大直径灌注桩的桩身完整性检测.doc

大直径灌注桩的桩身完整性检测 隧道网 (2006-1-19) 来源：中国市政工程 摘 要：桩身完整性检测的目的是查明桩身完整性，查清缺陷及其位置，以保证工程质量。介绍了高应变、低应变、声波透射法三种动力测试方法在大直径灌注桩中的特性和完整性检测实录。指出三种方法均有其优缺点，建议用三种测试方法互为验证、互为弥补，才能综合评判桩身完整性。 关键词：大直径灌注桩 桩身完整性 高应变 低应变 声波透射法 随着基础建设的迅速发展，大直径灌注桩(桩径大于80cm)因承载力高、施工噪声小等优点，而被广泛应用于高层建筑、桥梁基础等。它通常是由人工开挖或钻机成孑L后在地下或水下灌注成桩。其质量受施工工艺，尤其是混凝土灌注工序等多种因素的影响而难以控制。不同工地或多或少都有一些桩存在着质量问题。为确保上部结构的安全使用，在进行下一道工序之前，必须对桩的混凝土质量及完整性进行检测和评价。目前现行的桩身完整性检测方法有钻孔取芯法，高、低应变动力试桩法和埋管式声波透射法。笔者着重介绍测试大直径灌注桩的方法。 1 大直径灌注桩常见质量问题 1.1 钻孔灌注桩 1)停电或其他原因使灌注混凝土没有连续进行时，间断一定时间后，隔水层凝固，形成硬壳，后续混凝土无法下灌，只好拔出导管，一旦泥浆进入管内必然形成断桩。如用增大管内混凝土压力等办法冲破隔水层，破碎的老隔水层混凝土必将残留在桩身中，造成桩身局部混凝土低劣。 2)采用泥浆护壁成孔，但对不同土层应配制不同密度的泥浆，否则孔壁容易坍塌。 3)循环法清孔时，应根据孔的深浅，控制洗孔时间或孔口泥浆密度。清孔时间过短，孔底沉渣太厚，将影响桩端承载力发挥。 4)混凝土和易性不好时，易产生离析现象。 5)导管连接处漏水时将形成断桩。 1.2 人工挖孔灌注桩 1)地下水渗流严重的土层，易使土壁崩塌，土体失稳塌方。 2)土层出现流砂现象或有动水压力时，护壁底部土层会突然失去强度，泥土随水急速涌出，产生井涌，使护壁与土体脱空，或引起孔形不规则。 3)挖孔时如果边挖边抽水，地下水位下降时，护壁易受到下沉土层产生的负摩擦作用，使护壁受到拉力，产生环向裂缝；护壁所受的周围土压力不均匀时，又将产生弯矩和剪力作用，易引起垂直裂缝；护壁所受的周围土压力不均匀时，也将产生弯矩和剪力作用，易引起垂直裂缝。桩制作完毕，护壁和桩身混凝土结为一体，护壁是桩身的一部分，护壁裂缝破损或错位必将影响桩身质量和侧阻力的发挥。 4)孔较深时，若没有采用导管灌注混凝土，混凝土从高处自由下落易产生离析。 5)在孔底水不易抽干或未抽干情况下灌注混凝土，桩尖混凝土将被稀释，降低桩端承载力。 2 大直径灌注桩的低应变特性 2.1 信号高频振荡 在大直径灌注桩低应变测试中，无论使用速度计还是加速度计均难以避免振荡现象发生，常出现一种与测量系统频率特性无关的高频干扰，桩径越大而脉冲窄时尤其严重，且其幅值随时间衰减较慢。它对缺陷反射包括桩底反射有一定的掩盖作用。 消除加速度振荡的办法，一方面可通过降低振源频宽(低频锤)解决；另一方面应观察传感器安装的位置是否合理、耦合剂是否恰当，加速度计是否松动。通过上述几个方面的改进，加速度计积分成速度的信号应当无振荡出现(加速度计测试信号中是否有振荡应在积分成速度后观察，原始加速度信号一般有振荡存在)。如仍然存在，应当是桩身缺陷引起的，改变测试地点和安装地点配以频谱分析可以进一步判断。 加速度计测试的信号积分成速度后一般可平滑，但不宜窄带数字滤波，最多只能采用0-1 500Hz以上的滤波方式。速度计的振荡大多与安装和振源有关。当安装谐振大于1 200Hz时，可以在频域分析的基础上采取诸如(0-800Hz)的方式滤波解决。对测试信号采用上述滤波方式后，振荡仍然存在，则更进一步确定是桩身缺陷引起的。 2.2 信号采集 大直径灌注桩桩径增大时，桩截面各部位的运动不均匀性也会增加，桩身浅部的阻抗变化往往表现出明显的方向性。故应增加检测点数量，使检测结果能全面反映桩身结构完整性情况。每个检测点有效信号数不宜少于3个。当不同检测点及多次实测时域信号一致性较差时，应分析原因，增加检测点数量。 2.3 桩底反射波 1)短桩：一维弹性杆波动理论是反射波法低应变墓桩质量检测的依据，满足条件D 传统观点认为当桩的长度L远大于桩的直径D时，可把桩视为一维杆件。