樁身完整性檢測及判定方法分析

燕季紅

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅蘭州730000）

1 樁基完整性檢測概述

在目前的公路建設中，樁基完整性的判定結果不僅影響著整個結構物的下一步工序，也是評定該結構物整體質量的關鍵指標。因此，樁基完整性的判定是樁基施工過程中必不可缺的環節。

現有的樁身完整性檢測方法，大體可分為無損檢測法（低應變反射波法、聲波透射法）和鈷探取芯法[1]。無損檢測具有操作簡單、儀器設備輕便、檢測速度較快等特點，可較快檢測出樁身的缺陷位置及情況，從而判定樁身完整性的類別，這種檢測方法在樁基質量普查中應用比較廣泛[2]；鉆芯法的操作過程更復雜，儀器較為笨重，但卻能直觀、可靠地觀察樁身缺陷，從而準確判定樁身的完整性，這也是無損檢測方法中的仲裁方法。

樁基完整性的檢測與判定涉及工程地質學、橋梁設計理論、樁基的施工方法、聲波的振動理論等多門學科和理論[3]。因此，需要現場檢測人員和判定人員不僅具有豐富的理論知識，還要積累大量的檢測經驗，便于出具科學、合理的判定結果，從而保障樁基的施工質量。

隨著計算機技術的不斷發展，相關的檢測設備也在不斷更新，樁基檢測技術也更加成熟和方便。相關技術標準和規范的制定，也使得對樁基完整性的判定工作進一步規范，對保證樁基質量起到了良好的指引作用。

綜上所述，在使用以上方法時，還應依據樁基的設計理論、現場地質條件、承載能力、施工方法等因素，對缺陷進行綜合分析，這不但能對樁身完整性的類別做出可靠評價，還可以對樁的承載能力做出客觀評估[4]。

2 樁基完整性的內容和檢測方法分析

2.1 低應變反射波法

2.1.1 基本原理

把樁基視為介質密度為ρ、截面積為A、縱波波速為C、彈性模量為E的一維彈性均質桿件，在不考慮樁周圍土體對樁身波速傳播影響的前提下，可定義樁身材料的廣義波阻抗為式（1）：

當在樁頂施加激勵力時，所產生的壓縮波將沿樁身向下傳播，在遇到缺陷時，樁身波阻抗將產生變化，壓縮入射波在波阻抗界面將產生反射波和透射波。應力波在樁頂和缺陷處來回反射，會出現相鄰兩階的固有頻率差、缺陷頻率諧振峰與相鄰振峰差，即通過反射波與入射波相位的關系，判別某一波阻抗界面的性質，這是采用低應變反射波法判別樁身缺陷的理論依據。

2.1.2 判別依據

第一，當樁身的波阻抗與施加的樁頂波阻抗相等時，即應力波在樁身連續傳遞，樁身無反射波信號，應力波完全透射，無明顯阻抗差異產生，即表示樁身完整。

第二，當樁身的波阻抗大于施加的樁頂波阻抗時，反射波為上行拉力波，反射波與入射波同相。另外，通過對彈性桿波動傳播的符號定義來解釋，上行拉力波與下行壓力波的方向一致，即反射波引起的質點速度與入射波的波速同向。這樣，樁頂接收到的反射波速度和應力，均與入射波信號極性一致，即樁身可能存在縮徑、離析、空洞、摩擦樁底等情況。

第三，當樁身的波阻抗小于施加的樁頂波阻抗時，反射波為上行壓縮波，這樣，樁頂接收到的反射波速度及應力，均與人射波信號的極性相反。由此可以得出，樁底處的波速速度為零，而應力卻加倍，即樁身可能存在擴徑、膨脹或端承樁的情況。

2.1.3 檢測過程中的注意事項

第一，鑿去樁頭后，應清除樁頂的浮漿或部分松散、破損的混凝土，直至表面露出堅硬的混凝土。

第二，清理樁頂，尤其是樁頂積水，樁頂表面應平整、干凈。

第三，選擇敲擊點和傳感器的黏接點，并對該部位進行打磨、平整，否則有可能在多次錘擊時，儀器接收到的信號重復性較差。

第四，若樁頭與墊層連接對測試信號有影響時，應斷開連接。

第五，將傳感器與樁頂用耦合劑黏結時，耦合劑層應盡可能薄，使傳感器底面與樁頂混凝土面緊密接觸。在距樁中心2/3R 處安裝傳感器，傳感器和激振安裝均應處于樁軸線上。

第六，檢測過程中，應在同一條件下對同一工程的同一批樁進行檢測，檢測時要對激振點和傳感器布置的位置、激振操作等中任一條件的改變進行現場記錄，并記錄混凝土質量的異常情況和樁頭的外觀尺寸，以便后期通過信號分析，在發現異常情況時提供必要的判定和解釋依據。

第七，當樁徑增大時，樁各截面內各部位運動的不均勻性也會隨之增加，樁淺部位的阻抗變化也隨之表現出明顯的方向性。因此，檢測時應增加檢測點的數量，通過多個波形的變化差異，判斷淺部缺陷是否也存在方向性。每個檢測點接收到的有效信號不少于3 個，且重復性良好，通過信號的疊加，提高測點的信噪比。

2.2 超聲透射波法

2.2.1 基本原理

采用聲波透射法需要在灌注樁中提前預埋聲測管，聲測管作為換能器上下運行的檢測通道，檢測前應將管中注滿清水，作為耦合劑，現場檢測時，按順序分別在聲測管內放置超聲發射換能器和接收換能器。超聲發射換能器會產生超聲脈沖，并在條件相同的混凝土中傳播，另一聲測管中的接收換能器接收混凝土傳來的脈沖，并經檢測儀器放大，檢測人員現場初步判定后將數據存儲，再進行下一步分析和判定。

