鐵路工程基樁檢測方法綜述與展望

萬 明

(昌九城際鐵路股份有限公司，江西南昌 3300000)

樁基礎作為一種古老的地基基礎形式，距今已有數千年的歷史，被廣泛地應用于鐵路的路基、橋涵工程。樁基礎屬于隱蔽工程，鐵路沿線地層復雜，施工條件受到諸多因素限制，從而使剛性樁不可避免出現質量問題[1，2]，直接影響結構物的使用安全及長久性。

目前，對樁身質量的檢測主要有低應變法、高應變法、聲波透射法、靜載試驗和鉆芯法等。由于理論方法和影響因素的不同，各檢測方法均存在一定的局限性。了解各種檢測方法在檢測中的影響因素，解決檢測過程中的實際問題，對鐵路建設質量控制有一定的指導意義。

1 低應變法

1.1 檢測方法原理

低應變動測法是當前較為成熟且鐵路工程基樁檢測中應用最為廣泛的一種(又稱瞬態激振法)。

低應變法基本原理為：樁頂收到瞬態錘擊時產生振動波，振動波沿樁身向下傳播，由于樁身波阻抗的變化，傳遞過程中將產生反射和透射，部分透射波繼續向下傳遞，在樁底產生反射波。樁身缺陷及樁底沉渣厚度均可以根據反射波的相位、振幅、頻率特性，輔以地層資料、施工記錄以及實踐經驗，對其性質作出確切的判斷[3-4]。

1.2 適用范圍

該方法檢測的基樁樁徑應小于2.0 m，樁長一般不大于40 m。40 m臨界深度源于鄭西客專橋梁工程336根樁的低應變法和聲波透射法比對檢測后的專家會審意見。實際上，很多地區地質條件復雜，土層摩阻影響明顯，有效檢測深度遠低于40 m[5]。

1.3 優缺點及工程實例分析

在實際應用中，常遇到低應變檢測波形難以判讀或檢測結果與取芯結果不符等情況，此時，應對檢測過程中的影響因素進行分析總結，可減少對基樁檢測的誤判。

(1)優點

低應變檢測所使用的儀器較為輕巧，使用便捷，其理論和實踐發展比較成熟，加上有比較先進的分析軟件，在檢測工作中的應用較為廣泛。

(2)缺點

①當樁長不大于40 m，可采用低應變法檢測樁身完整性。實際上，很多地區地質條件復雜，土層摩阻影響明顯，有效檢測深度遠低于40 m。

②存在淺部缺陷“檢測盲區”。當激振錘頭較軟，力度較大時，激振產生應力波波長較大，脈沖較寬，樁頂淺部缺陷部位將產生類似于“質體-彈簧”系統的低頻震蕩，不符合一維杠桿理論的反射波特征。圖1是某橋梁基樁反射波形，該樁為端承樁，樁徑1.25 m，樁長8.0 m，樁身混凝土強度為C45，由于應力波波長較大，無法采用此波形圖來判定樁身質量。對于8.0 m樁長，應采用高頻脈沖敲擊錘檢測。

圖1 應力波波長較大波形

③低應變法可依據反射波相位分析判定缺陷類型，計算缺陷位置，卻無法對缺陷程度進行定量分析，如混凝土密實程度、離析程度、夾泥量等。圖2是某橋梁基樁反射波圖，該樁為端承樁，樁徑1.25 m，樁長20.0 m，樁身混凝土強度為C45，在8.16 m處存在嚴重缺陷，但無法定性混凝土為離析、導管超拔還是夾泥，經取芯驗證，為樁身夾泥。

圖2 樁身嚴重缺陷波形

對于嵌巖樁，樁端為同向反射時，很難對其嵌巖情況、沉渣厚度等進行準確判定。圖3為端承樁，樁徑1.00 m，樁長8.0 m，樁身混凝土強度為C35，樁底反射曲線明顯且完整，反射波與入射波相位相同，但無法斷定樁底沉渣的厚度。經取芯驗證，樁底沉渣厚度低于50 mm，滿足設計要求。

圖3 樁底反射明顯波形

④山區鐵路嵌巖樁多采用沖擊鉆成孔，有時還采用爆破，導致孔徑極為不規則，低應變檢測曲線無法準確判識。特別是當樁體有多重缺陷時，曲線只能表征第一次缺陷的(最淺部位)相關反射以及對應的多次反射。

