多种检测方法在软土地区桥梁桩基检测中的综合应用

罗云烈，鲁传恒，陶华飞，游建华

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

对于沿海地区来说，由于软土层深厚，岩层埋藏较深，桥梁桩基础多采用嵌岩桩，其施工桩长必然远超常规。超长桩因其施工时间长、地层条件复杂、地下水变化较大、软土层部分孔壁需埋设护筒保护等因素，相对来说更容易发生混凝土离析、缩径、断桩、塌孔、沉渣过厚等诸多质量问题[1]。桥梁上部结构及其所承受的荷载全部施加于桩基础之上，再通过桩身将所有应力传递到地下岩土层之中，由此可见，桩基础作为桥梁工程的根，其施工质量关系到整个桥梁工程的安危，桩基础施工工程中产生的桩身缺陷如未及时发现并采取有效措施进行补救，将对后续的使用带来巨大风险，会产生不可估量的人员和财产损失。因此，在桥梁上部结构施工之前，对桩基础采用多种检测技术手段进行检验显得尤为重要。

桩基检测技术历经多年发展完善，目前工程界广泛运用的检测手段主要包括：低应变法、声波透射法、钻芯法、静载试验和高应变法等。静载试验和高应变法主要用来检测基桩承载力。检测桩身完整性多采用低应变法、声波透射法和钻芯法，这三种方法都具有操作便利、速度快、效率高、成本低等优势，在桥梁桩基检测中得到了广泛运用[2]。然而，多年实践表明，低应变法、声波透射法、钻芯法也各自存在一定局限性，如果仅靠一种方法对桩基础进行分析和评判，则可能给工程埋下安全隐患[3-5]；同时，单单根据某种方法得出的异常结论就给桩基判“死刑”，往往可能夸大了存在的缺陷问题，造成极大的工程浪费，严重延误工期。因此，从工程可靠性和经济性的角度出发，研究多种检测手段的综合应用具有十分重要的意义。

1 低应变法、声波透射法、钻芯法的主要原理及优缺点

1.1 低应变法

低应变法将基桩假定为理想化的“一维线性弹性杆件”数学模型，利用小锤在桩顶激发一瞬态应力波，当应力波往下传播过程中遇到桩身阻抗突变的界面，将会产生往上传播的反射波信号，这些信号由桩顶粘贴的传感器接收生成信号曲线，通过波动理论分析曲线来判断桩身完整性情况[1]。低应变法的优点主要是操作简便、成本低廉、效率高，适用于大面积普查检测。低应变法的缺点主要有4 点：一是应力波信号容易受到外界环境干扰、低应变激振能量较弱，有效检测长度有限；二是对桩身缺陷只能做定性评价，无法判定缺陷的具体性质；三是桩身若存在较明显的浅部缺陷，会使应力波的能量产生严重衰减，使得桩身中下部的缺陷没法识别，造成漏判；四是对桩身“扩径”等阻抗渐变的情况容易产生误判。

1.2 声波透射法

声波透射法利用提前预埋在混凝土灌注桩中的声测管为通道，将成对的声波发射和接收换能器放置其中，沿着桩身轴向方向从桩底开始匀速同步提升，逐点记录超声波穿过各检测剖面的声学参数，通过分析声波在混凝土中传播的声学参数变化和波形畸变程度，可以分析判定桩身混凝土缺陷的位置范围和程度[6]。它具有检测方便快捷、适用性广、检测结果比较全面、准确和可靠等优势；同时也存在一些局限性，一是声波检测须提前预埋声测管，且试验前必须保证每根声测管通畅到底；二是声波透射法检测同样只能定性评价桩身缺陷，无法定量判定缺陷的类型；三是声测管管壁若包裹泥团或接口焊接不良时，声波信号会产生严重畸变，容易造成误判。

1.3 钻芯法

钻芯法是利用钻探设备在桩身钻取若干个孔的全桩长混凝土芯样及一定深度的持力层岩土芯样，通过观测芯样表观质量和抽样进行实验室试验，可以准确判定桩长、混凝土强度、桩身缺陷及位置、桩底沉渣厚度等是否满足要求[7]。钻芯法明显的优势一是检测结果十分直观明了，可以准确判定缺陷的类型和程度，因此常作为低应变法和声波透射法的验证手段；二是可查明桩底沉渣厚度和桩端持力层岩土性状，检测结果可辅助计算承载力。同时钻芯法也存在一些局限性，一是天生存在“一孔之见”的弊端，无法完整体现整个桩身截面的情况，容易漏判、重判；二是对于超长桩和垂直度较差的旋挖桩，钻芯法容易钻偏出桩外，无法钻穿桩底；三是需钻探设备进场并配备专业人员操作，成本相对较高，面对长桩检测时，钻探耗费的时间较长，效率低。

