燕季紅

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，甘肅蘭州730000）

1 樁基完整性檢測(cè)概述

在目前的公路建設(shè)中，樁基完整性的判定結(jié)果不僅影響著整個(gè)結(jié)構(gòu)物的下一步工序，也是評(píng)定該結(jié)構(gòu)物整體質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。因此，樁基完整性的判定是樁基施工過(guò)程中必不可缺的環(huán)節(jié)。

現(xiàn)有的樁身完整性檢測(cè)方法，大體可分為無(wú)損檢測(cè)法（低應(yīng)變反射波法、聲波透射法）和鈷探取芯法[1]。無(wú)損檢測(cè)具有操作簡(jiǎn)單、儀器設(shè)備輕便、檢測(cè)速度較快等特點(diǎn)，可較快檢測(cè)出樁身的缺陷位置及情況，從而判定樁身完整性的類(lèi)別，這種檢測(cè)方法在樁基質(zhì)量普查中應(yīng)用比較廣泛[2]；鉆芯法的操作過(guò)程更復(fù)雜，儀器較為笨重，但卻能直觀、可靠地觀察樁身缺陷，從而準(zhǔn)確判定樁身的完整性，這也是無(wú)損檢測(cè)方法中的仲裁方法。

樁基完整性的檢測(cè)與判定涉及工程地質(zhì)學(xué)、橋梁設(shè)計(jì)理論、樁基的施工方法、聲波的振動(dòng)理論等多門(mén)學(xué)科和理論[3]。因此，需要現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員和判定人員不僅具有豐富的理論知識(shí)，還要積累大量的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，便于出具科學(xué)、合理的判定結(jié)果，從而保障樁基的施工質(zhì)量。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)的檢測(cè)設(shè)備也在不斷更新，樁基檢測(cè)技術(shù)也更加成熟和方便。相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定，也使得對(duì)樁基完整性的判定工作進(jìn)一步規(guī)范，對(duì)保證樁基質(zhì)量起到了良好的指引作用。

綜上所述，在使用以上方法時(shí)，還應(yīng)依據(jù)樁基的設(shè)計(jì)理論、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、承載能力、施工方法等因素，對(duì)缺陷進(jìn)行綜合分析，這不但能對(duì)樁身完整性的類(lèi)別做出可靠評(píng)價(jià)，還可以對(duì)樁的承載能力做出客觀評(píng)估[4]。

2 樁基完整性的內(nèi)容和檢測(cè)方法分析

2.1 低應(yīng)變反射波法

2.1.1 基本原理

把樁基視為介質(zhì)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(zhì)桿件，在不考慮樁周?chē)馏w對(duì)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(dāng)在樁頂施加激勵(lì)力時(shí)，所產(chǎn)生的壓縮波將沿樁身向下傳播，在遇到缺陷時(shí)，樁身波阻抗將產(chǎn)生變化，壓縮入射波在波阻抗界面將產(chǎn)生反射波和透射波。應(yīng)力波在樁頂和缺陷處來(lái)回反射，會(huì)出現(xiàn)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(guò)反射波與入射波相位的關(guān)系，判別某一波阻抗界面的性質(zhì)，這是采用低應(yīng)變反射波法判別樁身缺陷的理論依據(jù)。

2.1.2 判別依據(jù)

第一，當(dāng)樁身的波阻抗與施加的樁頂波阻抗相等時(shí)，即應(yīng)力波在樁身連續(xù)傳遞，樁身無(wú)反射波信號(hào)，應(yīng)力波完全透射，無(wú)明顯阻抗差異產(chǎn)生，即表示樁身完整。

第二，當(dāng)樁身的波阻抗大于施加的樁頂波阻抗時(shí)，反射波為上行拉力波，反射波與入射波同相。另外，通過(guò)對(duì)彈性桿波動(dòng)傳播的符號(hào)定義來(lái)解釋?zhuān)闲欣Σㄅc下行壓力波的方向一致，即反射波引起的質(zhì)點(diǎn)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(yīng)力，均與入射波信號(hào)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(dāng)樁身的波阻抗小于施加的樁頂波阻抗時(shí)，反射波為上行壓縮波，這樣，樁頂接收到的反射波速度及應(yīng)力，均與人射波信號(hào)的極性相反。由此可以得出，樁底處的波速速度為零，而應(yīng)力卻加倍，即樁身可能存在擴(kuò)徑、膨脹或端承樁的情況。

2.1.3 檢測(cè)過(guò)程中的注意事項(xiàng)

