不同樁基完整性檢測方法的探討

吳騰輝

（廣州仲恒房屋安全鑒定有限公司）

0 引言

樁基由樁身與樁頂承臺組成的深基礎或者由柱與樁基連接的單樁基礎，通常情況下樁身較長且埋于土體中，屬于隱蔽的地下基礎工程。樁基主要承受上部結構傳遞下來的荷載，因而樁基質量的好壞將直接關系著上部結構的質量及安全，因此對樁基進行科學、準確地檢測具有重要意義，樁基檢測主要包括承載力檢測和樁身完整性檢測[1]。

《建筑基樁檢測技術規范》[2]中明確了樁身完整性的檢測方法主要有鉆芯法、低應變法、高應變法和聲波透射法，工程研究人員根據規范中提及的檢測方法對樁基完整性展開了豐富的研究。董承全[3]、錢芬芳[4]等研究表明每種檢測方法具有其局限性，采用多種檢測方法可實現優勢互補，提高檢測結果的可靠性；蔡杰龍[5]等基于工程實例對比分析并綜合評價了鉆芯法、低應變法、高應變法和聲波透射法，結果表明四種方法各有優勢，在工程實際中應根據基樁的特點、要求和試驗條件科學合理的選擇檢測方法。本文在文獻閱讀的基礎上，闡述了鉆芯法、低應變法、高應變法和聲波透射法檢測樁基完整性的原理，并歸納了各種檢測方法的優缺點，根據相關工程案例探討了不同檢測方法的差異性，最后對樁基完整性檢測方法的發展進行了展望。

1 樁基完整性檢測方法的原理及優缺點

1.1 鉆芯法

鉆芯法屬于局部破損檢測方法，其做法是利用鉆機設備從樁基中鉆取芯樣，直接反映樁身的情況。鉆芯取樣過程雖基本不受試驗場地的限制，但鉆機設備的垂直度對取樣的成功與否起到至關重要的作用，因此在安裝鉆機設備時需保持周正、穩固以及底座水平，試驗時需要時刻關注鉆芯孔與樁體的偏離情況，若發生偏離應立即停機并進行垂直度校準。

鉆芯法具有以下優點[6-8]：

⑴能夠客觀、準確的反映混凝土灌注樁的樁身完整性、樁長、樁身混凝土強度、樁底沉渣厚度、骨料分布、樁端持力層等多方面狀況，有助于對灌注樁進行全面、直觀地觀察與分析；

⑵可以利用鉆探孔對樁基進行灌漿增強、補強處理，提升樁身混凝土的強度。

另一方面，鉆芯法具有以下缺點[5-8]：

⑴鉆芯取樣需要的時間比較長，在一定程度上會影響工程進度，而且檢測成本相對較高；

⑵鉆芯法適用于灌注樁，在使用范圍上也具有一定的局限性；

⑶取芯位置、芯樣直徑、芯樣數量等選擇不當會導致樁身中缺陷沒有被檢測到，因而不能準確反映樁基完整性的實際狀況。

1.2 低應變法

低應變法的基本原理是反射波法，建立在一維波動理論基礎上。將樁假設為彈性連續桿，在樁頂采用低能量瞬態或穩態激振的方式使其發生豎向激振產生彈性波并沿著樁身向下傳播，當樁身出現顯著變異的界面，如斷樁、離析、樁底等，或者樁身截面面積發生明顯變化的部位，如縮徑、擴徑等，此時波阻抗將有明顯變化，產生反射波并傳遞到樁頂。與此同時，安裝在樁頂的傳感器將收集的反射波傳遞至檢測儀中進行分析計算，判斷樁身缺陷的位置。采用低應變法進行樁基完整性檢測的示意圖如圖1 所示。

