基桩完整性检测技术探讨 基桩完整性检测规程

　　【摘要】铁路客运专线建设标准高，技术、质量要求严格，需要对桩基工程质量的快速检测技术进行研究总结，提高检测质量与效率。从影响基桩质量检测结果的技术人员素质、方法选择、过程操作、管理等方面，提出了较合理地解决基桩完整性检测常见问题的技术方案。
　　【关键词】基桩；完整性；检测；分析；方法比较
　　
　　铁路客运专线建设工程中大量使用了桩基础，对桥梁基桩和路基基础工程桩等隐蔽工程质量的快速检测提出了更高的要求。在不破坏基桩结构的情况下，直接在基桩上进行测试或在其内部钻取芯样，检测基桩的完整性、内部质量、推定其强度及质量缺陷，具有快速、简便、直观和无破损等优点的基桩检测技术，在质量检验中得到了广泛的应用。每一种检测技术和方法都是建立在各自理论基础之上的，有其特点，也有其局限性，超出一定的应用范围，就会给其判释精度和判定结果带来较大的误差，有的甚至是误判，影响工程质量的最终评价。近年来，铁路工程基桩检测技术取得了较大的发展，由于各地区复杂的地质条件和不同的桩型、不同的施工工艺，以及各种检测方法的局限性，单一检测方法往往难以作出科学、准确、合理的判断，检测技术的实际应用还需进一步总结。
　　1.基桩完整性检测方法及特点
　　目前常用的基桩完整性检测方法有低应变反射波法(又称瞬态激振时域频域分析法)、声波透射法和钻芯法等。
　　1.1低应变反射波法
　　1.1.1基本原理
　　将基桩假定为连续弹性的一维均质杆件，且不考虑桩周土体对应力波沿桩身传播的影响，桩的弹性体振动模型是直杆纵向振动。其原理是在混凝土桩的桩顶施加竖向激振，弹性波沿桩身向下传播，当桩身存在明显的波阻抗差异界面时，将产生反射波，通过实测桩顶加速度或速度响应，籍一维波动理论分析判定桩身混凝土的完整性、桩身缺陷的性质和程度及其位置。
　　1.1.2技术方法特点
　　该方法最大的特点是快捷方便、效率高，基本不制约工期，检测费用相对较低，并能够实时做出判断。作为一种快速、有效的检测手段，多年来始终高效应用于铁路基桩质量检测中。但是受弹性波传播特性和激发能量的制约，对于长桩(通常认为是大于50.0 m)的桩底判别比较困难。对于桩身质量和桩长的判别受干扰因素(如缺陷反射、地质变层反射、桩端持力层岩性、桩身截面突变、激振方式选用、桩头的处理情况等)也较多。
　　1.2声波透射法
　　1.2.1基本原理
　　由发射换能器(探头)间断地发出不连续的以一定重复频率(100 Hz或50 Hz)的超声脉冲波穿过混凝土到达接收换能器，接收的声波将携带丰富的有关混凝土结构特性、材料特性的信息，准确测定接收声波的各种声学参数的量值及变化规律，分析判断混凝土的结构完整性。以声波在混凝土中的传播速度、接收信号的振幅、频率和波形特征作为基本判据，判定桩身混凝土桩的质量。
　　1.2.1.1声速
　　根据声波首波到达的时间t，发射与接收换能器之间的距离l，按下式计算混凝土的声速c。
　　c=■
　　声波在无限体均匀介质中的纵波声速c与介质的弹性模量E、泊松比v、质量密度ρ有关，可由下式表示：
　　c= ■
　　上式显示混凝土的声速与其弹性模量正相关。研究表明混凝土的模量与其质量也是正相关，因此混凝土的声速越高，其质量也越好。
　　1.2.1.2振幅
