大直徑灌注樁的樁身完整性檢測

大直徑灌注樁的樁身完整性檢測隧道網(wǎng)（2006-l-19）來源：中國市政工程摘要：樁身完整性檢測的目的是查明樁身完整性，查清缺陷及其位置，以保證工程質(zhì)量。介紹了高應(yīng)變、低應(yīng)變、聲波透射法三種動力測試方法在大直徑灌注樁中的特性和完整性檢測實錄。指出三種方法均有其優(yōu)缺點，建議用三種測試方法互為驗證、互為彌補，才能綜合評判樁身完整性。關(guān)鍵詞：大直徑灌注樁樁身完整性高應(yīng)變低應(yīng)變聲波透射法隨著基礎(chǔ)建設(shè)的迅速發(fā)展，大直徑灌注樁（樁徑大于80cm）因承載力高、施工噪聲小等優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用于高層建筑、橋梁基礎(chǔ)等。它通常是由人工開挖或鉆機成孑L后在地下或水下灌注成樁。其質(zhì)量受施工工藝，尤其是混凝土灌注工序等多種因素的影響而難以控制。不同工地或多或少都有一些樁存在著質(zhì)量問題。為確保上部結(jié)構(gòu)的安全使用，在進行下一道工序之前，必須對樁的混凝土質(zhì)量及完整性進行檢測和評價。目前現(xiàn)行的樁身完整性檢測方法有鉆孔取芯法，高、低應(yīng)變動力試樁法和埋管式聲波透射法。筆者著重介紹測試大直徑灌注樁的方法。1大直徑灌注樁常見質(zhì)量問題1?1鉆孔灌注樁1）停電或其他原因使灌注混凝土沒有連續(xù)進行時，間斷一定時間后，隔水層凝固，形成硬殼，后續(xù)混凝土無法下灌，只好拔出導(dǎo)管，一旦泥漿進入管內(nèi)必然形成斷樁。如用增大管內(nèi)混凝土壓力等辦法沖破隔水層，破碎的老隔水層混凝土必將殘留在樁身中，造成樁身局部混凝土低劣。2）采用泥漿護壁成孔，但對不同土層應(yīng)配制不同密度的泥漿，否則孔壁容易坍塌。3）循環(huán)法清孔時，應(yīng)根據(jù)孔的深淺，控制洗孔時間或孔口泥漿密度。清孔時間過短，孔底沉渣太厚，將影響樁端承載力發(fā)揮。4）混凝土和易性不好時，易產(chǎn)生離析現(xiàn)象。5）導(dǎo)管連接處漏水時將形成斷樁。1.2人工挖孔灌注樁1）地下水滲流嚴重的土層，易使土壁崩塌，土體失穩(wěn)塌方。2）土層出現(xiàn)流砂現(xiàn)象或有動水壓力時，護壁底部土層會突然失去強度，泥土隨水急速涌出，產(chǎn)生井涌，使護壁與土體脫空，或引起孔形不規(guī)則。3）挖孔時如果邊挖邊抽水，地下水位下降時，護壁易受到下沉土層產(chǎn)生的負摩擦作用，使護壁受到拉力，產(chǎn)生環(huán)向裂縫；護壁所受的周圍土壓力不均勻時，又將產(chǎn)生彎矩和剪力作用，易引起垂直裂縫；護壁所受的周圍土壓力不均勻時，也將產(chǎn)生彎矩和剪力作用，易引起垂直裂縫。樁制作完畢，護壁和樁身混凝土結(jié)為一體，護壁是樁身的一部分，護壁裂縫破損或錯位必將影響樁身質(zhì)量和側(cè)阻力的發(fā)揮。4）孔較深時，若沒有采用導(dǎo)管灌注混凝土，混凝土從高處自由下落易產(chǎn)生離析。5）在孔底水不易抽干或未抽干情況下灌注混凝土，樁尖混凝土將被稀釋，降低樁端承載力。2大宜徑灌注樁的低應(yīng)變特性2.1信號高頻振蕩在大直徑灌注樁低應(yīng)變測試中，無論使用速度計還是加速度計均難以避免振蕩現(xiàn)象發(fā)生，常出現(xiàn)一種與測量系統(tǒng)頻率特性無關(guān)的高頻干擾，樁徑越大而脈沖窄時尤其嚴重，且其幅值隨時間衰減較慢。它對缺陷反射包括樁底反射有一定的掩蓋作用。消除加速度振蕩的辦法，一方面可通過降低振源頻寬（低頻錘）解決；另一方面應(yīng)觀察傳感器安裝的位置是否合理、耦合劑是否恰當，加速度計是否松動。