圖1 低應變法檢測示意圖

低應變法具有以下優點[6-8]：

⑴設備輕便易攜帶，操作簡單，理論模型成熟；

⑵檢測速度快，效率高，有助于對樁基進行大面積檢測，而且檢測費用低。

同時，低應變法具有以下缺點[6-9]：

⑴檢測結果受樁身缺陷的尺寸效應和幾何形狀的影響，容易對檢測結果造成誤判；

⑵只能對樁身缺陷程度作定性判斷，無法達到精確定量的程度；

⑶不能全面、準確地反映出樁身缺陷的具體位置，容易發生漏檢、誤檢等情況，無法檢測樁底的沉渣。

1.3 高應變法

高應變法與低應變法的原理類似，同樣是建立在波動理論的基礎上。假設樁身是一維均質線彈性桿體并且破壞發生在樁土界面處，利用錘擊系統在樁頂施加豎向瞬時沖擊荷載，使樁體產生顯著的加速度與慣性力，樁身與土體的界面處在沖擊荷載作用下產生相對位移，使樁側摩阻力得到充分發揮，同時樁端阻力也得到激發。另一方面，在靠近樁頂處樁身的兩側對稱裝有傳感器，用于接收錘擊響應信號（樁身應變應力曲線、樁身質點運動速度曲線），通過分析響應信號判斷樁身的完整性以及計算單樁的承載力。檢測儀器如圖2 所示，高應變法檢測樁身完整性的示意圖如圖2 所示。

圖2 高應變法檢測示意圖

高應變法具有以下優點[6-8]：

⑴由于重錘的沖擊能量大，能夠檢測出樁身深部以及樁底存在的缺陷；

⑵在檢測樁身完整性的同時可測試單樁承載力。

另一方面，高應變法具有以下缺點[6-8]：

⑴重錘質量大，操作較為困難，檢測效率低且檢測費用高；

⑵錘擊系統對場地要求高，通常需要大型起重設備進行配合工作。

1.4 聲波透射法

聲波透射法是利用預埋在混凝土灌注樁中的聲測管之間發射并接收聲波，根據波的傳播理論，聲波在樁身混凝土中遇到如斷樁、擴徑、縮徑、空洞等有缺陷的部位，聲波在傳播過程中會發生反射、折射、投射等現象，聲波可將缺陷信號傳遞至檢測儀中。通過收集聲波在混凝土介質中傳播的聲時、聲速、波幅和主頻等參數結果，利用相關公式進行計算并繪制曲線圖，從而對樁身完整性展開分析，判定樁身缺陷的程度以及相應位置，檢測示意圖如圖3 所示。為準確判斷缺陷的位置，在樁身可疑處可采取加密檢測，或采取斜測、扇形掃測等手段，如圖4 所示。

圖3 聲波透射法檢測示意圖

圖4 聲波透射法三種檢測方法

超聲波透射法具有以下優點[6-8]：

⑴檢測細致、準確性高，能夠判定樁身缺陷的大小以及具體位置；

⑵不受樁身尺寸以及樁長的限制，對縱向缺陷反應強烈，樁身中的多處缺陷不相互影響，避免發生漏測、誤測現象。

另一方面，超聲波透射法具有以下缺點[5-8]：

⑴需要提前預埋聲測管，對施工造成不便，對安裝工藝要求嚴格；

⑵僅對聲測剖面范圍內有效，不具有隨機性。

2 不同檢測方法的對比分析

2.1 聲波透射法、低應變法與鉆芯法

文獻[4]以福建省某工程中沖孔灌注樁為例，依次采用聲波透射法、低應變法以及鉆芯法檢測樁身完整性。檢測人員根據聲波透射法的檢測結果發現該灌注樁的樁身有明顯的缺陷，判定樁底存在離析現象，但采用低應變法進行檢測發現該樁沒有缺陷反射信號，由于兩種檢測結果存在的較大差異，檢測人員采用鉆芯法進行取樣分析，結果與聲波透射法檢測結果相符，樁身底部發生離析現象。

