應(yīng)力波法判斷混凝土樁身缺陷的工程實例

岳廷文

（沈陽中冶檢測工程有限公司，遼寧沈陽 110016）

1 概述

隨著我國經(jīng)濟和建筑業(yè)的飛速發(fā)展，巨大數(shù)量的混凝土樁基被用于工程建設(shè)上，可以肯定我國是目前混凝土用樁量最多的國家，由于樁基深埋于地下，成樁過程要受到地質(zhì)因素、環(huán)境因素、安全因素、工藝因素、人為因素等多種因素影響，成樁質(zhì)量是否合格、樁身中是否存在缺陷，存在的缺陷對建筑物安全影響程度的一系列問題，已經(jīng)引起我國專家和學(xué)者的注意，早在1995 年，我國對工程樁的驗收發(fā)生了一種階段性的變化- 從只要求進行工序監(jiān)督和檢查轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ虡兜某休d力、樁身質(zhì)量（樁身完整性）的檢測結(jié)果列為工程驗收的必要依據(jù)。我們可以從行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ106-2003 和修訂后的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ94-2008 的相關(guān)條款看出來，建筑行業(yè)的所有樁基工程都必須進行工程樁的承載力和樁身質(zhì)量（樁身完整性）檢測，這已成為人們認(rèn)可的強制執(zhí)行條款。

根據(jù)行業(yè)規(guī)范，工程樁的檢測內(nèi)容就是兩項：工程樁的承載力和樁身質(zhì)量（樁身完整性），限于文章，工程樁的承載力討論不屬于本文。我們只對樁身質(zhì)量（樁身完整性）探討，樁身完整性的檢測方法有低應(yīng)變法、高應(yīng)變法、聲波透射法、鉆芯法和開挖驗證法。前三種方法屬于應(yīng)力波法。樁基應(yīng)力波法從20 世紀(jì)70 年發(fā)展到目前，伴隨著近代高科技進步，應(yīng)力波法理論、樁基檢測儀器設(shè)備日趨完善成熟。

利用低應(yīng)變法檢測混凝土樁身完整性，低應(yīng)變法能優(yōu)先發(fā)現(xiàn)較大的、位置靠上的缺陷，次要的缺陷、位置在較大缺陷以下的就不一定能識別；即使發(fā)現(xiàn)了缺陷，也需通過其他方法進一步確定缺陷的缺陷程度和類別。另外難以識別上下過于靠近的相鄰缺陷，也無法識別與樁底過于靠近的缺陷，對樁底沉渣情況和根據(jù)縱波波速推斷混凝土強度難以取得可靠結(jié)果。由于縱波在混凝土中波速很高，應(yīng)力波在樁身內(nèi)的實際波長2～3m 以上，反射波重疊現(xiàn)象嚴(yán)重，再加上多次反射，要想到達很高的分辨率較為困難。

高應(yīng)變法是通過樁頂?shù)母吣芰繘_擊引發(fā)樁身與樁周土的相對運動，此時在樁頂附近采集到的反射波將不僅帶來樁身阻抗變化的信息，而且也將帶來樁周土的阻力信息。同樣利用一維波動理論進行分析計算不但能夠確定樁身初始的完整性，而且還能獲取樁周土體對樁身的豎向承載力和樁身在沖擊力前后的結(jié)構(gòu)變化，從而對樁周土體對樁所能提供的承載力和樁身所能承受的動力作用作出判斷。盡管如此，檢測錘擊的錘重要求是極限承載力的1.0～1.5%，這也是令人生畏的笨重設(shè)備。從樁基工程的實踐和行業(yè)規(guī)范來看，并沒有允許高應(yīng)變法代替靜載試驗設(shè)計確定承載力，從行業(yè)條文精神上看，似乎高應(yīng)變法的可靠性還不如原位測試和經(jīng)驗參數(shù)法，這就更加限制高應(yīng)變法使用，所以不能作為樁身完整性檢測的普查方法。

