多种检测及验证方法判定灌注桩桩身完整性

杨笔将

（上海汇谷岩土工程技术有限公司，上海市 201108）

0 引言

基桩作为承担建设工程（工业与民用建筑工程、桥梁工程等）上部荷载的主要构件，其质量直接影响到整体的安全和使用功能，故桩身完整性检测十分重要。

目前工程桩基低应变反射波法[1]为桩身完整性[1]检测常用方法之一。低应变反射波法（low strain reflected wave method）指在采用低能量瞬态激振方式对桩顶施加冲击荷载，实测桩顶部的加速度（或速度）时程曲线，通过波动理论的时域频域分析，对桩身完整性进行判定的检测方法[1]。适用于桩径小于2.0 m、长度一般不大于40.0 m、桩身材质较为均匀且规则截面的混凝土桩（满足一维杆件的理论模型）。该方法具有仪器设备相较其他检测方法小巧轻便、操作简便快速的特点，适合大范围、多数量快速检测工作的需要。同时由于桩的尺寸效应、幅频响应、高频弥散、桩侧土阻及阻尼耦合等因素影响，故对桩身缺陷只做定性判定[1]。其中，灌注桩（钻孔、冲击、人工挖孔等方法成孔）受施工方法和地质条件等多方面影响，成孔往往出现截面比较预制类桩变化大，有时该变化会直接影响检测采集的数据从而导致误判。通过工程实例举例说明采用多种检测及验证方法判定灌注桩桩身完整性的必要，以及采用其他方式补充验证综合判别的经验和方法。

1 工程概况

某新建高铁项目线路全长814.761 km，跨越三省，设计最高时速为350 km，项目还包括多个城市的枢纽引入配套工程。笔者参与的标段位于安徽省境内，长度为111.37 km，地质构成复杂多样。主要从事桥梁桩基、隧道衬砌、路基填筑检测等工作。

2 工程实例1——桩身浅部扩径影响曲线

检测某特大桥X墩，该墩设计共8根桩，桩长均为33.0 m，桩径均为1 000 mm，桩身强度为C40。设计要求低应变100%普测，检测仪器为武汉岩海公司生产的基桩动测仪RS-W（P），检测日期为仪器标定有效期之内。检测标准采用《铁路工程基桩检测技术规程》（TB 10218—2008）[1]，为提高判别准确性，现场实际激振点及传感器安装点如图1所示。

2.1 时域曲线浅部反射波明显

该墩8根桩低应变曲线均在3.5 m左右处存在不同程度的明显正相反射波，其中4#、5#、6#、8#桩时域曲线均在首个反射波后出现相等距离的多次反射（疑似明显或严重缺陷波）。1#、3#桩时域曲线均在浅部反相而后正相反射波，成果如图2所示。

图1 现场实际激振点及传感器安装点示意图

图2 X墩1#～8#桩低应变时域曲线图

2.2 开挖验证

为研究该8根桩处是否真实存在缺陷，同时考虑到已有基坑开挖和既有运营线的安全，选择有代表性的2根（1#、5#桩），采取开挖验证的方法，开挖深度约4.0 m。基坑开挖如图3所示。

图3 现场拍摄X墩开挖验证1#、5#桩情况

（1）经开挖后发现，1#桩桩顶直径约为1.3 m，桩顶附近侧面桩身明显扩径，在桩顶以下约3.5 m处陡缩至正常桩径（约1.04 m），形成明显的截面变化，未见钢筋外露、离析、夹泥情况，3.5 m左右处未发现明显缺陷。该桩扩径示意及现场量测照片如图4、图5所示。

图4 X墩1#桩量测示意图

图5 X墩1#桩量测

（2）经开挖后发现5#桩桩顶直径为1.3 m，桩顶附近侧面桩身明显扩径，在桩顶以下约3.55 m处陡缩至正常桩径（约1.02 m），形成明显的截面变化，未见钢筋外露、离析、夹泥情况；通过开挖验证，该桩3.5 m左右处未发现明显缺陷。该桩扩径示意及现场量测照片如图6、图7所示。

