羅云烈，魯傳恒，陶華飛，游建華

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

對于沿海地區(qū)來說，由于軟土層深厚，巖層埋藏較深，橋梁樁基礎(chǔ)多采用嵌巖樁，其施工樁長必然遠(yuǎn)超常規(guī)。超長樁因其施工時(shí)間長、地層條件復(fù)雜、地下水變化較大、軟土層部分孔壁需埋設(shè)護(hù)筒保護(hù)等因素，相對來說更容易發(fā)生混凝土離析、縮徑、斷樁、塌孔、沉渣過厚等諸多質(zhì)量問題[1]。橋梁上部結(jié)構(gòu)及其所承受的荷載全部施加于樁基礎(chǔ)之上，再通過樁身將所有應(yīng)力傳遞到地下巖土層之中，由此可見，樁基礎(chǔ)作為橋梁工程的根，其施工質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)橋梁工程的安危，樁基礎(chǔ)施工工程中產(chǎn)生的樁身缺陷如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取有效措施進(jìn)行補(bǔ)救，將對后續(xù)的使用帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)產(chǎn)生不可估量的人員和財(cái)產(chǎn)損失。因此，在橋梁上部結(jié)構(gòu)施工之前，對樁基礎(chǔ)采用多種檢測技術(shù)手段進(jìn)行檢驗(yàn)顯得尤為重要。

樁基檢測技術(shù)歷經(jīng)多年發(fā)展完善，目前工程界廣泛運(yùn)用的檢測手段主要包括：低應(yīng)變法、聲波透射法、鉆芯法、靜載試驗(yàn)和高應(yīng)變法等。靜載試驗(yàn)和高應(yīng)變法主要用來檢測基樁承載力。檢測樁身完整性多采用低應(yīng)變法、聲波透射法和鉆芯法，這三種方法都具有操作便利、速度快、效率高、成本低等優(yōu)勢，在橋梁樁基檢測中得到了廣泛運(yùn)用[2]。然而，多年實(shí)踐表明，低應(yīng)變法、聲波透射法、鉆芯法也各自存在一定局限性，如果僅靠一種方法對樁基礎(chǔ)進(jìn)行分析和評判，則可能給工程埋下安全隱患[3-5]；同時(shí)，單單根據(jù)某種方法得出的異常結(jié)論就給樁基判“死刑”，往往可能夸大了存在的缺陷問題，造成極大的工程浪費(fèi)，嚴(yán)重延誤工期。因此，從工程可靠性和經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，研究多種檢測手段的綜合應(yīng)用具有十分重要的意義。

1 低應(yīng)變法、聲波透射法、鉆芯法的主要原理及優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 低應(yīng)變法

低應(yīng)變法將基樁假定為理想化的“一維線性彈性桿件”數(shù)學(xué)模型，利用小錘在樁頂激發(fā)一瞬態(tài)應(yīng)力波，當(dāng)應(yīng)力波往下傳播過程中遇到樁身阻抗突變的界面，將會(huì)產(chǎn)生往上傳播的反射波信號，這些信號由樁頂粘貼的傳感器接收生成信號曲線，通過波動(dòng)理論分析曲線來判斷樁身完整性情況[1]。低應(yīng)變法的優(yōu)點(diǎn)主要是操作簡便、成本低廉、效率高，適用于大面積普查檢測。低應(yīng)變法的缺點(diǎn)主要有4 點(diǎn)：一是應(yīng)力波信號容易受到外界環(huán)境干擾、低應(yīng)變激振能量較弱，有效檢測長度有限；二是對樁身缺陷只能做定性評價(jià)，無法判定缺陷的具體性質(zhì)；三是樁身若存在較明顯的淺部缺陷，會(huì)使應(yīng)力波的能量產(chǎn)生嚴(yán)重衰減，使得樁身中下部的缺陷沒法識別，造成漏判；四是對樁身“擴(kuò)徑”等阻抗?jié)u變的情況容易產(chǎn)生誤判。