2 工程实例分析

2.1 低应变法与声波透射法综合运用实例

某桥梁工程采用混凝土灌注桩基础，均为嵌岩桩，桩径分别为1 200 mm 和1 500 mm，设计桩长在37.5～50.7 m 之间。随机抽检一批桩进行低应变法检测，检测结果发现，所有受检桩低应变法结果曲线都反映出桩身上部有明显缺陷。典型异常检测曲线如图1 所示，1-11# 桩的桩径为1 200 mm，桩长为52.5 m，桩底嵌入中风化花岗岩2.4 m，其低应变检测曲线上显示桩身6.2 m 左右处有与入射脉冲同向的高幅值反射，说明在该深度处桩身存在阻抗明显变小的界面或区域，判断可能存在缩径、蜂窝沟槽、离析、夹泥等缺陷。

图1 1-11# 桩低应变法检测曲线图

本项目分别选用钻芯法、声波透射法和低应变法对全部46 根桥桩进行全覆盖检测，前期选定为钻芯法和声波透射法检测的桩，它们的检测结果均无异常，完整性均判为Ⅰ类，而第一批采用低应变法抽检的桩，结果均出现异常，因此有必要对低应变法检测结果进一步分析。查阅勘察钻孔柱状图信息得知，场地上覆深厚层的淤泥软土，深度有20 多米，该软土层含水量大，为流塑状，不稳定，为保证孔壁不坍塌，桩基施工时埋设了护筒进行保护，现场观察桩头发现，护筒并没有在浇筑完混凝土后拔除。询问施工方得知，该护筒直径要比设计桩径要大20 cm 左右，这就造成了护筒段以下桩身非缺陷性“缩径”，而“缩径”位置就会产生同向的异常反射信号。将受检桩的护筒长度数据和低应变异常反射位置进行对比，发现两者几乎吻合。同时了解到该项目所有桩均预埋了声测管，可采用声波透射法进一步验证。如图2 所示，1-11 桩在6.2 m 左右处的声速、波幅等声测参数均无异常，波形无畸变，声波透射法结果表明桩身完整无缺陷，可判为一类桩。对其他低应变法受检桩均改用声波透射法进行了验证，结果均表明桩身完整，印证了低应变法所反映的缺陷是因大护筒产生的非缺陷性“缩径”所引起。

图2 1-11# 桩声波透射法检测波列图

2.2 声波透射法与钻芯法综合运用实例

某桥梁工程采用预应力混凝土连续刚构桥，主跨桥墩桩基础采用冲孔灌注桩，利用水下插打钢护筒工艺进行施工，桩端要求嵌入中风化花岗岩。11#-10 桩的施工桩长为37.65 m，桩径为2 000 mm，提前对称分布预埋了4 根声测管，编号按顺时针依次为A、B、C、D，声波透射法检测结果如图3 所示。AB 检测剖面34.40 ～37.60 m 段、AC 检测剖面34.50 ～37.60 m 段、AD 检测剖面34.50 ～37.60 m段、BC 检测剖面34.70～37.60 m 段、BD 检测剖面34.75～37.60 m 段的声速和波幅参数均存在明显异常，且声测线波形畸变严重。该桩6 个声测检测剖面中5 个存在异常，反映的缺陷基本处同一深度，且缺陷范围超过3 m，初步可判定为Ⅳ类桩，不满足验收要求，应做废桩处理。

图3 11#-10 桩声波透射法检测波列图

进一步研究声波透射法结果发现，AB 剖面的声测曲线畸变最为严重，CD 剖面无异常，且所有异常剖面均跟A 管和B 管有关联，因此靠近这两根管的位置需要重点关注。采用钻芯法对11#-10 桩进一步验证，该桩桩径大于1 600 mm，需钻3 个孔，如图4所示，使2 个钻芯孔分别靠近A 管和B 管，另一孔对称分布。

