基桩完整性检测方法应用分析

2023-04-03贠宝革於嘉旺

中国建筑金属结构 2023年2期

贠宝革，於嘉旺

（1.中交二航局建筑科技有限公司，湖北武汉 430000；2.中冶交通建设集团有限公司，北京 100000）

0 引言

在公路水运工程建设中，桩基完整性检测不但影响下一环节施工，而且是构筑物整体质量评定的关键性参数。《水运工程基桩试验检测技术规范》[1]中桩身完整性检测方法主要是高应变法、低应变法、钻芯法和声波透射法；钱芬芳[2]通过对比试验的方法分析了各种单一检测方法的优缺点；蔡杰龙等[3]通过工程实例评价了不同检测方法在工程基桩检测中的优势和不足；吴斌杰等[4]运用理论计算和模型试验相结合的方法，研究了尺寸效应及桩身阻抗变化对低应变法检测基桩完整性的影响；林婷[5]通过分析低应变法和声波透射法的特点，并结合工程案例分析了综合运用两种方法的优势；王炜等[6]通过理论和实际相结合的方法分析了不同缺陷程度的反射波形曲线；黄政霖[7]结合工程实际对大直径长灌注桩进行了完整性检测方法对比分析；Guan Wenjie 等[8]通过低应变反射波法研究了桩土系统三维效应对大直径桩竖向动力响应的影响；吴腾辉[9]对不同桩基完整性的检测方法进行了介绍并分析了其优缺点；袁金兴等[10]通过工程实例研究了软土桩基中声波透射法检测关键；燕季红[11]分析了主要检测方法对工程桩基检测的影响；Meng Kun 等[12]通过土桩模型和异桩模型的分析方法研究了层状饱和土中桩基完整性检测方法的应用。本文在前人的研究上进一步介绍分析常用桩基完整性检测方法的优缺点、关键要点和工程实际应用。

1 桩基完整性检测方法及优缺点

1.1 高应变法及其优缺点

高应变法是用重锤在桩顶施加瞬时竖向动载荷，在冲击作用下使桩土体产生相对位移，从而激发桩土效应。在动载实施前将加速度传感器和应力应变传感器对称安装在桩顶两侧，用以传递动测信号，通过传递回的动测信号分析桩身的完整程度。

高应变法存在以下优点：

（1）锤击能量大，能够检测到长桩中下段及底部存在的缺陷，尤其是在多节预制长桩的检测，能够检测到最深接桩位置的质量；

（2）基桩完整性等级评定可以通过完整性指数β 进行直接判定，简单直观；

（3）能够在检测完整性的同时兼顾检测基桩承载能力，尤其是在试打桩和打桩监测中有着独特的功能。

高应变法存在以下不足：

（1）重锤体积笨重，锤击过程复杂，检测设备价格高，检测成本高而检测效率较低；

（2）重锤起落过程中存在的安全隐患多安全风险大，造成人身机械伤害概率大；

（3）锤击能力量大虽然能够很好地检测到深处缺陷但同时桩顶位置的轻微缺陷容易被遮盖。

1.2 低应变法及其优缺点

低应变法是将桩假设为弹性连续杆，在桩顶施加低能量瞬态（或稳态）激振力产生弹性波且沿桩身向下纵向传播，当桩身出现明显变化时波阻抗也将发生明显变化并产生反射波传递至桩顶传感器通过仪器进行分析计算，定性分析桩身缺陷位置。

