1、低应变法检测混凝土灌注桩完整性的探讨摘 要本文主要阐述了混凝土灌注桩在施工过程中常出现的质量问题，以及低应变反射波法检测桩身混凝土完整性的基本原理，并通过大量的工程桩检测结果验证，给出了低应变反射波法仅适用于非嵌岩灌注桩完整性的检测，不适用于嵌岩桩完整性检测的结论。 关键词混凝土灌注桩、完整性检测、低应变反射波法 中图分类号：TQ178 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）12-0023-02 1 引言 随着我国工业化、城镇化进程的快速发展，建设工程事业也得到蓬勃发展。桩基础作为重要的一种基础形式，具有承载力高、沉降量小、能承受一定的水平荷载和上拔力、抗液化、稳定性好、能提
2、高地基基础的刚度、改变其自振频率、提高建筑物的抗震能力、便于机械化施工、尤其适用于处于软土地基和地质结构较复杂的建筑物的基础等优点，因此，在我国工业与民用建筑、桥梁、港口码头等建设工程领域被广泛使用。但是，桩基础属隐蔽工程，成桩质量的可靠性受施工工艺和地质条件的影响，质量控制难度比较大，尤其是就地灌注的混凝土桩，常常会在桩身完整性方面出现如缩径、夹泥、离析、甚至断桩等质量缺陷，从而影响到桩基础的承载力和上部建筑物的安全。因此，我国有关施工验收规范强制规定，对于重要建筑物的桩基础，工程基桩浇注完毕，其混凝土的强度达到设计强度的 70%及以上后，均应进行完整性检测。检测方法可采用低应变法、高应变法
3、、声波透射法或钻芯法1。由于低应变法具有检测速度快、费用低和检测覆盖面广等优点，在桩身完整性检测中的应用最为广泛。 2 混凝土灌注桩常见的质量问题 灌注桩按成桩方法分为沉管灌注桩、冲（钻）孔灌注桩和人工挖孔灌注桩等；根据桩身嵌入岩层情况可分为非嵌岩桩和嵌岩桩两大类。 沉管灌注桩是利用锤击或振动沉桩设备，将带有钢筋混凝土活瓣式桩靴的钢管沉入土层至设计标高而形成桩孔，然后放入钢筋骨架并浇注混凝土，当混凝土浇注到一定高度后，再逐渐将钢管往上拔，利用拔管时的锤击或振动将混凝土捣实，便形成所需要的灌注桩。由于沉管灌注工艺成桩质量不易控制，拔管过快容易造成桩身缩颈，而且由于是挤土桩，先期浇注好的桩易受到挤
4、土效应而产生倾斜、断裂甚至错位等质量问题。 冲（钻）孔灌注桩是利用机械成孔，成孔方法有冲抓式、冲击式、回转式和潜钻式等。成孔过程采用就地造浆或制备泥浆护壁，以防止孔壁坍塌。混凝土灌注采用带隔水栓的导管水下灌注混凝土工艺。该成桩工艺在成孔和混凝土灌注过程中，若泥浆密度不符合要求，将导致孔壁坍塌，形成扩径；清孔不彻底，孔底沉渣过厚，将导致桩端承载力下降；导管连接不密封易形成断桩；首批混凝土灌注量不够，起不到隔水作用，孔内水进行导管，导致混凝土离析；混凝土和易性不好时，易产生离析；拔管速度过快，管内混凝土灌注高度过低，不足以产生一定的排挤压力，在淤泥层和流砂层易产生缩颈；混凝土灌注不连续，间断一定时
5、间后，隔水层凝固形成硬壳，后续混凝土无法下灌，处理不当容易形成断桩或混凝土离析等质量问题23。 3 低应变反射波法的基本原理 （1）应力波的形成机理与传播方式 当外加载荷作用于弹性固体介质的某部分表面时，一开始只有那些直接受到外载荷作用的表面部分的介质质点离开了初始平衡位置，由于这部分介质质点与相邻介质质点之间发生了相对运动而产生变形，受到相邻介质质点所给予的作用力（应力）和反作用力，因而使相邻质点也离开了初始平衡位置而运动（振动）起来。不过，由于介质质点具有惯性，相邻介质质点的运动将滞后于表面介质质点的运动。依此类推，外载荷在表面上所引起的扰动就这样在弹性介质中逐渐由近及远传播出去，从而形成