应力波在桩中的传播满足一维波动方程，即条件LD时，并且认为反射法激振源一般视为球腔振源或点振源，前为球面，在离振源较远处，球面可理想化为平面，所以才有LD时，一维波动方程成立；而在振源附近，一维波动方程不成立。 新观点认为在桩顶上施加瞬间竖向冲击力而产生的振源非球腔振源或点振源，应视为有一定张角的扇形振源更合理。当重锤锤击桩顶时，桩颗粒在锤正下方的能量最强(主能量区)，像有一定聚焦作用的手电光束一样传播。由此可得：越靠近振源，颗粒的振动越是以竖向振动为主，一维波动条件越容易满足，无需满足LD。振源小(即较小的重锤锤击桩顶)时，只有主能量区局部的物质参与振动，通过接收装置接收到的反射信号只体现较小范围内机械波的振动响应情况。振源大(即较大的重锤锤击桩顶)时，主能量区已差不多涵盖整桩，振动是竖向为主的一维振动，能满足一维波动条件。这时接收装置接收到的反射信号体现桩的整体响应情况。所以大直径桩只有采用激振激发桩的整体响应，才能对桩的缺陷程度做出半定量化判断。 2)长桩：软土地区的长桩不易测到桩底反射，必须用大铁球激振。传感器对测试结果影响也较大。速度计带宽偏窄，必须采用加速度计。 桩身阻抗与持力层阻抗匹配良好也不易测到桩底反射。当嵌岩桩桩底的岩石与桩身混凝土的波阻抗相差不大时，桩底反射也难以辨认，因嵌入岩层(1.5-3.0)D后，桩端嵌岩部分与基岩构成一体，相当于桩的截面积变大，波阻抗突然增大，会出现与入射波反相的类似于扩颈的反射。 2.4 桩身缺陷 常见缺陷在低应变测试信号中的特性如下。 1)断裂(夹层)：多次同向反射，间隔时间相等；第一反射脉冲幅值较高，前沿比较陡峭；但难见以下部位较大缺陷及桩底信号。 2)混凝土离析：同相反射波形不规则；后续信号杂乱；波速偏小；一般可见以下部位较大缺陷及桩底信号。 3)缩颈：同相反射波形比较规则；可能有多次同相反射，一般可见桩底信号。 4)扩颈：反相反射波形比较规则；可能有多次反射，一般可见桩底信号。扩颈的第二次反射为同向反射波，中浅部的扩颈容易导致测试信号出现低频振荡，这一点与频域结论一致。 在实际测试当中，低应变测试信号所反应的与入射波同相或反相的反射波不单纯是由桩身缺陷造成，桩周土的好坏同样影响低应变测试信号。在较好的土层当中，低应变测试信号会表现为扩颈现象；相反，在淤泥质土中，其会表现为缩颈现象。放在判断当中应结合地质报告和施工记录，综合判断桩身质量。在这里值得一提的是，对设计条件有利的扩颈灌注桩，不应判定为缺陷桩。 3 大直径灌注桩的超声波特性 预埋管超声波检测优点是：仪器轻便；抗干扰能力强；观测准确度高、结果直观可靠；不受桩长限制，可以在桩身中上下移动测试；无盲区，声测管埋到什么部位就可检测什么部位，包括桩顶低强区和桩底沉渣厚度；详细查明桩内部缺陷与性质、深度位置、范围大小、严重程度；可估算混凝土强度等。因此，用超声波法检测大直径深长灌注桩是最可行的方法。 3.1 波速特性混凝土中超声波声(波)速一般在4000-5000m/s之间变化。根据统计，同一标号混凝土试件，超声波的波速比低应变的波速高出400-500m/s。究其原因是：超声波法的频率一般在25kHz以上，而反射波的频率约在5kHz左右；超声波法的试件周围介质是空气，而反射波法的试件周围介质是桩周土。 在实际工作当中，发现声速值离差性较大，高值在6 000m/s以上，低值在3 000m/s以下。主要由于在声测管中测量时，耦合水层、管壁的声时延迟较大，使得整个仪器初读数值大；在声测管中测量时测距是管间混凝土的净距离，应准确丈量，在桩顶测量管距时应准确到1 mm，通常两测管是不平行的。 3.2 桩身完整性检测 超声波测试的步骤是：发射与接收声波换能器通过深度标志分别置于两根声测管中的测点处；测距以两管间混凝土净距离为准；发射与接收声波换能器应以相同标高或保持固定高差同步升降(测点间距不宜大于250mm)，逐点测量声时、振幅及频率值，观察波形有无畸变；在桩身质量可疑的测点周围，应采用加密测点，或采用斜测、扇形扫测进行复测，进一步确定桩身缺陷的位置和范围。 常见缺陷在超声波测试信号中的特性： 1)沉渣：沉渣是一种松散介质，其本身声速很低(2000m/s以下)，对声波的衰减也相当剧烈，所以凡遇到沉渣，必然是声速和振幅均剧烈下降。