铁路工程基桩检测方法综述与展望

万 明

(昌九城际铁路股份有限公司，江西南昌 3300000)

桩基础作为一种古老的地基基础形式，距今已有数千年的历史，被广泛地应用于铁路的路基、桥涵工程。桩基础属于隐蔽工程，铁路沿线地层复杂，施工条件受到诸多因素限制，从而使刚性桩不可避免出现质量问题[1，2]，直接影响结构物的使用安全及长久性。

目前，对桩身质量的检测主要有低应变法、高应变法、声波透射法、静载试验和钻芯法等。由于理论方法和影响因素的不同，各检测方法均存在一定的局限性。了解各种检测方法在检测中的影响因素，解决检测过程中的实际问题，对铁路建设质量控制有一定的指导意义。

1 低应变法

1.1 检测方法原理

低应变动测法是当前较为成熟且铁路工程基桩检测中应用最为广泛的一种(又称瞬态激振法)。

低应变法基本原理为：桩顶收到瞬态锤击时产生振动波，振动波沿桩身向下传播，由于桩身波阻抗的变化，传递过程中将产生反射和透射，部分透射波继续向下传递，在桩底产生反射波。桩身缺陷及桩底沉渣厚度均可以根据反射波的相位、振幅、频率特性，辅以地层资料、施工记录以及实践经验，对其性质作出确切的判断[3-4]。

1.2 适用范围

该方法检测的基桩桩径应小于2.0 m，桩长一般不大于40 m。40 m临界深度源于郑西客专桥梁工程336根桩的低应变法和声波透射法比对检测后的专家会审意见。实际上，很多地区地质条件复杂，土层摩阻影响明显，有效检测深度远低于40 m[5]。

1.3 优缺点及工程实例分析

在实际应用中，常遇到低应变检测波形难以判读或检测结果与取芯结果不符等情况，此时，应对检测过程中的影响因素进行分析总结，可减少对基桩检测的误判。

(1)优点

低应变检测所使用的仪器较为轻巧，使用便捷，其理论和实践发展比较成熟，加上有比较先进的分析软件，在检测工作中的应用较为广泛。

(2)缺点

①当桩长不大于40 m，可采用低应变法检测桩身完整性。实际上，很多地区地质条件复杂，土层摩阻影响明显，有效检测深度远低于40 m。

②存在浅部缺陷“检测盲区”。当激振锤头较软，力度较大时，激振产生应力波波长较大，脉冲较宽，桩顶浅部缺陷部位将产生类似于“质体-弹簧”系统的低频震荡，不符合一维杠杆理论的反射波特征。图1是某桥梁基桩反射波形，该桩为端承桩，桩径1.25 m，桩长8.0 m，桩身混凝土强度为C45，由于应力波波长较大，无法采用此波形图来判定桩身质量。对于8.0 m桩长，应采用高频脉冲敲击锤检测。

图1 应力波波长较大波形

③低应变法可依据反射波相位分析判定缺陷类型，计算缺陷位置，却无法对缺陷程度进行定量分析，如混凝土密实程度、离析程度、夹泥量等。图2是某桥梁基桩反射波图，该桩为端承桩，桩径1.25 m，桩长20.0 m，桩身混凝土强度为C45，在8.16 m处存在严重缺陷，但无法定性混凝土为离析、导管超拔还是夹泥，经取芯验证，为桩身夹泥。

图2 桩身严重缺陷波形

对于嵌岩桩，桩端为同向反射时，很难对其嵌岩情况、沉渣厚度等进行准确判定。图3为端承桩，桩径1.00 m，桩长8.0 m，桩身混凝土强度为C35，桩底反射曲线明显且完整，反射波与入射波相位相同，但无法断定桩底沉渣的厚度。经取芯验证，桩底沉渣厚度低于50 mm，满足设计要求。

图3 桩底反射明显波形

④山区铁路嵌岩桩多采用冲击钻成孔，有时还采用爆破，导致孔径极为不规则，低应变检测曲线无法准确判识。特别是当桩体有多重缺陷时，曲线只能表征第一次缺陷的(最浅部位)相关反射以及对应的多次反射。