通過上述幾個方面的改進，加速度計積分成速度的信號應(yīng)當無振蕩出現(xiàn)（加速度計測試信號中是否有振蕩應(yīng)在積分成速度后觀察，原始加速度信號一般有振蕩存在）。如仍然存在，應(yīng)當是樁身缺陷引起的，改變測試地點和安裝地點配以頻譜分析可以進一步判斷。加速度計測試的信號積分成速度后一般可平滑，但不宜窄帶數(shù)字濾波，最多只能采用0-1500Hz以上的濾波方式。速度計的振蕩大多與安裝和振源有關(guān)。當安裝諧振大于1200Hz時，可以在頻域分析的基礎(chǔ)上采取諸如（0-800Hz）的方式濾波解決。對測試信號采用上述濾波方式后，振蕩仍然存在，則更進一步確定是樁身缺陷引起的。2.2信號釆集大直徑灌注樁樁徑增大時，樁截面各部位的運動不均勻性也會增加，樁身淺部的阻抗變化往往表現(xiàn)出明顯的方向性。故應(yīng)增加檢測點數(shù)量，使檢測結(jié)果能全面反映樁身結(jié)構(gòu)完整性情況。每個檢測點有效信號數(shù)不宜少于3個。當不同檢測點及多次實測時域信號一致性較差時，應(yīng)分析原因，增加檢測點數(shù)量。2.3樁底反射波1）短樁：一維彈性桿波動理論是反射波法低應(yīng)變墓樁質(zhì)量檢測的依據(jù)，滿足條件入〉D<DIV>傳統(tǒng)觀點認為當樁的長度L遠大于樁的直徑D時，可把樁視為一維桿件。應(yīng)力波在樁中的傳播滿足一維波動方程，即條件L>D時，并且認為反射法激振源一般視為球腔振源或點振源，前為球面，在離振源較遠處，球面可理想化為平面，所以才有L>D時，一維波動方程成立；而在振源附近，一維波動方程不成立。新觀點認為在樁頂上施加瞬間豎向沖擊力而產(chǎn)生的振源非球腔振源或點振源，應(yīng)視為有一定張角的扇形振源更合理。當重錘錘擊樁頂時，樁顆粒在錘正下方的能量最強（主能量區(qū)），像有一定聚焦作用的手電光束一樣傳播。由此可得：越靠近振源，顆粒的振動越是以豎向振動為主，一維波動條件越容易滿足，無需滿足L>D。振源?。摧^小的重錘錘擊樁頂）時，只有主能量區(qū)局部的物質(zhì)參與振動，通過接收裝置接收到的反射信號只體現(xiàn)較小范圍內(nèi)機械波的振動響應(yīng)情況。振源大（即較大的重錘錘擊樁頂）時，主能量區(qū)已差不多涵蓋整樁，振動是豎向為主的一維振動，能滿足一維波動條件。這時接收裝置接收到的反射信號體現(xiàn)樁的整體響應(yīng)情況。所以大直徑樁只有采用激振激發(fā)樁的整體響應(yīng)，才能對樁的缺陷程度做出半定量化判斷。2）長樁：軟土地區(qū)的長樁不易測到樁底反射，必須用大鐵球激振。傳感器對測試結(jié)果影響也較大。速度計帶寬偏窄，必須采用加速度計。樁身阻抗與持力層阻抗匹配良好也不易測到樁底反射。當嵌巖樁樁底的巖石與樁身混凝土的波阻抗相差不大時，樁底反射也難以辨認，因嵌入巖層（1.5-3.0）D后，樁端嵌巖部分與基巖構(gòu)成一體，相當于樁的截面積變大，波阻抗突然增大，會出現(xiàn)與入射波反相的類似于擴頸的反射。2.4樁身缺陷常見缺陷在低應(yīng)變測試信號中的特性如下。1）斷裂（夾層）：多次同向反射，間隔時間相等；第一反射脈沖幅值較高，前沿比較陡峭；但難見以下部位較大缺陷及樁底信號。2）混凝土離析：同相反射波形不規(guī)則；后續(xù)信號雜亂；波速偏?。灰话憧梢娨韵虏课惠^大缺陷及樁底信號。3）縮頸：同相反射波形比較規(guī)則；可能有多次同相反射，一般可見樁底信號。4）擴頸：反相反射波形比較規(guī)則；可能有多次反射，一般可見樁底信號。擴頸的第二次反射為同向反射波，中淺部的擴頸容易導(dǎo)致測試信號出現(xiàn)低頻振蕩，這一點與頻域結(jié)論一致。在實際測試當中，低應(yīng)變測試信號所反應(yīng)的與入射波同相或反相的反射波不單純是由樁身缺陷造成，樁周土的好壞同樣影響低應(yīng)變測試信號。