第一，鑿去樁頭后，應(yīng)清除樁頂?shù)母{或部分松散、破損的混凝土，直至表面露出堅(jiān)硬的混凝土。

第二，清理樁頂，尤其是樁頂積水，樁頂表面應(yīng)平整、干凈。

第三，選擇敲擊點(diǎn)和傳感器的黏接點(diǎn)，并對(duì)該部位進(jìn)行打磨、平整，否則有可能在多次錘擊時(shí)，儀器接收到的信號(hào)重復(fù)性較差。

第四，若樁頭與墊層連接對(duì)測(cè)試信號(hào)有影響時(shí)，應(yīng)斷開(kāi)連接。

第五，將傳感器與樁頂用耦合劑黏結(jié)時(shí)，耦合劑層應(yīng)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(yīng)處于樁軸線上。

第六，檢測(cè)過(guò)程中，應(yīng)在同一條件下對(duì)同一工程的同一批樁進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)要對(duì)激振點(diǎn)和傳感器布置的位置、激振操作等中任一條件的改變進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)記錄，并記錄混凝土質(zhì)量的異常情況和樁頭的外觀尺寸，以便后期通過(guò)信號(hào)分析，在發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)提供必要的判定和解釋依據(jù)。

第七，當(dāng)樁徑增大時(shí)，樁各截面內(nèi)各部位運(yùn)動(dòng)的不均勻性也會(huì)隨之增加，樁淺部位的阻抗變化也隨之表現(xiàn)出明顯的方向性。因此，檢測(cè)時(shí)應(yīng)增加檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)量，通過(guò)多個(gè)波形的變化差異，判斷淺部缺陷是否也存在方向性。每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)接收到的有效信號(hào)不少于3 個(gè)，且重復(fù)性良好，通過(guò)信號(hào)的疊加，提高測(cè)點(diǎn)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(yù)埋聲測(cè)管，聲測(cè)管作為換能器上下運(yùn)行的檢測(cè)通道，檢測(cè)前應(yīng)將管中注滿清水，作為耦合劑，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，按順序分別在聲測(cè)管內(nèi)放置超聲發(fā)射換能器和接收換能器。超聲發(fā)射換能器會(huì)產(chǎn)生超聲脈沖，并在條件相同的混凝土中傳播，另一聲測(cè)管中的接收換能器接收混凝土傳來(lái)的脈沖，并經(jīng)檢測(cè)儀器放大，檢測(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)初步判定后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，再進(jìn)行下一步分析和判定。

混凝土的密實(shí)度直接決定了超聲脈沖波傳播的速度，對(duì)于相同條件的樁基，脈沖波的轉(zhuǎn)播速度較為均勻，且傳播速度越快，證明混凝土越密實(shí)。但當(dāng)混凝土中出現(xiàn)了空洞、裂縫或其他雜物時(shí)，脈沖波必然會(huì)繞過(guò)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(zhǎng)了傳播途徑，相對(duì)應(yīng)的聲時(shí)也隨之加長(zhǎng)，波幅增大，聲速降低，依據(jù)這些參數(shù)變化繪制曲線圖，檢測(cè)人員可以分析、判斷出樁身具有的缺陷類(lèi)型和范圍，估算出這些缺陷的大小、位置等，并按相關(guān)技術(shù)規(guī)范對(duì)樁基的完整性進(jìn)行分類(lèi)。

2.2.2 判定方法

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

首先，用概率統(tǒng)計(jì)法統(tǒng)計(jì)所有波速值，判斷出低于臨界值異常點(diǎn)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(cè)點(diǎn)，判定為異常部位。

其次，采用縮短換能器行程加密檢測(cè)、斜測(cè)等方法，進(jìn)一步判定缺陷的大小和范圍。

最后，通過(guò)查閱施工資料、了解現(xiàn)場(chǎng)施工情況，結(jié)合檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)，綜合判定缺陷的性質(zhì)和種類(lèi)，從而判定樁身完整性的類(lèi)別。

2.2.3 檢測(cè)過(guò)程中的注意事項(xiàng)

第一，樁基混凝土強(qiáng)度不得低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，且不得小于15MPa，齡期需達(dá)到7d 以上。

第二，鑿除后的樁頭標(biāo)高應(yīng)達(dá)到樁頂?shù)脑O(shè)計(jì)標(biāo)高，且聲測(cè)管標(biāo)高應(yīng)高于樁頂?shù)脑O(shè)計(jì)標(biāo)高。

