多種檢測及驗證方法判定灌注樁樁身完整性

楊筆將

（上海匯谷巖土工程技術有限公司，上海市 201108）

0 引言

基樁作為承擔建設工程（工業與民用建筑工程、橋梁工程等）上部荷載的主要構件，其質量直接影響到整體的安全和使用功能，故樁身完整性檢測十分重要。

目前工程樁基低應變反射波法[1]為樁身完整性[1]檢測常用方法之一。低應變反射波法（low strain reflected wave method）指在采用低能量瞬態激振方式對樁頂施加沖擊荷載，實測樁頂部的加速度（或速度）時程曲線，通過波動理論的時域頻域分析，對樁身完整性進行判定的檢測方法[1]。適用于樁徑小于2.0 m、長度一般不大于40.0 m、樁身材質較為均勻且規則截面的混凝土樁（滿足一維桿件的理論模型）。該方法具有儀器設備相較其他檢測方法小巧輕便、操作簡便快速的特點，適合大范圍、多數量快速檢測工作的需要。同時由于樁的尺寸效應、幅頻響應、高頻彌散、樁側土阻及阻尼耦合等因素影響，故對樁身缺陷只做定性判定[1]。其中，灌注樁（鉆孔、沖擊、人工挖孔等方法成孔）受施工方法和地質條件等多方面影響，成孔往往出現截面比較預制類樁變化大，有時該變化會直接影響檢測采集的數據從而導致誤判。通過工程實例舉例說明采用多種檢測及驗證方法判定灌注樁樁身完整性的必要，以及采用其他方式補充驗證綜合判別的經驗和方法。

1 工程概況

某新建高鐵項目線路全長814.761 km，跨越三省，設計最高時速為350 km，項目還包括多個城市的樞紐引入配套工程。筆者參與的標段位于安徽省境內，長度為111.37 km，地質構成復雜多樣。主要從事橋梁樁基、隧道襯砌、路基填筑檢測等工作。

2 工程實例1——樁身淺部擴徑影響曲線

檢測某特大橋X墩，該墩設計共8根樁，樁長均為33.0 m，樁徑均為1 000 mm，樁身強度為C40。設計要求低應變100%普測，檢測儀器為武漢巖海公司生產的基樁動測儀RS-W（P），檢測日期為儀器標定有效期之內。檢測標準采用《鐵路工程基樁檢測技術規程》（TB 10218—2008）[1]，為提高判別準確性，現場實際激振點及傳感器安裝點如圖1所示。

2.1 時域曲線淺部反射波明顯

該墩8根樁低應變曲線均在3.5 m左右處存在不同程度的明顯正相反射波，其中4#、5#、6#、8#樁時域曲線均在首個反射波后出現相等距離的多次反射（疑似明顯或嚴重缺陷波）。1#、3#樁時域曲線均在淺部反相而后正相反射波，成果如圖2所示。

圖1 現場實際激振點及傳感器安裝點示意圖

圖2 X墩1#～8#樁低應變時域曲線圖

2.2 開挖驗證

為研究該8根樁處是否真實存在缺陷，同時考慮到已有基坑開挖和既有運營線的安全，選擇有代表性的2根（1#、5#樁），采取開挖驗證的方法，開挖深度約4.0 m。基坑開挖如圖3所示。

圖3 現場拍攝X墩開挖驗證1#、5#樁情況

（1）經開挖后發現，1#樁樁頂直徑約為1.3 m，樁頂附近側面樁身明顯擴徑，在樁頂以下約3.5 m處陡縮至正常樁徑（約1.04 m），形成明顯的截面變化，未見鋼筋外露、離析、夾泥情況，3.5 m左右處未發現明顯缺陷。該樁擴徑示意及現場量測照片如圖4、圖5所示。

圖4 X墩1#樁量測示意圖

圖5 X墩1#樁量測

（2）經開挖后發現5#樁樁頂直徑為1.3 m，樁頂附近側面樁身明顯擴徑，在樁頂以下約3.55 m處陡縮至正常樁徑（約1.02 m），形成明顯的截面變化，未見鋼筋外露、離析、夾泥情況；通過開挖驗證，該樁3.5 m左右處未發現明顯缺陷。該樁擴徑示意及現場量測照片如圖6、圖7所示。

