基桩检测技术及综合应用

文／袁斌 上海永固检测技术有限公司 上海 201901

引言：

近年来，建筑工程的规模越来越大，工程中采用的新技术、新材料、新工艺也越来越多。基桩形式也变得多种多样。在上海地区广泛使用的基桩种类有：灌注桩、预应力混凝土管桩、预应力混凝土方桩、锚杆桩、水泥土桩、钢桩等。桩基工程有以下特征：（1）高度的隐蔽性；（2）沉降量小、均匀；（3）稳定性好；（4）承载力极高；（5）施工难度高且复杂；（6）质量缺陷后期难以弥补挽救。基础是工程的支撑，它承载着上面主体的所有荷载。所以基桩的好坏关系着整个建筑的安全稳定[1]。

最早期的工程中使用木桩，后来随着科技发展，各种形式的桩相继出现。同时基桩检测技术也不断发展变革。尤其在最近的二三十年，基桩检测技术空前发展繁荣。随着检测技术日渐成熟，各种基桩检测的方法也逐步标准化。目前已经成熟应用的基桩检测方法有：低应变法、超声波透射法、高应变法、静载荷试验、钻孔取芯法、成孔质量检测法、孔内摄像法。

基桩检测方法是在理论知识基础上发展起来的，则它们的检测结果必定也离不开理论的假设和范围。基桩检测虽然有上百年历史，但这些方法至今依然都存在着它们固有局限性。譬如，有些方法适用于灌注桩，有些方法适用于预制桩；有些方法能检测桩的完整性，有些方法能检测桩的承载力……对于基桩来说，选择可靠适合的检测方法和评价体系至关重要。为了得到更准确可靠的结论，通常在工程中会用多种基桩检测方法相交叉结合来进行检测分析。因为当对某种检测方法的结论有疑问时，可用其它的检测法进行验证检测。通过用几种不同检测法综合分析得出的结论更准确、可靠。不同方法的优点和缺点也不同，采用多种方法检测分析就可以互相弥补缺点，并使检测结果最优化。为了达到“数据准确、评价正确”而且“安全适用、经济合理”的目标；基桩检测技术还需持续发展。工程中，有些基桩只能用一两种基桩检测法且结果不理想；比如对多节锚杆静压桩的检测。对此，我们还迫切需要运用一种更为先进的基桩检测技术。

1.基桩检测的方法及其特点

基桩检测的方法可以分为直接法和间接法。直接法有静载荷试验法、钻孔取芯法、孔内摄像法；间接法有低应变法、高应变法、超声波透射法。

1.1 低应变法

低应变法是用小锤在桩顶轻敲，实测桩顶速度（或实测力）时程响应，通过一维波动理论的时域和频域分析来判定桩身完整性的检测方法。它可以判定桩身是否存在缺陷、缺陷的程度及其位置。低应变检测时速度快，简单，费用低，且工作量少。这种检测方法适用于混凝土灌注桩和预制桩；不能用于钢桩、异形桩，同时对接头不密实的多节锚杆静压桩不适用。计算分析桩身缺陷的公式如下：

低应变的不足之处有：（1）桩长大于40m 或长径比大于50 的桩不宜用此法；（2）只定性分析判定缺陷，不能对缺陷作定量分析和判定；（3）无法检测桩底沉渣；（4）对微小缺陷无法分辨。

1.2 高应变法

高应变法是用重锤冲击桩顶，使桩周土产生塑性变形，实测桩顶附近所受力和速度随时间变化规律，通过应力波理论分析得到桩土体系有关性状。高应变检测单桩竖向承载力和桩身完整性的计算公式应分别：

高应变依据完整性系数 值的大小来评定桩身完整性，如下所示：β〈0.6 时，为Ⅳ类；0.6 ≤β〈0.8 时，为Ⅲ类；0.8 ≤β〈1.0 时，为Ⅱ类；β=1.0 时，为Ⅰ类。高应变通过用凯司法计算的 值或用拟合法拟合得出的 值来确定单桩竖向抗压承载力。

高应变得出的承载力为理论推算而来，所以这种方法得出的结果没有静载荷试验精准。当同时用高应变和静载荷试验测基桩承载力时，高应变有如下优点：检测费用低，检测时间短、工作量少，方法简单便捷。高应变可以同时检测桩身完整性和单桩竖向承载力。与低应变相比，高应变能检测多处桩身缺陷，并能定量分析判定缺陷。另外，高应变还可以用于基桩施工的打桩监控，为合理选择沉桩工艺和设备提供参考。但是用高应变检测时，也存在一些缺点：测的竖向承载力值为一个预估值而非精确值；不适用于检测异形桩、大直径扩底灌注桩、多支盘桩等基桩的承载力。

1.3 超声波透射法

超声波透射法的检测原理是在预埋声测管之间发射、接收超声波，通过实测声波传播的声时、频率和波幅声学参数的相对变化，对桩身完整性进行判定。超声波透射法可以定性地判定缺陷的位置、范围和程度，属于间接法。