文獻[5]以某工程中混凝土灌注樁為例，分別采用低應變法和聲波透射法對樁身完整性進行檢測。檢測人員根據低應變法的實測曲線判斷該樁有輕微缺陷和輕微縮徑，而根據聲波透射法的檢測結果卻只判斷出該樁僅有輕微缺陷，并未檢測出樁身具有輕微縮徑。但聲波透射法能夠準確定位輕微缺陷的深度范圍，而低應變法卻無法實現；另一方面，由于聲波透射法僅能識別聲測管內部混凝土的缺陷，因此未能檢測出該灌注樁具有輕微縮徑。低應變法判定該灌注樁為Ⅱ類樁，而聲波透射法則判定為Ⅳ類樁。

以上案例表明，低應變法在檢測過程中由于應力波能量的衰減，不利于對樁身底部缺陷的判定，同時對于樁身缺陷的判定不夠準確，而聲波透射法對于樁身缺陷位置、范圍以及程度的判斷更加準確，鉆芯法雖能夠直觀地展現樁身的狀況，但操作過程比較耗時且費力，因此，對于樁身完整性的檢測宜優先采用聲波透射法。

2.2 低應變法與高應變法

文獻[5]以某工程混凝土灌注樁為例，分別采用低應變法和高應變法檢測樁身完整性，檢測人員根據檢測的曲線結果發現，低應變法檢測出樁身的輕微缺陷出現在樁身淺部位置且樁底信號不明顯，而高應變法則顯示輕微缺陷出現在樁身靠底部位置且樁底信號明顯。經分析認為此兩種檢測方法的測試原理雖相同，但錘擊能量與頻率不同，低應變法的錘擊能量低但頻率高，更容易檢測出淺部微小缺陷，而高應變法的錘擊能量高、頻率低，因此容易忽略淺部微小缺陷。此外，低應變法為單通道信號傳感器而高應變法為多通道信號傳感器，力通道與速度通道的信號特征相反，可相互補充輔助分析，提檢測結果的準確性。

3 樁基完整性檢測方法的發展與展望

鉆芯法、低應變法、高應變法和聲波透射法作為檢測樁基完整性的常規方法，每種方法都有其各自的優勢，但也存在不足之處，操作不當容易對樁基完整性產生誤判。為提升檢測結果的準確性，一方面需要科研院所的研究人員加大對檢測儀器的研發，提升傳感器件的性能，以確保檢測數據的準確性、穩定性、科學性，此外還應對各種檢測方法的理論模型進行改進與創新，提高檢測數據的可靠性；另一方面，檢測人員應熟練掌握每種檢測方法，能夠根據實際工況選擇合適的檢測方法，靈活運用不同檢測方法，制定科學合理的檢測方案，發揮不同檢測方法的優勢以確保樁基完整性檢測的順利進行，此外檢測人員對檢測結果應具有較強的分析判斷能力，能夠給出準確、全面的樁基完整性評價報告[10-12]。

4 結論

本文闡述了鉆芯法、低應變法、高應變法和聲波透射法進行樁基完整性檢測的基本工作原理以及各自優缺點，并通過相關工程實例探討分析了不同方法檢測結果的差異性，主要得到以下結論：

⑴鉆芯法作為局部有損破壞檢測方法，取芯過程比較耗時、費力、檢測效率較低，但是芯樣結果能較為直觀的反映混凝土灌注樁的實際情況；低應變法、高應變法和聲波透射法屬于無損檢測方法，檢測效率相對較高，但是樁基完整性檢測結果不如鉆芯法直觀、準確。

⑵幾種檢測方法擁有各自的特點與優勢，但也存在不足之處，因此在進行樁基完整性檢測時應根據實際工況靈活選擇合適的檢測方法，制定科學的檢測方案，多種檢測方法的相互配合有助于提高檢測結果的準確性。

⑶為提升檢測結果的準確性，檢測人員應熟練掌握各種檢測方法，并對檢測結果具有較強的分析能力；相關科研院所加強對檢測儀器的研發，提高檢測數據的準確性、穩定性、科學性，研究人員對檢測方法的理論模型進行改進與創新，提高數據的可靠性。