低应变法桩身完整性检测工程实例分析

时间：2024-07-28

朱小华，陈瑾，谭睿，王昌平

（1.湖北华祥建设工程质量检测有限公司，湖北武汉 430034；2.湖北省地质实验测试中心，湖北武汉 430034）

0 引言

在我国桩基质量检测方法有多种，其中低应变反射波法由于其基本原理简单、快速无损、资料判读直观、准确度较高而在桩基检测中占据主流地位。但是如果操作者不能认真对待检测过程中的每一步骤，都可能造成误判、漏判，以至造成工程隐患［1］。这就对基桩检测人员提出了较高的要求，要求检测人员不仅要有丰富的理论知识，还需具备丰富的实践经验。

1 低应变原理

低应变法检测的理论基础是一维线弹性杆件模型，是一种理想化的数学模型。假定基桩作为均匀细长的线弹性杆件，当桩顶受到纵向冲击波时，根据应力波沿桩身传播的规律，当桩身波阻抗有明显变化时，就会有反射波回到桩顶引起基波振幅和相位发生变化。通过记录分析仪接收到的波形信号数据，可以分析桩身的完整性，并判断扩径、缩径、断裂、离析、夹泥、交接不良、桩底沉渣等多种桩身缺陷的类型［2］。

实际上仪器接收的桩顶速度响应时程曲线反映的不仅是桩身完整性，更是多种因素综合作用的结果。因此，低应变反射波法只能对基桩的桩身完整性进行定性的判定，而无法对缺陷的类型进行描述，更不能确定缺陷的大小和准确位置。在实际检测过程中，应力波传播主要受到桩身材料阻尼和桩周土摩阻力的影响，除此之外还有桩侧土阻尼、测试系统的幅频与相频响应、测试人员的主观判断等一系列影响因素。因此当低应变法检测中出现共性问题或不能明确桩身完整性类别时，一定要慎重，千万不要轻易下结论。要结合岩土工程勘察报告、设计图纸、施工记录、监理日志等资料来进行综合分析；同时根据实际情况采用静载法、钻芯法、高应变法、开挖、孔内摄像等方法进行验证检测。以下结合大直径钻（挖）孔灌注桩和突变地层中的预制桩两个典型的工程案例，分析低应变检测过程中的注意事项以及桩身完整性的判定依据，总结避免误判的检测经验，为类似检测项目提供参考依据。

2 大直径钻（挖）孔灌注桩检测

2.1 工程概况

某山体修复工程抗滑桩，共设计 5 种抗滑桩型：其中 D 型抗滑桩采用混凝土护壁人工挖孔桩，共计 80 根，平均桩长约 18.0 m，桩截面尺寸为 2.0 m×3.0 m，嵌固深度≥6 m 且进入砂岩≥4.5 m，桩身混凝士设计强度 C35。D 型抗滑桩结构大样图如图 1 所示。

图1 D 型抗滑桩结构大样图（单位：mm）

根据岩土工程勘察报告，地层自上而下依次为杂填土、素填土混淤泥、粉质黏土、黏土、碎石土、粉质黏土、中风化石英砂岩。

2.2 现场检测

采用低应变法对 D 型桩进行桩身完整性检测，由于抗滑桩截面尺寸较大，依据 JGJ 106-2014《建筑基桩检测技术规范》［3］规定，桩心对称布置 4 个安装传感器的检测点，激振点在桩中心位置，检测点在距离桩中心 2/3 半径位置。根据该工程桩的特点，现场检测选锤时，根据低频脉冲有利于检测桩深部缺陷，高频脉冲有利于检测浅部缺陷的特点［4］，选择激发能量大的力棒敲击桩头，同时选择力锤敲击进行测试对比。

第一次采用力棒进行敲击，现场测试的桩顶速度响应时程曲线如图 2 所示。从图 2 中可看出波形曲线产生了高频干扰信号，无法对桩身完整性进行有效分析。

图2 D 6 # 桩实测信号曲线（第一次）

在以手锤敲击的低应变测试中，常出现一种与测量系统频率特性无关的高频干扰，在桩径大而脉冲窄时尤其严重，且其幅值随时间衰减较为缓慢，它对缺陷反射包括桩底反射都有较强的掩盖作用。虽然可以通过模拟或数字滤波将桩顶接收到的高频干扰波滤除，但大直径桩在窄脉冲激励时由于尺寸效应引起的平截面假设的失效，从而背离一维理论所引起的误差却是在桩身中固有的。所以，在测大直径桩时，应适当采用软垫拓宽脉冲，也即机械滤波［5］。

第二次采用重锤且使用锤垫进行敲击，现场测试的桩顶速度响应时程曲线如图 3 所示，实测信号曲线桩底反射明显，波形光滑，不含毛刺、振荡波和干扰波，且包含了扩颈反射波，波形最终回归基线，表明测试效果较好。

图3 D 6 # 桩实测信号曲线（第二次）

从实测信号曲线分析，并结合现场施工记录（见表 1：D5#～D11# 桩施工记录），D6# 桩扩颈位置为桩顶以下 7.7 m 位置（混凝土强度等级为 C35，波速设置为 4 000 m/s），与施工记录 7.25 m 基本吻合，据此波速推算桩长为 17.8 m 左右，短于施工记录的 19.35 m。设计要求 D 型抗滑桩嵌入深度≥6 m 且进入砂岩≥4.5 m，由反射波曲线可看到明显的桩底反射，可判断嵌固效果差。之后对 D6 井桩进行钻孔取芯，如图 4 所示，发现桩底有 100 cm 的沉渣，验证了此抗滑桩嵌固效果差。

