基桩完整性检测技术在公路工程中的应用研究

叶时禄

（江西长基工程检测有限公司，江西 赣州 341000）

1.1 承载能力强

根据工程地质、水文地质等方面的特点，通过桩径、桩长和配筋比例的确定，保证桩身的承载力达到设计要求。在桩基持力层为岩石的情况下，采用嵌岩桩作为桩基础，从而最大限度地利用刚性岩层的承载力，减少沉陷的影响[1]。

1.2 施工工艺简便易行

由于混凝土灌注桩采用机械化施工，因此，无论桩长、桩径如何，都能按一定的程序进行桩身成形。

1.3 抗震性能突出

采用合理的配筋方式，可以有效地改善桩身对水平荷载的抗剪承载力，使其具有良好的抗震性能。虽然灌注桩具有很多优势，但是其施工工艺较为复杂，工序繁杂，影响桩基础质量的因素很多。根据目前的数据，每年需要的基桩数量高达数百万根，其成本约为总成本的1/4[2]。而且，随着基础设施的不断完善，这个数字还会继续增长。随着工程建设的不断增加，对基桩施工队伍的需求也越来越大。但是，我国建筑行业的建设队伍质量还有待进一步提升。在施工过程中，许多施工人员对基桩施工工艺和基桩施工中的突发情况缺乏应对措施，导致桩基础出现了混凝土离析、断桩、缩颈、桩底沉淀等问题。鉴于桩基础完整性是确保其具有高承载力的前提，因此，对其进行施工质量检测，及时发现并采取相应的补救措施，确保其安全运行[3]。

根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2003）、《铁路工程基桩检测技术规程》（TB 10218—2019）、《公路工程基桩动测技术规程》（JTG/T F81-01—2004）等，按行业标准来确定基桩的检测方法。

2.1 低应变反射波法

低应变反射波法是目前东北地区应用最广泛的一种基桩检测技术，具有较好的理论基础和实践经验。它的基本思想是一维弹性杆的应力波运动理论，也就是锤击法。振源在桩顶上施加一次冲击载荷，沿桩身方向产生一维的纵向弹性波，并在桩身波阻抗改变的情况下，如扩径、缩颈、断桩等，都会引起应力波的反射和传输。在桩顶部设置的加速度传感器能够检测到应力波的传播，并对其传播速度、缺陷类型和部位进行分析，以此判定基桩的完整性[4]。图1是用低应变反射波探测基桩完整性的原理图。由于它方便、灵活，所以被广泛地使用。但是它也有其不足之处：无法探测出桩底一段的桩身缺陷；
无法量化地判断桩的缺陷，仅能从质上判断；
多缺陷桩易出现误判、漏判；
对检测人员的工作经验有一定的要求。

图1 低应变反射波法检测基桩完整性示意图

2.2 超声波透射法

超声波检测基桩完整性的基本原理是：在钢筋笼内，焊接或捆绑一定数量的声测管，用清水做耦合介质，在2 根声测管中分别安装一个发射和接收传感器，把电能转化为机械能，由接收探测器将机械能转化为电信号。由于2 个传感器的间距是固定的，且超声波的传输时间是由信号检测得出的，所以可以计算出超声波在混凝土中的传播速率，从而判断混凝土的质量。总体上讲，混凝土强度愈高，波速愈高；
而在较疏松的混凝土中，有离析、蜂窝、裂缝等，则波速较小[5]。总之，超声波检测基桩完整性的基本原则是以波速、振幅等作为识别指标，根据混凝土质量和超声波波速的相互关系来判定基桩的完整性。图2为超声波透射法检测基桩完整性示意图。这是一种非破坏性的检测方法，需要的仪器相对简单，便于现场检测。超声波透射法具有检测精度高、检测深度深、检测速度快等优点。超声波透射法是近年来发展起来的一种新型的检测方法。但是这种检测方法需要有很好的垂直性，否则会造成检测结果的畸变。

图2 超声波透射法检测基桩完整性示意图

2.3 高应变动力测桩法

高应变动力测桩法是利用大锤在桩顶部施加锤击载荷，在桩顶部两侧设置速度传感器和力传感器，以获取锤击载荷下的加速度和力响应，从而在一定程度上克服了桩周土的摩擦力和阻力，实现了桩侧和桩端的抗力。由于桩基础检测信号中含有承载力，所以高应变动力测桩法既能评定基桩的完整性，同时能够对桩体的承载力进行判断。这种方法需要的设备比较复杂，造价也比较高，一般都是用来检测地基的承载力，很少应用到基桩完整性的判断。

2.4 钻孔取芯法

钻孔取芯法是直接评定桩身质量、桩长、桩底沉渣厚度和桩端承载力的最直接方法，也是评定桩身混凝土强度的一种可靠方法。这种方法要求在桩身钻孔，是一种局部破坏的测试方法，适合于800mm 以下的基桩。这种方法在判断大范围的混凝土离析、夹泥等局部缺陷时是行之有效的，但在横向裂纹等方面，一般不能很好地用于其他非破坏性检测中。

