預應力管樁多種檢測方法判定樁身完整性

楊筆將

（上海匯谷巖土工程技術有限公司，上海市 201108）

0 引言

基樁作為承擔建設工程（工業與民用建筑工程、橋梁工程等）上部荷載的主要構件，其質量直接影響到整體的安全和使用功能，故樁身完整性檢測就十分重要。

預應力空心類樁按形狀分類，主要有預應力管樁、預應力空心方樁、預應力混凝土異型預制樁等。目前檢測樁身完整性常用的方法主要有低應變法[1]、高應變法[1]，其中低應變法檢測簡便快速，運用最為廣泛。低應變反射波法（lo w s t r a in ref le c t e d w a v e m e t h o d）指在采用低能量瞬態激振方式對樁頂施加沖擊荷載，實測樁頂部的加速度（或速度）時程曲線，通過波動理論的時域頻域分析，對樁身完整性進行判定的檢測方法[1]。適用于樁徑小于2.0m、長度一般不大于40.0 m、預應力管樁上下截面相同、滿足一維桿件的理論模型。該方法具有儀器設備相較其他檢測方法小巧輕便、操作簡便快速的特點，適合大范圍、多數量快速檢測工作的需要。由于樁側土阻及阻尼耦合等因素影響，故對樁身缺陷只做定性，必要時需采用其他檢測方法驗證后綜合判定[2]。樁土耦合的作用也對采集的數據存在一定影響，易導致誤判或漏判。

通過工程實例舉例說明采用多種檢測方法判定此類樁樁身完整性的必要。

1 工程實例1

1.1 工程概況

上海市某新建住宅樓項目共有13幢單體建筑及地下車庫，住宅樓層數均為六層。其中一單體設計采用直徑為 ?400 mm的預應力管樁P H C A B 400（95）16（工程樁 8m+8m，靜載試樁 8m+9m），樁身混凝土強度等級為C80，工程樁樁長16m（靜載試樁樁長17m），樁端持力層為⑤2灰色粉砂，單樁豎向承載力設計值為400 kN（靜載試樁為430 kN），靜載荷試驗最大加載量為860 kN。

1.2 靜載試驗結果

（1）靜載荷試驗前對B4-60#樁進行低應變檢測，時域曲線指數放大[2]后，顯示樁身中部約8.0m處（接樁位置）輕微反射，約15.0m處也有輕微反射。低應變時域圖如圖1所示。

圖1 B4-60#樁靜載試驗前低應變時域曲線圖

（2）靜載荷試驗時，該樁加載至602 kN，樁頂沉降量急劇上升，讀數至60min時累計沉降達到45.38 mm，加載至688 kN（第七級）時出現荷載不能維持，測讀15min累計沉降量已超過135 mm，最終未達到設計要求的最大加載量。其Q-s曲線和s-lgt曲線分別如圖2、圖3所示。

圖2 B4-60#樁Q-s曲線

圖3 B4-60#樁 s-l gt曲線

移除靜載荷平臺手觸摸以及觀察外觀，樁頂完整無破損情況，可以排除因樁頂端板附近樁身屈服造成的破壞（見圖4）。

圖4 B4-60#樁樁頂情況照片

（3）再次對B4-60#樁進行低應變檢測，時域曲線指數放大[4]后，由于該樁靜載荷試驗最大沉降量比較大，樁側土的摩阻力明顯降低，并致使原樁身中部接樁處8.0m左右處的反射顯化，15.0m左右處的反射也同樣顯化，并疑似為樁底反射。低應變時域圖如圖5所示。

圖5 B4-60#樁靜載試驗后低應變時域曲線圖

（4）由于該工程地質勘查報告中顯示，區域存在暗浜，但不在B4#樓位置。為判斷該樁地質條件是否有未探明的突變情況，故在樁外側約1.0m處進行靜力觸探，靜探成果曲線如圖6所示，與勘查報告所述基本一致，未見地質突變。