6、了应力波。波的传播其实质就是能量的传递。 应力波在固体弹性介质中主要以纵波的形式进行传播，其纵波波速，式中为弹性介质的弹性模量、为弹性介质的密度、为弹性介质的泊松比。当弹性介质均匀一致时，则应力波主要以透射波的方式传播，但当弹性介质不均匀，存在明显波阻抗（广义的波阻抗，为弹性介质的截面积）差异的界面时，应力波便 （2）反射波法测桩的基本原理 反射波法是假定桩为连续弹性的一维均质杆件。即桩身材质均匀；等截面；变形中横截面保持为平面，且彼此平行；横截面上应力分布均匀；忽略横向惯性效应；并且不考虑桩周土体对沿桩身传播的应力波的影响，同时将桩周土对桩的综合支承作用等效为作用于桩底的弹簧。因此，桩的典型
7、弹性体振动模型就是直杆的纵向振动4。 在桩顶竖向瞬时激振，应力波就沿着桩身（弹性介质）向下传播，当桩身存在明显波阻抗差异的界面（如桩底、断桩、离析等）或桩身截面积发生变化（如缩颈、扩颈）时，将产生反射波，由事先粘贴在桩顶的拾振器，经专用的信号采集仪（低应变测桩仪）接收来自桩底和桩身不同部位的反射信息，再经专用的分析软件对所采集的反射信息进行滤波、数据处理和分析计算，并结合地质情况、施工记录和以往经验来综合判断桩身混凝土的完整性，判定桩身缺陷的程度及其位置。 当桩长（）已知，桩底反射信号明确时，由采集仪采集的应力波在桩身内传播的纵波波速时域、频域波形图（见图 2、图 3） ，根据下列公式可求得应
8、力波在桩身内传播的纵波平均波速（）和缺陷的位置（）1。纵波平均波速：；缺陷的位置： 上述公式中，我们能较准确得知的只有施工桩长，应力波在桩身内传播的纵波波速虽然与桩身混凝土的强度存在一定的正相关，但受桩周岩土的约束及其他因素的影响，二者并不是一一对应关系，故混凝土强度相同的桩，其波速不一定相同。由于采集仪只能采集到纵波反射所经历的时间，若未能采集到桩底反射信息，桩底反射时间无法得知，则应力波在桩身内传播的纵波平均波速将无法求得；若桩间出现缺陷反射，那么缺陷的位置也将无法准确确定。因此，只有采集到桩底或桩底与桩间的反射信息，才能较为准确的分析判断出桩身完整性及缺陷的具体位置。 缺陷的具体类型可根
9、据缺陷反射波的相位和桩身混凝土波速确定。反射波与入射波同相位且波速明显偏低者为离析或夹泥；反射波与入射波同相位且波速无明显变化的为缩颈；反射波与入射波同相位，且出现多次同相周期反射波的为浅部或中部断裂，若只有一次类似于完好桩的桩底反射，但用施工桩长计算出的波速明显高于正常桩波速的为深部断桩；与入射波反相位且波速无明显变化的为扩颈。缺陷的严重程度可根据缺陷反射波峰值高低确定5。 4 工程桩检测实例分析 （1）非嵌岩桩 【实例 1】某桥梁工程的冲孔灌注桩，设计桩长 17.5m，桩径1250mm，桩身混凝土强度等级为 C30，桩的总数量为 38 根。场地地质情况为粉质粘土与砂砾土构成，持力层为砂砾土