（3）查詢施工及地質資料得知，該墩成孔使用的護筒長4.0 m，直徑為 ?1300 mm，基坑開挖深度約為3.0 m，實測樁頂直徑約1.3 m。地質約6.0 m處為粉質黏土和黏土交界面。現場測量結果與記錄資料條件基本符合。

2.3 原因分析及判定

造成擴徑的原因為施工單位使用直徑為1.3 m的護筒（設計樁徑為1.0 m），鉆孔鉆頭仍使用1.0 m直徑。該墩地質淺層為雜填土和粉質黏土，受鉆孔的擾動易發生塌孔，使得淺部樁徑漸進式擴大，開挖驗證時發現淺部樁身側面有明顯混凝土凸出。當鉆進至后黏性土，由于土質穩定性好于上部土層，未出現塌孔或有微小塌孔，孔徑保持在1.0 m左右。故混凝土澆筑完成后樁身在地質交界面附近形成明顯變截面。

圖6 X墩5#樁量測示意圖

圖7 X墩5#樁量測

通過對上述2根樁的開挖驗證，判斷該墩8根樁低應變時域曲線在3.5 m左右處的正相反射波并產生多次反射，主要為3.5 m左右處以上部位樁身截面明顯擴徑，該截面以下部位樁身截面陡縮至正常樁徑（最小截面計算直徑不小于設計直徑），造成的樁身截面變化并不屬于不利缺陷，故判別8根樁的樁身完整性為合格。

3 工程實例2——樁身淺部擴徑和輕微缺陷共同影響曲線

檢測某特大橋Y墩（距離“工程實例1”地點約7 km），該墩設計共8根樁，樁長均為27.0 m，樁徑均為1 000 mm，樁身強度為C30。設計要求低應變100%普測，檢測儀器同“工程實例1”。檢測標準采用《鐵路工程基樁檢測技術規程》（TB 10218—2008）[1]，激振點及傳感器安裝點同圖1。

圖8 Y墩1#～8#樁低應變時域曲線圖

3.1 時域曲線淺部反射波明顯

經對現場采集的低應變檢測數據仔細分析，所檢測8根樁低應變時域曲線約4.0 m處均出現不同程度反相反射，呈現類似擴徑的形態，此后在4.0 m左右處均有不同程度的正相反射。低應變時域曲線如圖8所示。另外將該8根樁曲線的形態進行分類，見表1。

表1 Y墩1#～8#樁曲線形態分類

3.2 驗證方案及成果

（1）查該墩所處地質資料，設計樁頂至以下約3.0 m 為粉質黏土，δ0為 180 kPa；3.0～4.5 m 為粉質黏土，δ0為 120 kPa；4.5～7.0 m 為泥質砂巖，δ0為250 kPa。

（2）該墩樁基施工采用旋挖鉆成孔，從樁頂外觀看，多數樁樁頂呈不規則擴徑（部分樁因環切后，已經無法觀察到原始樁頂擴徑的情況）。

（3）考慮到樁基施工對于黏性土層成孔過程擴、縮孔均有可能，一般有塌孔（樁身擴徑）可能會有縮孔（樁身縮徑），如果縮孔至設計樁徑以內，造成實際樁徑截面少于設計樁徑截面，該樁的樁身完整性將不滿足設計要求。

（4）基于以上考慮，應查清塌孔造成樁身擴徑的同時是否伴隨縮孔（縮徑）或夾泥的存在，檢測項目部經仔細分析決定，對該墩有代表性的3#、7#樁進行鉆孔法[1]取芯驗證并利用鉆孔取芯通道進行聲波透射法[1]（檢測步距采取100 mm間距），以查清樁身4.0 m處是否存在縮徑和夾泥缺陷。

（5）鉆孔取芯自 2018年 3月 30日到4日1日，先后對7#樁和3#樁進行鉆孔取芯和超聲檢測。

（6）對7#樁取芯方案為：采用內徑為 ?90的鉆頭進行鉆取芯樣，在樁頂鋼筋籠主筋內測距主筋凈距5 cm處下鉆，取芯深度6.0 m，呈正三角形布三孔（以滿足驗證深度和超聲檢測覆蓋截面），然后在位于樁主筋外側擴徑較大方向（北向），距主筋凈距5 cm（留足保護層）下鉆，以驗證擴徑處回縮正常樁徑處深度（當鉆頭穿過擴徑段混凝土后，鉆頭從樁側露出，循環水將變為黏土黃色并鉆進速率加快至瞬速落鉆）；對3#樁在直徑方向相對兩邊鋼筋籠內側距主筋凈距5 cm位置分別下鉆，鉆取深度6.0 m，并利用兩孔通道進行超聲檢測。實際鉆機定位存在誤差，取芯孔位示意如圖9、圖10所示。

