使用重新聚焦热完整性概念，以考虑从桩内部捕获和建模温度数据，利用加窗或聚焦红外系统对工业过程进行远程监控的最新进展，使USF的研究人员能够设计一个初步系统，用于记录接入管内壁上的连续热迹，使用的红外传感器坚固耐用，可以使用反射波技术记录表面温度[3]。