表1 D 5 #～D 11 # 桩施工记录

图4 D6# 桩钻孔取芯

2.3 案例分析

从现场两次检测的效果来看，由于第二次增加了锤重，且使用锤垫（机械滤波）拓宽了激励脉冲宽度，检测效果好。一般来讲激振能量与脉宽取决于激振工具的重量、外形尺寸、锤头材料及打击力度，因为这些参数决定力脉冲作用时间，作用时间越短促，其力脉冲时间越窄，所含的高频成分越丰富；反之作用时间越长，其能量将主要集中在低频范围，认识这一点是正确把握激振的关键［5］。因为低应变反射波法是建立在一维杆纵波理论基础上的，本理论的前提条件是激励脉冲的波长与被检测桩的半径之比足够大（一般要求≥10），否则平截面假设不成立。所以，对大直径桩，若敲击力脉冲过窄，易产生高频干扰信号，不利于桩身完整性的分析判定。以图 5 为例进行说明，对应直径 1.0 m，桩长 10 m 的灌注桩，激振力脉冲宽度为 0.5 ms 和 1.0 ms 的两种理论计算反射波波形比较。显然，宽脉冲力高频干扰较少，窄脉冲力高频干扰很大。所以，我们在检测大直径桩时应注意，选用锤头材质较软的材料，且增加锤重和加大锤垫厚度来增大敲击力脉冲宽度，从而减小高频干扰信号的影响。

图5 不同敲击力脉冲宽度的高频干扰信号曲线

在大直径桩低应变法检测时，还需注意以下几个方面。

1）敲击的位置。现场进行敲击时，桩顶附近每一质点的运动速度并不一致，尤其是大直径桩，这种三维效应更为明显。根据理论计算和大量实践经验表明，在桩中心敲击，将传感器安装在 2/3 半径处时检测效果最为理想。

2）信号叠加平均。对于大直径桩还存在不同测点信号重复性差的问题，不同的敲击部位和传感器安装在不同位置，都会产生不同测试结果。可以采用多次信号平均，在一定程度上可以消除部分干扰。

3 突变地层中的预制桩检测

3.1 工程概况

某小学教学楼项目，共设计 PHC 桩 215 根，采用外径 500 mm、壁厚 100 mm、长度 10 m 的 AB 型预应力高强度混凝土管桩（PHC 500 AB 100-10）。设计桩长 20 m，采用两节管桩焊接而成。根据岩土工程勘察报告，地层自上而下依次为粉质黏土、黏土、淤泥质粉质黏土、密实粉砂层，桩端持力层为粉砂层。

3.2 现场检测

对 215 根 PHC 桩全部采用低应变法进行桩身完整性检测，检测结果发现有 84 根工程桩在桩顶以下 6.3～7.4 m 左右有轻微缺陷，现场检测典型反射波曲线如图 6 所示。抽取其中 3 根工程桩进行单桩竖向抗压静载试验，检测结果均满足设计要求，单桩竖向抗压静载试验结果如表 2 所示。

表2 单桩竖向抗压静载试验结果汇总表

图6 97# 桩实测信号曲线

在静载试验结束之后，再次对 34 #、97 #、102 # 工程桩进行低应变法检测，检测结果与静载试验之前基本没有变化。

3.3 案例分析

同一工程有 39 % 的基桩出现与入射波同向的反射波，且位置基本相同，均在桩顶以下 6.3～7.4 m 左右。为查明原因，结合岩土工程勘察报告、设计图纸、施工记录、监理日志等资料来进行综合分析：根据施工记录及设计图纸说明，桩长为 20 m，采用两节管桩焊接而成，排除了缺陷部位是管桩接头引起的可能性；施工时采用静压沉桩工艺，未采用锤击沉桩，因此可以排除锤击拉应力引起桩身开裂的可能性；根据施工记录和监理日志表明，施工过程中并未出现任何异常情况，且经静载试验证明桩身竖向抗压承载力满足设计要求，也排除了静压沉桩时造成的桩身结构破坏的可能性。考虑到本工程的重要性，为查明批量出现的同一位置处桩身缺陷问题，还采用了孔内摄像技术对桩身进行直观检测，但未发现桩身缺陷。

岩土工程勘察报告显示，在桩顶以下 6.9 m 附近，桩侧土层为黏土与淤泥质粉质黏土分层位置，最终确定在桩顶以下 6.3～7.4 m 左右出现的与入射波同向的反射波并非桩身缺陷，乃是由土层突变（由硬变软）引起的。在早期的一些研究中，有观点认为桩的约束地基的软硬对反应波形的影响不大［6］。但之后大量的工程实践证明桩周土层的模量大小直接影响应力波在桩身的传播过程。相同程度的缺陷，因桩周土性不同或缺陷埋深不同，在测试信号中其幅值大小各异［7］。

通过本案例可以得出，在桩基动测中检测人员往往注意到桩本身的子波叠加而引起的缺陷判断，从而忽略了应力波在桩中的传播时不仅受桩身材料、刚度及缺陷的影响，同时受桩周土层的模量大小的影响。桩周土层的土力学性能越好，应力波在桩周土层中的损耗就越大。在硬土层处将会产生类似扩径的反射波；在软土层处将会产生类似缩径的反射波［8］。如果不考虑桩周土层对所采集曲线的影响，不了解桩侧的土质情况，就可能造成误判。