圖6 B4-60#樁外側約1.0 m處靜力觸探曲線圖

圖7 B4-60#樁磁測井法（步距25 cm）曲線圖

（5）為了解該樁15.0m左右處的缺陷性質，對該試樁進行磁測井法[3]檢測樁長，在樁外緣凈距約為50 cm樁旁成孔25.5m，并埋設P V C管作為磁測井法的檢測通道，測量采用四種步距，分別為5 cm、10 cm、25 cm、50 cm。綜合四次磁測井法檢測結果和低應變時域曲線以及施工資料，確定實測樁長為15.0m。列舉磁測井法成果比較清晰的步距25 cm曲線，結果如圖7所示。

1.3 判定及原因分析

（1）綜上所述，B4-60#樁實際樁長為15.0m，少于設計樁長，判斷該樁完整性為不合格（Ⅳ類）。

（2）針對該工程內的此種情況，擴大低應變抽檢數量（原設計及檢測規程要求不少于30%[1]），部分單體擴大至100%普測。又陸續發現有個別樁的樁長少于設計樁長1m或2m，同時也有個別樁長比設計樁長長1m或2m的情況。

（3）原因是現場管理混亂造成。該批樁并非按照設計圖紙中的上下節樁樁長采購，施工班組夜間施工較多，沉樁（靜力壓入法）時未認真核對每節樁樁身上標記的型號，也未測量每節樁的長度，盲目進行作業；另外監理管理方面也存在明顯遺漏，最終釀成此次質量問題。

1.4 技術整改措施

（1）對于樁長不足的樁，采用接樁壓入的方法，使樁端進入設計要求的持力層深度。

（2）對于樁長超出設計樁長的，勘察單位核查地質資料及補勘計算下臥層的距離，由設計單位逐個驗算單樁承載力是否滿足原設計要求，并采用高應變[1]補充檢測單樁承載力和完整性。

2 工程實例2

常州市某新建住宅樓項目共有7幢單體及地下車庫，其中6#樓28層，7#樓33層（其余單體均為單節樁）。基樁規格采用 P H C A B 600（130）26（13，13）、P H C A B 600（130）25（12，13），樁身混凝土強度等級為C80，樁端持力層為⑥粉砂，單樁豎向抗壓承載力特征值為3 000 kN。靜載試樁樁長與工程樁相同，靜載荷試驗樁在基坑開挖后根據低應變檢測結果挑選。

2.1 任務起因

該工程由常州市當地一家檢測公司進行檢測，在基坑開挖后進行低應變檢測，并根據低應變檢測結果挑選靜載荷試驗樁（靜載試驗在坑底進行）。首先開挖的是6#、7#樓，故先對該兩棟單體進行檢測，該檢測公司僅憑低應變檢測結果就判定不合格樁（Ⅲ類）較多（均超過60%），且判定不合格類型均位于接樁處（上下節樁脫開）。參建方對此產生異議，故對該兩棟進行復測。在查看檢測成果曲線后發現，反射波波峰較為輕微，認為需要補充其他檢測方法驗證原判定。

2.2 復測成果

2.2.1 低應變復測

7#樓共165根樁，實際上下節樁未按設計長度采購（采購方為開發商），而采用的是25m（11m+14m）、26m（11m+15m）。另外因部分樁難以壓至設計標高，經核定后采取截樁措施。

對比分析普測的曲線基本與原檢測一致，反射波波峰均較為輕微，且經過指數放大后均未見多次等距的反射波。舉例4根樁低應變時域曲線（指數放大[4]）如圖8所示。

2.2.2 孔內攝像法驗證

為了解7#樓樁身接樁處是否存在明顯或嚴重缺陷，將樁孔內部的土清除至樁頂以下15 m作為通道，選取部分接樁處反射波相對明顯的樁作為驗證對象，利用樁孔作為通道進行孔內攝像法[1]探查，直觀查看接樁情況，以判別缺陷程度。當7#樓此項工作做到一半時發現，已探查的樁均存在接樁處脫開情況，且有個別樁接樁處的端板變形或與樁身斷開，問題比原先判斷要嚴重得多。經緊急會議協商，對6#、7#樓進行孔內攝像普查。為區分接樁處缺陷程度進行分類：