聲波透射法檢測中存在“盲區(qū)”，由于聲測管設(shè)置在鋼筋籠內(nèi)部，混凝土保護層區(qū)域及樁身外部出現(xiàn)擴徑區(qū)域就不可能檢測到，即使樁身縮頸，鋼筋出露也檢測不到；聲測管的設(shè)置數(shù)量畢竟有限，從管內(nèi)發(fā)射的聲波未必覆蓋鋼筋籠內(nèi)部的全部樁身；樁頂一定范圍內(nèi)的檢測結(jié)果與中下部測點不一致，有時無法利用。

開挖法有受地質(zhì)、環(huán)境、安全等因素局限，對于較深部位基樁開挖驗證，易對工程施工產(chǎn)生干擾，對樁周土產(chǎn)生擾動，此法不可取。

鉆芯法最為明顯的局限性是“一孔之見”，設(shè)備笨重，成本高且周期長，不能作為樁身混凝土質(zhì)量的普查手段。

2 基本機理

2.1 低應(yīng)變法

低應(yīng)變法的理論依據(jù)是一維波動理論。通過樁頂施加豎向激振產(chǎn)生應(yīng)力波，該應(yīng)力波沿樁身向下傳播，在遇到不連續(xù)界面（縮頸、擴徑、蜂窩、松散、離析、夾泥、斷樁、空洞等缺陷）和樁底面時，將會產(chǎn)生反射和透射，基樁動測儀記錄沿樁身傳播的下、上行應(yīng)力波的全過程。通過對所記錄的波形進行時域、頻域分析，判斷樁身完整性。

2.1.1 確定樁身混凝土的縱波速度

樁身混凝土縱波速度可按下式進行計算：c=2L/ΔT 或c=2L×Δf

式中：c- 樁身縱波速度(m/s)；

L -測點下樁長(m)；

ΔT- 速度波第一峰與樁底反射波峰間的時間差(s)；

Δf- 幅頻曲線上樁底相鄰諧振峰間的頻差(Hz)；

樁身缺陷位置按下列公式計算：x=1/2000 ×Δtx×c 或x=1/2 ×c/Δf’

式中：x 樁身缺陷至傳感器安裝點的距離(m)；

Δtx- 速度波第一峰與缺陷反射波峰間的時間差(s)；

c- 受檢樁的樁身波速(m/s)；

Δf’- 幅頻信號曲線上缺陷相鄰諧振峰間的頻差(Hz)。

2.1.2 確定樁身質(zhì)量

反射波波形特征是樁身質(zhì)量的反映，利用反射波曲線進行樁身完整性判定時，應(yīng)考慮相位、振幅、頻率及波至?xí)r間等因素，反射波特征不僅受樁身質(zhì)量的影響，還與施工工藝、樁周土、基巖性質(zhì)、厚度等均有關(guān)系，評價時應(yīng)綜合分析。樁身完整性分類按以下標(biāo)準(zhǔn)：

Ⅰ類：樁身完整；

Ⅱ類：樁身有輕微缺陷，不會影響樁身結(jié)構(gòu)承載力正常發(fā)揮；

Ⅲ類：樁身有明顯缺陷，對樁身結(jié)構(gòu)承載力有影響；

Ⅳ類：樁身存在嚴(yán)重缺陷。

Ⅰ、Ⅱ類樁為合格基樁，可以滿足設(shè)計要求，Ⅲ類樁采用其它方法進一步分類確認(rèn)。Ⅳ類樁為不合格基樁，如使用，應(yīng)進行加固，并經(jīng)檢測合格。

低應(yīng)變法操作簡單、過程短暫、費用低廉、儀器設(shè)備便攜，對工程施工干擾極小，幾乎可在任何場地進行；檢測抽檢率高，覆蓋面大，甚至普查；能查出斷樁、樁身缺陷明顯并能實現(xiàn)實測信號現(xiàn)場快速處理，確定其所在深度和嚴(yán)重程度，也能及時現(xiàn)場確定樁長嚴(yán)重不符的基樁。低應(yīng)變法檢測也可在混凝土齡期不高時檢測，及時發(fā)現(xiàn)問題。這也是低應(yīng)變法發(fā)展迅速，被世界各國廣泛應(yīng)用于基樁完整性檢測的原因。

