无损检测方法在水泥搅拌桩质量控制中的应用探讨

曹勤方，徐 敏

（1.江苏省泰州市航道管理处，江苏 泰州 225300；2.江苏省泰州市交通运输局，江苏 泰州 225306）

引 言

水泥搅拌桩是一种用于加固软土地基的有效方法，由于其良好的经济效益和社会效益，该方法在地基处理、边坡支护、防渗等工程中得到了广泛的应用[1,2]。然而，水泥搅拌桩属于隐蔽工程，如果出现质量问题，将产生不良沉降而造成上部建筑物破坏，影响地基处理效果及航道整治工程质量，因此对水泥搅拌桩的工后质量检测显得尤为重要[3]。

钻孔取芯法和静载试验法是多数规范中提及的最常用的水泥搅拌桩检测方法[3,4]。钻孔取芯法可通过芯样观察判断水泥土的均匀性，通过室内无侧限抗压强度试验判断桩身强度是否满足设计要求，但该法操作较为复杂，耗时较长，取芯后扰动大，工效低。静载试验是目前公认的最可靠的桩基质量检测方法，其可确定单桩竖向抗压承载力、单桩竖向抗拔承载力或单桩水平承载力，但该法亦存在工期长、工价高等缺点[5-6]。

无损检测方法由于简便、快捷、经济的特点，近年来在水泥搅拌桩的质量评价中逐渐得到了重视。如D.A.Staab等[7]应用地质雷达法和电阻率法相结合来探测模拟的深层搅拌桩缺陷，但其实际效果有待检验。段文旭[8]综合应用低应变法和声波透射法对桩基整体质量和局部细节进行检测，取得了较好的效果；钟新亮等[9]对比了水泥搅拌桩的低应变反射波法和钻孔取芯法的试验结果，提出了低应变反射波法的适用范围。

本文依托通扬线航道整治水泥搅拌桩质量检测工程实际，分析了低应变反射波法、地质雷达法的检测原理，设计了现场试验对比两种无损检测方法的检测效果，并对可行性进行评价，对提高航道整治工程水泥搅拌桩质量检测水平具有积极意义。

1 无损检测的基本原理

1.1 低应变反射波法

低应变反射波法的原理是基于一维弹性杆平面应力波波动理论[10]。假设水泥搅拌桩体为一维弹性杆件，在其桩顶施加一激振力以产生压缩波沿桩身向下传播，当桩身存在明显的波阻抗Z变化界面时，将产生反射和透射波，反射的相位和幅值大小由波阻抗Z变化决定，Z可由式（1）计算而得。其中界面上下部波阻抗分别为Z1和Z2。

式中：Z为波阻抗；ρ为桩身材料密度，单位kg/m3；C为桩身平均波速，单位m/s；A为桩横截面积，单位m2。

1）当Z1=Z2时，表示桩截面均匀，无缺陷。

2）当Z1＞Z2时，表示在相应位置存在截面缩小或低强度层等缺陷，反射波速度信号与入射波速度信号相位一致。

3）当Z1＜Z2时，表示在相应位置存在截面扩大，反射波与入射波速度信号相位相反。

当确定桩身水泥土波速后，可根据缺陷反射波的走时。估算出缺陷的位置，即距缺陷桩头的距离L'为：

式中：L'为缺陷距桩头距离，单位m；C为桩身平均波速，单位m/s；t'R为缺陷反射波的走时，单位s。

1.2 地质雷达法

地质雷达法是向地下发射高频电磁波扫描，通过在不同介质而上反射的差异，经过数据处理，显示出桩体在地下的影像[11]。该方法能快捷、直观地反映桩在地下的成像情况。地质雷达属于高频电磁波，工作原理是基于电磁波的反射原理。地质雷达由发射部分和接收部分组成。发射部分由产生高频脉冲波的发射机和向外辐射电磁波的天线（Tx）组成。通过发射天线电磁波以60°～90°的波束角向地下发射电磁波，电磁波在传播途中遇到电性分界面（不同介电常数）产生反射。反射波被设置在某一固定位置的接收天线（Rx）接收，与此同时接收天线还接收到沿岩层表层传播的直达波，反射波和直达波同时被接收机记录或在终端将两种显示出来。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形资料，可推断地下介质的分布情况。

