超配筋超大直徑樁基完整性綜合評價

王 振，馮忠居，吳敬武，劉 闖，孫平寬，王定梧，黃 鵬，尹相龍，熊 英

超配筋超大直徑樁基完整性綜合評價

王 振1，馮忠居1，吳敬武2，劉 闖3，孫平寬2，王定梧4，黃 鵬5，尹相龍5，熊 英2

(1.長安大學公路學院，陜西西安 710064;2.中國公路工程咨詢有限公司，北京 100097;3.海南省交通運輸廳，海南海口 570204;4.中交一公局土木工程建筑研究院有限公司，北京101102;5.中交第二航務工程局有限公司第五工程分公司，湖北武漢 430012)

根據海南鋪前大橋主墩樁基礎的實際情況，應用超聲波對樁徑為4．3 m、鋼筋籠徑向設置4層的樁基礎進行完整性分析，并結合樁基礎取芯結果對樁身完整性進行綜合評價。結果表明:聲測管在鋼筋籠內側，超聲波信號未出現畸變，當超聲波穿越鋼筋籠時，聲速正常，但聲幅衰減起伏變化十分明顯，且與鋼筋籠梯次布置規律具有統一性，取芯結果證明混凝土密實。因此，超聲波穿透鋼筋時，需采用不同方法對樁基完整性進行綜合評價。

樁基礎;超聲波檢測;超大直徑;超配筋

0 引言

隨著公路橋梁建設技術的進步，樁基礎朝著深長、大直徑方向發展，因此樁基礎工程的檢測環節備受關注［1］。其中，超聲波檢測技術作為樁基完整性檢測的方法，具有操作簡單、設備靈活簡便、探測距離大、不破壞樁的完整性、檢測結果精確度高、定位準確、較鉆芯法費用低等優點，國內的大型橋梁樁基完整性檢測大多采用該技術［2-6］。現有樁基超聲波檢測操作規范中僅對樁基直徑大于2.0 m的聲測管進行了籠統敘述，并將聲測管置于鋼筋籠內側，未考慮鋼筋籠對于樁基超聲波檢測的影響。因此，采取合理的樁基檢測技術對于確保樁基工程的質量具有重要意義［7］。

劉曙光結合湖北襄樊、宜城兩座特大公路橋樁基的檢測實踐，介紹了超聲脈沖法判定鉆孔灌注樁內部缺陷性質、大小的分析方法，以及各類缺陷樁的判別和鉆芯驗樁的比較結果。O'Neill［8］對樁基產生的縮頸、夾泥、離析等多種缺陷進行分析，并對超聲波檢測在發生缺陷時的聲學參數進行對比。馮忠居等［9］對大直徑鉆埋預應力混凝土空心樁施工工藝進行了闡述，并對大直徑樁基礎的施工工藝進行了探討。陳國棟［10］針對洛陽南外環高速公路處某橋梁的樁基礎，運用檢測儀器進行了現場檢測，并采用相應程序，通過聲時、聲幅、聲速、波形不同判據對該樁基礎進行了分析判斷。趙毅［11］結合孟加拉一座橋梁的樁基檢測結果對聲測管埋設在雙層鋼筋籠之間的超聲波檢測結果進行分析，并對國內外樁基超聲檢測評定標準進行了比較。劉洋濤［12］介紹了混凝土超聲檢測原理及方法，并利用波形、波幅和聲時等聲學參數的變化與混凝土質量的相關性，提出了能夠準確判定混凝土灌注樁質量缺陷性質、位置和大小的理論方法，在工程實際應用中得到了很好的驗證。范瑛［13］通過試驗以及工程實例進行分析，提出聲測管管距對于超聲波波速、波幅的影響規律，并對其之間的關系進行剖析。

本文基于海南鋪前大橋主墩超大直徑、超配筋樁基現場超聲波檢測過程中的實際問題，對其完整性進行評價，布設8根聲測管，根據超聲波信號是否穿越鋼筋籠的聲學參數進行對比，并結合試驗樁取芯試驗、回彈試驗對其進行綜合評判。