⑤對于樁徑緩慢變大然后突然縮徑的情況，在曲線上往往不能分辨出擴徑現象而只看到縮徑現象[6]，圖4是某橋梁基樁反射波形，該樁為端承樁，樁徑1.00 m，樁長38.5 m，樁身混凝土強度為C45，在1.87 m與入射波相位相同的反射波顯示為縮徑。經開挖驗證，該樁在0～1.8 m樁徑偏大，該樁合格。

圖4 樁頭偏大樁波形

⑥受樁身混凝土均質性的影響，應力波會產生繞射，傳遞路徑會增加(不考慮混凝土離析等對混凝土波速的影響)，這種繞射會使計算波速低于混凝土實際波速。

⑦人為影響較大。分析判識結果與檢測人員對數據的理解，對施工工藝、地質情況的了解有很大的關系。

2 高應變法

2.1 檢測方法原理

20世紀80年代初期，隨著計算機的推廣與普及，動測法檢測基樁承載力的研究在理論上取得了長足的進步，波動理論和計算機數值模擬的結合，為高應變法檢測基樁承載力奠定了堅實的基礎。關于高應變檢測，根據計算方法的不同，規程中推薦了兩種方法：CASE法和波形擬合法。

CASE法以波動方程為基礎，采用簡化的樁-土模型，利用行波理論求導的簡易公式直接計算基樁承載力。

實測波形擬合法是通過數值模擬、反演迭代，求得土體的力學參數。即先根據已知資料，假設樁周、樁端土體力學參數，力學模型等，以實測曲線作為邊界條件，用計算機反算樁受力曲線；如求得曲線與實際一致，則假設土體力學參數、力學模型合理，如一致性較差，則需要重新修改調整，反復迭代計算，最終求得承載力、側阻分布和Q-S曲線[7]。

2.2 適用范圍

該方法適用于檢測預制樁或灌注樁的豎向抗壓承載力和樁身完整性。

2.3 優缺點及工程實例分析

圖5為某灌注樁高應變擬合曲線，混凝土強度為C35。結合地基條件、設計參數，根據試驗得到總側摩阻力為3 084 kN，樁端阻力為563 kN，最大沉降量為31.12 mm。檢測結果見表1。

表1 高應變試驗檢測結果

圖5 高應變擬合曲線

(1)優點

可有效補充及部分取代傳統靜載荷試驗，可得到比靜載荷試驗更加豐富和詳細的檢測數據，能夠降低檢測費用及加快檢測進度。

(2)缺點

高應變法計算理論得到了很大的發展，但在實際運用過程中還是存在很大的不足。

①與低應變數據采集質量相比，高應變數據采集質量普遍不高，樁頭處理不到位、錘擊偏心、激振能量不足等均可能導致數據采集困難。

②大量高應變與豎向靜載試驗結果的對比分析表明，兩者的檢測結果相去甚遠。以往模型計算中樁周摩阻力和樁端阻力互不相干，可以相互疊加，這一傳統觀念正面臨著挑戰，相繼有不少實驗證實：樁端土強度或剛度直接影響著樁側阻力的發揮，樁側阻力和樁端阻力并非孤立、簡單地疊加[8]。

③采用CASE法測樁，應充分發揮土的全部靜阻力，并從波形上正確判斷樁尖的反射位置，恰當地選取阻尼系數，才能比較準確地確定單樁極限承載力；而阻尼系數值的選取，不但與樁尖土的類別、樁的阻抗等因素有關 ，人為因素也較大[9]。

④實測波形擬合法為反演法，計算所用土力學參數的輸入、模型的選定都對承載力的計算結果有很大的影響。此外，計算結果的可靠程度與分析人員的經驗、對地質勘察資料的掌握程度都有很大的關系。