第三，檢測(cè)前，應(yīng)在聲測(cè)管內(nèi)灌滿清水，并檢查聲測(cè)管是否暢通。

第四，聲測(cè)管按路線的前進(jìn)方向順時(shí)針編號(hào)。

第五，精確測(cè)量聲測(cè)管的內(nèi)、外徑及聲測(cè)管外壁間的凈距離。

第六，采用標(biāo)定法確定儀器系統(tǒng)的延遲時(shí)間。

第七，計(jì)算聲測(cè)管和耦合水層聲時(shí)修正值。

2.3 鉆探取芯法

2.3.1 鉆探取芯的目的

第一，檢測(cè)樁身混凝土的密實(shí)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(lèi)別，為科學(xué)分析缺陷產(chǎn)生的原因、程度及處理方法提供依據(jù)。

第二，核驗(yàn)樁長(zhǎng)是否滿足設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，檢驗(yàn)樁底沉渣厚度是否滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，驗(yàn)證樁底持力層的巖土堅(jiān)硬性是否滿足承載力要求。

第三，作為無(wú)損檢測(cè)方法的驗(yàn)證和修正，甚至檢測(cè)結(jié)果的仲裁。

第四，能夠直觀反映缺陷的類(lèi)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(qiáng)度代表值，應(yīng)取同一組三塊合格試件強(qiáng)度的平均值。若評(píng)定同一根樁基同一部位的兩組或兩組以上試件的抗壓強(qiáng)度代表值，應(yīng)取其平均值作為該樁基該部位的芯樣試件抗壓強(qiáng)度的代表值。

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

第三，樁端持力層的巖土性狀，應(yīng)根據(jù)巖土的芯樣特征、芯樣單軸抗壓強(qiáng)度、動(dòng)力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入度等試驗(yàn)結(jié)果綜合判定。

第四，因地質(zhì)條件的復(fù)雜性和施工過(guò)程中存在的差異，成樁后的質(zhì)量也存在較大差異。為保證評(píng)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)按單樁進(jìn)行混凝土強(qiáng)度和樁身完整性的評(píng)價(jià)。

2.3.3 當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，應(yīng)判定為該樁不滿足設(shè)計(jì)要求

第一，混凝土芯樣試件的抗壓強(qiáng)度代表值小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)。

第二，樁長(zhǎng)和樁底沉渣厚度不滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

第三，端持力層巖土性狀（強(qiáng)度）或厚度不滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.4 檢測(cè)過(guò)程中的注意事項(xiàng)

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

第二，盡量避開(kāi)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋位置，特別是主筋和深測(cè)管的預(yù)埋位置。

第三，選取具有代表性的混凝土強(qiáng)度位置進(jìn)行取芯。

第四，進(jìn)行無(wú)損修正時(shí)，取芯位置應(yīng)接近無(wú)損檢測(cè)區(qū)。

第五，試件芯樣的平整度、垂直偏差、尺寸和高徑比，都會(huì)影響試件的強(qiáng)度。

3 案例分析

圖1 為聲波透射法成果圖，是一根1.5m 長(zhǎng)、孔深32.4m 的樁基，采用聲波透射法對(duì)其三個(gè)剖面進(jìn)行檢測(cè)的成果圖。由圖分析可知，在孔深達(dá)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(yīng)，該位置的聲學(xué)參量明顯異常。圖2 是經(jīng)鉆探取芯獲得的驗(yàn)證圖，1 號(hào)管子的19.0～19.6m 附近有混凝土夾泥，混凝土不密實(shí)，影響了1-2、2-3 剖面，說(shuō)明該樁基有較嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題，樁身完整性類(lèi)別判定為Ⅲ類(lèi)樁。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于施工過(guò)程中導(dǎo)管提拔速度過(guò)快，且混凝土坍落度過(guò)小，泥漿護(hù)壁剛度不足，導(dǎo)致混凝土未及時(shí)流出導(dǎo)管，使孔壁土涌入樁身，而造成了樁身夾泥的問(wèn)題。

圖1 聲波透射法成果圖

圖2 經(jīng)鉆探取芯驗(yàn)證圖

4 結(jié)語(yǔ)

總體而言，樁基完整性的檢測(cè)與判定在實(shí)際的橋梁建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用，不僅能夠?yàn)榻ㄔO(shè)單位提供科學(xué)的檢測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果，也能發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中樁基出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，并為相關(guān)專(zhuān)家制定整改方案提供可靠的依據(jù)，更能節(jié)約大量的施工成本。