大直徑灌注樁的樁身完整性檢測(cè)

大直徑灌注樁的樁身完整性檢測(cè)隧道網(wǎng)（2006-l-19）來(lái)源：中國(guó)市政工程摘要：樁身完整性檢測(cè)的目的是查明樁身完整性，查清缺陷及其位置，以保證工程質(zhì)量。介紹了高應(yīng)變、低應(yīng)變、聲波透射法三種動(dòng)力測(cè)試方法在大直徑灌注樁中的特性和完整性檢測(cè)實(shí)錄。指出三種方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)，建議用三種測(cè)試方法互為驗(yàn)證、互為彌補(bǔ)，才能綜合評(píng)判樁身完整性。關(guān)鍵詞：大直徑灌注樁樁身完整性高應(yīng)變低應(yīng)變聲波透射法隨著基礎(chǔ)建設(shè)的迅速發(fā)展，大直徑灌注樁（樁徑大于80cm）因承載力高、施工噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于高層建筑、橋梁基礎(chǔ)等。它通常是由人工開挖或鉆機(jī)成孑L后在地下或水下灌注成樁。其質(zhì)量受施工工藝，尤其是混凝土灌注工序等多種因素的影響而難以控制。不同工地或多或少都有一些樁存在著質(zhì)量問(wèn)題。為確保上部結(jié)構(gòu)的安全使用，在進(jìn)行下一道工序之前，必須對(duì)樁的混凝土質(zhì)量及完整性進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)。目前現(xiàn)行的樁身完整性檢測(cè)方法有鉆孔取芯法，高、低應(yīng)變動(dòng)力試樁法和埋管式聲波透射法。筆者著重介紹測(cè)試大直徑灌注樁的方法。1大直徑灌注樁常見(jiàn)質(zhì)量問(wèn)題1?1鉆孔灌注樁1）停電或其他原因使灌注混凝土沒(méi)有連續(xù)進(jìn)行時(shí)，間斷一定時(shí)間后，隔水層凝固，形成硬殼，后續(xù)混凝土無(wú)法下灌，只好拔出導(dǎo)管，一旦泥漿進(jìn)入管內(nèi)必然形成斷樁。如用增大管內(nèi)混凝土壓力等辦法沖破隔水層，破碎的老隔水層混凝土必將殘留在樁身中，造成樁身局部混凝土低劣。2）采用泥漿護(hù)壁成孔，但對(duì)不同土層應(yīng)配制不同密度的泥漿，否則孔壁容易坍塌。3）循環(huán)法清孔時(shí)，應(yīng)根據(jù)孔的深淺，控制洗孔時(shí)間或孔口泥漿密度。清孔時(shí)間過(guò)短，孔底沉渣太厚，將影響樁端承載力發(fā)揮。4）混凝土和易性不好時(shí)，易產(chǎn)生離析現(xiàn)象。5）導(dǎo)管連接處漏水時(shí)將形成斷樁。1.2人工挖孔灌注樁1）地下水滲流嚴(yán)重的土層，易使土壁崩塌，土體失穩(wěn)塌方。2）土層出現(xiàn)流砂現(xiàn)象或有動(dòng)水壓力時(shí)，護(hù)壁底部土層會(huì)突然失去強(qiáng)度，泥土隨水急速涌出，產(chǎn)生井涌，使護(hù)壁與土體脫空，或引起孔形不規(guī)則。3）挖孔時(shí)如果邊挖邊抽水，地下水位下降時(shí)，護(hù)壁易受到下沉土層產(chǎn)生的負(fù)摩擦作用，使護(hù)壁受到拉力，產(chǎn)生環(huán)向裂縫；護(hù)壁所受的周圍土壓力不均勻時(shí)，又將產(chǎn)生彎矩和剪力作用，易引起垂直裂縫；護(hù)壁所受的周圍土壓力不均勻時(shí)，也將產(chǎn)生彎矩和剪力作用，易引起垂直裂縫。樁制作完畢，護(hù)壁和樁身混凝土結(jié)為一體，護(hù)壁是樁身的一部分，護(hù)壁裂縫破損或錯(cuò)位必將影響樁身質(zhì)量和側(cè)阻力的發(fā)揮。4）孔較深時(shí)，若沒(méi)有采用導(dǎo)管灌注混凝土，混凝土從高處自由下落易產(chǎn)生離析。5）在孔底水不易抽干或未抽干情況下灌注混凝土，樁尖混凝土將被稀釋，降低樁端承載力。