⑤对于桩径缓慢变大然后突然缩径的情况，在曲线上往往不能分辨出扩径现象而只看到缩径现象[6]，图4是某桥梁基桩反射波形，该桩为端承桩，桩径1.00 m，桩长38.5 m，桩身混凝土强度为C45，在1.87 m与入射波相位相同的反射波显示为缩径。经开挖验证，该桩在0～1.8 m桩径偏大，该桩合格。

图4 桩头偏大桩波形

⑥受桩身混凝土均质性的影响，应力波会产生绕射，传递路径会增加(不考虑混凝土离析等对混凝土波速的影响)，这种绕射会使计算波速低于混凝土实际波速。

⑦人为影响较大。分析判识结果与检测人员对数据的理解，对施工工艺、地质情况的了解有很大的关系。

2 高应变法

2.1 检测方法原理

20世纪80年代初期，随着计算机的推广与普及，动测法检测基桩承载力的研究在理论上取得了长足的进步，波动理论和计算机数值模拟的结合，为高应变法检测基桩承载力奠定了坚实的基础。关于高应变检测，根据计算方法的不同，规程中推荐了两种方法：CASE法和波形拟合法。

CASE法以波动方程为基础，采用简化的桩-土模型，利用行波理论求导的简易公式直接计算基桩承载力。

实测波形拟合法是通过数值模拟、反演迭代，求得土体的力学参数。即先根据已知资料，假设桩周、桩端土体力学参数，力学模型等，以实测曲线作为边界条件，用计算机反算桩受力曲线；如求得曲线与实际一致，则假设土体力学参数、力学模型合理，如一致性较差，则需要重新修改调整，反复迭代计算，最终求得承载力、侧阻分布和Q-S曲线[7]。

2.2 适用范围

该方法适用于检测预制桩或灌注桩的竖向抗压承载力和桩身完整性。

2.3 优缺点及工程实例分析

图5为某灌注桩高应变拟合曲线，混凝土强度为C35。结合地基条件、设计参数，根据试验得到总侧摩阻力为3 084 kN，桩端阻力为563 kN，最大沉降量为31.12 mm。检测结果见表1。

表1 高应变试验检测结果

图5 高应变拟合曲线

(1)优点

可有效补充及部分取代传统静载荷试验，可得到比静载荷试验更加丰富和详细的检测数据，能够降低检测费用及加快检测进度。

(2)缺点

高应变法计算理论得到了很大的发展，但在实际运用过程中还是存在很大的不足。

①与低应变数据采集质量相比，高应变数据采集质量普遍不高，桩头处理不到位、锤击偏心、激振能量不足等均可能导致数据采集困难。

②大量高应变与竖向静载试验结果的对比分析表明，两者的检测结果相去甚远。以往模型计算中桩周摩阻力和桩端阻力互不相干，可以相互叠加，这一传统观念正面临着挑战，相继有不少实验证实：桩端土强度或刚度直接影响着桩侧阻力的发挥，桩侧阻力和桩端阻力并非孤立、简单地叠加[8]。

③采用CASE法测桩，应充分发挥土的全部静阻力，并从波形上正确判断桩尖的反射位置，恰当地选取阻尼系数，才能比较准确地确定单桩极限承载力；而阻尼系数值的选取，不但与桩尖土的类别、桩的阻抗等因素有关 ，人为因素也较大[9]。

④实测波形拟合法为反演法，计算所用土力学参数的输入、模型的选定都对承载力的计算结果有很大的影响。此外，计算结果的可靠程度与分析人员的经验、对地质勘察资料的掌握程度都有很大的关系。