超声波透射法是一种成熟可靠的基桩检测方法。它是检测桩身质量最主要的形式，特别是检测长、超长的大孔径灌注桩时。超声波透射法还有以下的优点：能用于地下连续墙的检测；能对桩底情况或沉渣情况做出大概判定；能通过提前埋设声测管对基桩进行通长检测。超声波透射法根据波速、波幅、PSD 值与整根桩异常判断临界值的大小关系来确定异常值。异常判断临界值则是用概率统计方法计算而来。当波速、波幅、PSD 值存在异常值时，评判该位置为缺陷。这种检测方法存在以下缺点：（1）需提前埋设声测管或钻孔洞，检测前期的准备工作较繁多并且费用较高；（2）不能用于预制桩、钢桩；（3）难以判定缺陷的性质；（4）预埋管堵塞会导致无法检测。

1.4 钻孔取芯法

钻孔取芯法是一种用于检测灌注桩或围护桩桩身完整性的方法。它可以检测桩身缺陷及其位置、桩身混凝土强度、桩底沉渣厚度，可以判定或鉴别桩端持力层性状。钻孔取芯检测属于一种直接法。它的缺点有：检测费用高，检测时间较长。钻孔取芯法检测灌注桩时，通常与其他检测方法结合进行全面分析和综合判定，并且作为一种验证检测的方法。当对其它检测方法的结果有问题或者对结果产生疑问情况时，可以使用钻孔取芯法直接钻孔验证。

1.5 静载荷试验法

静载荷试验的检测原理是在桩或土顶部逐级施加竖向压力、上拔力或水平推力，观测基桩顶部随时间产生的沉降、上拔位移或水平位移，从而确定竖向抗压承载力、竖向抗拔承载力或水平承载力的试验方法。它包括：单桩竖向抗压静载荷试验、单桩竖向抗拔静载荷试验、单桩水平静载荷试验、天然地基静载荷试验、复合地基静载荷试验。静载荷试验是一种检测基桩承载力最直接最可靠的方法。

静载荷试验是一个重要的基桩检测的试验，也是验证基桩承载力的重要方式。它既可以为工程设计和基桩的检测验收提供依据，还可以用于检验新工艺、新桩型。静载荷试验的原理简单、检测结果精确。这种方法在检测基桩时的桩土状态与实际最接近，所以它的检测结果最准确可靠且最能代表基桩的使用情况。静载荷试验可以用于各种类型的桩，如灌注桩、预制桩、异形桩、钢桩等。它的缺点有：（1）检测的费用高；（2）检测的时间长；（3）现场检测花费的人力物力繁多；（4）现场检测时引起不安全的因素杂多，特别是大吨位桩。静载荷试验可以得出精确的基桩承载力，所以它能够作为事故工程桩和验证工程桩的重要依据。

1.6 孔内摄像检测法

孔内摄像检测法是一种检测桩身完整性的方法，用于各种空心桩和钻有孔洞的灌注桩检测。这种方法可以定量检测桩身缺陷的尺寸。孔内摄像检测是一种可靠、精确的检测方法，能够全面、清晰地观察和记录检测桩段的视频信息。它常与低应变法、高应变法、超声波透射法相互结合使用，作为一种验证检测的方法。孔内摄像检测的缺点有：需要与其他方法交叉结合来综合检测判定，只适用于空心桩和有孔的灌注桩。

1.7 成孔质量检测法

成孔质量检测是检测钻孔灌注桩的孔径、孔深、垂直度、沉渣的成孔质量的方法；它还可以评判桩孔的稳定性。假使基桩的浇筑成型过程没有问题，那么桩孔的状况在一定程度上能与基桩的扩径、缩径情况相统一。所以，成孔质量的好坏也直接影响着灌注桩的成桩质量。成孔质量检测的结果有时候可以和高、低应变的检测结果相互参照、相互结合，从而判断缺陷的种类。

2.多种检测方法交叉结合的意义

依据以上基桩检测方法的原理和特征，我们很容易辨别出适用于它们的基桩形式。低应变法和高应变法适用于预制桩、灌注桩，超声波检测法适用于灌注桩，静载荷试验法适用于各种类型的基桩，成孔质量检测法只用于钻孔灌注桩，孔内摄像检测法适用于各种预制空心桩、有钻孔的灌注桩、钢管桩，钻孔取芯法适用于灌注桩。

不同的检测方法皆具有自身的局限性，它们能够检测判断出缺陷的深度和严重程度也不同。比如，低应变法只能检测判断出30 米左右的缺陷，而声波透射法能通长范围检测……当一种检测方法不能给出准确可靠的结果时，可以采用多种检测方法相互交叉结合来综合分析判定。这样不同检测方法的检测结果也可以互相比较验证和互相补充。使最后得出的结论更加准确可靠。例如：低应变法检测管桩不合格时，由于低应变法对Ⅲ类和Ⅳ类的桩缺陷只能做定性判定而无法定量分析缺陷；仅靠低应变的检测结果判定这根桩会导致结论不可靠甚至错误；而后，选择用孔内摄像检测法、高应变法或静载荷试验法进行验证检测，便于对缺陷的程度、位置做出定量的判定；最后综合低应变和验证检测的结果做全面分析和综合判定[2]。

