声波透射法及钻芯法在建筑桩基检测中的应用研究

陈育光

（广州市市政工程试验检测有限公司，广东 广州 510520）

0 引言

桩基础属于隐蔽工程， 如果施工质量控制不当，可能造成建筑物产生坍塌、开裂等病害，甚至造成较大的经济损失和人员伤亡。如何选择经济合理的检测方法以判定桩基础的缺陷，是检测人员要解决的关键问题[1]。因此，进一步研究声波透射法及钻芯法在建筑桩基检测中的应用意义重大。

1 建筑桩基检测原理分析

目前， 基桩完整性检测常用的方法主要是声波透射法和钻芯法[2]。

1.1 声波透射法检测原理

1.1.1 超声波声学特性

超声波是指频率大于20 kHz 的声波，其用于桩基检测时所涉及的判定参数主要有声速和声幅。 其中声速是桩基完整性检测中的一个相对稳定的参数，主要受波的类型、介质、检测对象的边界条件等因素的影响。声幅是反映混凝土材料性能衰减的参数， 且随着声波传播距离的增加而减小。桩身某一点的相对声幅值Ax可按式⑴计算[3]。

式中：px—第x 个测点的首波波幅值；p0—基准幅值。

1.1.2 超声波检测原理

探头所发射的声波会在发射端和接收端间形成声场，当桩基完整性好时，最短传播路径可视为发射探头间的直线距离，再根据声波在两测管间的传播声时（需扣除系统延迟时间），即可计算出其传播声速；当桩基内部有断裂、夹泥、离析等病害时，会破坏声波传播的连续性，声波可能透过或绕过桩身缺陷传播，使波速计算值偏小。此外，空气和水的声阻抗较小，声波传播过程中遇到蜂窝、空洞等中间有空气的缺陷界面将产生反射现象，使得声能衰减，声波波幅降低。

1.2 钻芯法检测原理

钻芯法是利用钻机沿着建筑桩基内侧钻取混凝土芯样的一种岩芯钻探技术，适用于大直径的钻孔灌注桩。 检测人员根据芯样的外观、抗压强度测试结果等综合判定桩身完整性。 相对于声波透射法， 钻芯法能更直观的观察桩基内部的混凝土质量，但是钻芯法设备复杂、成本较高，会破坏桩体，且“以点代面”，取样部位有限，盲区较大，易产生误判或漏判。

2 建筑桩基检测方案要点分析

2.1 声波透射法检测桩基的技术要点

2.1.1 桩头处理

在检测前要将桩顶松散、破损的混凝土进行凿除，破出坚硬混凝土面，并将桩顶外露的主筋切割掉，防止干扰正常波形。

2.1.2 声测管设计

声测管是径向换能器的通道， 应沿钢筋笼内侧对称布置，并沿顺时针方向依次编号，如图1 所示[4]。

图1 建筑桩基声测管布置示意

根据JGJ 106—2014 《建筑基桩检测技术规范》，建筑桩基内声测管布置数量取决于桩径D。当D≤0.80 m、0.8 m＜D≤1.6 m、1.6 m＜D≤2.5 m 时，桩基内部应分别至少布置2 个、3 个、4 个声测管；如果桩径超过2.5 m 时，应增加声测管数量。

此外，基桩检测所选用声测管的强度和刚度应满足设计要求， 以免混凝土灌注时挤压声测管变形，无法放入超声波探头。 目前，建筑基桩检测常用的声测管有钢管、钢波纹管、PVC 管等。 钢管安装方便，但价格较贵，一般用在大直径灌注桩检测中；钢波纹管管壁薄、抗渗性好、强度高，可直接绑扎在钢筋笼主筋上， 在桩基检测这种应用最多；PVC 塑料管声阻抗率较低，常用于小直径灌注桩[5]。

2.1.3 标定延迟时间

为了准确计算声波在声测管之间的传播声时，需要对测定系统延迟时间进行准确标定，具体措施如下：①将发射、接收换能器平行地放入清水中；②不断改变点源距离，测出相应声时，绘制时距曲线；③按式（2）计算声时t。