3 声波透射法检测

3.1 检测方法原理

声波透射法是在结构混凝土声学检测技术基础上发展起来的。结构混凝土的声学检测始于1949年，经过多年的研究发展，已广泛应用于混凝土结构检测中[10]。

声波透射法基本原理为：利用事先埋设的声测管，用跨孔超声检测仪沿桩身逐点发射并接收超声波。超声波在桩身混凝土传递过程中，会产生折射、绕射等，相关声学参数(声时、振幅、频率)会发生变化。可通过接收到的声学参数和波形特征来综合判断测点处的混凝土质量，确定桩身混凝土缺陷的位置、范围、程度。

3.2 适用范围

(1)本方法适用于检测混凝土灌注桩桩身缺陷位置、范围和程度，判定桩身完整性类别。

(2)桩径大于等于2 m或桩长大于40 m，或复杂地质条件下的基桩应采用声波透射法检测。

3.3 检测中的优缺点

(1)优点

声波透射法检测方法操作简单，全桩长的各个截面都在检测范围内，尤其是当桩内存在多个缺陷时更具优势，已成为桩身质量完整性检测最常用的方法[11]。

(2)缺点

①若预埋声测管出现严重管弯、管斜、甚至堵管现象，会影响检测分析结果。近年来，大部分检测仪器都开发了相应的管斜校正功能，但对该功能不加区分的过度、随意使用，可能导致计算结果与实际相去甚远，数据严重失真。

②规程中声速临界值求取采用遵循正态分布情况下一定保证率的概率法。对所有正常测点进行统计，求得临界值。然后用每一个测点波速与临界值去进行比较，这样势必会产生误判或漏判。虽然也引入了声速低限值这个概念，但低限值的获取仍很困难。铁路工程检测中，很多检测单位无法获得准确的低限值，仅仅靠仪器厂家提供的推荐值或经验值。

③临界值统计计算过程中，按规程要求，对明显低于正常值的波速进行舍弃，然后再计算声速临界值。但是对明显大于正常值的声速值没有进行任何处理，直接参与运算，使得临界值失真。

4 静载试验

4.1 检测方法原理

静载试验可分为水平静载、竖向静载试验。目前，铁路上采用较多的为竖向静载试验。在静载试验的同时，可同步开展基桩内力测试，进一步获取桩周土层的土体摩阻力、桩端土体端阻力，便于进一步优化设计参数，确定施工工艺的可行性。

4.2 适用范围

可采用慢速维持荷载法检测单桩的竖向抗压承载力。

4.3 检测中的优缺点

(1)优点

可直观判别桩身的承载力。

(2)缺点

①现场需要施工锚桩或准备大量堆载反力，运输吊装成本较高。

②存在一定的安全风险(特别是大吨位堆载试验)，堆载体极易倒塌，造成安全事故。

③目前，各铁路项目完成了大量的竖向静载试验，但很少同步开展基桩内力测试。

5 钻芯法

钻芯法被广泛地应用于争议曲线、桩底沉渣以及嵌岩等情况的验证。该方法对桩身混凝土损伤较小，所提取的芯样还可进行室内混凝土强度试验，在检测工作中发挥着不可或缺的作用。随着对质量工作的日益重视以及其他检测方法的自身局限性，钻芯法的应用会进一步增加。

6 展望

每种检测方法都有自身的局限性，宜采用两种或两种以上检测方法相互配合的方式，进行桩身的完整性及承载力的检测和判定。目前，仍有许多工作需要去完善，可从如下几方面去提高。⑴对于动测法(低应变法、高应变法)，需要进一步加强检测基本理论的研究，特别是高应变数据处理所采用的力学模型应更加贴近实际，参数更加明确具体；应用物探中较为成熟的小波分析法对低应变信号进行提取等。⑵对于铁路工程桩基检测，应进一步吸取地方市政、工民建专业好的检测方法、仪器设备，比如对桩身进行CT透视管桩内部裂缝试验，大吨位单桩自平衡试验等。⑶尽快总结各铁路项目桩基检测经验成果，加快完成对《铁路工程基桩检测技术规程》(TB10218)的修订，对地质条件复杂地区检测桩长、最低验证比例等方面做出更加合理的规定。