2大宜徑灌注樁的低應(yīng)變特性2.1信號(hào)高頻振蕩在大直徑灌注樁低應(yīng)變測(cè)試中，無(wú)論使用速度計(jì)還是加速度計(jì)均難以避免振蕩現(xiàn)象發(fā)生，常出現(xiàn)一種與測(cè)量系統(tǒng)頻率特性無(wú)關(guān)的高頻干擾，樁徑越大而脈沖窄時(shí)尤其嚴(yán)重，且其幅值隨時(shí)間衰減較慢。它對(duì)缺陷反射包括樁底反射有一定的掩蓋作用。消除加速度振蕩的辦法，一方面可通過(guò)降低振源頻寬（低頻錘）解決；另一方面應(yīng)觀察傳感器安裝的位置是否合理、耦合劑是否恰當(dāng)，加速度計(jì)是否松動(dòng)。通過(guò)上述幾個(gè)方面的改進(jìn)，加速度計(jì)積分成速度的信號(hào)應(yīng)當(dāng)無(wú)振蕩出現(xiàn)（加速度計(jì)測(cè)試信號(hào)中是否有振蕩應(yīng)在積分成速度后觀察，原始加速度信號(hào)一般有振蕩存在）。如仍然存在，應(yīng)當(dāng)是樁身缺陷引起的，改變測(cè)試地點(diǎn)和安裝地點(diǎn)配以頻譜分析可以進(jìn)一步判斷。加速度計(jì)測(cè)試的信號(hào)積分成速度后一般可平滑，但不宜窄帶數(shù)字濾波，最多只能采用0-1500Hz以上的濾波方式。速度計(jì)的振蕩大多與安裝和振源有關(guān)。當(dāng)安裝諧振大于1200Hz時(shí)，可以在頻域分析的基礎(chǔ)上采取諸如（0-800Hz）的方式濾波解決。對(duì)測(cè)試信號(hào)采用上述濾波方式后，振蕩仍然存在，則更進(jìn)一步確定是樁身缺陷引起的。2.2信號(hào)釆集大直徑灌注樁樁徑增大時(shí)，樁截面各部位的運(yùn)動(dòng)不均勻性也會(huì)增加，樁身淺部的阻抗變化往往表現(xiàn)出明顯的方向性。故應(yīng)增加檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量，使檢測(cè)結(jié)果能全面反映樁身結(jié)構(gòu)完整性情況。每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)有效信號(hào)數(shù)不宜少于3個(gè)。當(dāng)不同檢測(cè)點(diǎn)及多次實(shí)測(cè)時(shí)域信號(hào)一致性較差時(shí)，應(yīng)分析原因，增加檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量。2.3樁底反射波1）短樁：一維彈性桿波動(dòng)理論是反射波法低應(yīng)變墓樁質(zhì)量檢測(cè)的依據(jù)，滿足條件入〉D<DIV>傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為當(dāng)樁的長(zhǎng)度L遠(yuǎn)大于樁的直徑D時(shí)，可把樁視為一維桿件。應(yīng)力波在樁中的傳播滿足一維波動(dòng)方程，即條件L>D時(shí)，并且認(rèn)為反射法激振源一般視為球腔振源或點(diǎn)振源，前為球面，在離振源較遠(yuǎn)處，球面可理想化為平面，所以才有L>D時(shí)，一維波動(dòng)方程成立；而在振源附近，一維波動(dòng)方程不成立。新觀點(diǎn)認(rèn)為在樁頂上施加瞬間豎向沖擊力而產(chǎn)生的振源非球腔振源或點(diǎn)振源，應(yīng)視為有一定張角的扇形振源更合理。當(dāng)重錘錘擊樁頂時(shí)，樁顆粒在錘正下方的能量最強(qiáng)（主能量區(qū)），像有一定聚焦作用的手電光束一樣傳播。由此可得：越靠近振源，顆粒的振動(dòng)越是以豎向振動(dòng)為主，一維波動(dòng)條件越容易滿足，無(wú)需滿足L>D。振源小（即較小的重錘錘擊樁頂）時(shí)，只有主能量區(qū)局部的物質(zhì)參與振動(dòng)，通過(guò)接收裝置接收到的反射信號(hào)只體現(xiàn)較小范圍內(nèi)機(jī)械波的振動(dòng)響應(yīng)情況。振源大（即較大的重錘錘擊樁頂）時(shí)，主能量區(qū)已差不多涵蓋整樁，振動(dòng)是豎向?yàn)橹鞯囊痪S振動(dòng)，能滿足一維波動(dòng)條件。