鉆孔灌注樁質量檢測方法及原理
郝 明
【內容摘要】：本文簡要介紹了一些鉆孔灌注樁檢測方法，并主要介紹了反射波法的基本原理及影響基樁質量檢測波形的因素，運用應力波反射法檢測鉆孔灌注樁的365JT施工質量，具有檢測速度快、費用低、便于全面普查樁的質量、判別樁的完整性和質量缺陷，是一種值得推廣的方法。
【主題詞】 鉆孔樁 反波身法 檢測
目前在公路施工中，橋梁施工占有較大的比重，一般達到工程總造價的60～70%，在一些特殊路段，橋涵所占有的施工金額比例還要高。所以橋涵施工是公路建設中的重點。一方面決定著整個工程的質量，另一方面也決定著施工企業的效益。
目前混凝土鉆孔灌注樁是橋梁施工結構的主要形式，這主要是由于樁能將上部結構的荷載傳遞到深層穩定的土層中去，從而大大減少基礎沉降和建筑特的不均勻沉降，是一種極為有效，安全可靠的基礎形式。
采用樁基礎的優點：
①抗地震性能好。樁的靜力特性主要研究其強度和沉降，樁的抗震性能主要決定于其剛度和穩定性，基礎剛度大抗震性能好。
②沉降量小和承載力高，樁的沉降量由三部分組成，樁身彈性壓縮；樁側摩阻力向下傳遞，引起樁側土的剪切變形和樁端土體壓縮變形。
③可以解決特殊地基土的承載力。
④施工噪音小，適用于365JT城市改造和人口密集場地。
但是，灌注樁的成孔是在樁位處的地面下或水下完成的，施工工序多，質量控制難度大，稍有不慎易產生斷樁等嚴重缺陷。據統計國內外鉆孔灌注樁的事故率高達5～10%。因此，灌注樁的質量檢測就顯得格外重要。
灌注樁成樁質量通常存在兩個方面的問題，一是屬于樁身完整性，常見的缺陷有夾泥、斷裂、縮頸、護頸、混凝土離析及樁頂混凝土密實度較差等。二是嵌巖樁，影響樁底支承條件的質量問題，主要是灌注混凝土前清孔不徹底，孔底沉淀厚度超過規定極限，影響承載力。
灌注樁的缺點：
①灌注樁施工工藝比打入樁復雜，容易出現斷樁、縮頸、混凝土離析和孔底虛土或沉渣過厚等質量問題。
②由于鉆孔樁質量不夠穩定，要抽檢更多數量的樁進行檢驗，增加檢測費用。
灌注樁的質量問題與其成樁工藝密切相關，屬于樁身完整性的常見質量缺陷有夾泥、斷裂、縮頸、擴頸、空洞、混凝土離析等。分析這些缺陷產生的原因，大致有：
①灌注混凝土過程中，導管埋入混凝土中的深度不夠，致使新灌混凝土上翻，或提升導管速度過快，導致導管中翻水，造成兩次灌注，使樁身形成夾泥的斷裂界面。
②孔中水頭下降，對孔壁的靜水壓力減小，導致局部孔壁土層失穩坍落，造成混凝土樁身夾泥或縮頸。孔壁坍落部分留下的窟窿，成樁后形成護頸。
③混凝土攪拌不均勻，或運輸路徑太長、或導管漏水，混凝土受水沖泡等，使粗骨料集中在一起，造成樁身混凝土離析。
由于鉆孔樁在施工過程中容易產生一些缺陷，故在施工中加強管理，保證工程質量。同時加強對成樁質量進行檢查，使工程在施工過程中不留隱患。樁的檢驗目的，一是了解其承載力；二是檢驗樁本身混凝土質量是否符合質量要求；三是查明樁身的完整性，查清缺陷及其位置，以便對影響樁承載力和壽命的樁身缺陷進行必要的補救，以保證工程質量，不留下事故隱患。
目前國內外常用的樁基檢測方法：
①鉆芯檢測法：由于大直鉆孔灌注樁的365JT設計荷載一般較大，用靜力試樁法有許多困難，所以常用地質鉆機在樁身上沿長度方向鉆取芯樣，通過對芯樣的觀察和測試確定樁的質量。
但這種方法只能反映鉆孔范圍內的小部分混凝土質量，而且設備龐大、費工費時、價格昂貴，不宜作為大面積檢測方法，而只能用于抽樣檢查，一般抽檢總樁量的3～5%，或作為無損檢測結果的校核手段。
②振動檢測法：又稱動測法。它是在樁頂用各種方法施加一個激振力，使樁體及至樁土體系產生振動。或在樁內產生應力波，通過對波動及波動參數的種種分析，以推定樁體混凝土質量及總體承載力的一種方法。這類方法主要有四種，分別為敲擊法和錘擊法、穩態激振機械阻抗法、瞬態激振機械阻抗法、水電效應法。