（1）貼合（A類）。接樁處環接樁全周長貼合或基本貼合。

（2）欠貼合（B類）。接樁處環接樁全周長欠貼合（未見明顯斷口）或局部方向基本貼合、局部欠貼合。

（3）脫開（C類）。接樁處環接樁局部方向貼合，局部方向斷開，或局部方向欠貼合，局部方向輕度斷開，或者環接樁全周長斷開輕度斷開（斷開量小于 1.0 cm）。

（4）嚴重脫開（D類）。接樁處環接樁全周斷開量1.0 cm及以上。

2.2.2.1 6#樓孔內攝像結果

工程樁共137根進行基樁孔內攝像普查，普查結果如下：接樁貼合樁（A類）46根，占33.6%；接樁欠貼合樁（B類）4根，占2.9%；接樁輕度斷開樁（C類）2根，占1.5%；接樁斷開樁（D類）85根，占62.0%。缺陷特征主要表現為上下節樁接樁處脫開，個別有輕度錯位。

2.2.2.2 7#樓孔內攝像結果

工程樁共165根進行孔內攝像普查，普查結果如下：貼合樁（A類）18根，占10.9%；欠貼合樁（B類）8根，占 4.9%；輕度斷開樁（C類）3根，占1.8%；斷開樁（D類）136根，占82.4%。缺陷特征主要表現為上下節樁接樁處脫開，個別有輕度錯位。

孔內攝像工作歷經近4個月（期間遇春節工程停工1個月），列舉部分樁攝像截圖如圖9～圖11所示。

圖9 7-29#樁樁頂下12.0 m接樁處有約1.5 cm整合型水平向間隙（下節樁端板與上節樁連接，但與下節樁樁身斷開。間隙處有夾泥，泥無滲流，無滲水情況。缺陷程度為D類）

圖10 7-34#樁樁頂下11.6 m接樁處有約3 cm整合型水平向間隙（上節樁端板與下節樁端板脫開。間隙處有夾泥，泥無滲流，無滲水情況。缺陷程度為D類）

常州檢測公司由于靜載荷前期工作已經全部到位，于是在孔內攝像工作剛剛開展期間，挑選7#樓80#樁進行靜載荷試驗，設計要求最大加載量為6 000 kN，按最大加載量的30%、50%、70%、80%、90%、100%分級加載。當加載至3 000 kN時沉降量陡增至53mm，此間荷載不能維持，之后沉降恢復穩定施加下一級直至6 000 kN，最大沉降量為68mm。分析該樁接樁處有4～5 cm脫開，當加載至3 000 kN時上節樁土的側摩阻力破壞，在相當于壓入至下節樁閉合時承載力恢復，最終殘余沉降為63mm。靜載荷Q-s曲線如圖12所示，靜載荷試驗前低應變時域曲線如圖13所示。

圖11 7-127#樁樁頂下約9.0 m接樁處斷開約5.0 cm（有夾泥，上節樁端板變形，局部與下節樁端板連接，另外一部分與上節樁連接。無滲水情況。缺陷程度為D類）

圖12 7#樓80#樁靜載荷Q-s曲線照片

圖13 7#樓80#樁靜載試驗前低應變時域曲線與指數放大對比圖

2.3 原因分析

2.3.1 土質分析

該工程土質自上而下為③（黏土）、④（砂層）、⑤（黏土）、⑥（砂層）。其中砂層的摩擦角 φ值較大，對于上節樁處于土性較好的黏土與粉砂交互沉積，導致沉樁形成的樁側擠土應力與樁之間的夾角偏大（45°+φ/2）。經過力的矢量分解后，擠土應力形成上抬力，黏土壓縮性低、透水性弱、超孔隙水壓力消散性差，并產生應力疊加效應，上層黏土力學也比較好，作用于樁側的上抬力值同樣較大。因此在已壓入的樁側產生上抬的力。

對于下節樁處于硬層和軟層的交互作用中，當樁身穿越硬層進入軟層時（涉及土層③1/③2、⑤2/⑤3），將在樁側產生明顯的向下拉應力，該拉應力將對接樁處產生明顯的不利影響。

2.3.2 施工過程分析

工期較短的條件對擠土樁[9]沉樁施工不利，并且未采用樁間砂井釋放孔隙水壓力，沉樁過程中也無第三方進行周邊環境監測，未及時發現擠土隆起的情況。

2.4 處理措施

（1）由于基坑已經開挖，大型設備無法下坑作業以及工期原因，故未采用靜力復位、打樁動力監測加動力復位。介于孔內攝像證實無滲水情況以及樁孔較大等因素，決定采用高壓旋噴樁底加固并全樁孔設置鋼筋籠灌入等強度的混凝土。