這時(shí)接收裝置接收到的反射信號(hào)體現(xiàn)樁的整體響應(yīng)情況。所以大直徑樁只有采用激振激發(fā)樁的整體響應(yīng)，才能對(duì)樁的缺陷程度做出半定量化判斷。2）長(zhǎng)樁：軟土地區(qū)的長(zhǎng)樁不易測(cè)到樁底反射，必須用大鐵球激振。傳感器對(duì)測(cè)試結(jié)果影響也較大。速度計(jì)帶寬偏窄，必須采用加速度計(jì)。樁身阻抗與持力層阻抗匹配良好也不易測(cè)到樁底反射。當(dāng)嵌巖樁樁底的巖石與樁身混凝土的波阻抗相差不大時(shí)，樁底反射也難以辨認(rèn)，因嵌入巖層（1.5-3.0）D后，樁端嵌巖部分與基巖構(gòu)成一體，相當(dāng)于樁的截面積變大，波阻抗突然增大，會(huì)出現(xiàn)與入射波反相的類似于擴(kuò)頸的反射。2.4樁身缺陷常見(jiàn)缺陷在低應(yīng)變測(cè)試信號(hào)中的特性如下。1）斷裂（夾層）：多次同向反射，間隔時(shí)間相等；第一反射脈沖幅值較高，前沿比較陡峭；但難見(jiàn)以下部位較大缺陷及樁底信號(hào)。2）混凝土離析：同相反射波形不規(guī)則；后續(xù)信號(hào)雜亂；波速偏??；一般可見(jiàn)以下部位較大缺陷及樁底信號(hào)。3）縮頸：同相反射波形比較規(guī)則；可能有多次同相反射，一般可見(jiàn)樁底信號(hào)。4）擴(kuò)頸：反相反射波形比較規(guī)則；可能有多次反射，一般可見(jiàn)樁底信號(hào)。擴(kuò)頸的第二次反射為同向反射波，中淺部的擴(kuò)頸容易導(dǎo)致測(cè)試信號(hào)出現(xiàn)低頻振蕩，這一點(diǎn)與頻域結(jié)論一致。在實(shí)際測(cè)試當(dāng)中，低應(yīng)變測(cè)試信號(hào)所反應(yīng)的與入射波同相或反相的反射波不單純是由樁身缺陷造成，樁周土的好壞同樣影響低應(yīng)變測(cè)試信號(hào)。在較好的土層當(dāng)中，低應(yīng)變測(cè)試信號(hào)會(huì)表現(xiàn)為擴(kuò)頸現(xiàn)象；相反，在淤泥質(zhì)土中，其會(huì)表現(xiàn)為縮頸現(xiàn)象。放在判斷當(dāng)中應(yīng)結(jié)合地質(zhì)報(bào)告和施工記錄，綜合判斷樁身質(zhì)量。在這里值得一提的是，對(duì)設(shè)計(jì)條件有利的擴(kuò)頸灌注樁，不應(yīng)判定為缺陷樁。3大直徑灌注樁的超聲波特性預(yù)埋管超聲波檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)是：儀器輕便；抗干擾能力強(qiáng)；觀測(cè)準(zhǔn)確度高、結(jié)果直觀可靠；不受樁長(zhǎng)限制，可以在樁身中上下移動(dòng)測(cè)試；無(wú)盲區(qū)，聲測(cè)管埋到什么部位就可檢測(cè)什么部位，包括樁頂?shù)蛷?qiáng)區(qū)和樁底沉渣厚度；詳細(xì)查明樁內(nèi)部缺陷與性質(zhì)、深度位置、范圍大小、嚴(yán)重程度；可估算混凝土強(qiáng)度等。因此，用超聲波法檢測(cè)大直徑深長(zhǎng)灌注樁是最可行的方法。3.1波速特性混凝土中超聲波聲（波）速一般在4000-5000m/s之間變化。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，同一標(biāo)號(hào)混凝土試件，超聲波的波速比低應(yīng)變的波速高出400-500m/s。究其原因是：超聲波法的頻率一般在25kHz以上，而反射波的頻率約在5kHz左右；超聲波法的試件周圍介質(zhì)是空氣，而反射波法的試件周圍介質(zhì)是樁周土。在實(shí)際工作當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)聲速值離差性較大，高值在6OOOm/s以上，低值在3000m/s以下。