　　声波在混凝土中传播时，其能量会逐渐衰减，率减的大小可由接收信号的振幅来表示。声波在混凝土中的衰减主要有吸收衰减、散射衰减和扩散衰减3类。吸收衰减是与质点振动时的阻尼有关，混凝土质量越差，阻尼就越大，吸收衰减也就越大；散射衰减是声波在传播中遇到界面发生散射(漫反射)而引起能量减小，混凝土越不均匀、界面越多，衰减越大；扩散衰减是由声场扩大引起的，它只与传播距离有关。当声测管间的距离一定时，声波的能量衰减与混凝土的质量密切相关，混凝土质量越差，衰减越大。
　　1.2.1.3频率
　　发射换能器发出的脉冲声波为复频波，其主频为发射换能器的标称频率。复频波在传播过程中，高频成分比低频成分衰减得快，并且混凝土质量越差，高频衰减越大。因此接收到的信号向低频端漂移，并且混凝土质量越差，接收信号的主频越低。
　　1.2.1.4波形
　　超声脉冲波在混凝土中传播遇到缺陷时会产生反射和绕射。当混凝土中存在较大缺陷时，直达波、绕射波和反射波会经过各种不同的路径到达接收换能器，收到的信号是上述各种波的叠加，造成接收信号波形畸变，因此可根据波形分析判断混凝土质量。
　　1.2.2技术方法特点
　　声波透射法在公路工程基桩检测中应用较早。近几年来，随着客运专线铁路工程基桩检测的需要，也广泛采用。该方法的优点是检测细致，结果准确可靠，并可估算混凝土强度；检测不受桩长和桩径的限制，对桩长的判定直接有效，受其它的干扰因素也较少；无盲区，声测管埋到什么部位就可检测什么部位，包括桩顶低强区和桩底沉渣厚度；毋须桩顶露出地面即可检测，方便施工。其缺点是检测费用和声测管材料费用相对较高，当声测管与混凝土握裹不好或管周围存在局部泥团时，可能会反映为严重的断桩信号，容易造成重判或误判。
　　1.3钻芯法
　　钻芯法适用于检测混凝土灌注桩的桩长、桩身混凝土强度、桩底沉渣厚度和桩身完整性，判定或鉴别桩端持力层岩土形状。钻机应配备单动双管钻具，采用金刚石钻头钻进，保证芯样的采取率和芯样完整性。芯样取出后，应由上而下按回次顺序放进芯样箱中，芯样侧面应清晰地标明回次数、块号、本回次总块数。及时记录孔号、回次数、起止深度、块数、总块数，并拍彩色照片留存，记录芯样质量的初步描述及钻进异常情况。选取代表性芯样进行混凝土抗压试验。
　　钻芯法作为一种直接检测方法，是检测灌注桩成桩质量的有效手段之一，不受场地条件限制，特别适合于大直径桩的检测。当桩长较长时应控制好钻杆的垂直度，以免偏离桩身。但当桩本身存在偏斜现象时，钻芯孔较难钻至桩底。钻芯法检测速度慢、费用高，且属“一孔之见”。
　　2.基桩完整性检测常见技术问题
　　2.1检测方法
　　每种检测方法基于其理论基础和技术上的原因都有其一定的适用范围和检测能力，若将其故意扩大，极易引起误判，甚至错判。在基桩检测实际工作中，由于没有规范的可操作性强的检测相关规定、统一认识，相关人员对检测方法适用性的认识上存在不足，若未针对不同的地质情况和桩型选定适宜的检测方法，则会造成在检测数据的采用和分析评价时缺乏科学性、权威性和可靠性，从而引起与相关方的意见分歧。
　　2.2嵌岩桩的检测
　　嵌岩桩在客运专线桥梁基桩中被广泛采用，为保证铁路建设标准，一般嵌岩段较长，在个别地质条件下超过二十米。在这种情况下，若采用低应变反射波法检测其桩身完整性，由于受桩周岩土层阻力的影响，应力波能量衰减快，使得有效测试范围减小，容易造成该方法难以对整桩的成桩质量进行客观评价。
　　图1为某特大桥嵌岩桩低应变检测实测曲线，较清晰地反映了5.0m左右进入基岩，在入岩后的桩身混凝土反射信息很少，且无明显的桩底反射，难以进行整桩完整性质量判断，此时对桩的质量评价往往评判为完整桩。