圖9 3#樁取芯孔位示意圖

（7）鉆孔取芯驗證結果。7#樁2#鉆孔芯樣約3.0 m處（離析厚度約為10 cm）和3.3 m（離析厚度約為8 cm）混凝土芯樣輕度離析，其他深度混凝土芯樣正常（芯樣表面光滑、完整、連續，骨料較均勻、膠結較好），1#、3#兩孔芯樣無異常（芯樣表面光滑、完整、連續，骨料較均勻、膠結較好）。鉆進過程未出現跳鉆、卡鉆或落鉆等異常情況。鋼筋籠外側孔當鉆至深約4.7 m時循環水開始變黃并鉆進速率明顯加快（說明4.7 m以上擴徑，當到達深度4.7 m時，擴徑回縮已近正常樁外側），至5.2 m時終止鉆進提鉆卸樣。3#樁所取兩孔芯樣無異常（芯樣表面光滑、完整、連續，骨料較均勻、膠結較好），鉆進過程也未出現跳鉆、卡鉆或落鉆等異常情況。3#、7#取芯芯樣照片如圖11～圖19所示。

圖10 7#樁取芯孔位示意圖

圖11 3#樁1#孔鉆孔取芯照片

圖12 3#樁2#孔鉆孔取芯照片

圖13 3#樁取芯孔位布置照片

圖14 7#樁1#孔鉆孔取芯照片

圖15 7#樁2#孔鉆孔取芯照片

圖16 7#樁3#孔鉆孔取芯照片

圖17 7#樁4#孔鉆孔取芯照片

圖18 7#樁取芯孔位布置照片

圖19 Y墩取芯驗證及聲波透射法驗證照片

（8）3#樁利用取芯孔作為通道，聲波透射法檢測成果如圖20所示。

圖20 Y墩3#樁利用取芯孔做聲波透射法成果曲線圖（3#樁聲學參數基本正常）

（9）7#樁利用取芯孔作為通道，聲波透射法檢測成果如圖21所示。

圖21 Y墩7#樁利用取芯孔做聲波透射法成果曲線圖

3.3 成果分析及判定

通過低應變檢反射波法及3#、7#樁鉆孔取芯、聲波透射法成果、該墩地質資料、樁基施工情況綜合分析，該墩8根樁淺層擴徑明顯，取芯和超聲檢測時未發現有淺部縮徑（直徑小于設計樁徑1.0 m）或夾泥現象。該墩7#樁在鉆孔取芯芯樣分別在3.0 m和3.3 m處存在輕度離析，樁身完整性判定為3.0 m和3.3 m輕微缺陷，與7#樁曲線相似的8#樁判定為3.5 m輕微缺陷。1#～6#樁判定為合格。

取芯和超聲檢測工作完成后，施工單位采用水泥砂漿及時壓漿封填。

4 工程實例3——鉆孔灌注樁淺部缺陷識別實例

檢測某特大橋Z墩，該墩設計共8根樁，樁長均為46.5 m，樁徑均為1 000 mm，樁身強度為C30。設計要求聲波透射法100%普測，檢測標準采用《鐵路工程基樁檢測技術規程》（TB 10218—2008）[1]，各剖面檢點間距為200 mm（規程要求不宜大于 250 mm）[1]。實測 A-B、A-C、B-C 剖面測距分別為620 mm、540 mm、570 mm，檢測儀器為武漢巖海公司生產的非金屬超聲儀RS-ST03D（T），檢測日期為儀器標定有效期之內。

4.1 樁身淺部聲學參數異常

檢測采用平測（發射探頭與接收探頭在同一深度），發現A-B、B-C剖面1.90～2.50 m深度范圍內聲學參數明顯異常，A-C剖面未見聲學參數異常。聲學參數成果曲線，聲時、聲幅、PSD（聲時-深度曲線上相鄰兩點連線的斜率與聲時差的乘積[1]）成果如圖22所示。