主要由于在聲測(cè)管中測(cè)量時(shí)，耦合水層、管壁的聲時(shí)延遲較大，使得整個(gè)儀器初讀數(shù)值大；在聲測(cè)管中測(cè)量時(shí)測(cè)距是管間混凝土的凈距離，應(yīng)準(zhǔn)確丈量，在樁頂測(cè)量管距時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確到1mm,通常兩測(cè)管是不平行的。3.2樁身完整性檢測(cè)超聲波測(cè)試的步驟是：發(fā)射與接收聲波換能器通過(guò)深度標(biāo)志分別置于兩根聲測(cè)管中的測(cè)點(diǎn)處；測(cè)距以兩管間混凝土凈距離為準(zhǔn)；發(fā)射與接收聲波換能器應(yīng)以相同標(biāo)高或保持固定高差同步升降（測(cè)點(diǎn)間距不宜大于250mm），逐點(diǎn)測(cè)量聲時(shí)、振幅及頻率值，觀察波形有無(wú)畸變;在樁身質(zhì)量可疑的測(cè)點(diǎn)周圍，應(yīng)采用加密測(cè)點(diǎn)，或采用斜測(cè)、扇形掃測(cè)進(jìn)行復(fù)測(cè)，進(jìn)一步確定樁身缺陷的位置和范圍。常見(jiàn)缺陷在超聲波測(cè)試信號(hào)中的特性：1）沉渣：沉渣是一種松散介質(zhì)，其本身聲速很低（2000m/s以下），對(duì)聲波的衰減也相當(dāng)劇烈，所以凡遇到沉渣，必然是聲速和振幅均劇烈下降。通常在樁底出現(xiàn)這種情況多屬沉渣引起。2）泥砂與水泥漿的混合物：這類缺陷多是澆注導(dǎo)管提升不當(dāng)造成。若在樁身就是斷樁；若在樁頂就是樁頂標(biāo)高不夠。其特點(diǎn)也是聲速與振幅均明顯下降，只不過(guò)出現(xiàn)在樁身時(shí)往往是突變，在樁頂是緩變。若樁頂?shù)木徸兊偷侥骋唤缦蓿筛鶕?jù)波速值確定這一界限），其以上部位應(yīng)截樁，根據(jù)應(yīng)截樁的標(biāo)高可判斷樁頂標(biāo)高是否夠。3）混凝土離析：造成樁身某處粗集料大量堆集，而相鄰部位漿多粗骨料少的情況。粗集料多的地方，往往形成這些部位聲速測(cè)值因聲學(xué)界面多，反而有所提高，但振幅下降；粗集料少而砂漿多的地方則正好相反（純砂漿一般波速在4000m/s以下），振幅測(cè)值，有時(shí)還會(huì)高于附近測(cè)值。4）氣泡密集的混凝土：混凝土澆注管提升過(guò)快，大量空氣封在混凝土內(nèi)，雖不一定造成孔洞，但可能形成大量氣泡分布在混凝土內(nèi)，造成混凝土質(zhì)量有所降低時(shí)使聲波能量明顯衰減（散射），接收波振幅明顯下降。5）層狀缺陷（斷樁）：所有穿過(guò)兩聲測(cè)管連線中間部位的測(cè)線測(cè)值均異常，即使斜測(cè)也異常,可判定該兩聲測(cè)管間缺陷是連成一片的。如果三個(gè)測(cè)試面均如此，則可判定是整個(gè)斷面的缺陷，如夾泥層或疏松層，即斷樁。6）聲測(cè)管接頭的影響：當(dāng)換能器正好位于接頭處，有時(shí)接頭會(huì)使聲學(xué)參數(shù)測(cè)值明顯降低,特別是振幅測(cè)值，因?yàn)槭墙宇^處存在空氣夾層，強(qiáng)烈反射聲波能量。遇到這種情況，應(yīng)將換能器移開10cm，測(cè)值立刻正常。另外，通過(guò)斜測(cè)也可做出判斷。不過(guò)要指出：預(yù)埋管超聲波法無(wú)法測(cè)出樁身擴(kuò)頸。4大直徑灌注樁的高應(yīng)變特性高應(yīng)變法檢測(cè)樁身完整性的可靠性比低應(yīng)變法高，只是與低應(yīng)變法檢測(cè)的快捷、廉價(jià)相比，高應(yīng)變法檢測(cè)樁身完整性存在設(shè)備笨重、效率低及費(fèi)用高等缺點(diǎn)，在帶有普查性的完整性檢測(cè)中應(yīng)用尚有一定困難。4.1波速特性同一根鋼筋混凝土樁，用高應(yīng)變法、低應(yīng)變法和聲波透射法檢測(cè)的波速是不一致的。超聲波的波速比低應(yīng)變高，高應(yīng)變的波速比低應(yīng)變低?；炷恋膽?yīng)力一應(yīng)變呈非線性關(guān)系，大應(yīng)力狀態(tài)比小應(yīng)力狀態(tài)的非線性特征更為顯著。