　　图1嵌岩柱低应变反射波法实测曲线
　　图2为客运专线某特大桥灌注桩低应变检测实测曲线，10m进入完整基岩，反向反射信号明显，其上桩身完整，无明显桩底反射，也无法反映桩底沉渣情况。
　　图2嵌岩柱低应变反射波法实测曲线
　　以上类似情况，若施工中无异常状况，判定桩身完整性时，一般以完整桩评判，对有异常时则应辅以取芯法加以验证为宜。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　2.3长桩的检测
　　随着铁路建设标准的提高，桩长超过50m的长大灌注桩的应用越来越多。由于低应变检测方法受激振能量等技术条件的限制，桩长超过一定范围，来自桩身下部的信息量很少，甚至无法得到整桩的响应，会给整桩的判释评价带来很大困难。另外，采用低应变法检测长大桩本身对数据采集质量、激振方式和接收传感器的选择、技术人员分析解释能力和经验水平等各方面的要求都相对较高，在没有可靠的、高水平的技术条件保证前提下，是难以得出较为确切的检测结果的。
　　2.4浅部严重扩径桩的检测
　　在铁路工程建设中，由于其线状特点决定了遇到的地质地层条件差异会很大。在某些地层中如果采取的施工工艺或措施不当，很容易产生桩身浅部或桩头部分严重扩径或局部桩身变形的情况。采用低应变法检测时，会形成振荡波形，造成时域曲线极不规则，无法对整桩桩身质量进行评价。
　　典型的测试曲线如图3所示。
　　图3典型浅部扩径桩实测曲线
　　2.5检测数据质量问题
　　在现场检测中，因检测条件不好，造成数据质量不高，为分析解释和判断带来误差。低应变检测的桩头处理不到位、清理不干净、有浮浆、出露钢筋过长，桩头开裂、浅部断裂等不利因素，影响有效信号的采集。声波检测中声测管弯曲变形、堵管、接头处理不当，水中有杂质、漏水，管间距过分不均衡和不相互平行等因素，严重影响检测工作顺利进行或引起声学参数假异常现象。
　　3.解决的技术方案
　　3.1合理选择检测方法
　　客运专线基桩检测应综合考虑各方面的因素，因地制宜，采用适宜的检测方法保证工程质量。对嵌岩桩和超过50 m长的灌注桩均有必要提前埋设声测管，在客运专线施工设计图中予以明确，采用超声波透射法检测，以提高完整性判释精度。对桩身浅部缺陷或浅部严重扩径、变形的桩，采取单一的低应变检测方法是很难取得理想的检测效果，有必要进行开挖检验和处理，或凿除多余部分，在新的标高处继续测试，了解其下部桩身的质量。另外也可以采用钻芯法等补充手段进行直观判定。
　　低应变检测快速简便，但适用范围有其局限性，目前仍无法对缺陷进行准确定性，定量分析也不理想，受缺陷信号干扰和应力波衰减影响，长径比超过一定限度的长桩和浅部缺陷桩，无法进行整桩完整性的判别。声波透射法不仅可以检测桩身混凝土的完整性，同时可以校核桩长、估算混凝土强度，尤其适合嵌岩桩和长桩的检测。发生堵管现象时，应结合低应变检测或抽芯法综合评定桩身完整性质量。对于重要铁路桥梁工程的基桩有必要抽取一定比例的基桩采用钻芯法检验桩长、桩身混凝土强度和桩身完整性，同时也作为间接检测法的一种验证和补充手段。
　　3.2合适的激振方式
　　能否获得正确的桩顶振动曲线，与激振的好坏有很大关系。应根据实际情况选择激振能量和锤头的材质，而不是能量越大越好。对于浅部的缺陷，要求激振力的高频成分丰富，故采用硬质锤头和质量小的锤；而对深部缺陷，要求激振力的低频成分丰富，故采用重量大的锤或力棒，锤头材料以选用软质的为宜。因为高频力波方向性好，波长短，能探测的缺陷精度高，但衰减快，故对长桩和深部缺陷就无能为力；而低频力波则相反，衰减慢，波长长，故探测的精度不高，浅部缺陷和小缺陷往往难以发现或判断位置不准。还应注意的是激振力要靠近桩心位置并尽量保持垂直。