混凝土的密實度直接決定了超聲脈沖波傳播的速度，對于相同條件的樁基，脈沖波的轉播速度較為均勻，且傳播速度越快，證明混凝土越密實。但當混凝土中出現了空洞、裂縫或其他雜物時，脈沖波必然會繞過這些缺陷，才能被接收換能器接收，缺陷的存在使這些繞行的波加長了傳播途徑，相對應的聲時也隨之加長，波幅增大，聲速降低，依據這些參數變化繪制曲線圖，檢測人員可以分析、判斷出樁身具有的缺陷類型和范圍，估算出這些缺陷的大小、位置等，并按相關技術規范對樁基的完整性進行分類。

2.2.2 判定方法

采用超聲透射波法檢測和判定的主要參數有聲時、聲速、波幅及主頻，通過檢測儀器繪制的聲速—深度（v-z）曲線、波幅—深度（A-z）曲線和PSD 來分析和判定樁身的缺陷情況，步驟是：

首先，用概率統計法統計所有波速值，判斷出低于臨界值異常點的深度和位置，然后再分析振幅的大小變化，將波速值和振幅都小于臨界值的測點，判定為異常部位。

其次，采用縮短換能器行程加密檢測、斜測等方法，進一步判定缺陷的大小和范圍。

最后，通過查閱施工資料、了解現場施工情況，結合檢測人員的經驗，綜合判定缺陷的性質和種類，從而判定樁身完整性的類別。

2.2.3 檢測過程中的注意事項

第一，樁基混凝土強度不得低于設計強度的70%，且不得小于15MPa，齡期需達到7d 以上。

第二，鑿除后的樁頭標高應達到樁頂的設計標高，且聲測管標高應高于樁頂的設計標高。

第三，檢測前，應在聲測管內灌滿清水，并檢查聲測管是否暢通。

第四，聲測管按路線的前進方向順時針編號。

第五，精確測量聲測管的內、外徑及聲測管外壁間的凈距離。

第六，采用標定法確定儀器系統的延遲時間。

第七，計算聲測管和耦合水層聲時修正值。

2.3 鉆探取芯法

2.3.1 鉆探取芯的目的

第一，檢測樁身混凝土的密實度和完整性情況，檢查是否存在空洞、夾泥、蜂窩、斷樁等缺陷，從而判定樁身的完整性類別，為科學分析缺陷產生的原因、程度及處理方法提供依據。

第二，核驗樁長是否滿足設計長度，檢驗樁底沉渣厚度是否滿足設計和規范要求，驗證樁底持力層的巖土堅硬性是否滿足承載力要求。

第三，作為無損檢測方法的驗證和修正，甚至檢測結果的仲裁。

第四，能夠直觀反映缺陷的類型和深度。

2.3.2 鉆探取芯的分析與判定

第一，芯樣試件的抗壓強度代表值，應取同一組三塊合格試件強度的平均值。若評定同一根樁基同一部位的兩組或兩組以上試件的抗壓強度代表值，應取其平均值作為該樁基該部位的芯樣試件抗壓強度的代表值。

第二，單樁混凝土芯樣試件的抗壓強度代表值，應取不同深度的芯樣試件抗壓強度代表值中的最小值，作為該樁的強度代表值。

第三，樁端持力層的巖土性狀，應根據巖土的芯樣特征、芯樣單軸抗壓強度、動力觸探、標準貫入度等試驗結果綜合判定。

第四，因地質條件的復雜性和施工過程中存在的差異，成樁后的質量也存在較大差異。為保證評定結果的準確性，應按單樁進行混凝土強度和樁身完整性的評價。

2.3.3 當出現下列情況之一時，應判定為該樁不滿足設計要求

第一，混凝土芯樣試件的抗壓強度代表值小于設計強度等級。

第二，樁長和樁底沉渣厚度不滿足設計和規范要求。

第三，端持力層巖土性狀（強度）或厚度不滿足設計要求。

2.3.4 檢測過程中的注意事項

第一，取芯位置應避讓樁基受力較大的部位、安全度不足的截面、應力分布比較復雜的部位，宜選取樁基的中部進行取芯工作。

第二，盡量避開混凝土結構中的鋼筋位置，特別是主筋和深測管的預埋位置。

第三，選取具有代表性的混凝土強度位置進行取芯。

第四，進行無損修正時，取芯位置應接近無損檢測區。

第五，試件芯樣的平整度、垂直偏差、尺寸和高徑比，都會影響試件的強度。

3 案例分析

圖1 為聲波透射法成果圖，是一根1.5m 長、孔深32.4m 的樁基，采用聲波透射法對其三個剖面進行檢測的成果圖。由圖分析可知，在孔深達到19.0～20.0m 處，聲速、波幅值均小于臨界值，PSD 值也有異常反應，該位置的聲學參量明顯異常。圖2 是經鉆探取芯獲得的驗證圖，1 號管子的19.0～19.6m 附近有混凝土夾泥，混凝土不密實，影響了1-2、2-3 剖面，說明該樁基有較嚴重的質量問題，樁身完整性類別判定為Ⅲ類樁。經分析發現，由于施工過程中導管提拔速度過快，且混凝土坍落度過小，泥漿護壁剛度不足，導致混凝土未及時流出導管，使孔壁土涌入樁身，而造成了樁身夾泥的問題。

圖1 聲波透射法成果圖

圖2 經鉆探取芯驗證圖

4 結語

總體而言，樁基完整性的檢測與判定在實際的橋梁建設中發揮著重要的作用，不僅能夠為建設單位提供科學的檢測數據和結果，也能發現施工過程中樁基出現的質量問題，并為相關專家制定整改方案提供可靠的依據，更能節約大量的施工成本。