3.1 声测管埋设的基本要求

埋设声测管的基本要求如下：其一，在基桩直径不超过1.5m 时，应埋设3 个；
在基桩直径超过1.5m 的情况下，埋设4 个声测管道。其二，选用金属管，内径应大于传感器外直径15mm，并以螺纹形式接头，不得渗漏。其三，在钢筋笼内部焊接或捆绑，必须牢固、相互平行、定位准确，并埋入桩底，声测管管口必须高出基桩顶部30cm。声测管底部应该是密封的，并在上部加盖。声测管的起始点是线路正前方的一个顶点，然后将它按照顺时针方向排列，分成一组。

3.2 有关检测规程

在检测之前的准备工作如下：其一，检测基桩桩龄为14d 或更长。其二，用清水填充声测管，确保传声器通畅。其三，校准超声波检测系统的延迟时间，用t0表示。其四，精确地测定声测管的内外径和相邻2 个声测管的外壁间距，使其精度达到要求。其五，在超声波检测之前，取芯孔的垂直偏差不能超过0.5%。

超声波检测必须符合以下条件：其一，检测点之间的间隔不能超过25cm。超声波的发射和接收探针应该保持同步上升，其相对高度差不超过20mm，并且可以在任何时候进行修正。其二，对相同的基桩进行检测时，必须保证超声发射端的电压不变。其三，对声时和波幅出现异常的部位，进行加密检测，如等差同步、水平加密或扇形扫描等，并与波形分析相结合，以确定缺陷部位和严重程度。

3.3 常用检测方法

在对测、斜测、差斜测、扇形扫描等基桩完整性的超声波检测中，常用的方法是平面法。对于可能存在的缺陷，可以采用斜测、交叉斜测和扇形扫描等方法进行辅助定位。在使用平面法时，检测步骤如下：

第一步，在2 个声测管的检测点上，分别设置发送传感器和接收传感器。

第二步，在同一高度上，同步提升发射传感器和接收传感器，检测点的步长通常在250mm 以下。

第三步，对超声波接收的信号进行实时的显示与记录，读取声时、首波、周期值，并将其主频率及频谱曲线显示出来。

第四步，若在多个声测管中设置，以2 个声测管为一检测剖面，对各剖面进行联合检测。

第五步，对可能出现的桩身有缺陷的部位，应采用相关的辅助检查，如密测（5cm 或1cm）、斜测、扫测等，以进一步明确缺陷的部位及严重性。

第六步，在检测相同的基桩时，应将超声波装置的输出电压及参数设定值保持一致。

在应用超声波透射法、低应变反射波法等方法进行桩基础质量检测时，基桩的波速、声时、波形曲线等参数与混凝土的灌浆质量有着直接的关系。目前，基桩的整体刚度只能根据有关的技术指标来确定。但是，在实践中，许多因素影响基桩的完整性判定。所以，有必要在工程实践中，充分考虑各种影响因素，做出最合理的判定。需要构建一套评价指标体系，用以评价桩基础施工质量；
各指标对基桩质量的影响程度存在差异，采用不确定层次分析方法求出了各指标的权重；
利用评价指标体系进行评价；
最后，利用权重法对基桩的质量进行评价。

4.1 不确定层次分析法基本原理

使用AHP 进行综合评价时，其核心步骤是建立一个合理的判断矩阵，并运用适当的计算方法确定各指标的权重。在普通 AHP 中，指标间的重要性通常用1～9 来表示，不能用来描述不明确的东西。在工程实践中，由于环境的复杂性和人的主观能动性，很难做出准确的评判。当用区间数来判定两个因子的重要程度时，这个判断矩阵就是不确定的判断矩阵。

4.2 评价指标体系建立

根据基桩承载力的主要影响因素，依据整体性和相对独立性的基本原理，提出了一套完整的基桩工程质量评价指标。这套体系主要从桩身实际施工长度、桩身施工直径、桩身缺陷分布、桩身的地质情况、桩身的沉降厚度等五个方面进行分析。根据这五项得分，对基桩质量进行了全面的评价。

根据国内外有关文献、现行技术规程和相关数据，对桩身实际施工长度、桩身施工直径、桩身缺陷分布状况、桩身地质状况、桩底沉渣厚度等五项指标进行评价。

在某高速公路K132+083 中桥，桩长27m、直径1.5m。在距桩身7m 处有一个同相位的反射，根据应力波反射原理，判断这是一个缩颈桩，该缩颈桩实测波形如图3所示。

图3 某缩颈桩实测波形

由于许多因素会影响到基桩的完整性判定。因此，依据单参数判定基桩的完整性是不全面的。为此，以某缩颈桩为例，构建了一套评价指标体系，用以评价基桩的施工质量。在不确定 AHP 方法的基础上，求出各个指标的权重；
利用评价指标体系进行评价；
最后，利用权重法对基桩的质量进行评价。通过实例计算，证明了所提出的评价方法是有效的。

随着国民经济快速发展和城市化进程加快，社会对基础设施的需求也在不断增加。成本高和安全运行没有因果关系。桩基础是桥梁下部结构中的一种主要构件，可以为上部结构提供足够的承载力。但是，这种地基的施工过程比较复杂，工序比较多。目前我国施工队伍的质量还有待提升，对于基桩施工工艺和基桩施工中的突发情况，施工人员仍缺乏相应的应对措施。这导致了桩基础出现了混凝土离析、断桩、缩颈、桩底沉淀等问题。鉴于基桩完整性是确保其高承载力的充分条件，对其进行有效的施工质量检测，及时发现并采取相应的补救措施，对于确保其安全运行具有重要的意义。

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