水利工程桩基无损检测技术研究与应用

孙丹丹，徐 昕，刘 昱，刘瑞龙

（1.湖北正平水利水电工程质量检测有限公司，武汉 430064；2.湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430070）

目前水利工程采用的桩基主要有钻孔灌注桩、挖孔桩、预制桩、旋喷桩。桩基质量检测内容主要为桩基质量评价和确定桩基的承载力两个方面。 当前水利工程桩基检测主要采用无损检测和有损检测两类，其中无损检测方法主要为高应变应力检测、低应变应力检测和超声波投射法等； 有损检测方法主要为钻芯取孔法等， 由于有损检测主要为钻芯取孔这一种代表方法，准确度虽优于无损检测，但存在造价高、耗时长、操作困难等劣势，所以无损检测在桩基检测中运用得越来越广泛。 我国水利工程桩基无损检测兴起于20 世纪90 年代，张海峰等［1］对低应变应力检测方法的基本原理、现场数据采集方法、室内数据分析与处理等方面进行详尽介绍；王怀元等［1］对高应变动力测桩法的现场测试技术（包括桩头处理、锤击能量、传感器的安装等对高应变测试的影响）和数据分析技术（包括测试曲线分析、波速确定、Jc值的选取等）进行讨论；吴刚等［2］将低应变反射波法和超声波法透射法均应用于某桥梁的桩基检测， 并将两类方法从理论、实测等方面进行对比。综上，不少研究人员仅对其中某类方法开展详尽的研究和介绍，或对其中的两类方法进行对比，但对整套方法进行系统研究的较少，缺乏对各类方法适用范围、条件等方面的提炼与总结， 所以本文主要针对无损检测的3 类方法进行系统梳理， 总结桩基无损检测方法的适用条件、检测范围、优点与缺点，并提出改进方法与思路，以期为水利工程桩基质量检测提供参考。

1 水利工程桩基无损检测方法

1.1 低应变法

低应变法广泛用于水利工程桩基检测中， 适用于检测混凝土桩的桩身完整性， 理论原理是通过桩顶施加能量瞬态或稳态激振信号产生一维弹性杆件应力波，传播至桩底，当波阵面到达波阻抗的变化阈值界面时，可穿透阈值界面的称为透射波，此类应力波可继续向前传播； 不可穿透阈值界面并沿原介质回弹的应力波称为反射波， 透射波和反射波的能量大小与波阻抗的差异相关。

假定桩身存在一个波阻抗阈值界面， 上端的广义波阻抗为Z1=ρ1νc1A1， 下端的广义波阻抗为Z2=ρ2νc2A2，当应力波传播到该阈值界面时，就要发生相应的透射和反射。 根据连续性条件可得透射系数和反射系数如下：

式中ρ1为上端介质密度；ρ2为下端介质密度；νc1为应力波在上端介质中的速度；νc2为应力波在下端介质中的速度；A1为上端截面积；A2为下端截面积。

若Z2

1.2 高应变法

高应变法主要用于检测桩基的竖向抗压承载力和桩身完整性［4］。不同于低应变的是，高应变法主要通过重锤冲击桩顶（重锤质量一般需达到桩身重量的10%或达到单桩竖向承载力1%以上）， 在冲击桩顶过程中主要测量桩顶部的力时程曲线和速度时程曲线， 然后通过波动理论进行分析， 最终得到单桩竖向抗压承载力及桩身完整性的检测结论，如图1。

图1 高应变法检测示意图

在具体检测过程中，一般采取CASE 法、阻力系数法和波形拟合法等理论进行分析：

（1）CASE 法是在检测单桩时假定桩身为等截面桩，再将检测到的数据通过波动理论进行计算，计算结果与桩基设计值要求进行比对， 判断是否符合设计要求。 由于CASE 法计算的单桩承载力数值为估算值，与实际承载力相比精准度不够，但由于操作简便，适合于桩基工程成桩过程中的检测。

（2）阻力系数法是采用一维波动方程检测桩基周边岩土对桩基的支撑力，在检测过程中有3 种假定：①假定桩身与岩土呈等阻抗状态； ②假定桩基周围的岩土阻力为零，阻力仅集中分布在桩基顶部；③假定桩基仅存在静阻力，应力波在传播过程中没有损耗。实际检测过程中将3 种假定的数值作为桩基承载力检测值。

（3）波形拟合法是高应变法中最为准确的一种方法，波形拟合法主要是将现场检测到应力波直接输入到计算机中，由计算机进行迭代计算，通过模拟桩基与周边岩土的离散模型，并假定桩基和周边岩土的物理力学参数，求解出波形曲线，将求解的波形曲线与现场检测的波形曲线进行拟合， 若拟合重合度不高，需重新调整桩基和周边岩土的物理力学参数，直至完全重合为止，此时桩基和周边岩土的物理力学参数值即为最佳假定值，同时可求解出桩基承载力。

1.3 超声波透射法

超声波透射法也称声波投射法， 主要用于桩身完整性的检测， 主要原理为利用超声脉冲对桩身内部发射高频率的弹性脉冲波， 该脉冲在经过桩身后被接收并转换成电信号， 超声检测仪对电信号进行综合处理及分析， 通过专业仪器对脉冲波在桩体的波动情况进行记录， 通过这些波动情况来预测桩体内部的情况，判断桩身完整性［5］。