2.2 聲波透射法（跨孔法）

聲波透射法是利用彈性波穿越介質(zhì)前后的變化來探測介質(zhì)性狀方法的一種，其理論基礎(chǔ)是固體介質(zhì)彈性波傳播理論。聲波透射法是采取人工激發(fā)的方式向混凝土內(nèi)發(fā)射聲波，在一定的空間距離外接收穿越混凝土傳播過來的聲波，通過對接收到的聲波能量衰減、速度變化和波形畸變來判斷聲波傳播路徑上的混凝土質(zhì)量。當(dāng)聲波在傳播路徑上遇到缺陷時，會產(chǎn)生局部范圍的繞射、反射和折射，引起聲波傳播速度和振幅減小、頻率與其他聲學(xué)參數(shù)的改變，因而為我們能夠發(fā)現(xiàn)和評定各種局部缺陷，由于聲波在混凝土里傳播過程中與混凝土的質(zhì)量密切相關(guān)，接收到的聲波攜帶有關(guān)樁的完整性各種信息，這是聲波透射法檢測樁身完整性應(yīng)用的基礎(chǔ)。

當(dāng)傳播路徑遇到混凝土質(zhì)量較差，如離析、夾泥等缺陷時，接收到的聲波將發(fā)生衰減，部分聲波將繞過缺陷傳播，使得傳播時間增加，波速減小；若遇有空洞，聲波發(fā)生散射，使得波幅減少；缺陷使混凝土不連續(xù)，聲波傳播路徑復(fù)雜化，引起波形畸變。所以，聲波在有缺陷的混凝土中傳播時，接收到的聲波波幅減少，波速降低，波形畸變。

聲波透射法的基本方法是基樁成孔后，灌注混凝土之前，在樁內(nèi)預(yù)埋若干根聲測管作為聲波發(fā)射和接收換能器的通道，在樁身混凝土達到一定強度就可檢測，用聲波檢測儀沿樁的縱軸方向以一定的間距逐點檢測聲波穿過樁身各截面的聲學(xué)參數(shù)，然后對這些檢測數(shù)據(jù)進行處理、分析和判斷，確定樁身混凝土缺陷的位置、范圍、程度，從而推斷樁身混凝土的連續(xù)性、完整性和均勻性狀況，評定樁身完整性等級。樁身完整性判定標(biāo)準(zhǔn)如下：

Ⅰ類樁：各檢測剖面的聲學(xué)參數(shù)均無異常，無聲速低于低限值異常；

Ⅱ類樁：某一檢測剖面?zhèn)€別測點的聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)異常，無聲速低于低限值異常；

Ⅲ類樁：某一檢測剖面連續(xù)多個測點的聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)異常，兩個或兩個以上檢測剖面在同一深度測點的聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)異常，局部混凝土聲速出現(xiàn)低于低限值異常；

Ⅳ類樁：某一檢測剖面連續(xù)多個測點的聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)明顯異常，兩個或兩個以上檢測剖面在同一深度測點的聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)明顯異常，樁身混凝土聲速出現(xiàn)普遍低于低限值異常或無法檢測首波或聲波接受信號嚴(yán)重畸變。