1.2 聲波透射法

聲波透射法利用提前預(yù)埋在混凝土灌注樁中的聲測管為通道，將成對的聲波發(fā)射和接收換能器放置其中，沿著樁身軸向方向從樁底開始勻速同步提升，逐點(diǎn)記錄超聲波穿過各檢測剖面的聲學(xué)參數(shù)，通過分析聲波在混凝土中傳播的聲學(xué)參數(shù)變化和波形畸變程度，可以分析判定樁身混凝土缺陷的位置范圍和程度[6]。它具有檢測方便快捷、適用性廣、檢測結(jié)果比較全面、準(zhǔn)確和可靠等優(yōu)勢；同時(shí)也存在一些局限性，一是聲波檢測須提前預(yù)埋聲測管，且試驗(yàn)前必須保證每根聲測管通暢到底；二是聲波透射法檢測同樣只能定性評價(jià)樁身缺陷，無法定量判定缺陷的類型；三是聲測管管壁若包裹泥團(tuán)或接口焊接不良時(shí)，聲波信號會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，容易造成誤判。

1.3 鉆芯法

鉆芯法是利用鉆探設(shè)備在樁身鉆取若干個(gè)孔的全樁長混凝土芯樣及一定深度的持力層巖土芯樣，通過觀測芯樣表觀質(zhì)量和抽樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，可以準(zhǔn)確判定樁長、混凝土強(qiáng)度、樁身缺陷及位置、樁底沉渣厚度等是否滿足要求[7]。鉆芯法明顯的優(yōu)勢一是檢測結(jié)果十分直觀明了，可以準(zhǔn)確判定缺陷的類型和程度，因此常作為低應(yīng)變法和聲波透射法的驗(yàn)證手段；二是可查明樁底沉渣厚度和樁端持力層巖土性狀，檢測結(jié)果可輔助計(jì)算承載力。同時(shí)鉆芯法也存在一些局限性，一是天生存在“一孔之見”的弊端，無法完整體現(xiàn)整個(gè)樁身截面的情況，容易漏判、重判；二是對于超長樁和垂直度較差的旋挖樁，鉆芯法容易鉆偏出樁外，無法鉆穿樁底；三是需鉆探設(shè)備進(jìn)場并配備專業(yè)人員操作，成本相對較高，面對長樁檢測時(shí)，鉆探耗費(fèi)的時(shí)間較長，效率低。

2 工程實(shí)例分析

2.1 低應(yīng)變法與聲波透射法綜合運(yùn)用實(shí)例

某橋梁工程采用混凝土灌注樁基礎(chǔ)，均為嵌巖樁，樁徑分別為1 200 mm 和1 500 mm，設(shè)計(jì)樁長在37.5～50.7 m 之間。隨機(jī)抽檢一批樁進(jìn)行低應(yīng)變法檢測，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有受檢樁低應(yīng)變法結(jié)果曲線都反映出樁身上部有明顯缺陷。典型異常檢測曲線如圖1 所示，1-11# 樁的樁徑為1 200 mm，樁長為52.5 m，樁底嵌入中風(fēng)化花崗巖2.4 m，其低應(yīng)變檢測曲線上顯示樁身6.2 m 左右處有與入射脈沖同向的高幅值反射，說明在該深度處樁身存在阻抗明顯變小的界面或區(qū)域，判斷可能存在縮徑、蜂窩溝槽、離析、夾泥等缺陷。

圖1 1-11# 樁低應(yīng)變法檢測曲線圖

本項(xiàng)目分別選用鉆芯法、聲波透射法和低應(yīng)變法對全部46 根橋樁進(jìn)行全覆蓋檢測，前期選定為鉆芯法和聲波透射法檢測的樁，它們的檢測結(jié)果均無異常，完整性均判為Ⅰ類，而第一批采用低應(yīng)變法抽檢的樁，結(jié)果均出現(xiàn)異常，因此有必要對低應(yīng)變法檢測結(jié)果進(jìn)一步分析。查閱勘察鉆孔柱狀圖信息得知，場地上覆深厚層的淤泥軟土，深度有20 多米，該軟土層含水量大，為流塑狀，不穩(wěn)定，為保證孔壁不坍塌，樁基施工時(shí)埋設(shè)了護(hù)筒進(jìn)行保護(hù)，現(xiàn)場觀察樁頭發(fā)現(xiàn)，護(hù)筒并沒有在澆筑完混凝土后拔除。詢問施工方得知，該護(hù)筒直徑要比設(shè)計(jì)樁徑要大20 cm 左右，這就造成了護(hù)筒段以下樁身非缺陷性“縮徑”，而“縮徑”位置就會(huì)產(chǎn)生同向的異常反射信號。將受檢樁的護(hù)筒長度數(shù)據(jù)和低應(yīng)變異常反射位置進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者幾乎吻合。同時(shí)了解到該項(xiàng)目所有樁均預(yù)埋了聲測管，可采用聲波透射法進(jìn)一步驗(yàn)證。如圖2 所示，1-11 樁在6.2 m 左右處的聲速、波幅等聲測參數(shù)均無異常，波形無畸變，聲波透射法結(jié)果表明樁身完整無缺陷，可判為一類樁。對其他低應(yīng)變法受檢樁均改用聲波透射法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果均表明樁身完整，印證了低應(yīng)變法所反映的缺陷是因大護(hù)筒產(chǎn)生的非缺陷性“縮徑”所引起。