（3）查询施工及地质资料得知，该墩成孔使用的护筒长4.0 m，直径为 ø1300 mm，基坑开挖深度约为3.0 m，实测桩顶直径约1.3 m。地质约6.0 m处为粉质黏土和黏土交界面。现场测量结果与记录资料条件基本符合。

2.3 原因分析及判定

造成扩径的原因为施工单位使用直径为1.3 m的护筒（设计桩径为1.0 m），钻孔钻头仍使用1.0 m直径。该墩地质浅层为杂填土和粉质黏土，受钻孔的扰动易发生塌孔，使得浅部桩径渐进式扩大，开挖验证时发现浅部桩身侧面有明显混凝土凸出。当钻进至后黏性土，由于土质稳定性好于上部土层，未出现塌孔或有微小塌孔，孔径保持在1.0 m左右。故混凝土浇筑完成后桩身在地质交界面附近形成明显变截面。

图6 X墩5#桩量测示意图

图7 X墩5#桩量测

通过对上述2根桩的开挖验证，判断该墩8根桩低应变时域曲线在3.5 m左右处的正相反射波并产生多次反射，主要为3.5 m左右处以上部位桩身截面明显扩径，该截面以下部位桩身截面陡缩至正常桩径（最小截面计算直径不小于设计直径），造成的桩身截面变化并不属于不利缺陷，故判别8根桩的桩身完整性为合格。

3 工程实例2——桩身浅部扩径和轻微缺陷共同影响曲线

检测某特大桥Y墩（距离“工程实例1”地点约7 km），该墩设计共8根桩，桩长均为27.0 m，桩径均为1 000 mm，桩身强度为C30。设计要求低应变100%普测，检测仪器同“工程实例1”。检测标准采用《铁路工程基桩检测技术规程》（TB 10218—2008）[1]，激振点及传感器安装点同图1。

图8 Y墩1#～8#桩低应变时域曲线图

3.1 时域曲线浅部反射波明显

经对现场采集的低应变检测数据仔细分析，所检测8根桩低应变时域曲线约4.0 m处均出现不同程度反相反射，呈现类似扩径的形态，此后在4.0 m左右处均有不同程度的正相反射。低应变时域曲线如图8所示。另外将该8根桩曲线的形态进行分类，见表1。

表1 Y墩1#～8#桩曲线形态分类

3.2 验证方案及成果

（1）查该墩所处地质资料，设计桩顶至以下约3.0 m 为粉质黏土，δ0为 180 kPa；3.0～4.5 m 为粉质黏土，δ0为 120 kPa；4.5～7.0 m 为泥质砂岩，δ0为250 kPa。

（2）该墩桩基施工采用旋挖钻成孔，从桩顶外观看，多数桩桩顶呈不规则扩径（部分桩因环切后，已经无法观察到原始桩顶扩径的情况）。

（3）考虑到桩基施工对于黏性土层成孔过程扩、缩孔均有可能，一般有塌孔（桩身扩径）可能会有缩孔（桩身缩径），如果缩孔至设计桩径以内，造成实际桩径截面少于设计桩径截面，该桩的桩身完整性将不满足设计要求。

（4）基于以上考虑，应查清塌孔造成桩身扩径的同时是否伴随缩孔（缩径）或夹泥的存在，检测项目部经仔细分析决定，对该墩有代表性的3#、7#桩进行钻孔法[1]取芯验证并利用钻孔取芯通道进行声波透射法[1]（检测步距采取100 mm间距），以查清桩身4.0 m处是否存在缩径和夹泥缺陷。