2 试验工程条件

2.1 工程概况

本试验依托通扬线航道整治水泥搅拌桩检测工程。通扬线全长约300 km，横贯苏中地区的扬州、泰州、南通三市，沿线经过区域在地质构造单元上属下扬子板块苏北－南黄海盆地，试验标段地处南京～南通（宁通）隆起区的泰州凸起，为第四系覆盖。由于本航道沿线软土分布较广，软基处理设计时主要采用长8 mφ100 cm和长6 mφ70 cm水泥搅拌桩。水泥采用42.5号（425#）硅酸盐水泥，水泥掺入比为20%（每延米掺65 kg水泥），置换率约18%～20%。水泥搅拌桩90天龄期的桩身强度设计值不小于1.2 MPa，7（28）天龄期的桩身强度不小于设计值的30%（70%）。

2.2 场地地质条件

本次试验场地地表以素填土、粉质粘土为主，层厚一般为0.7～3.5 m。下覆软土为淤泥质粉质黏土，部分为淤泥及淤泥质黏土，灰色、灰黑色，土质不均，混粉土，夹腐植物，高压缩性，高孔隙比，土性较差。该层分布较连续，层顶面埋深一般为0.5～5.4 m，厚度变化较大，变化范围0.5～14.4 m。场地内浅部地下水为松散岩类孔隙型潜水，下部层粉土、粉砂、粉质黏土混砂，含水贮水，与上部潜水存在相互补给关系，构成了项目区域的孔隙型微承压含水层。

3 试验方案

在现场随机抽取检测桩分别进行低应变反射波试验及地质雷达探测，对比其检测结果及反映内容，评价可行性。

1）低应变反射波试验

成桩28 d，60 d后，每个龄期抽取3根水泥搅拌桩进行检测，在检测过程中通过调整激振形式、传感器与击振点距离等参数，以获取最优的检测效果。得到桩身平均波速取值，桩身完整性描述、缺陷的位置及桩身完整性类别；为保证结果的准确性，每根桩需进行至少5次平行测试试验。

2）地质雷达探测

成桩28 d后，抽取6根水泥搅拌桩进行检测，设计合理的天线移动路线及不同的天线频率（100 MHz及400 MHz），数据采集模式为时间模式，测程为300 ns，采样点数为512，数据位为16，增益设置为5点自动增益，滤波器采用无限响应滤波器，垂向低通滤波值为300 MHz，垂向高通滤波值为25 MHz，得到地质雷达图像，评价桩身质量。

4 试验结果与分析

4.1 反射波动测试验

对成桩28 d，60 d的6根水泥搅拌进行了低应变反射波试验，试验结果如表1所示。

表1 低应变反射波试验结果

由表2可知，1号桩距桩头2 m处、3号桩距桩头3.1 m处、4号桩距桩头1.68 m与2.19 m处均存在严重缺陷，缺陷处反射波相位与入射波相位一致，判断此处水泥搅拌不均匀。2、5、6号桩桩身基本完整；水泥搅拌桩波速在2 000～3 000 m/s之间，2、3号桩平均波速分别为2 695.5 m/s、2 637.8 m/s，其余4根桩波速基本在2 100 m/s左右，由于波速与桩身强度成正比，可以判断2、3号桩强度较其他桩强度更大。根据水泥土强度的龄期规律，其强度随龄期的增大而增大，而波速也表现出相似现象[12]。表明在反射波动测试验中，除了根据时域曲线判断桩身完整性外，亦可通过波速判断桩身强度。

本次试验还通过改变不同的激振方式（铁锤，木锤），不同振源与传感器的距离，对反射时域曲线的显示效果进行评价。图1、图2为不同激振方式的时域曲线，可以看出，木锤的时域曲线杂乱，显示效果较差，易影响判断。铁锤的时域曲线有规律，显示效果更好。图3、图4为振源与传感器距离不同的时域曲线，当振源距传感器0.1 m（较近）时，敲击时会造成影响传感器的振动，出现较多有规律的振动反射波，影响判断结果，而当振源距传感器0.2 m（较远）时，波形曲线较好。图5为某6 m长桩的时域曲线，较其它8 m长桩的时域曲线，其桩底反射明显。此外，从给出的时域曲线可以看出，该场地下的水泥搅拌桩在1～2 m间都存在明显反射，这是由于1～2 m间为淤泥质地层，其土体初始含水率较高，尽管加入水泥搅拌后，其强度有所提升，但波阻抗较其它地层仍有明显变化，可能会产生易造成误判的反射波。因此，提出在该场地条件下，应用低应变反射波法对水泥搅拌桩的质量检测的优化方法及适用条件。铁锤作为激振方式效果更佳；振源与传感器的距离不能太近，以1/5D（D为桩径）为宜；桩长超过6 m后桩底反射不明显；在含水率大的土层应注意区别容易产生误判的反射波。