③超聲脈沖檢驗法：該法是在檢測混凝土缺陷的基礎上發展起來的。其方法是在樁的混凝土灌注前沿樁的長度方向平行預埋若干根檢測用管道，作為超聲檢測和接收換能器的通道。檢測時探頭分別在兩個管子中同步移動，沿不同深度逐點測出橫斷面上超聲脈沖穿過混凝土時的各項參數，并按超聲測缺原理分析每個斷面上混凝土質量。
④射線法：該法是以放射性同位素輻射線在混凝土中的衰減、吸收、散射等現象為基礎的一種方法。當射線穿過混凝土時，因混凝土質量不同或因存在缺陷，接收儀所記錄的射線強弱發生變化，據此來判斷樁的質量。
動力打樁法
波動方程打樁分析法
高應變法
Case法
波形擬合法
應力波反射法
穩態激振法
機械阻抗法
樁動測方法 瞬態激振法
低應變法 動參數法
水電效應法
球擊法
火箭激振法
單孔反射法
聲波透射法
雙孔反射法
目前對鉆孔灌注樁質量檢測一般都采用對樁身無破損的動力檢測法。灌注樁應以低應變動力檢測法對樁的勻質性進行檢測，檢測時均應符合下列要求：
1.對各墩臺有代表性的樁用低應變動測法進行檢測。重要工程或重要部位的樁宜逐根進行檢測。無條件采用低應變動測法檢測鉆孔樁的柱樁時，應須取鉆取芯樣法，對總根數的至少3～5%樁進行檢測；對于柱樁并應鉆到樁底0.5米以下。
2.對質量有懷疑的樁及因灌注故障處理過的樁，均應用低應變動測法檢測樁的質量。
根據作用在樁頂上動荷載能量是否使樁土之間發生一定塑性位移或彈性位移，而把動力測樁分為高、低應變兩種方法。動力檢測法又有高應變與低應變之分。對樁頂施加錘擊，使樁身不沉應變達到1.5～2.5mm以上的稱為高應變動測法，否則稱為低應變動測法。前者對了解樁的承載力效果較好，后者對檢驗樁身混凝土勻質性效果較優；前者檢測設備較笨重，價格貴，且因要求錘與樁的重量比須大于0.08～0.2，因此檢測大直徑、深長的灌注樁，錘的質量要求大于10噸以上，相應的吊張、搬運設備都顯得笨重；后者設備較輕便，價格低些。
高應變法，作用在樁上能量大，應力和應變水平接近或達到工程樁的應力、應變水平，動荷載使樁克服土阻力產生貫入度，從而使樁、土之間產生塑性位移。樁對外的抗力主要通過位移產生，有了位移，樁側和樁尖土阻力得到一定程度的產揮。在樁頂量測到的樁，土響應信號包括承載力因素，所以高應變試樁可以對單樁承載力進行判定，也可以評價樁身結構完整性。
低應變法，作用在樁頂上的動荷載小于使用荷載，其能量小，只能使樁產生彈性變形，一般情況下只產生10-5動應變。它是通過應力波在樁身中傳播和反射原理，對樁身結構完整性進行評價；根據振動理論對承載力進行推算。低應變法從原理上不能直接得到承載力的推斷，而是由實測動剛度和靜動對比的修正進行推算，因此帶有很大的地區經驗和人為因素。
樁動測法的優點：
①儀器設備輕便，檢測速度快和費用較低。
②具有靜荷載試樁不具備的功能。動力試樁除了和靜力試樁一樣，可檢測單樁承載力外，還有樁身結構完整性檢測、沉樁能力分析、樁工機械監控和樁動態特性測定等功能。
③可區分破壞模式是土的破壞還是樁身結構破壞。
④可對工程樁進行普查。低應變法檢測速度快，費用低，可對工程樁進行普遍檢查，然后有針對性對質量稍差的樁進行承載力檢測，更好地保證工程質量。
⑤波形擬合法不僅可得到單樁總承載力，還可進行側阻力分布和端阻力值的估計。
目前在
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橋梁樁基檢測過程中最常用的方法是應力反射波法。下面簡要介紹一下應力反射波法的原理及其應用.
