在役桥梁桩基础质量检测技术

在役桥梁桩基础质量检测技术汇报人：龚维明

博士/教授东南大学土木工程学/p>

wmgong@2017年04月20日报告内容—Contents服役期间桩基质量问题基桩质量传统检测方法在役桥梁桩基础质量检测的特殊性在役桥梁桩基础质量检测技术桩基础质量检测工作程序桥梁墩台基础的加固与改造东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司服役期间桩基质量问题图1

桩基内钢筋锈蚀图2

桩基裸露图3

桩基缩径图4

桩基扩径东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.1

基桩质量检测内容桩的极限承载力（对应于承载能力极限状态）

包括抗压、水平承载力；极限承载力是指在荷载作用下达到破坏状态前或出现不适于继续承载的变形所对应的最大荷载。

桩的极限承载力由两个因素决定

桩本身材料强度－结构强度破坏

岩土阻力－地基土破坏或变形过大桩身质量完整性

反映桩身截面尺寸相对变化、桩身材料密实性和连续性的综合定性指标。

完整性评价分四个等级：Ⅰ类桩

桩身完整Ⅱ类桩

桩身有轻微缺陷，不会影响桩身结构承载力的正常发挥Ⅲ类桩

桩身有明显缺陷，对桩身结构承载力有影响Ⅳ类桩

桩身存在严重缺陷东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.

基桩质量检测方法获取桩的的承载力和桩身完整性的手段

直接法：原型测试

半直接法：现场试验＋理论计算＋实践经验确定桩的的承载力和桩身完整性的方法

直接法：静载试验（抗压、抗拔、水平）、钻孔取芯

半直接法：低应变、高应变、声波透射东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

单桩竖向抗压静载试验方法定义：在桩顶部逐级施加竖向压力，观测桩顶部随时间产生的沉降，以确定相应的单桩竖向抗压承载力的试验方法。试验过程：①将最大加载分10～12级②记录每级荷载Qi～沉降变形Si③直到破坏或设定的最大变形或设定的最大加载值东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

单桩竖向抗压静载试验单桩竖向抗压承载力的确定

根据沉降随荷载变化特征：针对陡降型Q-s曲线；

根据沉降随时间变化特征：针对s-lgt曲线尾部斜率增大；

根据沉降量大小：针对缓变型Q-s曲线，s=MAX(40mm,

0.05D)；

总之：不超过最大试验荷载值，不得外延。lg

曲线荷载变形

～

曲线变形时间陡、缓变形

～

曲线东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

单桩竖向抗压静载试验单桩竖向抗压承载力自平衡法东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

单桩竖向抗压静载试验马尔代夫中马友谊跨海大桥万吨试桩望东长江大桥米直径试桩东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

单桩竖向抗拔静载试验方法定义：采用接近于抗拔桩实际工作条件在桩顶部逐级施加竖向拔力，观测桩顶部随时间产生的沉降，以确定相应的单桩竖向抗拔承载力的试验方法。国内外桩的抗拔试验惯用的方法是慢速维持荷载法。试验过程：与抗压相同。单千斤顶作用方式双千斤顶作用方式东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

单桩竖向抗拔静载试验单桩抗拔静载试验应注意的问题强调试桩与工程桩的工法一致性试桩周边过厚的上覆土层对试验桩承载力影响桩身内力测试结果只是估算结果（开裂后钢筋与混凝土应变不协调）设计取值时应关注上拔变形（按变形控制设计承载力取值）当工程桩不允许带裂缝工作时，取桩身开裂的前一级荷载作为单桩竖向抗拔承载力特征值上拔荷载传递机理东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

单桩水平静载试验方法定义：采用接近于水平受荷桩实际工作条件的试验方法，确定单桩水平临界荷载和极限荷载，推定土抗力参数。当桩身埋设有应变测量传感器时，可测量水平荷载作用下的桩身应力，并由此计算得出桩身弯矩分布情况。东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

低应变法方法定义：采用低能量瞬态或稳态激振方式在桩顶激振，实测桩顶部的速度时程曲线或速度导纳曲线，通过波动理论分析或频域分析，对桩身完整性进行判定的检测方法。试验过程及测试信号的评判t=2L/C应力波发射图东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法试设备2.2.