式中：t0—时间轴截距，us；b—斜率，us/mm；l—换能器中心间距，mm。

2.1.4 桩基完整性判定方法

利用声速判断桩身缺陷时， 可使用低限值法，见式（3）。 需注意，该方法要求声速测量值的波动不大。

式中：Vi—第i 个测点的声速值，km/s；VL—声速低限值，km/s。 当满足式（3）时，说明该桩基第i 个测点位置有缺陷。

当测量振幅小于振幅临界值时，桩身可能存在缺陷，具体计算方法见式（4）和（5）。

式中：n—测点个数；AD、Am—分别为声幅临界值和声幅平均值，dB；Ai—第i 个测点声幅值，dB。

PSD 判据建立了测线深度与时间线之间的函数关系。这表明：当声时发生变化，PSD 也将发生大幅变化。因此，PSD 判据对建筑桩基的缺陷较敏感，还可排除因声测管不平行所引起的误差。

2.2 钻芯检测桩基的技术要点

2.2.1 钻孔数量和位置

钻芯用于检测桩基完整性时， 钻孔数量应根据桩径D 确定。当D＜1.2 m、1.2 m≤D≤1.6 m、D＞1.6 m，桩基应分别至少钻1～2 个孔、2 个孔、3 个孔。 如果钻芯是为了对桩身质量、检测桩底沉渣或桩端持力层进行验证检测时，每根受检桩可只钻1 个孔。

当桩基钻1 个孔，钻孔位置宜距桩中心10～15 cm；当桩基钻孔数超过2 个， 钻孔位置宜在距桩中心（0.15～0.25）D 的范围内对称布置。

2.2.2 钻进要求

建筑桩基钻芯时要保证钻机设备稳固、底座水平，在钻芯过程中禁止发生倾斜、移位，钻芯孔垂直度偏差≤0.5%。同时，每次钻孔进尺宜＜1.5 m，钻至桩底时，宜采取减压、慢速钻进等措施[6]。

2.2.3 芯样抗压强度

建筑桩基的钻孔芯样抗压强度测定应结合GB 75081—2019 《混凝土物理力学性能试验方法标准》，抗压强度fcor计算见式（6）。

式中：P—混凝土芯样破坏荷载，N；d—试件直径，mm。

3 建筑桩基检测具体案例

3.1 工程概况

受业主委托，对广州市白云区某建筑项目的桩基础进行声波透射法和钻芯检测，以确定桩基的完整性。 检测工程桩的编号为73#，设计参数见表1。

表1 检测桩的设计施工资料

3.2 检测结果分析

3.2.1 声波透射法检测结果

声波透射法对73# 桩基的声速和声幅检测结果见表2。

表2 桩身质量完整性检测结果

3.2.2 钻芯法检测结果

钻芯法的检测结果判定， 该桩基完整性为Ⅰ类，混凝土芯样抗压强度代表值为44.4 MPa，满足设计要求；检测桩长与施工记录一致；但桩底沉渣较厚，不满足设计要求。

综合73# 桩的钻芯法检测和声波透射法检测结果可知，两种检测方法对桩身缺陷位置的评判基本相符，均为桩底位置出现缺陷。 后经反复排查，发现该桩清孔完成后，泵站供料不及时，使清孔间隔6 h 后才开始灌注混凝土，导致泥浆出现沉积或孔壁泥土坍落在桩底，从而造成桩底沉渣过厚。 经与设计单位沟通，提出了桩底沉渣清孔、并注浆补强的处置方案。

4 结论

（1）超声波检测建筑桩基缺陷时，其判定参数有声速、波幅及PSD。

（2）利用超声波技术检测桩基前要破桩头，并按设计文件和现行规范要求埋设声测管，并标定系统延迟时间。

（3）钻芯法检测时要严格控制钻孔数量、钻孔位置、钻孔垂直度，并利用万能试验机测定混凝土芯样的抗压强度。

（4）技术人员应从完整性、混凝土芯样强度、桩底沉渣等方面综合判定建筑桩基的使用性能，如存在不满足设计要求的地方，应及时查明原因，采取相应的控制措施。