聲波透射法被認(rèn)為對樁身混凝土質(zhì)量進行最全面、最細(xì)致的檢查，是檢測成功概率和結(jié)果可靠性最高的樁身完整性檢測方法，且檢測技術(shù)簡單易掌握，檢測結(jié)果如“瀑布圖”直觀易懂。只要聲測管數(shù)量和深度滿足要求，樁長不受限制，有別于低應(yīng)變法，樁身深部缺陷不受淺層缺陷影響，且缺陷的形態(tài)和數(shù)量不受限制。同時對樁底端混凝土澆注情況作出一定判斷。檢測也可在低齡（有時小于24 小時）混凝土內(nèi)進行，能較早發(fā)現(xiàn)樁身澆注質(zhì)量問題，便于盡早采取補救措施，調(diào)整施工工藝，減少工程延誤和經(jīng)濟損失。檢測也可對任何具有一定整體性介質(zhì)（復(fù)合地基低強度的灌漿樁、粉噴樁、攪拌樁）完整性檢測。檢測費用相比鉆芯法便宜，對施工影響小，檢測覆蓋面大。

3 工程實例

3.1 某工程一樁，樁徑600mm，樁長26m，混凝土強度C30，旋挖鉆孔灌注樁。從低應(yīng)變時域檢測曲線上看，該樁波形畸變異常，波峰間隔均勻而呈振蕩圖形，如圖1 所示，懷疑樁身淺部有異常或缺陷，我們按同一工地平均應(yīng)力波波速3400m/s 取值，反算異常部位在樁頭下0.95m，經(jīng)開挖驗證，樁頭下1.0m 完全斷裂，如圖2 所示。

圖1 低應(yīng)變法時域檢測曲線

圖2 開挖照片

該樁斷裂的原因是破樁頭時車輛碰斷。我們建議挖掉上部樁頭，采用高一標(biāo)號混凝土接樁處理。對于類似的低應(yīng)變檢測曲線，我們發(fā)現(xiàn)在CFG 樁檢測中經(jīng)常出現(xiàn)，個別工地會出現(xiàn)高達20%的樁頭斷裂現(xiàn)象，這完全是人為因素造成的。

3.2 某工程一樁，樁徑800mm，樁長12.6m，混凝土強度C30，鉆孔灌注樁。低應(yīng)變檢測發(fā)現(xiàn)該樁4.82m 處有同相異常反射，頻率較低，如圖3 所示，為提高判別的準(zhǔn)確性，在隨后的聲波透射法檢測中，發(fā)現(xiàn)4.60～6.70m 范圍聲波曲線不連續(xù)，波幅減小，如圖4 所示，判定該樁為III 類基樁，該樁做補強加固處理

圖3 低應(yīng)變法時域檢測曲線

圖4 聲波透射法單剖面波列圖

3.3 某工程樁，樁徑800mm，樁長6.3m，混凝土強度C30，鉆孔灌注樁。低應(yīng)變檢測發(fā)現(xiàn)該樁4.25m 處有同相異常反射，如圖5 所示，為提高判別的準(zhǔn)確性，在隨后的聲波透射法檢測中，發(fā)現(xiàn)4.10～4.50m 范圍聲波曲線不連續(xù)，波幅減小，但有微弱的首波，孔底澆注不良，如圖6 所示，判定該樁為II 類基樁。

圖5 低應(yīng)變法時域檢測曲線

圖6 聲波透射法3 剖面波列圖

3.4 某橋樁工程一樁，樁徑1500mm，樁長48.0m，混凝土強度C30，旋挖鉆孔灌注樁，由于一個聲測管堵管，只能給出一個剖面。聲波透射法檢測中，發(fā)現(xiàn)兩處12.50～12.80m、28.60～35.60m 范圍聲波曲線不連續(xù)，波幅減小，波形畸變，尤其28.60～35.60m 部位嚴(yán)重，但個別地段有微弱的首波，根據(jù)波幅、波速、主頻、PSD，采用多個指標(biāo)相互印證和補充，如圖7 所示，綜合判定該樁為Ⅳ類基樁。