低应变法低应变法测试设备东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

低应变法东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

低应变法低应变法适用条件和应用中应注意的问题理论基础：（振动）平截面一维弹性均匀细长杆

桩径不能过大

不适于异型桩

最大有效检测深度受限制

不能用波速推定桩身混凝土强度

用波速只能估算桩长东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

高应变法方法定义：用重锤冲击桩顶，实测桩顶部的速度和力时程曲线，通过波动理论，对单桩抗压承载力和桩身完整性进行判定。测试原理与过程

测试完整性

承载力东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

高应变法高应变与低应变的划分

按激振锤重和位移大小划分

高应变：锤重几吨甚至几十吨

低应变；手锤、力棒几公斤

按桩身应变量级划分

高应变：在0.1‰～1.0‰范围

低应变：一般小于0.01‰

桩-土系统处于弹性状态

高应变：塑性状态

低应变：弹性状态东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

高应变法高应变法计算承载力的方式高应变CAS

法计算承载力

简化计算公式（对预制桩、PHC、钢管桩、H型钢桩适应）高应变拟合法计算承载力

将桩身划分若干段，假定其相应的岩土参数，以实测Vm为已知条件试算出Fc，与实测Fm对比。东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

高应变法设计阶段不宜用高应变法，只用于验收阶段适用岩土提供承载力，桩身存在严重缺陷时，该法不宜用截面变化的异型桩，该法不宜用锤重应大于预估极限承载力的1～1.5％，并与桩身阻抗匹配大直径扩底桩和Q～s曲线成缓变形的大直径桩，该法不宜用高应变法测试装置及设备东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

声波透射法方法定义：在预埋管之间发射并接收声波，通过实测声波在混凝土中传播的声时、频率和波幅衰减等声学参数的相对变化，对完整性进行检测。测试原理与过程：①

预埋声测管2～4根②

声测管内注水介质③

从下往上间隔10cm测试

主要判定依据：

声时t、波幅A、频率f

砼质量差t、A、f发生变化声测法原理图东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

声波透射法声波透射法测试装置与设备1142233≤800mm800mm

≤2000mm>2000mm声测管埋设要求东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

声波透射法测试数据解读与完整性判定东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

声波透射法适用混凝土灌注桩（应为跨孔方式）钢筋笼外混凝土保护层质量无法判定不宜定量推定混凝土强度东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司基桩质量传统检测方法2.2.

传统方法小结方式检测方法检

测

目

的确定单桩竖向抗压极限承载力；判定竖向抗压承载力是否满足设计要求；通过桩身内力及变形测试，测定桩侧、桩端阻力；竖向抗压静载试验验证高应变法的单桩竖向抗压承载力检测结果竖向抗拔静载试验确定单桩竖向抗拔极限承载力；判定竖向抗拔承载力是否满足设计要求；通过桩身内力及变形测试，测定桩的抗拔摩阻力直接法水平静载试验确定单桩水平临界和极限承载力，推定土抗力参数；判定水平承载力是否满足设计要求；通过桩身内力及变形测试，测定桩身弯矩和挠曲检测灌注桩桩长、桩身混凝土强度、桩底沉渣厚度；判定或鉴别桩底岩土性状，判定桩身完整性类别钻芯法低应变法高应变法声波透射法检测桩身缺陷及其位置，判定桩身完整性类别间接法判定单桩竖向抗压承载力是否满足设计要求；检测桩身缺陷及其位置，判定桩身完整性类别；分析桩侧和桩端土阻力检测灌注桩桩身缺陷及其位置，判定桩身完整性类别东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司在役桥梁基桩质量检测的特殊性3.

在役桥梁桩基现状情况出于建设早期技术

成本的考落后虑，检测不够全面在役桥梁桩基现状情况服役期间-时间久远，资料遗失桩基老化-劣化东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司在役桥梁基桩质量检测的特殊性3.2.1

特殊性

上部结构的存在与桩顶自由的基桩最显著的不同是上部结构的存在；在役桥梁桩基上部有承台、墩柱、横梁、桥面板等上部结构导致结果：①

产生大量次生反射等干扰信号②

致使传感器直接量测的时域曲线波形异常③

检测时无法在桩顶直接进行激振④

加大了理论和数据分析的难度东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司在役桥梁基桩质量检测的特殊性3.2.

特殊性

服役状态①使用阶段的桥梁桩基已无法在桩身内预埋传感器、声测管等装置②激振脉冲的作用点位置及传感器的安放困难③桥梁桩基处于水下，水位的变化影响了桩基的有效检测范围④为保证桩基的有效寿命，检测尽可能不造成桩基完整性的破坏和承载能力的降低——很难实现。东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司在役桥梁基桩质量检测的特殊性3.2.