3 聲波透射法檢測

3.1 檢測方法原理

聲波透射法是在結構混凝土聲學檢測技術基礎上發展起來的。結構混凝土的聲學檢測始于1949年，經過多年的研究發展，已廣泛應用于混凝土結構檢測中[10]。

聲波透射法基本原理為：利用事先埋設的聲測管，用跨孔超聲檢測儀沿樁身逐點發射并接收超聲波。超聲波在樁身混凝土傳遞過程中，會產生折射、繞射等，相關聲學參數(聲時、振幅、頻率)會發生變化。可通過接收到的聲學參數和波形特征來綜合判斷測點處的混凝土質量，確定樁身混凝土缺陷的位置、范圍、程度。

3.2 適用范圍

(1)本方法適用于檢測混凝土灌注樁樁身缺陷位置、范圍和程度，判定樁身完整性類別。

(2)樁徑大于等于2 m或樁長大于40 m，或復雜地質條件下的基樁應采用聲波透射法檢測。

3.3 檢測中的優缺點

(1)優點

聲波透射法檢測方法操作簡單，全樁長的各個截面都在檢測范圍內，尤其是當樁內存在多個缺陷時更具優勢，已成為樁身質量完整性檢測最常用的方法[11]。

(2)缺點

①若預埋聲測管出現嚴重管彎、管斜、甚至堵管現象，會影響檢測分析結果。近年來，大部分檢測儀器都開發了相應的管斜校正功能，但對該功能不加區分的過度、隨意使用，可能導致計算結果與實際相去甚遠，數據嚴重失真。

②規程中聲速臨界值求取采用遵循正態分布情況下一定保證率的概率法。對所有正常測點進行統計，求得臨界值。然后用每一個測點波速與臨界值去進行比較，這樣勢必會產生誤判或漏判。雖然也引入了聲速低限值這個概念，但低限值的獲取仍很困難。鐵路工程檢測中，很多檢測單位無法獲得準確的低限值，僅僅靠儀器廠家提供的推薦值或經驗值。

③臨界值統計計算過程中，按規程要求，對明顯低于正常值的波速進行舍棄，然后再計算聲速臨界值。但是對明顯大于正常值的聲速值沒有進行任何處理，直接參與運算，使得臨界值失真。

4 靜載試驗

4.1 檢測方法原理

靜載試驗可分為水平靜載、豎向靜載試驗。目前，鐵路上采用較多的為豎向靜載試驗。在靜載試驗的同時，可同步開展基樁內力測試，進一步獲取樁周土層的土體摩阻力、樁端土體端阻力，便于進一步優化設計參數，確定施工工藝的可行性。

4.2 適用范圍

可采用慢速維持荷載法檢測單樁的豎向抗壓承載力。

4.3 檢測中的優缺點

(1)優點

可直觀判別樁身的承載力。

(2)缺點

①現場需要施工錨樁或準備大量堆載反力，運輸吊裝成本較高。

②存在一定的安全風險(特別是大噸位堆載試驗)，堆載體極易倒塌，造成安全事故。

③目前，各鐵路項目完成了大量的豎向靜載試驗，但很少同步開展基樁內力測試。

5 鉆芯法

鉆芯法被廣泛地應用于爭議曲線、樁底沉渣以及嵌巖等情況的驗證。該方法對樁身混凝土損傷較小，所提取的芯樣還可進行室內混凝土強度試驗，在檢測工作中發揮著不可或缺的作用。隨著對質量工作的日益重視以及其他檢測方法的自身局限性，鉆芯法的應用會進一步增加。

6 展望

每種檢測方法都有自身的局限性，宜采用兩種或兩種以上檢測方法相互配合的方式，進行樁身的完整性及承載力的檢測和判定。目前，仍有許多工作需要去完善，可從如下幾方面去提高。⑴對于動測法(低應變法、高應變法)，需要進一步加強檢測基本理論的研究，特別是高應變數據處理所采用的力學模型應更加貼近實際，參數更加明確具體；應用物探中較為成熟的小波分析法對低應變信號進行提取等。⑵對于鐵路工程樁基檢測，應進一步吸取地方市政、工民建專業好的檢測方法、儀器設備，比如對樁身進行CT透視管樁內部裂縫試驗，大噸位單樁自平衡試驗等。⑶盡快總結各鐵路項目樁基檢測經驗成果，加快完成對《鐵路工程基樁檢測技術規程》(TB10218)的修訂，對地質條件復雜地區檢測樁長、最低驗證比例等方面做出更加合理的規定。