（5）钻孔取芯自 2018年 3月 30日到4日1日，先后对7#桩和3#桩进行钻孔取芯和超声检测。

（6）对7#桩取芯方案为：采用内径为 ø90的钻头进行钻取芯样，在桩顶钢筋笼主筋内测距主筋净距5 cm处下钻，取芯深度6.0 m，呈正三角形布三孔（以满足验证深度和超声检测覆盖截面），然后在位于桩主筋外侧扩径较大方向（北向），距主筋净距5 cm（留足保护层）下钻，以验证扩径处回缩正常桩径处深度（当钻头穿过扩径段混凝土后，钻头从桩侧露出，循环水将变为黏土黄色并钻进速率加快至瞬速落钻）；对3#桩在直径方向相对两边钢筋笼内侧距主筋净距5 cm位置分别下钻，钻取深度6.0 m，并利用两孔通道进行超声检测。实际钻机定位存在误差，取芯孔位示意如图9、图10所示。

图9 3#桩取芯孔位示意图

（7）钻孔取芯验证结果。7#桩2#钻孔芯样约3.0 m处（离析厚度约为10 cm）和3.3 m（离析厚度约为8 cm）混凝土芯样轻度离析，其他深度混凝土芯样正常（芯样表面光滑、完整、连续，骨料较均匀、胶结较好），1#、3#两孔芯样无异常（芯样表面光滑、完整、连续，骨料较均匀、胶结较好）。钻进过程未出现跳钻、卡钻或落钻等异常情况。钢筋笼外侧孔当钻至深约4.7 m时循环水开始变黄并钻进速率明显加快（说明4.7 m以上扩径，当到达深度4.7 m时，扩径回缩已近正常桩外侧），至5.2 m时终止钻进提钻卸样。3#桩所取两孔芯样无异常（芯样表面光滑、完整、连续，骨料较均匀、胶结较好），钻进过程也未出现跳钻、卡钻或落钻等异常情况。3#、7#取芯芯样照片如图11～图19所示。

图10 7#桩取芯孔位示意图

图11 3#桩1#孔钻孔取芯照片

图12 3#桩2#孔钻孔取芯照片

图13 3#桩取芯孔位布置照片

图14 7#桩1#孔钻孔取芯照片

图15 7#桩2#孔钻孔取芯照片

图16 7#桩3#孔钻孔取芯照片

图17 7#桩4#孔钻孔取芯照片

图18 7#桩取芯孔位布置照片

图19 Y墩取芯验证及声波透射法验证照片

（8）3#桩利用取芯孔作为通道，声波透射法检测成果如图20所示。

图20 Y墩3#桩利用取芯孔做声波透射法成果曲线图（3#桩声学参数基本正常）

（9）7#桩利用取芯孔作为通道，声波透射法检测成果如图21所示。

图21 Y墩7#桩利用取芯孔做声波透射法成果曲线图

3.3 成果分析及判定

通过低应变检反射波法及3#、7#桩钻孔取芯、声波透射法成果、该墩地质资料、桩基施工情况综合分析，该墩8根桩浅层扩径明显，取芯和超声检测时未发现有浅部缩径（直径小于设计桩径1.0 m）或夹泥现象。该墩7#桩在钻孔取芯芯样分别在3.0 m和3.3 m处存在轻度离析，桩身完整性判定为3.0 m和3.3 m轻微缺陷，与7#桩曲线相似的8#桩判定为3.5 m轻微缺陷。1#～6#桩判定为合格。

取芯和超声检测工作完成后，施工单位采用水泥砂浆及时压浆封填。

4 工程实例3——钻孔灌注桩浅部缺陷识别实例

检测某特大桥Z墩，该墩设计共8根桩，桩长均为46.5 m，桩径均为1 000 mm，桩身强度为C30。设计要求声波透射法100%普测，检测标准采用《铁路工程基桩检测技术规程》（TB 10218—2008）[1]，各剖面检点间距为200 mm（规程要求不宜大于 250 mm）[1]。实测 A-B、A-C、B-C 剖面测距分别为620 mm、540 mm、570 mm，检测仪器为武汉岩海公司生产的非金属超声仪RS-ST03D（T），检测日期为仪器标定有效期之内。

4.1 桩身浅部声学参数异常

检测采用平测（发射探头与接收探头在同一深度），发现A-B、B-C剖面1.90～2.50 m深度范围内声学参数明显异常，A-C剖面未见声学参数异常。声学参数成果曲线，声时、声幅、PSD（声时-深度曲线上相邻两点连线的斜率与声时差的乘积[1]）成果如图22所示。