特殊性

钻孔灌注桩基础直径大①桥梁钻孔灌注桩基础，桩径一般较大可能不适用于一维波动方程理论和振动理论②应用传统的反射波法进行完整性检测时，由于桩身三维效应的存在，应力波信号会比较复杂分析难度很大东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁桩基础质量检测新技术4.

模拟桩持载再加荷静载试验方法定义：模拟桩宜靠近既有基桩，按原设计桩的尺寸、长度、配筋、施工工艺制作，且场地应与原条件相同基础外模拟桩的数量不应少于3根模拟桩加荷至原基桩使用荷载时，应进行持载。持载时，应继续进行沉降观测。持载时间不得少于7d。然后再继续分级加载，直至达到预期荷载。东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术4.

模拟桩持载再加荷静载试验说明：为模拟既有基桩的受力状态，对试验桩加荷至使用荷载相对稳定后，保持荷载7d，再继续分级加载试验，使试验具有代表性。模拟桩的持载再加荷试验桩的休止时间除应达到桩身混凝土设计强度外，尚不应少于表规定的桩周土休止时间。桩周土的类型

休止时间（d）砂土粉土7101525非饱和黏性土饱和桩周土休止时间东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术手锤4.

双速度法P(t)t=0L/C2L/C手锤Z1P(t)123

45pilecap

orA1existingstructureZ1LA1A2Z2有承台有缺陷的桩身应力波的传播路径双速度法，通过计算可以分离出桩身缺陷及桩底反射的上行波，避免与上部结构产生的干扰反射波混淆，大大降低难度，提升检测准确性双速度法示意图东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术4.2.

双速度法的检测原理上行波分离过程结构图东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术4.2.

双速度法准确性的影响因素手锤P(t)离散点的个数取值pile

cap

orexistingstructure计算时间差

的波速取值Z1A1A2Z2程序的插值方法选取传感器间距激振点布置东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术4.3

动刚度法基本原理：实测冲击力及振动信号的关系，分析基桩体系的动刚度，通过静载试验实测承载力，建立基桩动刚度与实测承载力之间的关系—动静对比系数。基本假定：①埋入土中的一维弹性直杆②桩身材质均匀、各向同性，横截面在振动过程中保持平面③土对桩的约束简化为线性弹簧及与振动速度有关的阻尼器，并以平行方式耦合④桩土体系是一个时不变线性系统，受力响应服从虎克定律瞬态激振机械阻抗法测试示意南京东大自平衡桩基检测有限公司东南大学土木学院4在役桥梁基桩质量检测新技术4.3

动刚度法典型导纳—频率曲线通过测试软件，绘制出导纳

V

/

随频率f的变化曲线—导纳函数曲线；该曲线的低频段为一近似直线段，低频直线段斜率的倒数为桩土体系的综合动刚度。东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术4.

钻孔取芯法方法目的:（属检测完整性的方法）

检测桩身混凝土质量情况，如混凝土胶结状况、有无气孔、蜂窝麻面、松散或断桩等，桩身混凝土强度是否符合设计要求。

测定桩长是否与施工记录桩长一致。

复核桩底沉渣是否符合设计或规范的要求。

复核桩底持力层岩土性状（强度）和厚度是否符合设计或规范要求。东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术4.

钻孔取芯法方法过程：

钻孔取芯

评价芯样连续性和质量

截取芯样进行强度抗压试验

判定桩身完整性类别，分四类适用范围：

对全桩长进行检测，桩径不宜小于800mm、长径比不宜大于30

抽检桩上部的混凝土强度，可以不受桩径和长径比的限制

局限性：“一孔之见”东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术4.

钻孔取芯法关于钻取芯样强度评定的问题《钻芯法检测混凝土强度技术规程》CECS

03:88：由于受到施工、养护等条件的影响，结构混凝土强度一般仅为标准强度的75～80%左右，龄期28天的芯样试件强度换算值也仅为标准强度的86%，为同条件养护试块的88%。灌注桩芯样强度与立方体标准试件强度对比试验40505050y=0.7606x=

0.4634302010010203040500

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50标准试件立方体试件强度

MPa标准试件立方体试件强度

MPa

灌注桩芯样试件抗压强度：fc

=ξ·4P/A

(

通过统计确定无资料取1)东南大学土木学院

南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术4.