高應(yīng)變法比低應(yīng)變法應(yīng)力水平高，使局部混凝土進(jìn)人塑性狀態(tài)，波速降低。4.2樁身完整性檢測(cè)高應(yīng)變法錘擊的荷載上升時(shí)間一般不小于2ms,因此對(duì)樁身淺部缺陷位置的判定存在盲區(qū)，無(wú)法準(zhǔn)確判定，只能根據(jù)力和速度曲線的比例失調(diào)程度來(lái)估計(jì)淺部缺陷程度。所以對(duì)淺部缺陷樁，宜結(jié)合低應(yīng)變法檢測(cè)來(lái)確定缺陷的位置和類別。在判定深度缺陷時(shí)，與低應(yīng)變相比，高應(yīng)變測(cè)試在缺陷的位置和類別的反應(yīng)上要更準(zhǔn)確。但當(dāng)樁側(cè)和樁端阻力很強(qiáng)時(shí)，與低應(yīng)變類似，高應(yīng)變法同樣也測(cè)不出樁底反射。5完整性檢測(cè)實(shí)錄1）南京某立交橋的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)15m，擴(kuò)底，樁徑①1000mm，混凝土標(biāo)號(hào)C30，對(duì)其進(jìn)行低應(yīng)變完整性檢測(cè)，實(shí)測(cè)曲線見(jiàn)圖1。其在15m出現(xiàn)與入射波反相的類似于擴(kuò)頸的反射,并在兩倍樁底處即4L/c處出現(xiàn)與人射波同向的反射波。圏1南隸某立交橋鉆孔灌注樁擴(kuò)底樁實(shí)測(cè)曲線圖2）南京某大廈三根試樁為鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)67m，樁徑①800mm，混凝土標(biāo)號(hào)C50，對(duì)三根樁進(jìn)行低應(yīng)變完整性檢測(cè)，實(shí)測(cè)曲線如圖2,發(fā)現(xiàn)均在3m處出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷反射波，周期性反射波，無(wú)樁底反射波。對(duì)曲線進(jìn)行濾波處理，排除高頻干擾后，缺陷反射波仍存在，故將其判為II類樁。后將其中一根開挖驗(yàn)證，3m處并無(wú)缺陷，但發(fā)現(xiàn)其1.5m以上有護(hù)筒，1.5m以上樁整體阻抗較高，相對(duì)1.5m以下而言即為擴(kuò)頸，但上部1.5m低應(yīng)變測(cè)試信號(hào)本身夾雜著高頻振蕩，因而擴(kuò)頸信號(hào)在曲線上并未表現(xiàn)出來(lái)，但在其兩倍位置處表現(xiàn)為嚴(yán)重的同向缺陷反射波。這種情況在大直徑灌注樁中多有出現(xiàn)。絲樁長(zhǎng)：3.0m波速：4600m/s指數(shù)放大：1.0倍0.004.008.0012.0016,00t/ms圖2南京某大廈鉆孔樁淺部實(shí)測(cè)曲線3）江寧某商業(yè)樓的人工挖孔樁，樁長(zhǎng)14.4m,樁徑①1200mm,混凝土標(biāo)號(hào)C35，對(duì)其分別進(jìn)行低應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試（實(shí)測(cè)曲線如圖3）及超聲波測(cè)試（實(shí)測(cè)曲線如圖4）,發(fā)現(xiàn)在2.2m處出現(xiàn)一缺陷反射波，樁身曲線呈大振蕩型，似有樁底反射波，將該樁判為II類樁。超聲波曲線在同樣位置處三個(gè)剖面均有聲速和聲幅均低于臨界值，故將其判為II類樁。可見(jiàn)超聲波測(cè)樁身完整性要比低應(yīng)變來(lái)的更加準(zhǔn)確可靠。兩圖比較可得，同一根樁，超聲波波速比低應(yīng)變波速高出400m/s左右。后經(jīng)開挖驗(yàn)證，此樁在2.2m左右確有較嚴(yán)重離析現(xiàn)象。圖3江寧某商業(yè)摟14號(hào)樁低應(yīng)變曲線圖圖4江寧某商業(yè)樓14號(hào)樁超竊波曲錢圖6結(jié)語(yǔ)大直徑灌注樁的樁身完整性直接影響其承載力，故對(duì)其