一、反射波法的基本原理：
反射波法源于應力波理論，基本原理是在樁頂進行豎向激振，彈性波沿著樁身向下傳播。在樁身明顯存在波阻抗界面（如樁底、斷樁或嚴重離析等部位）或樁身截面積變化（如縮頸或擴頸）部位，將產生反身波。經接收、放大濾波和數據處理，可識別來自樁身不同部位的反射信息。據此計算樁身波速、判斷樁身完整性和混凝土強度等級。
當樁嵌于土體中，將受到樁周土的阻尼作用，樁的動力特性滿足一維波動方程。即：
V----質點振動位移
X----振動質點到振源的距離
t-----質點振動的時間
n-----阻尼系數
A----樁的截面積
Vp—縱波在樁中傳播的速度
Vp=E/ρ
ρ---樁的質量密度
當在樁頂施加瞬時外力F（t）時，樁內只存在下行波，波在不同的波阻抗面上發生反射。從上式中，可推導出應力波在樁體中旅行的時間及其對不同結構介質樁的縱波速度：
Vp=2L/tb
L------樁長
tb-----樁底反射波到達時間
當樁身存在缺陷或斷樁時，各界面反射波使曲線變得復雜，認真分析波形并選出可靠的缺陷反射時間t，從而得到缺陷部位距樁頂的距離：
L=Vpm*t/2
Vpm----同一工地多根已檢合格樁樁身縱波速度的平均值。
t--------缺陷部位距樁頂的距離。
二、現場檢測及注意事項：
①安裝全部測試設備，并應確認各項儀器裝置處于正常工作狀態。
②在測試前應正確選定儀器系統的各項工作參數，使儀器在設定的狀態下進行試驗。
③在瞬態激振試驗中，重復測試的次數應大于4次。
④在測試過程中應觀察各設備的工作狀態，當設備均處于正常狀態，則該次測試有效。
三、實測曲線判讀解釋的基本方法：
由于樁身種類復雜，實測曲線判讀人員的365JT技術水平有限，實測資料的解釋是一項較為困難的工作。
(1)缺陷存在可能性的判讀
判斷樁身缺陷存在與否，需分辨實測曲線中有無缺陷的反射信號，及分辨樁底反射信號，這對缺陷的定性及定量解釋是有幫助的。樁底反射明顯，一般表明樁身完整性好，或缺陷輕微、規模小。另外計算樁身平均波速，從而評價樁身是否有缺陷及其嚴重程度。
此外，還應分析地層等資料，排除由于樁周土層波阻抗變化過大等因素造成的假反射現象。
(2)多次反射及多層反射問題
當實測曲線中出現多個反射波至時，應判別它是同一缺陷面的多次反射，還是樁間多次缺陷的多層反射，前者，即缺陷反射波在樁頂面及缺陷面間來回反射，其主要特征：反射波至時間成倍增加，反射波能量有規律遞減。后者往往是雜亂的，不具有上述規律性。
多次反射現象的出現，一般表明缺陷在淺部，或反射系數較大（如斷樁）。它是樁頂存在嚴重離析或斷樁的有力證據。多層反射不只表明缺陷可能有多處，而且由下層缺陷反射波在能量上的相對差異，可推測上部缺陷的性質和相對規模。
一般情況下，應力波反射法所采集的較好波形應具有以下幾個特征：
(1)多次錘擊的波形重復性好；
(2)波形真實反映樁的實際情況，完好樁樁底反射明顯；
(3)波形光滑，不應含毛刺或振蕩波形；
(4)波形最終回歸基線。
四、影響基樁質量檢測波形的因素：
(1)露出于樁頭的鋼筋對波形的影響
由于灌注樁考慮到以后的承臺問題，樁頭均有鋼筋露出，這對實測波形有一定的影響，嚴重時可影響反射信號的識別。
(2)樁頭破損對波形的影響
灌注樁頭表面松散，將使彈性波能量很快衰減，從而削弱樁尖及樁底反射信號，影響波形的識別。有效途徑是：將松散處鏟去。
(3)樁的強度對波形的影響
樁的齡期短，強度低，將降低應力波在混凝土中的傳播速度，影響對樁長的判別。
總之，運用應力波反射法檢測鉆孔灌注樁的施工質量，具有檢測速度快、費用低、便于全面普查樁的質量、判別樁的完整性和質量缺陷，是一種值得推廣的方法。但是，目前低應變法推算樁的承載力的變異性較大，有的免不了用地質報告的土參數估計和檢測結果相結合的辦法。其中，經驗估計占了相當大的因素。所以要全面了解樁的承載力情況，只能通過靜載試驗來確定。
參考文獻：《橋涵工程試驗檢測技術》人民365JT交通出版社
《橋涵》人民交通出版社
《樁基工程與動測技術200問》中國建筑工業出版社
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