1 超聲波檢測原理及聲測管布設要求

超聲波檢測時，發射換能器放置于充滿水的聲測管中，將發射系統傳送來的電信號轉換為脈沖聲波向樁身內部輻射，當聲波通過混凝土到達另一個聲測管時，管中另外一根探頭將信號接收并轉換為電信號，經過接收放大器放大后，由數據采集系統將數據離散化并存入計算機［14］。混凝土的質量和缺陷等會使穿透的超聲波信號在傳輸過程中發生折射、繞射等，使得信號的振幅、頻率、傳播時間等聲學參數發生變化，根據這些聲學參數可以對樁身混凝土的完整性、膠結的優劣、缺陷及其分布做出判斷。超聲波檢測中，聲波在混凝土中的傳播速度反映了混凝土的彈性性質，而彈性性質與樁基混凝土的強度具有相關性，因此超聲波聲速與混凝土強度存在相關性;超聲波聲波波幅是表征聲波穿過混凝土后能量衰減程度的指標之一，一般情況下接收波波幅強弱與混凝土的黏塑性有關，接收波幅值越低，混凝土對聲波的衰減就越大［15］。聲速波幅簡明綜合判斷見表1。

表1 聲速、波幅簡明綜合判斷

根據國內規范，聲測管的布設數量取決于樁直徑的大小:樁徑小于或等于800 mm時應對稱布置2根聲測管;樁徑大于800 mm小于2 000 mm時，應布置不少于3根聲測管;樁徑不小于2 000 mm時，應布置不少于4根聲測管［16］。

2 鋪前大橋大直徑深長樁設計參數及聲測管布設

海南鋪前大橋主墩有32根直徑為4．3 m的嵌巖樁，左幅16根樁長38 m，鋼筋籠為梯次設計;右幅16根樁在樁頂以下22 m范圍內是4層鋼筋籠，22～27 m是3層鋼筋籠，27～38 m為單層鋼筋籠，采用C35混凝土。按照初始設計埋設4根聲測管，混凝土澆注兩周后采用RSM-SY8基樁超聲波CT成像測試儀進行測試，探頭發出的信號能量幾乎接收不到;后采用功率較大的超聲波探頭，雖然可接收到信號，但檢測信號出現較大的畸變，若按照此結果對鋪前大橋主墩樁基進行評定，34#主墩樁基均屬于不合格樁。經過分析論證，超聲波信號出現畸變可能有3個原因:聲測管管距過大，信號傳輸困難［17-18］;鋼筋籠過密，超聲波在穿過鋼筋籠時發生變化;混凝土在穿過鋼筋籠時，由于鋼筋的阻擋作用造成混凝土不密實。分析施工現場記錄發現，樁基礎澆筑時混凝土在同一截面上高差很小，說明混凝土在流動性上滿足要求，因此著重分析前2種原因。為檢測樁基鋼筋籠是否對超聲波信號造成影響，在主墩18#樁(樁長38 m、直徑4．3 m)鋼筋籠內外對稱埋設8根聲測管，內外相鄰兩根聲測管與樁中心呈45°夾角，如圖1所示，聲測管編號及檢測剖面如圖2所示。

圖1 聲測管布設

圖2 聲測管編號及檢測剖面

3 超聲波檢測結果分析

3．1 內4根聲測管檢測結果

主墩18#樁基礎成樁2周后，使用大功率超聲波樁檢儀器對18#樁進行超聲波檢測，內部4根超聲波檢測結果如圖3所示。

從圖3可知:內部4根聲測管檢測時信號未穿過鋼筋籠，且該樁超聲波檢測的聲速、聲幅較均勻，未出現明顯畸變現象，聲速大于4 km·s－1，屬于正常范圍;有個別點超判，超判點處聲速正常，波幅略低，且大致位于聲測管接頭處，可能是由于聲測管接頭連接操作不規范所致。因此，單從內4根超聲波檢測結果來看，18#樁混凝土密實，強度也達到設計要求的35 MPa。