图4 11#-10 桩钻芯法验证开孔位置平面图

钻芯验证结果如图5 所示，3 个验证孔的混凝土芯样均表现为连续完整，断口吻合，芯样表面光滑，未见明显蜂窝麻面沟槽，骨料分布均匀，胶结良好，依据钻芯法结果，桩身完整性可判为Ⅰ类。声波透射法在桩底附近测得的异常信号并没有在钻芯法结果上有任何体现，出现这种明显反差的原因可能是11#-10 桩的桩径较大，且为水下桩，下部护筒未围蔽段的孔壁泥土相对不稳定，塌落至孔底，桩长也较长，吊放钢筋笼时也容易刮碰到孔壁泥土，这些都可能使A 管和B 管外壁附着泥土，导致这两根管关联的声测剖面信号数据异常。

图5 11#-10 桩钻芯法验证芯样照片

2.3 钻芯法与声波透射法综合运用实例

某桥梁工程采用钻（冲）孔灌注桩基础，桥墩桩基直径为1 300 mm，桥台桩基直径为1 000 mm，均为嵌岩桩，桩底入中风化花岗岩不少于1.5D。桥台桩基Z4-27 桩的桩长为56.95 m，采用钻芯法进行检测时，发现桩身21.41～22.61 m 段芯样松散破碎，胶结质量差（如图6），混凝土破碎段长度远大于10 cm，桩身完整性类别应判为Ⅳ类，理论上需做废桩处理。在原桩增加一个钻芯孔进行验证，结果如图7 所示，在对应深度范围内并未发现明显缺陷，芯样整体连续完整，芯样表面光滑，胶结良好，说明一孔发现的缺陷并没有完全贯穿整个桩身截面，然而考虑到钻芯法“一孔之见”的局限性，必须扩大检测的有效区域，对缺陷的影响范围做进一步验证。

图6 Z4-27 桩钻芯法检测芯样照片（松散破碎）

图7 Z4-27 桩钻芯法验证孔芯样照片（完整光滑）

观察到Z4-27 桩有预埋3 根声测管，可采用声波透射法进行验证，检测结果曲线如图8 所示，三个检测剖面的声波参数均无异常，实测波形无明显畸变，表明桩身完整性良好。钻芯法发现的缺陷问题在声波透射法检测信号上没有任何反映，原因可能是该钻芯孔开孔位置比较贴近桩中心（如图9），而声波透射法仅能检测三根声测管两两之间有限范围的桩身质量，钻芯孔正好位于声波透射法检测的盲区之中，不过这恰巧也同时说明了钻芯法发现的缺陷仅分布在靠近桩中心的狭小空间内。利用钻芯孔作为声测探头的通道，继续检测钻芯孔与三根声测管之间剖面的完整性情况，结果如图10 所示，三个剖面声测实测波形均未出现严重的畸变，进一步说明了缺陷的范围主要分布在钻芯孔内及其邻近较小的区域，后续可利用钻芯孔进行高压注浆补强处理，处理后桩身质量可达到使用要求。

图9 Z4-27 桩钻芯孔与声波透射法检测有效范围位置关系图

图10 Z4-27 钻芯孔与三根声测管之间测试剖面的声波透射法检测波列图

3 结 语

（1）低应变法、声波透射法和钻芯法在桩基础质量检测中运用十分广泛，它们的实用性和可靠性已获得广大工程师们的认可。三者从原理上分析均有鲜明的优点，当同时也存在一定的局限性，本文通过实例表明，面对沿海软土地区复杂的地质条件，如果仅依托一种检测手段来判断该区域桥梁桩基础的施工质量，往往会夸大存在缺陷问题甚至产生误判。

（2）当低应变法检测信号出现大批量有规律的异常反射时，应当考虑是否因施工工艺、场地地质条件等因素引起的干扰，并采用其他方法辅助验证。

（3）当声波透射法在桩底位置出现异常结果时，应当分析异常剖面与声测管的对应关系，由此确定钻芯法验证孔的开孔位置，提高钻芯法验证的可靠度。

（4）当钻芯法检测某一钻孔芯样出现质量缺陷时，可选用声波透射法扩大检测的范围，同时可利用钻芯孔作为声测探头的通道，测试与其他声测管之间的剖面，来进一步确定缺陷的分布区域，综合判断缺陷对桩身承载力的影响程度。