图1 反射波时域曲线（木锤）

图2 反射波时域曲线（铁锤）

图3 反射波时域曲线（振源距传感器0.1 m）

图4 反射波时域曲线（振源距传感器0.2 m）

图5 反射波时域曲线（6 m长桩）

4.2 地质雷达探测

使用SIR-3000型地质雷达分别设置100 MHz天线和400 MHz天线对水泥搅拌桩进行检测。地质雷达云图如图6、图7所示。

由图6可知，100 MHz频率下地质雷探测深度约为10 m，0～1 m段出现高频强反射信号，1 m以下主要为低频反射信号，初步判断两层地层性质差异较大。260scan处出现同轴连续性较强的反射弧信号，判断该处为水泥搅拌桩位置，但从该信号只能简要识别桩基位置，对桩缺陷及完整性无法识别。由图7可知，提高天线频率后，探测深度较100 MHz天线大大降低，只有约1.5 m，0 m处为空气和泥面界面层，信号反射强烈，出现强反射层，2 300scan处出现同轴连续性较强的反射弧信号，根据现场比对，此处为水泥搅拌桩。结合现场情况，测线内1 700～1 800scan之间也存在水泥搅拌桩，但未见明显反射。这是由于两个桩的水泥搅拌质量、密度等指标差异，导致介电常数差异，其中2 300scan处的桩基介电常数与周边泥土差异更为明显。该频率下的测试结果与100 MHz类似，只能简要识别桩基位置，但对桩基缺陷及完整性无法识别。地质雷达运用于水泥搅拌桩质量检测过程中只能简要识别桩基位置，但对桩基缺陷及完整性无法识别。地质雷达更适用于测试层状结构物，对于桩基这类杆状结构物，需要有足够的天线覆盖面积才能达到相应的探测深度，但是提高覆盖面积以后，所测图像的分辨率又达不到可识别的要求[13]。因此本次试验判断地质雷达运用于水泥搅拌桩桩身质量检测不可行。

图6 100 Hz天线雷达图像

图7 400 Hz天线雷达图像

4.3 两种无损检测方法的对比

低应变反射波法运用于水泥搅拌桩质量检测一直颇受争议。本文对不同龄期的水泥搅拌桩通过调整击振锤形式、传感器与击振点距离等参数进行了反射波动测试验，得到了反射波时域曲线，对桩体缺陷进行了评价，并根据波速，简略判断了水泥土的强度，是一种定性与定量相结合的水泥搅拌桩质量检测手段。同时，对不同桩长，不同地层的时域曲线进行分析，对其适用范围进行的探讨。表2列出了两种无损检测方法的对比。从可行性角度，低应变反射波法运用于水泥搅拌桩质量检测是可行的。但在测试过程中，需有针对性的优化测试方法，同时要求测试人员具有较高的反射波波形分析能力。

地质雷达探测已经在工程地质勘察、混凝土衬砌检测、水工结构评价领域得到了广泛应用[14]。从检测原理角度，其可应用于水泥搅拌桩的质量检测。但是本文通过现场试验得出，地质雷达探测只能简要识别桩基位置，对桩基缺陷及完整性无法识别。因此判断该方法运用于水泥搅拌桩质量检测不可行。

表2 两种无损检测方法的对比

5 结 论

本文基于低应变反射波法、地质雷达探测两种无损检测方法的基本原理，对其应用于航道整治工程水泥搅拌桩质量检测中的效果和可行性进行探究，主要得出了以下结论：

1）低应变反射波法既可通过时域曲线识别桩体缺陷，又能根据波速判断桩体强度，是一种经济快捷的定性+定量检测方法。但在测试过程中，需有针对性的优化测试方法。

2）桩长6 m的水泥搅拌桩应用低应变反射波测试有明显桩底反射，而桩长8 m的桩桩底反射不明显。当地层初始含水率较大时，易产生“误判”反射波。因此在该场地条件下，低应变反射波法更适用于地层初始含水率较小的短桩。

3）地质雷达只能简要识别桩基位置，但对桩基缺陷及完整性无法识别，不适用于水泥搅拌桩的质量检测。