在較好的土層當中，低應(yīng)變測試信號會表現(xiàn)為擴頸現(xiàn)象；相反，在淤泥質(zhì)土中，其會表現(xiàn)為縮頸現(xiàn)象。放在判斷當中應(yīng)結(jié)合地質(zhì)報告和施工記錄，綜合判斷樁身質(zhì)量。在這里值得一提的是，對設(shè)計條件有利的擴頸灌注樁，不應(yīng)判定為缺陷樁。3大直徑灌注樁的超聲波特性預(yù)埋管超聲波檢測優(yōu)點是：儀器輕便；抗干擾能力強；觀測準確度高、結(jié)果直觀可靠；不受樁長限制，可以在樁身中上下移動測試；無盲區(qū)，聲測管埋到什么部位就可檢測什么部位，包括樁頂?shù)蛷妳^(qū)和樁底沉渣厚度；詳細查明樁內(nèi)部缺陷與性質(zhì)、深度位置、范圍大小、嚴重程度；可估算混凝土強度等。因此，用超聲波法檢測大直徑深長灌注樁是最可行的方法。3.1波速特性混凝土中超聲波聲（波）速一般在4000-5000m/s之間變化。根據(jù)統(tǒng)計，同一標號混凝土試件，超聲波的波速比低應(yīng)變的波速高出400-500m/s。究其原因是：超聲波法的頻率一般在25kHz以上，而反射波的頻率約在5kHz左右；超聲波法的試件周圍介質(zhì)是空氣，而反射波法的試件周圍介質(zhì)是樁周土。在實際工作當中，發(fā)現(xiàn)聲速值離差性較大，高值在6OOOm/s以上，低值在3000m/s以下。主要由于在聲測管中測量時，耦合水層、管壁的聲時延遲較大，使得整個儀器初讀數(shù)值大；在聲測管中測量時測距是管間混凝土的凈距離，應(yīng)準確丈量，在樁頂測量管距時應(yīng)準確到1mm,通常兩測管是不平行的。3.2樁身完整性檢測超聲波測試的步驟是：發(fā)射與接收聲波換能器通過深度標志分別置于兩根聲測管中的測點處；測距以兩管間混凝土凈距離為準；發(fā)射與接收聲波換能器應(yīng)以相同標高或保持固定高差同步升降（測點間距不宜大于250mm），逐點測量聲時、振幅及頻率值，觀察波形有無畸變;在樁身質(zhì)量可疑的測點周圍，應(yīng)采用加密測點，或采用斜測、扇形掃測進行復(fù)測，進一步確定樁身缺陷的位置和范圍。常見缺陷在超聲波測試信號中的特性：1）沉渣：沉渣是一種松散介質(zhì)，其本身聲速很低（2000m/s以下），對聲波的衰減也相當劇烈，所以凡遇到沉渣，必然是聲速和振幅均劇烈下降。通常在樁底出現(xiàn)這種情況多屬沉渣引起。2）泥砂與水泥漿的混合物：這類缺陷多是澆注導(dǎo)管提升不當造成。若在樁身就是斷樁；若在樁頂就是樁頂標高不夠。其特點也是聲速與振幅均明顯下降，只不過出現(xiàn)在樁身時往往是突變，在樁頂是緩變。若樁頂?shù)木徸兊偷侥骋唤缦蓿筛鶕?jù)波速值確定這一界限），其以上部位應(yīng)截樁，根據(jù)應(yīng)截樁的標高可判斷樁頂標高是否夠。3）混凝土離析：造成樁身某處粗集料大量堆集，而相鄰部位漿多粗骨料少的情況。粗集料多的地方，往往形成這些部位聲速測值因聲學界面多，反而有所提高，但振幅下降；粗集料少而砂漿多的地方則正好相反（純砂漿一般波速在4000m/s以下），振幅測值，有時還會高于附近測值。4）氣泡密集的混凝土：混凝土澆注管提升過快，大量空氣封在混凝土內(nèi)，雖不一定造成孔洞，但可能形成大量氣泡分布在混凝土內(nèi)，造成混凝土質(zhì)量有所降低時使聲波能量明顯衰減（散射），接收波振幅明顯下降。5）層狀缺陷（斷樁）：所有穿過兩聲測管連線中間部位的測線測值均異常，即使斜測也異常,可判定該兩聲測管間缺陷是連成一片的。如果三個測試面均如此，則可判定是整個斷面的缺陷，如夾泥層或疏松層，即斷樁。6）聲測管接頭的影響：當換能器正好位于接頭處，有時接頭會使聲學參數(shù)測值明顯降低,特別是振幅測值，因為是接頭處存在空氣夾層，強烈反射聲波能量。