4.2 现场初步判别

该桩A-B、B-C剖面均在1.90～2.50 m范围声学参数明显异常，但A-C剖面正常。根据此次检测的结果分析，其原因可能为以下三种：

（1）存在桩身该深度处整断面夹泥、离析或断桩均属严重缺陷，桩身完整性应判别为不合格。但如果是这种缺陷，一般所占截面面积会较大甚至缺陷范围为全断面，但是A-C剖面声学参数未见异常。故整截面夹泥、离析、断桩可排除。

（2）声测管B管被低强度物体包裹或局部夹泥，亦或空洞造成A-B、B-C剖面1.90～2.50 m范围声学参数异常，如果低强度物体占截面面积的比例较大，足以影响到桩身结构承载力，则应判别为不合格。那么需要证明低强度物体的大小就十分关键。

图22 Z墩7#桩声波透射法成果曲线图

（3）采用低应变反射波法[1]和开挖（疑似缺陷位于桩顶附近，具备局部小范围开挖条件），从桩身侧面观察判断桩身完整性。

a.低应变反射波法验证，使用小锤激振发现距离桩顶约1.7 m处有轻微缺陷反射波，而使用大锤激振的时域曲线比小锤更完整，桩身浅部未见缺陷反射波。成果如图23所示。

图23 Z墩7#桩身低应变反射波曲线图

b.经开挖深度约3.0 m时，发现在距离桩顶2.0～2.3 m处具有明显夹低强度物体情况，该物体将B声测管包裹，故A-B、B-C剖面声学参数在该位置表现为声速低、声幅小，且超过临界值现象。清除低强度物体区域至坚实混凝土后，测量其尺寸约为 33 cm（长）×44 cm（宽）×25 cm（深，包括设计保护层5 cm）。开挖现场及桩身缺陷如图24～图29所示。

4.3 结果分析及桩身完整性判定

（1）根据上述几种验证方法成果分析，声波透射法A-B、B-C剖面1.90～2.50 m深度范围内声学参数异常，缺陷具有夹泥特征，产生原因可能为桩底沉渣经过浇灌上浮至该深度时拔管速度过快，造成沉渣翻入混凝土中形成夹泥，或在混凝土浇筑过程中出现浅部塌孔土块混合混凝土或泥浆翻入桩身造成局部夹泥。

图24 Z墩7#孔局部开挖照片

图25 7#桩缺陷以上部位截除照片

图26 7#桩另一侧相对完整照片

图27 缺陷部位低强度物体照片

图28 清除低强度物体照片

图29 测量缺陷尺寸照片

（2）综上所述，判定其桩身完整性为不合格。

5 结 语

介于低应变反射波法检测建立理论的一维波动方程模型，对于横截面面积较为一致的预制桩[2]更符合该模型，而钻孔灌注桩由于受地质土层变化、钻孔方法、施工机具、施工操作等因素影响，通常会出现桩身截面变化的情况，有时截面变化非常大，这种缺陷未影响到桩的承载力和耐久性，属于非不利缺陷。但在低应变反射波法检测时，是通过计算单位截面桩身材料力学阻抗[2]变化得出，阻抗理论计算方程为Z=EA/c（即桩身材料力学阻抗=桩身材料弹性模量×桩身横截面面积÷桩身纵向应力波的传播速度）[3]。

低应变反射波法具有仪器设备相较其他检测方法小巧轻便、操作简便快速的特点，适合大范围、多数量快速检测工作的需要。但综上举例中体现出采用该方法检测钻孔灌注桩时，由于此类桩型在地质复杂，特别是浅层土层稳定性较差的地点成桩，易发生桩身浅部横截面面积变化较大而影响到时域、频域曲线。此时作为检测人员需要仔细研究数据并及时分析原因，必要时需采取多种检测手段及验证方法来判别被测桩的完整性，切勿仅依靠低应变反射波法成果进行判定，避免误判或漏判。