圖2 1-11# 樁聲波透射法檢測波列圖

2.2 聲波透射法與鉆芯法綜合運(yùn)用實(shí)例

某橋梁工程采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，主跨橋墩樁基礎(chǔ)采用沖孔灌注樁，利用水下插打鋼護(hù)筒工藝進(jìn)行施工，樁端要求嵌入中風(fēng)化花崗巖。11#-10 樁的施工樁長為37.65 m，樁徑為2 000 mm，提前對稱分布預(yù)埋了4 根聲測管，編號按順時(shí)針依次為A、B、C、D，聲波透射法檢測結(jié)果如圖3 所示。AB 檢測剖面34.40 ～37.60 m 段、AC 檢測剖面34.50 ～37.60 m 段、AD 檢測剖面34.50 ～37.60 m段、BC 檢測剖面34.70～37.60 m 段、BD 檢測剖面34.75～37.60 m 段的聲速和波幅參數(shù)均存在明顯異常，且聲測線波形畸變嚴(yán)重。該樁6 個(gè)聲測檢測剖面中5 個(gè)存在異常，反映的缺陷基本處同一深度，且缺陷范圍超過3 m，初步可判定為Ⅳ類樁，不滿足驗(yàn)收要求，應(yīng)做廢樁處理。

圖3 11#-10 樁聲波透射法檢測波列圖

進(jìn)一步研究聲波透射法結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AB 剖面的聲測曲線畸變最為嚴(yán)重，CD 剖面無異常，且所有異常剖面均跟A 管和B 管有關(guān)聯(lián)，因此靠近這兩根管的位置需要重點(diǎn)關(guān)注。采用鉆芯法對11#-10 樁進(jìn)一步驗(yàn)證，該樁樁徑大于1 600 mm，需鉆3 個(gè)孔，如圖4所示，使2 個(gè)鉆芯孔分別靠近A 管和B 管，另一孔對稱分布。

圖4 11#-10 樁鉆芯法驗(yàn)證開孔位置平面圖

鉆芯驗(yàn)證結(jié)果如圖5 所示，3 個(gè)驗(yàn)證孔的混凝土芯樣均表現(xiàn)為連續(xù)完整，斷口吻合，芯樣表面光滑，未見明顯蜂窩麻面溝槽，骨料分布均勻，膠結(jié)良好，依據(jù)鉆芯法結(jié)果，樁身完整性可判為Ⅰ類。聲波透射法在樁底附近測得的異常信號并沒有在鉆芯法結(jié)果上有任何體現(xiàn)，出現(xiàn)這種明顯反差的原因可能是11#-10 樁的樁徑較大，且為水下樁，下部護(hù)筒未圍蔽段的孔壁泥土相對不穩(wěn)定，塌落至孔底，樁長也較長，吊放鋼筋籠時(shí)也容易刮碰到孔壁泥土，這些都可能使A 管和B 管外壁附著泥土，導(dǎo)致這兩根管關(guān)聯(lián)的聲測剖面信號數(shù)據(jù)異常。