遇到這種情況，應(yīng)將換能器移開10cm，測值立刻正常。另外，通過斜測也可做出判斷。不過要指出：預(yù)埋管超聲波法無法測出樁身擴頸。4大直徑灌注樁的高應(yīng)變特性高應(yīng)變法檢測樁身完整性的可靠性比低應(yīng)變法高，只是與低應(yīng)變法檢測的快捷、廉價相比，高應(yīng)變法檢測樁身完整性存在設(shè)備笨重、效率低及費用高等缺點，在帶有普查性的完整性檢測中應(yīng)用尚有一定困難。4.1波速特性同一根鋼筋混凝土樁，用高應(yīng)變法、低應(yīng)變法和聲波透射法檢測的波速是不一致的。超聲波的波速比低應(yīng)變高，高應(yīng)變的波速比低應(yīng)變低。混凝土的應(yīng)力一應(yīng)變呈非線性關(guān)系，大應(yīng)力狀態(tài)比小應(yīng)力狀態(tài)的非線性特征更為顯著。高應(yīng)變法比低應(yīng)變法應(yīng)力水平高，使局部混凝土進人塑性狀態(tài)，波速降低。4.2樁身完整性檢測高應(yīng)變法錘擊的荷載上升時間一般不小于2ms,因此對樁身淺部缺陷位置的判定存在盲區(qū)，無法準確判定，只能根據(jù)力和速度曲線的比例失調(diào)程度來估計淺部缺陷程度。所以對淺部缺陷樁，宜結(jié)合低應(yīng)變法檢測來確定缺陷的位置和類別。在判定深度缺陷時，與低應(yīng)變相比，高應(yīng)變測試在缺陷的位置和類別的反應(yīng)上要更準確。但當樁側(cè)和樁端阻力很強時，與低應(yīng)變類似，高應(yīng)變法同樣也測不出樁底反射。5完整性檢測實錄1）南京某立交橋的鉆孔灌注樁，樁長15m，擴底，樁徑①1000mm，混凝土標號C30，對其進行低應(yīng)變完整性檢測，實測曲線見圖1。其在15m出現(xiàn)與入射波反相的類似于擴頸的反射,并在兩倍樁底處即4L/c處出現(xiàn)與人射波同向的反射波。圏1南隸某立交橋鉆孔灌注樁擴底樁實測曲線圖2）南京某大廈三根試樁為鉆孔灌注樁，樁長67m，樁徑①800mm，混凝土標號C50，對三根樁進行低應(yīng)變完整性檢測，實測曲線如圖2,發(fā)現(xiàn)均在3m處出現(xiàn)嚴重缺陷反射波，周期性反射波，無樁底反射波。對曲線進行濾波處理，排除高頻干擾后，缺陷反射波仍存在，故將其判為II類樁。后將其中一根開挖驗證，3m處并無缺陷，但發(fā)現(xiàn)其1.5m以上有護筒，1.5m以上樁整體阻抗較高，相對1.5m以下而言即為擴頸，但上部1.5m低應(yīng)變測試信號本身夾雜著高頻振蕩，因而擴頸信號在曲線上并未表現(xiàn)出來，但在其兩倍位置處表現(xiàn)為嚴重的同向缺陷反射波。這種情況在大直徑灌注樁中多有出現(xiàn)。絲樁長：3.0m波速：4600m/s指數(shù)放大：1.0倍0.004.008.0012.0016,00t/ms圖2南京某大廈鉆孔樁淺部實測曲線3）江寧某商業(yè)樓的人工挖孔樁，樁長14.4m,樁徑①1200mm,混凝土標號C35，對其分別進行低應(yīng)變動力測試（實測曲線如圖3）及超聲波測試（實測曲線如圖4）,發(fā)現(xiàn)在2.2m處出現(xiàn)一缺陷反射波，樁身曲線呈大振蕩型，似有樁底反射波，將該樁判為II類樁。超聲波曲線在同樣位置處三個剖面均有聲速和聲幅均低于臨界值，故將其判為II類樁。可見超聲波測樁身完整性要比低應(yīng)變來的更加準確可靠。兩圖比較可得，同一根樁，超聲波波速比低應(yīng)變波速高出400m/s左右。后經(jīng)開挖驗證，此樁在2.2m左右確有較嚴重離析現(xiàn)象。圖3江寧某商業(yè)摟14號樁低應(yīng)變曲線圖圖4江寧某商業(yè)樓14號樁超竊波曲錢圖6結(jié)語大直徑灌注樁的樁身完整性直接影響其承載力，故對其