10、。完整性检测时，信号采集仪为 RSM-PRT 基桩检测仪，拾振器为专用加速度传感器，击振设备为重约 2.5kg 的尼龙头手锤。经检测，38 根桩均有明确的桩底反射，其中35 根完好桩的实测速度时域波形基本一致，检测桩长与施工桩长也基本一致，见图 4。 【实例 2】某桥梁工程的冲孔灌注桩，设计桩长 38.4m，桩径1250mm，桩身混凝土强度等级为 C30，桩的总数量为 54 根。场地地质情况为一般粘土与粉质粘土构成，持力层为粉质粘土。完整性检测时，采用 RSM-PRT 基桩检测仪、加速度传感器，击振设备为重约 10kg 的尼龙头力棒。经检测，54 根桩均有明确的桩底反射，其中 1 根，桩间出现
11、明显的同向周期反射，其实测速度时域波形见图 5。经分析计算，判断该桩在约 14.2m 处断裂，判定该桩完整性为类，后经开挖验证，该桩在距桩顶 13.9m14.4m 处出现全断面泥砂夹层，与低应变检测结果一致。 （2）嵌岩桩 【实例 3】某桥梁工程的冲孔灌注桩，设计桩长 21.5m，桩径1250mm，桩身混凝土强度等级为 C30，桩的总数量为 48 根。从岩土勘探报告得知，桩身从 12.5m 开始嵌入弱风化石灰岩层，嵌岩深度为8.09.0m，岩层以上为粉质粘土和黄色粘土层。完整性检测时，采用RSM-PRT 基桩检测仪、加速度传感器，击振设备为重约 10kg 的尼龙头力棒。经检测， 48 根局部嵌
12、岩桩的速度时域波形均没有明确的桩底反射，但在岩土分界处（约 12.2m）出现了一个与入射波反向的反射（扩径） ，见图 6。从实测的速度时域波形分析，只能判定出岩层以上桩身完整性的情况，嵌入岩层的桩身完整性无法判定。 （1）对于非嵌岩桩，由于桩周土体结构不密实、强度低、压缩模量小、变形模量大，对桩的约束相对较弱，基本满足反射波法测桩的振动模型。在桩顶竖向瞬时击振所产生的能量，足以使桩与周围的土体形成共振体，只要桩的长度在有效检测范围内（桩的长径比为 3050） ，且桩身不出现严重的缺陷（如桩顶浮浆层未清除、断桩、桩身截面突变或溅变等）1，应力波均能沿桩身向下传播至桩底，并能返回至桩顶，该类桩的实
13、测速度时域波形上均会有明确的桩底反射，然后结合地质情况、施工记录、历史经验和实测波形，就能较准确地分析判断出桩的完整性情况与缺陷位置。因此，低应变反射波法适用于非嵌岩桩桩身完整性的检测。 （2）对于嵌岩桩（局部嵌岩、整体嵌岩） ，由于桩周岩体结构致密、强度高、压缩模量大、变形模量小，对桩的约束很强，不能满足反射波测桩的振动模型。在桩顶竖向瞬时击振所产生的能量，不足以使桩与周围的岩体形成共振体，应力波的能量几乎全部被周围的岩体吸收，无法传递到桩底，该类桩的实测速度时域波形上也就不可能有明确的桩底反射，那么，桩身混凝土的完整性也就无法判定。因此，低应变反射波法不适用于嵌岩桩桩身完整性的检测。 参考文献 1 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 106-2014 建筑基桩检测技术规范S.北京：中国建筑工业出版社，2014. 2 白延明，王鸿斌.灌注桩常见质量问题及防治措施C. 吉林省土木建筑学会学术年会论文集.2014：77-79. 3 张青山.灌注桩常见质量问题及原因分析C.中国西部声学学术交流会论文集.2011：208-212. 4 罗骐先.桩基工程检测手册M.北京：人民交通出版社，2003. 5 包松考，张月娴.低应变反射波法在基桩检测中的应用J.建筑.2012：61-62+64.