圖5 11#-10 樁鉆芯法驗(yàn)證芯樣照片

2.3 鉆芯法與聲波透射法綜合運(yùn)用實(shí)例

某橋梁工程采用鉆（沖）孔灌注樁基礎(chǔ)，橋墩樁基直徑為1 300 mm，橋臺(tái)樁基直徑為1 000 mm，均為嵌巖樁，樁底入中風(fēng)化花崗巖不少于1.5D。橋臺(tái)樁基Z4-27 樁的樁長為56.95 m，采用鉆芯法進(jìn)行檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)樁身21.41～22.61 m 段芯樣松散破碎，膠結(jié)質(zhì)量差（如圖6），混凝土破碎段長度遠(yuǎn)大于10 cm，樁身完整性類別應(yīng)判為Ⅳ類，理論上需做廢樁處理。在原樁增加一個(gè)鉆芯孔進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖7 所示，在對應(yīng)深度范圍內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，芯樣整體連續(xù)完整，芯樣表面光滑，膠結(jié)良好，說明一孔發(fā)現(xiàn)的缺陷并沒有完全貫穿整個(gè)樁身截面，然而考慮到鉆芯法“一孔之見”的局限性，必須擴(kuò)大檢測的有效區(qū)域，對缺陷的影響范圍做進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖6 Z4-27 樁鉆芯法檢測芯樣照片（松散破碎）

圖7 Z4-27 樁鉆芯法驗(yàn)證孔芯樣照片（完整光滑）

觀察到Z4-27 樁有預(yù)埋3 根聲測管，可采用聲波透射法進(jìn)行驗(yàn)證，檢測結(jié)果曲線如圖8 所示，三個(gè)檢測剖面的聲波參數(shù)均無異常，實(shí)測波形無明顯畸變，表明樁身完整性良好。鉆芯法發(fā)現(xiàn)的缺陷問題在聲波透射法檢測信號上沒有任何反映，原因可能是該鉆芯孔開孔位置比較貼近樁中心（如圖9），而聲波透射法僅能檢測三根聲測管兩兩之間有限范圍的樁身質(zhì)量，鉆芯孔正好位于聲波透射法檢測的盲區(qū)之中，不過這恰巧也同時(shí)說明了鉆芯法發(fā)現(xiàn)的缺陷僅分布在靠近樁中心的狹小空間內(nèi)。利用鉆芯孔作為聲測探頭的通道，繼續(xù)檢測鉆芯孔與三根聲測管之間剖面的完整性情況，結(jié)果如圖10 所示，三個(gè)剖面聲測實(shí)測波形均未出現(xiàn)嚴(yán)重的畸變，進(jìn)一步說明了缺陷的范圍主要分布在鉆芯孔內(nèi)及其鄰近較小的區(qū)域，后續(xù)可利用鉆芯孔進(jìn)行高壓注漿補(bǔ)強(qiáng)處理，處理后樁身質(zhì)量可達(dá)到使用要求。

圖9 Z4-27 樁鉆芯孔與聲波透射法檢測有效范圍位置關(guān)系圖

圖10 Z4-27 鉆芯孔與三根聲測管之間測試剖面的聲波透射法檢測波列圖

3 結(jié) 語

（1）低應(yīng)變法、聲波透射法和鉆芯法在樁基礎(chǔ)質(zhì)量檢測中運(yùn)用十分廣泛，它們的實(shí)用性和可靠性已獲得廣大工程師們的認(rèn)可。三者從原理上分析均有鮮明的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)同時(shí)也存在一定的局限性，本文通過實(shí)例表明，面對沿海軟土地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件，如果僅依托一種檢測手段來判斷該區(qū)域橋梁樁基礎(chǔ)的施工質(zhì)量，往往會(huì)夸大存在缺陷問題甚至產(chǎn)生誤判。

（2）當(dāng)?shù)蛻?yīng)變法檢測信號出現(xiàn)大批量有規(guī)律的異常反射時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮是否因施工工藝、場地地質(zhì)條件等因素引起的干擾，并采用其他方法輔助驗(yàn)證。

（3）當(dāng)聲波透射法在樁底位置出現(xiàn)異常結(jié)果時(shí)，應(yīng)當(dāng)分析異常剖面與聲測管的對應(yīng)關(guān)系，由此確定鉆芯法驗(yàn)證孔的開孔位置，提高鉆芯法驗(yàn)證的可靠度。

（4）當(dāng)鉆芯法檢測某一鉆孔芯樣出現(xiàn)質(zhì)量缺陷時(shí)，可選用聲波透射法擴(kuò)大檢測的范圍，同時(shí)可利用鉆芯孔作為聲測探頭的通道，測試與其他聲測管之間的剖面，來進(jìn)一步確定缺陷的分布區(qū)域，綜合判斷缺陷對樁身承載力的影響程度。