圖3 內部聲測管檢測結果

3．2 外4根聲測管檢測結果

主墩18#樁基礎外部4根聲測管超聲波檢測結果如圖4所示。

圖4 外部聲測管檢測結果

從圖4可知:該樁超聲波檢測聲速變化比較均勻，未出現明顯畸變現象，但聲幅衰減起伏變化十分明顯，大致可分為3個漸變階段:從樁底38 m到25 m為第1個階段，從25 m到20 m為第2個漸變階段，從20 m至樁頂為第3個漸變階段。該聲幅變化的3個階段恰好與樁身3層鋼筋籠布置的層次相吻合，從上到下為4層、3層、1層鋼筋籠。通過聲幅衰減變化的規律，可知鋼筋籠層次變化對超聲波檢測的聲幅存在影響，超聲波信號穿過的鋼筋籠層數越多，其聲幅越小，但鋼筋籠層數對聲速影響較小。

按照表1對外4根聲測管檢測信號進行判定，18#樁頂至25 m位置雖然強度正常但表面不良或有內部缺陷，不能滿足設計要求。

3．3 內外交叉聲測管檢測結果分析

主墩18#樁基礎內外交叉超聲波檢測結果圖5所示。

圖5 內外聲測管檢測結果

從圖5可知:內外聲測管呈三角形檢測時，從上至下超聲波依次進行穿透3層鋼筋籠、空透2層鋼筋籠及不穿過鋼筋籠的檢測，其穿過鋼筋籠的聲學參數與外4根聲測管檢測結果類似。聲幅雖有衰減，但衰減幅度比外4根聲測管較小，原因是外4根聲測管穿過6層鋼筋籠，內外聲測管僅穿過3層鋼筋籠。通過對比圖4、圖5發現，該樁的聲速依然變化不大，未出現明顯畸變現象。

4 試驗樁取芯及回彈試驗分析

由于超聲波穿透鋼筋籠之后信號變化較大，無法判斷信號是由于鋼筋籠密集混凝土粗骨料無法穿過還是鋼筋籠對其產生的影響，也無法對工程樁在鋼筋籠間或保護層進行破壞性取芯，故采取鋼筋籠內側取芯以及回彈試驗進行判斷。試驗樁位于地面上，直徑為4.3 m，長3 m;鋼筋籠全長為4層，其余參數、混凝土配比、施工工藝等與工程樁一致，如圖6所示。由于不同的取芯位置、取芯方法以及不同的芯樣直徑、強度換算方法等對樁基的質量評定都會有很大的影響［19］，所以取芯位置與工程樁8根聲測管位置一致，芯樣如圖7所示。

從圖6、7可知:試驗樁外表面光滑，混凝土密實，無蜂窩麻面等情況;試驗樁芯樣混凝土無蜂窩麻面等外觀質量問題，樁身混凝土較均勻，符合規范要求。

在達到14 d之后，將試驗樁挖出并采用乙炔割除鋼護筒進行回彈試驗，結果發現，樁基的強度達到39.5 MPa，大于設計強度的35 MPa。

圖6 割除鋼護筒的試驗樁

圖7 試樁部分芯樣

5 結語

本文依據海南省鋪前大橋樁基超聲波檢測過程中的實際情況，對特大直徑多層鋼筋籠樁基的完整性判定進行探討，得出結論如下。

(1)聲測管在鋼筋籠之間，超聲波信號未出現畸變，樁身25 m處超聲波信號聲速變化比較均勻，聲幅衰減起伏變化十分明顯，與鋼筋籠梯次布置規律具有相關性。

(2)聲測管位于2層及3層鋼筋籠之間，內部信號清晰，聲速正常，僅聲幅出現衰減，經取芯可以判斷:混凝土密實，不存在離析等缺陷。

(3)在此類樁基礎混凝土澆注時，應適當增大混凝土的流動性，防止因鋼筋籠的過密造成樁身夾泥或混凝土離析。

(4)4．3 m超大直徑樁基礎、4層鋼筋籠的設計遠超樁基檢測規范，在檢測過程中應根據現場實際施工情況并綜合多種檢測手段對其進行綜合判定，以防止單一檢測方法造成誤判。

［1］ 吳國勇，劉曙光．超聲脈沖法在兩座公路大橋樁基檢測中的應用［J］．公路交通科技，1992，9(2):23-32．［2］ 劉雨嵐．基于綜合法的大直徑基樁質量檢測與評價［D］．蘭州:蘭州理工大學，2016．