低应变法存在以下优点：

（1）工作原理简单易理解，分析计算理论完善，仪器设备轻便易携带；

（2）检测操作过程简单，检测辅助设备便携只需体积稍小的手锤或力棒敲击即可，不需要大型吊装设备辅助配合；

（3）仪器设备便宜，检测成本低，检测速度快，检测效率高，适用于大批量检测且能够很好地保证完整性检测质量。

低应变法存在以下不足：

（1）桩身不规则形状和尺寸影响检测结果，容易错判，但实际工程中不规则桩使用极少比如渐细桩、渐粗桩和弯曲桩等；

（2）桩身缺陷只能定性判定，无法定量判定，尤其是嵌岩桩；

（3）对小缺陷灵敏性低易被忽视，当有多处缺陷时，由于激振能量有限，桩身深处缺陷容易漏判；

（4）在不知桩长、桩身强度的条件下，禁止被用于校核被测桩的桩长和桩身强度。

1.3 钻芯法及其优缺点

钻芯法是一种局部破坏性检测方法，它是用取芯设备从基桩中钻取芯样，直观反映桩身的完整情况。

钻芯法存在以下优点：

（1）直接准确反馈桩身的完整情况的同时验证桩长、强度、桩底沉渣等情况；

（2）检测结果如果只是轻微缺陷可通过加压注浆增强处理，提升整体强度，修复轻微缺陷以满足规范和设计要求；

（3）取芯数量少，但能反映桩的整体质量，尤其是长桩的深层质量；

（4）验证无损检测完整性异常的判定结果为后期处理提供依据。

钻芯法存在以下不足：

（1）适用范围有局限性，一般在旋喷桩和灌注桩使用，不在预制桩中使用；

（2）取芯会造成原有结构局部破坏，影响原结构的耐久性和安全性，取芯位置的选取专业性和经验性强，需要刚好选在缺陷正上方；

（3）取芯速度慢，用时久，效率低，检测花费大。

1.4 声波透射法及其优缺点

声波透射法是用声波换能器在预埋桩中的声测管间发射和接收声波，并将声波信号传递到检测仪中。通过收集到的声时、声速、波幅和主频等参数判断桩身缺陷程度及相应位置。

声波透射法存在以下优点：

（1）可以检测从桩底到桩顶各处各横截面砼质量，检测结果精准可靠，不仅能判定缺陷程度还能确定其具体位置；

（2）可进行超长灌注桩检测不受长径比限制，尤其适用于大体积桩检测；

（3）检测现场操作简单，检测速度快，桩身轴向检测充分，存在多处缺陷时不会漏测。

声波透射法存在以下不足：

（1）需提前埋设声测管且确保其不弯折、不堵塞，技术要求高；

（2）检测前需清洗测管，将管内注满清水，一旦发生堵管、断裂等将无法完成后续检测工作，如果洗管不彻底可能会造成桩底检测结果错判误判情况；

（3）只能检测到声测管间的纵剖面范围，存在随机性；

（4）检测过程需要团队人员配合，分工明确协同作业，做好管距测量、换能器同横截面、提升装置和仪器设备检测记录同步。

2 检测方法的关键要点

2.1 高应变法关键要点

高应变是一种既能检测完整性又能检测承载力的方法应掌握以下关键要点：

（1）操作人员具备一定的英语基础，能够熟练掌握仪器使用，确保采集的数据可靠、准确和有效；

（2）加速度和应力应变传感器对称安装在同一截面的桩身两侧，紧贴桩壁安装牢固，应力应变传感器安装牢固前应存在一定的活动量避免应力残余；

（3）重锤落点位于桩中心且重力方向同桩中心轴向重合，避免偏心情况发生；

（4）检测开始前测试传感器及线缆传递信号情况，确保仪器设备性能良好；

（5）检测过程中时刻关注人员安全和采集信号情况，确保安全准确地采集记录信号；

（6）根据采集信号并结合地勘资料分析桩身完整性及承载力。

2.2 低应变法关键要点

低应变是一种操作简便使用广泛的完整性检测方法应掌握以下关键要点：

（1）凿除超浇部分，露出坚硬密实混凝土，并按规范要求在桩顶清理出三到四个无水、平整、干净平面以备检测使用，预制桩可在破桩头前进行检测；

（2）传感器黏接位置干净平整，合理选择耦合剂将传感器和桩顶平面黏接牢固；

（3）根据桩型和桩长合理选择敲击手锤或力棒，根据工作经验一般15.00m 内的桩使用手锤敲击信号，超过15.00m 选择力棒敲击信号以便更好地检测到桩底信号；

（4）敲击位置应干净密实坚硬无积水，敲击方向需同桩轴线方向保持平行；

（5）仪器设备内输入的桩长、桩号、强度及波速要准确合理，一般强度在C30～C40范围内，波速设定为3.800～4.000 km/s，强度在C60～C80 范围内，波速设定为4.100～4.200 km/s；

（6）通过时域曲线和频域曲线共同分析来提高基桩完整性评定的可靠性。

2.3 钻芯法关键要点

钻芯是一种专业技术要求强的局部破坏性检测方法应掌握以下关键点：

（1）取芯机底座安装要牢固水平合理；

（2）取芯设备需由专业的技术人员使用，芯样提取过程要注意人身安全：

（3）取芯过程中要时刻保持钻杆钻进方向同基桩轴线平行，开始缓慢钻进，如果遇到钢筋及时调整角度缓慢钻取，保证钻取过程中有充分的水冷却；

（4）每回次进尺和取芯长度严格按照相关规范进行并做好相关记录；

（5）取出的芯样由桩顶到桩底依次有序排列放置并做好米数位置标记。

2.4 声波透射法关键要点

声波透射是一种精准度高灵敏性强的无损检测方法应掌握以下关键点：

（1）检测前应做好声测管清理工作，确保声测管通畅且注满清水；

（2）测试声波换能器工作性能良好，仪器设备记录分析功能正常；

（3）以北向为基准沿顺时针方向依次标记管号并绘制成图；

（4）将各个声波换能器严格对应放入相应声测管内；

（5）测量各个声测管间的水平距离；

（6）团队合作，分工明确协同作业，换能器同横截面且在桩底位置刚刚立起、提升装置和仪器设备检测记录同步；

（7）严格按照波形、波速、波幅和PSD 值进行等级评定。

3 检测方法在工程中的应用

3.1 高应变法实例应用

以某实际工程中的PHC 桩为例进行高应变分析。PHC 桩的相关参数为桩长：18.00m，桩径1 000mm，强度C80，此次采用D-100 筒式柴油锤进行检测。由图1 高应变力和速度阻抗乘积波形曲线图可知，该桩桩底反射信号明显，完整性指数β=0.87判定为Ⅱ类桩，该桩在15.20m 位置存在轻微缺陷反射波。

图1 高应变力和速度阻抗乘积波形曲线图

3.2 低应变法实例应用

以某实际工程中的PHC 桩为例进行低应变分析。PHC 桩的相关参数为桩长28.00m，桩径500mm，强度C80，此次采用5kg 力棒进行敲击。由图2 低应变实测时域曲线图可知，该桩未检测到桩底信号考虑为桩底土同桩身阻抗相近所致，桩顶以下约3.00m 位置虽有同向反射信号但并非缺陷，是因为桩顶靠下位置浇筑薄层混凝土垫层造成的，因此将该桩评定为Ⅰ类桩。