超声脉冲波的传播速度与桩身混凝土的密实度有密切关联，混凝土密实则传播速度快，混凝土不密实则传播速度慢。当桩身无连续无缺陷时，超声波的传播形式是以直线形式传播；若桩身存在缩径、扩径或离析等缺陷，超声波的传播形式会以折射、反射或绕射的形式传播，接收到的能量也会明显衰减、频率显著降低、波形畸变，同时波速、振幅等波形参数也会发生明显变化， 通过上述变化来判断桩身缺陷的尺寸及分布位置， 由于桩身缺陷造成超声波的传播形式的变化往往具有复杂性和叠加效益， 所以在进行波形变化分析时较为复杂， 从而增加操作和分析桩基缺陷的难度。

2 无损检测方法研究

2.1 各类方法适用条件

参照以往测量数值经验， 低应变法适用于桩基直径不超过1.8 m，桩长5～50 m；高应变法适用于预制桩和预应力管桩的检测。 对于预估Q-s 曲线具有缓变型特征的大直径灌注桩或大直径扩底桩， 不宜采用高应变法；声波透射法适用于桩长大于50 m 或桩径大于2.0 m，对于桩径小于0.6 m 的桩，不宜采用此方法。

2.2 各类方法优缺点

低应变法的优点在于操作方便快捷， 费用低；缺点是无法开展定量分析，比较依赖检测人员的技术经验，不同的检测人员会因波形的细微差别给出不同的桩基完整性等级结论，给后续问题桩基的处理带来困扰，同时地质条件对低应变法的测量准确度也有较大影响， 尤其是桩侧土对应力波的传播存在阻碍作用，会衰减应力波的能量，从而影响检测结论。

如湖北省仙桃市某泵站桩基采用PRC 桩，桩径400 mm，桩间距1.8 m，桩长12 m，其中泵房基础87根，泵室挡墙14 根，前池挡墙14 根，共计115 根。主要仪器设备为RS-1616 （K）T 基桩动测仪和低应变加速度计， 其中前池挡墙的两根桩基的低应变波形图如图2。

图2 低应变法波形图

这两根桩波形图分别在6.64 m 和5.86 m 处有微小凸起，部分检测人员判定为II 类桩，即桩身混凝土结构基本完整，存在轻微缺陷，另一部分检测人员认为波形完整， 凸起部门可能是周边填土模量较小引起，应判定为I 类桩，通过结合施工地质勘察资料和施工记录，最终将这两根桩判定为I 类桩，可见，不同检测人员针对低应变波形图可能会判定出不同的桩基完整性等级结论， 波形图会受到侧土地质条件的影响。

高应变法的优点在于可同时检测承载力和桩基完整性，检测时间短，成本低；缺点是由于高应变法假定桩周不存在土体变形， 导致承载力计算结果不够准确， 在检测后还需将检测结论与本地区同等情况下的可靠性资料进行对比佐证。

如湖北省荆州市某堤防工程共检测南、 北侧大堤28 根桩，竖向抗压承载力特征值为90 kN，通过高应变法检测桩基承载力，其中桩基100%满足承载力要求， 部分桩基承载力高于承载力特征值约3 倍以上，检测结果数值偏高，通过对比本地区同等情况的可靠性资料， 并对承载力特征值偏高的桩基采取静载试验复检， 检测结果发现其中两根桩基不满足承载力要求， 桩基的竖向承载力合格率为92.85%，可见高应变法在桩基承载力检测时可能出现数据不够准确的情况，从而影响检测结论。

超声波透射法的优点在于检测仪器便携、 环境适用性高、 可对桩基结构进行全面的质量检测和检测结论直观准确等，缺点是由于桩基结构位于地下，在声波传输过程中，会受到地质结构的影响，产生一些误差性数据，在数据处理过程中，需要对干扰因素做好处理，否则会影响检测结果的合理性。

表1 无损检测方法对比

3 改进方法与思路

借鉴生物群体智能算法，如狼群算法、蚁群算法等， 将低应变的波形和准确的检测结论一并输入进行智能训练学习，形成桩基检测大数据库，实现波形分析的定量化，避免过分依赖检测人员的主观性。

提前收集岩土工程勘察资料和施工记录， 深入了解桩侧土质情况， 并将工程区所有被测桩基结合起来分析，降低地质条件对低应变结果的影响。

高应变法应结合现场实测经验，同时辅以静载荷实验法对结果进行验证，提高地基承载力的准确度。

在每根桩基浇筑之前， 在桩中心位置沿着平行桩身方向同步埋设一根声测管， 可显著增强超声波透射法中声波的稳定回弹， 以减少桩身地质结构对声波传输的影响，明显提高检测精度。

4 结语

质量是水利工程的生命，桩基检测是整个水利工程中重要的组成部分，各类水利工程桩基检测方法均有各自的优势和局限，应根据具体的施工工艺和地质条件，选择最佳的组合检测方法，充分发挥各类检测方法的优势，提高检测准确度，确保工程质量。