对大孔径灌注桩检测时，用超声波透射法、低应变法交叉结合高应变法或静载荷试验法得出的结论更加准确可靠。超声波透射法检测时可以采用平测、斜测、扇形扫测三种方法结合起来进行全面检测和综合分析。因为有些缺陷只用平测法可以分辨出，有些种类缺陷只斜测或扇形扫测法能分辨出。例如基桩的横向裂缝用平测法不能测出，需要用斜测或扇形扫测的方法才能分辨。

3.应用综合分析的方法

现场基桩检测的经验教我如何运用检测技术，它告诉了我如何去践行“评价正确”的目标原则。检测时，为了排除其它的一切可疑选项，学会对几种检测方法灵活的综合应用和分析判定。只有把各检测数据综合起来全面分析的结果才最准确、最可靠[3]。

3.1 工程实例

3.1.1 工程概况

上海浦东新区某小区1#住宅楼的工程桩为预制方桩，桩长22.0m，混凝土强度等级C80。经检测发现，S1#桩低应变检测结果为：在接桩处有严重缺陷。由于低应变法只定性检测缺陷，而无法判断缺陷对承载力的影响。经同委托单位、设计单位、监理单位共同协商，决定采用静载荷试验法对这根桩进行验证检测。

3.1.2 结果分析

低应变检测结果见图1：

静载荷试验法的检测结果见图2：

图2 静载荷试验s-lgt 曲线

由低应变法的成果曲线可知S1#桩为Ⅲ类桩或Ⅳ类桩。但低应变对缺陷无法做出具体判断，存在这以下几种可能：（1）当缺陷由角钢焊缝脱焊导致时，影响基桩结构承载力，应判Ⅳ类桩；（2）当缺陷由基桩垫片不密实导致时，不影响基桩结构承载力，应判Ⅲ类桩。

静载荷试验法的检测结果显示S1#桩承载力小于设计值448KN，不满足设计要求。最后，综合低应变法和静载荷试验法的检测结果做出判定：S1#桩为Ⅳ类桩。

3.2 工程实例

3.2.1 工程概况

一根上海宝山区某桥梁的钻孔灌注桩：桩长42.0m，桩径800mm，混凝土强度等级为水下C30。经用声波透射法检测，在桩身浅部存在明显缺陷，属于Ⅲ类桩。后来同甲方协商，再用钻孔取芯法进行验证检测。

3.2.2 结果分析

声波透射法的检测结果显示，该桩在1-2 和2-3 剖面，在0.4m-0.8m 范围内存在声学参数异常：声速值为（1580-2964）m/s，小于临界值3042m/s；波幅值为（92-117）dB，小于波幅临界值124dB；PSD 值为58，大于20。初步判定为严重缺陷，属于Ⅳ类桩。

然后用钻孔取芯法对桩1-2 和2-3 剖面检测时，取芯长度为1.2m。钻孔取芯的芯样图见图3，检测结论如下：在0.0m-0.5m 部位混凝土芯样胶结差，严重离析，有空洞；判定为Ⅳ类桩。所以，这根桩最终检测结果为Ⅳ类桩。

4.总结和建议

上海地区的土层多为砂土、粉土及淤泥质土，承载力低。然而，基桩的承载力越来越高，甚至达到2000 吨。对于上海地区的土层和基桩，可以做一个形象的比喻：把豆腐块比作土层，把基桩比作筷子。豆腐是柔软物体，不能直接承受重物；但是当在豆腐中均匀布置很多筷子时，豆腐块则可直接放重物。所以，优质的基桩确保了一座座大厦屹立而不倒。

保证检测数据的准确和检测结论的正确、保障检测过程的安全是检测人员应具备的技能。简单可靠的检测方法有利于现场检测、有利于出具结论、有利于项目推进。低应变法常为混凝土桩必选检测方法；静载荷试验法是承载力检测的首选方法；超声波透射法是对灌注桩检测的必选方法；高应变法常用于桥梁等小工程的基桩承载力检测；钻孔取芯法多用于对灌注桩验证检测或者水泥土围护桩检测；孔内摄像法是越来越流行的验证检测的方法。工程中同时运用几种检测法是保证检测结果准确可靠的必要途径。随着科技的发展，以后精准检测分析基桩的方法及能力也将大力向前。

结语：

现在迎来了人工智能和大数据技术大发展，未来基桩检测技术必将变得更加智能化、信息化。检测设备逐步从有线发展为无线，并且设备终端也将变得更加强大。未来现场检测时，仪器同终端连在一起，结合地区经验和岩土数据实时分析数据、对风险报警和定量分析基桩缺陷对基础的不安全程度。最终的检测结论将更全面。