［3］ 邢 哲．灰色系統理論在樁基超聲波檢測中的研究與應用［D］．合肥:安徽建筑工業學院，2012．

［4］ 劉 冀．樁基檢測技術的綜合應用［D］．長沙:中南大學，2011．

［5］ 黃志偉．超聲波檢測樁完整性的模糊綜合評判研究［D］．廣州:廣東工業大學，2008．

［6］ 李世涌．層析成像技術在樁基檢測中的應用［D］．江蘇:河海大學，2004．

［7］ 魏世昌．橋梁混凝土超聲波檢測技術在樁基檢測中的應用分析［J］．華東公路，2016，(4):10-12．

［8］ O'NEILL M W，TABSH SW，SARHAN H A．Response of Drilles Shafts with Minor Flaws to Axial and Lateral Loads［J］．Engineering Structures，2003，25(1):47-56．

［9］ 馮忠居，上官興，謝永利．大直徑鉆埋預應力混凝土空心樁施工工藝［J］．筑路機械與施工機械化，2005，22(8):42-43，64．

［10］ 陳國棟．超聲波在混凝土樁基礎無損檢測中的應用研究［D］．武漢:武漢理工大學，2005．

［11］ 趙 毅．雙層鋼筋籠混凝土灌注樁的超聲波檢測［J］．橋梁建設，2007(S1):155-157．

［12］ 劉洋濤．鉆孔灌注樁超聲波法檢測技術研究［D］．重慶:重慶交通大學，2008．

［13］ 范 瑛，鄭 光，賀映全，等．管距對橋梁樁基超聲波檢測干擾影響分析［J］．湖北工業大學學報，2016，31(4):109-112．

［14］ 雷振明，謝 勇．探討橋梁樁基檢測中超聲波法的應用［J］．廣東科技，2009(2):179-180．

［15］ 楊永亮．超聲波透射法在樁基完整性檢測中的應用［D］．武漢:武漢理工大學，2012．

［16］ 董承全，胡在良．聲波透射法聲測管管距修正方法研究［J］．科技創新與應用，2016(15):3-4．

［17］ 岳 潺．樁基聲測管安裝及聲波檢測方法［J］．鐵道建筑技術，2007(S1):245-246，249．

［18］ 常志紅，李世富，楊 濤．聲測管施工及對基樁檢測結果的影響［J］．施工技術，2006(11):53-55．

［19］ 崔樹峰．鉆芯法測鉆孔灌注樁［J］．交通世界:建養·機械，2013(10):254-255．

Comprehensive Evaluation of Integrity of Pile Foundation with Super Large Diameter and Extra Reinforcement

WANG Zhen1，FENG Zhong-ju1，WU Jing-wu2，LIU Chuang3，SUN Ping-kuan2，WANG Ding-wu4，HUANG Peng5，YIN Xiang-long5，XIONG Ying2
(1．School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China;2．China Highway Engineering Consulting Corporation，Beijing 100097，China;3．Department of Transport of Hainan Province，Haikou 570204，Hainan，China;4．Institute of Civil Engineering Construction of CCCCFirst Highway Engineering Co．，Ltd．，Beijing 101102，China;5．No．5 Branch of CCCC Second Harbor Engineering Co．，Ltd．，Wuhan 430012，Wuhan，China)

Based on the actual situation of the pile foundation of main pier of Puqian bridge in Hainan Province，the integrity analysis of the pile foundation with a diameter of 4．3 m and 4 layers of radially set reinforcement cages was conducted using ultrasonic wave．The integrity of pile shaft was also evaluated in terms of the results of core sampling．The results show that the ultrasonic signal is not distorted when the acoustic pipe is inside the reinforcement cage;the sound speed is normal when the ultrasonic waves pass through the reinforcement cage，but the fluctuation of the sound amplitude is very obvious and is in accordance with the echelon arrangement of the reinforcement cage;according to the core sample，the concrete is well compacted．Therefore，when the ultrasonic wave penetrates the reinforcing bars，the comprehensive evaluation of the integrity of pile foundation needs to be conducted in different ways．

pile foundation;ultrasonic inspection;super large diameter;extra reinforcement

U443．15

B

1000-033X(2017)10-0119-04

2017-03-07

海南省交通科技項目(HNZXY2015-045R)

馮忠居(1965-)，男，山西萬榮人，教授，博士生導師，從事公路巖土工程方面的教學和科研工作。

［責任編輯:杜敏浩］