通常在桩底出现这种情况多属沉渣引起。 2)泥砂与水泥浆的混合物：这类缺陷多是浇注导管提升不当造成。若在桩身就是断桩；若在桩顶就是桩顶标高不够。其特点也是声速与振幅均明显下降，只不过出现在桩身时往往是突变，在桩顶是缓变。若桩顶的缓变低到某一界限(可根据波速值确定这一界限)，其以上部位应截桩，根据应截桩的标高可判断桩顶标高是否够。 3)混凝土离析：造成桩身某处粗集料大量堆集，而相邻部位浆多粗骨料少的情况。粗集料多的地方，往往形成这些部位声速测值因声学界面多，反而有所提高，但振幅下降；粗集料少而砂浆多的地方则正好相反(纯砂浆一般波速在4 000m/s以下)，振幅测值，有时还会高于附近测值。 4)气泡密集的混凝土：混凝土浇注管提升过快，大量空气封在混凝土内，虽不一定造成孔洞，但可能形成大量气泡分布在混凝土内，造成混凝土质量有所降低时使声波能量明显衰减(散射)，接收波振幅明显下降。 5)层状缺陷(断桩)：所有穿过两声测管连线中间部位的测线测值均异常，即使斜测也异常，可判定该两声测管间缺陷是连成一片的。如果三个测试面均如此，则可判定是整个断面的缺陷，如夹泥层或疏松层，即断桩。 6)声测管接头的影响：当换能器正好位于接头处，有时接头会使声学参数测值明显降低，特别是振幅测值，因为是接头处存在空气夹层，强烈反射声波能量。遇到这种情况，应将换能器移开10cm，测值立刻正常。另外，通过斜测也可做出判断。 不过要指出：预埋管超声波法无法测出桩身扩颈。 4 大直径灌注桩的高应变特性 高应变法检测桩身完整性的可靠性比低应变法高，只是与低应变法检测的快捷、廉价相比，高应变法检测桩身完整性存在设备笨重、效率低及费用高等缺点，在带有普查性的完整性检测中应用尚有一定困难。 4.1 波速特性 同一根钢筋混凝土桩，用高应变法、低应变法和声波透射法检测的波速是不一致的。超声波的波速比低应变高，高应变的波速比低应变低。混凝土的应力一应变呈非线性关系，大应力状态比小应力状态的非线性特征更为显著。高应变法比低应变法应力水平高，使局部混凝土进人塑性状态，波速降低。 4.2 桩身完整性检测 高应变法锤击的荷载上升时间一般不小于2ms，因此对桩身浅部缺陷位置的判定存在盲区，无法准确判定，只能根据力和速度曲线的比例失调程度来估计浅部缺陷程度。所以对浅部缺陷桩，宜结合低应变法检测来确定缺陷的位置和类别。在判定深度缺陷时，与低应变相比，高应变测试在缺陷的位置和类别的反应上要更准确。但当桩侧和桩端阻力很强时，与低应变类似，高应变法同样也测不出桩底反射。 5 完整性检测实录 1)南京某立交桥的钻孔灌注桩，桩长15m，扩底，桩径1 000mm，混凝土标号C30，对其进行低应变完整性检测，实测曲线见图1。其在15m出现与入射波反相的类似于扩颈的反射，并在两倍桩底处即4L/c处出现与人射波同向的反射波。 2)南京某大厦三根试桩为钻孔灌注桩，桩长67m，桩径800 mm，混凝土标号C50，对三根桩进行低应变完整性检测，实测曲线如图2，发现均在3 m处出现严重缺陷反射波，周期性反射波，无桩底反射波。对曲线进行滤波处理，排除高频干扰后，缺陷反射波仍存在，故将其判为类桩。后将其中一根开挖验证，3m处并无缺陷，但发现其1.5 m以上有护筒，1.5m以上桩整体阻抗较高，相对1.5m以下而言即为扩颈，但上部1.5m低应变测试信号本身夹杂着高频振荡，因而扩颈信号在曲线上并未表现出来，但在其两倍位置处表现为严重的同向缺陷反射波。这种情况在大直径灌注桩中多有出现。 3)江宁某商业楼的人工挖孔桩，桩长14.4 m，桩径1200mm，混凝土标号C35，对其分别进行低应变动力测试(实测曲线如图3)及超声波测试(实测曲线如图4)，发现在2.2m处出现一缺陷反射波，桩身曲线呈大振荡型，似有桩底反射波，将该桩判为类桩。超声波曲线在同样位置处三个剖面均有声速和声幅均低于临界值，故将其判为类桩。可见超声波测桩身完整性要比低应变来的更加准确可靠。两图比较可得，同一根桩，超声波波速比低应变波速高出400m/s左右。后经开挖验证，此桩在2.2m左右确有较严重离析现象。 6 结语 大直径灌注桩的桩身完整性直接影响其承载力，故对其桩身完整性