4.2 現場初步判別

該樁A-B、B-C剖面均在1.90～2.50 m范圍聲學參數明顯異常，但A-C剖面正常。根據此次檢測的結果分析，其原因可能為以下三種：

（1）存在樁身該深度處整斷面夾泥、離析或斷樁均屬嚴重缺陷，樁身完整性應判別為不合格。但如果是這種缺陷，一般所占截面面積會較大甚至缺陷范圍為全斷面，但是A-C剖面聲學參數未見異常。故整截面夾泥、離析、斷樁可排除。

（2）聲測管B管被低強度物體包裹或局部夾泥，亦或空洞造成A-B、B-C剖面1.90～2.50 m范圍聲學參數異常，如果低強度物體占截面面積的比例較大，足以影響到樁身結構承載力，則應判別為不合格。那么需要證明低強度物體的大小就十分關鍵。

圖22 Z墩7#樁聲波透射法成果曲線圖

（3）采用低應變反射波法[1]和開挖（疑似缺陷位于樁頂附近，具備局部小范圍開挖條件），從樁身側面觀察判斷樁身完整性。

a.低應變反射波法驗證，使用小錘激振發現距離樁頂約1.7 m處有輕微缺陷反射波，而使用大錘激振的時域曲線比小錘更完整，樁身淺部未見缺陷反射波。成果如圖23所示。

圖23 Z墩7#樁身低應變反射波曲線圖

b.經開挖深度約3.0 m時，發現在距離樁頂2.0～2.3 m處具有明顯夾低強度物體情況，該物體將B聲測管包裹，故A-B、B-C剖面聲學參數在該位置表現為聲速低、聲幅小，且超過臨界值現象。清除低強度物體區域至堅實混凝土后，測量其尺寸約為 33 cm（長）×44 cm（寬）×25 cm（深，包括設計保護層5 cm）。開挖現場及樁身缺陷如圖24～圖29所示。

4.3 結果分析及樁身完整性判定

（1）根據上述幾種驗證方法成果分析，聲波透射法A-B、B-C剖面1.90～2.50 m深度范圍內聲學參數異常，缺陷具有夾泥特征，產生原因可能為樁底沉渣經過澆灌上浮至該深度時拔管速度過快，造成沉渣翻入混凝土中形成夾泥，或在混凝土澆筑過程中出現淺部塌孔土塊混合混凝土或泥漿翻入樁身造成局部夾泥。

圖24 Z墩7#孔局部開挖照片

圖25 7#樁缺陷以上部位截除照片

圖26 7#樁另一側相對完整照片

圖27 缺陷部位低強度物體照片

圖28 清除低強度物體照片

圖29 測量缺陷尺寸照片

（2）綜上所述，判定其樁身完整性為不合格。

5 結 語

介于低應變反射波法檢測建立理論的一維波動方程模型，對于橫截面面積較為一致的預制樁[2]更符合該模型，而鉆孔灌注樁由于受地質土層變化、鉆孔方法、施工機具、施工操作等因素影響，通常會出現樁身截面變化的情況，有時截面變化非常大，這種缺陷未影響到樁的承載力和耐久性，屬于非不利缺陷。但在低應變反射波法檢測時，是通過計算單位截面樁身材料力學阻抗[2]變化得出，阻抗理論計算方程為Z=EA/c（即樁身材料力學阻抗=樁身材料彈性模量×樁身橫截面面積÷樁身縱向應力波的傳播速度）[3]。

低應變反射波法具有儀器設備相較其他檢測方法小巧輕便、操作簡便快速的特點，適合大范圍、多數量快速檢測工作的需要。但綜上舉例中體現出采用該方法檢測鉆孔灌注樁時，由于此類樁型在地質復雜，特別是淺層土層穩定性較差的地點成樁，易發生樁身淺部橫截面面積變化較大而影響到時域、頻域曲線。此時作為檢測人員需要仔細研究數據并及時分析原因，必要時需采取多種檢測手段及驗證方法來判別被測樁的完整性，切勿僅依靠低應變反射波法成果進行判定，避免誤判或漏判。