圖7 注漿前影像圖

原來該樁在澆注混凝土?xí)r，在30 米發(fā)生堵管現(xiàn)象，消除了故障，浪費時間大約4 個小時，未采取其他措施，直接二次澆注混凝土，從而形成斷樁。為了處理加固該樁，施工單位采取高壓注漿，圖8 為注漿后聲波透射法檢測影像圖，我們看到，高壓注漿效果不明顯。20 天后，重復(fù)檢測，如圖9 所示，最終高壓注漿沒有達到令人滿意效果。最后，施工單位被迫鑿除該樁，重新在原位成樁，經(jīng)濟成本不算，浪費1 個半月時間。

圖8 注漿后影像圖

圖9 注漿后20 天影像圖

3.5 某橋樁工程一樁，樁徑1200mm，樁長25.80m，混凝土強度C30，鉆孔灌注樁。該樁在澆注混凝土后3 天進行聲波透射法檢測，在3 個剖面均發(fā)現(xiàn)0.0～9.80m 范圍，波形曲線時斷時續(xù)，波形嚴(yán)重畸變或者無法接收波形。樁底端波形曲線不連續(xù)，波速低，波幅減少，衰減大，如圖10 所示。該樁由于導(dǎo)管提升不當(dāng)，長度22 米的導(dǎo)管，提出12 米，剩下10 米導(dǎo)管留在樁頂以下10 米范圍內(nèi)，樁頭清楚可見導(dǎo)管。樁底部位清孔不徹底，樁底存在400～500mm 沉渣，結(jié)合波幅、波速、主頻、PSD 及地質(zhì)情況等指標(biāo)，綜合判定該樁為Ⅲ類基樁，作補樁處理。

圖10 聲波透射法影像圖

3.6 某橋樁工程26-3-3#樁，樁徑1500mm，樁長37m，混凝土強度C30，鉆孔灌注樁。在聲波透射法檢測中，AC▼剖面未見異常；AB▼剖面發(fā)現(xiàn)7.30～10.50m 波形曲線不連續(xù)，波速低，波幅減少；BC▼剖面發(fā)現(xiàn)7.50～10.80m 波形曲線不連續(xù)，波速低，波幅減少，有的測點能識別首波，如圖11 所示。懷疑存在異常，隨后進行低應(yīng)變法檢測，異常部位不明顯，如圖12。為檢測判別準(zhǔn)確性，對該樁進行鉆芯驗證，第一孔位于A 管、B 管中間距B管40cm 處，鉆至11m，芯樣完整，如圖13 所示。第二孔位于B管與C 管之間，距B 管22cm，由于鉆機的原因，無法再靠近B管，鉆至11m，同樣芯樣完好。事后，基樁施工人員追憶在該樁澆注混凝土?xí)r，失落一根4m 左右的聲測管，所以懷疑貼在B 管附近，我們認(rèn)為這是一次失敗的檢測，吸取教訓(xùn)的檢測，但也排除工程質(zhì)量隱患，綜合判定該樁為III 類基樁。

圖11 聲波透射法3 剖面波列圖

圖12 低應(yīng)變法時域檢測曲線

圖13 鉆芯法芯樣

4 結(jié)論與建議

在常規(guī)的基樁完整性檢測手段中，聲波透射法對樁身缺陷判斷準(zhǔn)確性最高，可定量分析出樁身缺陷的大小和確切部位，從而判定樁身完整性類別；但是，我們應(yīng)看到，聲波透射法還有許多有待改進的地方，如對頻率與波幅的分析利用方面上，還不充分，盡管如此，在基樁完整性檢測領(lǐng)域內(nèi)，聲波透射法的迅速推廣將是必然的，我們在以后的樁基完整性檢測中，把聲波透射法與低應(yīng)變法、鉆芯法、開挖法等其他檢測方法結(jié)合起來，根據(jù)地質(zhì)情況及成樁工藝、樁的類型，充分合理的運用多種檢測手段，積累大量的工程實踐經(jīng)驗，進行系統(tǒng)和深入的研究，以較低的成本和代價，提高基樁工程質(zhì)量檢測的精度與可靠性，減少誤判、漏判，為工民建筑、水利電力、鐵路、公路和港口等工程樁基建設(shè)的多個領(lǐng)域提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。