　　3.3检测现场准备工作
　　现场检测时应提前做好相关的准备工作。低应变检测要求桩顶至设计标高为新鲜混凝土，无浮浆、裂纹和松动混凝土块等。激振点和安装传感器的测试点应打磨平整，尽量排除干扰因素。
　　声波法检测应保证声测管顺直通畅，换能器探头能够在全程范围内升降顺畅。检测工作开始前，应使用与换能器直径相近的粗钢筋（用测绳系紧）对声测管进行通畅性测试，声测管的材质应具有较高的刚度和强度，安装时应由丝扣连接或套管焊接，确保连接或焊接的质量以及声测管相互平行。在钢筋笼安装和混凝土灌注过程中，应采取必要措施保护好声测管。
　　3.4提高检测技术分析判断能力和管理水平
　　基桩检测是技术含量较高的一项重要性工作，检测人员除应持证上岗外，还应具备一定的基础理论知识、较高的技术素养、综合分析解释能力和丰富的实践经验。现场检测前详细了解和搜集基桩的相关参数资料，施工资料，检测过程中能及时发现问题并作出初步判断，及时完成必要的重复性检测或加密检测工作，保证检测原始数据的可靠性和采集波形的一致性，为综合分析判断提供详实的基础资料。加强对比验证，综合分析同一工程的所有检测桩资料，寻找其共性，提高对单桩检测结果的判断准确度。
　　从管理角度来讲，应制定切实可行的检测标准，强调检测工作的准入制度，加强对检测机构的管理，增加行业技术交流，提高检测队伍的整体技术水平。
　　4.结论
　　基桩完整性检测是一项操作简便而涉及面广的检测技术，它涉及到振动理论、应力波基础、行波理论、声波理论、传感器特性、测试技术、土力学知识等，这就要求测试人员理论知识全面，现场操作熟练，室内分析要综合考虑，并结合沿线工程地质情况、桩型和不同的施工工艺，综合考虑各方面因素，合理选择做到心中有数。以上是我在实际工作中总结的一点心得体会，实际上测桩的内涵非常丰富，需要我们善于积累，不断总结，假以时日认真研究和掌握。通过行业组织的各种检测技术的总结与交流，一定会促进基桩检测整体水平的提高。■
　　
　　【参考文献】
　　［１］刘明贵，余诗刚，汪大国．桩基检测技术指南．北京：科学出版社，1995．
　　［２］刘明贵，蔡忠理，佘诗刚．基桩与场地检测技术．武汉：湖北科学技术出版社，1995．
　　［３］徐攸在，刘兴满．桩的动测新技术．北京：中国建筑工业出版社，1989．
　　［４］柴华友，刘明贵，李祺，陈星烨．应力波在平台桩系统中传播的实验研究．岩土力学， 2002，（04）．
　　［５］方志香，吴亚平．反射波法在基桩完整性检测中的应用．岩土工程界，2000(8)：23-25．
　　［６］中国建筑科学研究院．JGJ／T93-95．基桩低应变动力检测规程．北京：中国建筑工业出版社，1997．
　　［７］柳祖亭，顾利平，骆英等．桩基振动分析与质量监测．南京：东南大学出版社，1995．
　　［８］雷林源．桩基瞬态动测响应的数学模型与基本特性．地球物理学报， 1992（4）．
　　［９］陈凡，徐天平，陈久照，关立军．基桩质量检测技术．北京：中国建筑工业出版社，2003：244―267．
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文