（2）采取增加高應變和靜載荷測試數量，共同完成對整改后樁的驗收依據。

3 工程實例3

國內某航空公司上海虹橋機場基地項目的基地總面積66 210m2，總建筑面積165 315m2，建筑限高48m（吳淞高程），基地分為三個區塊。其中南區共總樁數989根，采用 ?500預應力管樁（壁厚100mm）；抗拔樁580根，低應變檢測按100%普測；抗壓樁409根，按總樁數的30%抽檢。據悉該工程由業主采購上海市某一線品牌制樁企業產品，總包及監理進場驗收時把控嚴格，遇有瑕疵或不合格產品均已退回不予進場。

3.1 個別樁淺部曲線異常

在檢測過程中發現個別樁淺部（樁頂以下1.5～4.0m）曲線呈現不同程度的異常反射。部分（4根）較典型樁的低應變時域曲線如圖14所示。

圖14 部分樁低應變時域曲線圖

3.2 復測成果

（1）僅對曲線分析疑似樁頂附近存在缺陷，因反射峰距離樁頂較近，可從樁孔內部觀察以及孔內攝像探查是否真實存在缺陷，但未發現有缺陷存在（攝像至接樁處）（見圖15、圖16）。

圖15 從樁頂向孔內觀察

圖16 采用孔內攝像第一節與第二節接樁處（11 m）未見缺陷存在

（2）又懷疑管樁端板下存在混凝土欠密實對曲線淺部形成干擾，故去除端板后再次復測，復測與此前低應變成果一致（見圖17）。

圖17 去除端板后復測

3.3 查明原因及判斷

3.3.1 查明原因

經過上述幾種方法均未找出淺部曲線反射原因。查閱勘察、施工資料，發現有該種情況的樁均距離高壓旋噴較近（2m范圍之內），旋噴深度為工程樁以下約4m，加固土層為淤泥質粉質黏土、淤泥質黏土。此時有一個假設：由于高壓旋噴壓力較高，其實際土中加固平面范圍已經超過設計平面區域，已達到樁身側面且包圍樁身，當其固結后附著在樁側面，低應變的彈性波實際上是在管樁和高壓旋噴固結物中傳遞，所以曲線呈現出類似樁頂附近不規則擴徑的反射波現象。

為求證該假設是否成立，北區開挖的基坑同樣有高壓旋噴加固，選取距離高壓旋噴位置較近樁的區域進行局部開挖直接觀察。發現經高壓旋噴過的部位土體已經形成強度很高的固結物體，且超出設計范圍并將樁身側面包圍，低應變時域曲線在樁頂以下約4m處類似擴縮徑的反射波是受此影響，從而證實了該觀點的現實性。北區基坑內高壓旋噴坑底加固如圖18所示。

圖18 北區基坑內高壓旋噴樁施工坑底加固處開挖照片

3.3.2 驗證判斷

鑒于上述復測及其他探查方法驗證判斷，該種情況下的樁身完整性為合格（Ⅰ類）。

3.4 檢測措施

因高壓旋噴固結物附著造成低應變曲線異常反射的樁，通過基坑施工方法匯總，并采用孔內攝像輔助判斷其完整性，以補充低應變的不足。

4 結語

低應變反射波法檢測建立理論的一維波動方程模型，對樁身完整性只能定性，遇樁土耦合作用下往往會影響到曲線，在以上三個工程實例中都有體現。低應變反射波法具有儀器設備相較其他檢測方法小巧輕便、操作簡便快速的特點，適合大范圍、多數量快速檢測工作的需要。在工程實際運用中采用該方法檢測時，作為檢測人員需要仔細研究數據并及時分析原因，必要時需采取多種檢測手段及驗證方法來判別被測樁的完整性。對于預應力管樁、預應力空心方樁、預應力混凝土異型預制樁等具有樁孔的特點，利用樁孔進行孔內攝像法也可作為樁身完整性判定的依據之一。綜上所述，切勿僅僅依靠低應變反射波法的成果進行判定，避免誤判或漏判。