旁孔透射法①属于直接传输法；是一种钻孔检测方法，主要用来检测桩身长度，也可以用来检测桩身的严重缺陷，同时也可以提供周围土层的速度剖面图构筑物②只需根据初始波到达的时间，以及初始波振幅的衰减来进行判断③在桩顶面直接敲击和获得反射波信息，不需要对杂乱的波形进行分析。对桩顶不可见这种特殊的检测尤为适用。旁压透射波法检测示意图东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术4.

旁孔透射法桩身波速可按下式计算：1000ΔLc

ΔT式中：c—受检桩的桩身波速（m/s）△L—两测点之间的距离（m）△T—两测点初至波分别到达时间的差值（ms）旁压透射波法检测示意图1—既有基础；2—基桩；3—信号分析仪；4—激振锤；5—试坑壁；6—测管；7—检波器；8—透射波东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术4.

旁孔透射法旁孔透射法应通过拟合深度-时间直线、并识别拟合直线的拐点方法确定桩长。理想的时间

深度曲线东南大学土木学院旁测管布置图南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术4.

旁孔电阻率法①适用于检测桩头隐蔽、桩体无法开挖、桩周附近可钻孔的基桩桩长，主要用来检测桩身长度，②原理：桩材质为混凝土、水泥土、碎石、钢材，其电阻率明显高于或低于土层的电阻率。当测点深度超越桩底，则桩侧钻孔所测量的视电阻率也远离桩或桩基础的影响，仅反映原位土层的电阻率。通过分析单孔视电阻率变化趋势，或对比分析两孔的视电阻率差异及变化趋势，可以判断桩底的位置，确定桩的长度或桩基础的深度。钻孔电阻率法测试桩长工作原理示意图东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术4.

旁孔电阻率法某桥头桩桩侧单孔视电阻率图故判断该桩的桩长为14.5m某桥头桩桩侧对比视电阻率图故判断该桩的桩长为20m东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术4.7

磁测井法适用于测定基桩的钢筋笼长度磁测井检测仪应符合下列规定：①具有自动采集、自动存储、实时显示接收信号时程曲线的功能②磁场测量范围应为-99999nT～+99999nT，分辨率宜小于50nT③深度分辨率宜小于5cm（a）测试孔位于灌注桩桩身内东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术4.7

磁测井法现场检测应符合下列规定:①将磁场传感器放入测试孔中，从下往上进行磁场垂直分量（Z）强度的测量，测点间距宜为100mm～200mm；②

传感器缓慢匀速上升，移动速率宜为10m/min～15m/min；③根据显示的深度—垂直分量(H-Z)曲线，观察钢筋笼底部以下段实测磁场值Z0是否平滑稳定，钢筋笼底部处反应是否明显；④每根受检桩记录的有效实测曲线不应少于2条；⑤当钢筋笼检测长度与委托长度或设计长度明显不符时，应复测。（b）试孔位于灌注桩桩身外

（c）测试孔位于管桩空心内东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术4.7

磁测井法钢筋笼底端位置应按下列方法判定:①根据实测深度—垂直分量（H-Z）曲线下端平滑稳定的Z值判定。当垂直分量（Z）值明显变化时可判定有钢筋笼存在②根据深度—垂直分量（H-Z）曲线和深度-磁场垂直分量梯度（H-dZ/dh）曲线综合判定钢筋笼底端位置。（图示）磁测桩法测试曲线示意图（a）灌注桩测试曲线东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术4.7

磁测井法钢筋笼长度确定:磁测桩法测试曲线示意图（b）管桩测试曲线东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术4.8

水下摄影技术当基桩水上部分检测发现纵向裂缝较多，有向水下延伸的趋势，或者撞击点位于水下，破坏主要发生在水下部分，需对基桩水下部分进行探摸。上海中九工程检测有限公司对水下摄像技术进行了研究，并研发了一套水下检测设备，该设备在浙江舟山港某卸船桩基检测中取得较为成功的应用东南大学土木学院南京东大自平衡桩基检测有限公司4在役桥梁基桩质量检测新技术4.8水下摄影技术1高精度、全方位、可视化水下检测设备研发检测系统的特点主要在于水下测量高精度、桩基检测全方位、状态评估可视化。对于流速较大、河（江）水浑浊等水文条件，如何准确检测出桩基础的受损部位和受损程度是本系统需要解决的问题之一；桩径越大需要检测的面积就越广,

系统将解决不同直径桩基础全方位检测的技术难题。2信息化可视化检测软件的研发通过自主研发相关配套软件，将在电脑终端实时呈现桥梁桩基础水下损伤部位及损伤程度，准确评价桩基础当前状态