旁孔透射波法檢測既有建筑樁基的應用與分析

趙珍 張雪 鄭州市建設工程質量檢測有限公司

一、旁孔透射法測試原理

旁孔透射法是在樁頂面（或與樁頂聯結的承臺、樁帽等上部結構）上用手錘（力棒）垂直方向敲擊產生應力波，并沿著樁身向下傳播，遇到周圍土層進行透射，在樁旁邊事先鉆好的孔內放置傳感器來接收透射波信號，由此讀取不同深度的波時并繪制初至時間一深度關系圖。當傳感器低于樁底時，則聲速將會改變，會在時間一深度圖上顯示一個拐點，由圖中直線斜率發生變化的位置來推斷樁的長度，兩條直線的斜率可以分別用來推斷樁身平均波速和樁底持力層的波速。

二、旁孔透射波法檢測研究現狀

作為常見的無損檢測方法之一，低應變反射波法具有成本低、效率高、操作性強等優點，在樁基檢測中廣泛應用。然而當樁身上部存在承臺或結構時，應力波會沿激振點傳至承臺或上部結構處發生反射，形成極為復雜的上、下行應力波列，可造成有效反射信號提取困難，因此，這種檢測方法通常用于非長樁和深度不大的樁身缺陷檢測。而在此基礎上發展的旁孔透射波法（Parallel Seismic test，PS Test）只需要獲取首至波信息，不受樁頂以上承臺或上部結構的干擾。有效信號的傳輸時間僅為低應變反射波法的1/2，能量衰減特性不強。

旁孔透射波法最早由DAVIS 在法國應用于檢測既有建筑物的基礎深度。隨后OLSON 和WANG 等及國內學者將此方法用于橋梁基礎深度檢測，李軍采用旁孔透射波法對鐵路地基樁基質量進行了檢測。旁孔透射波法檢測的既有房屋樁基，包括打入樁、人工挖孔樁、沉管灌注樁等，涉及混凝土預制樁和混凝土灌注樁等。黃大治等通過建立三維樁-土有限元模型分析了飽和和非飽和土地基中完整樁和缺陷樁的旁孔透射信號，表明旁孔透射波法同樣適用于水泥攪拌樁的質量檢測。除此之外，該方法在特定條件下可與動力觸探、磁測井法等方法相結合共同達到檢測精度的要求。以上實用案例說明旁孔透射波法現已成功應用于橋梁、鐵路、房建等多領域、多形式、多施工工藝的樁基質量檢測，因此旁孔透射波法具有巨大的應用前景。

三、工程概況

某既有建筑基礎采用直徑500mm、壁厚65mm 的高強預應力混凝土薄壁管樁，樁身混凝土強度設計等級為C60，設計樁長33m（分3 節，每節長11m）。在進行單樁豎向抗壓靜載試驗時，發現1 根試樁的承載力偏低且與設計要求相差較大。在檢測該樁的長度是否達到設計要求的過程中，因存在樁身接頭反射干擾，以及整樁的長徑比過大（L/d=66），樁底反射難以辨識，因而低應變反射波法檢測難以給出可信的結論。于是，在樁側鄰近地基土中鉆孔埋管（旁孔距約為10cm，可測深度37m），嘗試采用了歐美國家用于檢測既有工程樁長的旁孔透射波法和磁法聯合試驗來解決問題。

在整個設計樁長范圍內，旁孔透射波信號上的首至P 波均清晰可辨，且在深度大約超過11m 后，波形特征發生了較為明顯的變化。但在當時采用這種檢測技術時，尚無缺陷樁的旁孔透射波信號特征和樁身缺陷的分析方法，只能將樁底以上首至P 波的時深關系擬合成一條直線，意味著認為樁身是完整無缺陷的。但是，由該擬合直線關于橫坐標（時間）的斜率確定的樁身P 波速度僅約為3650m/s。這對C60 的先張法預應力鋼筋混凝土管樁來說，這個波速值顯然偏低了。因此，不能認為該基樁樁身質量完好。

工程場地地下水位埋深淺，可近似按均質飽和地基來分析被檢基樁的旁孔透射波特性。在鉆孔測試深度范圍內，可將首至P 波時深關系分成4 個區段，其中與樁身有關的3 個區段是上、下各1 條直線及其之間的過渡段，最下方是樁底以下土層對應的直線段。與樁身對應的首至波時深關系上的兩條直線基本平行，由其斜率分別得到樁身P 波速度為3945m/s 和3750m/s，均值為3848m/s，與用錘擊法測試C60 混凝土P 波速度的常見范圍基本相符；對與樁底以下相關的直線，由其斜率確定飽和地基土的P 波速度為1346m/s，與飽和軟黏土P 波速度的常見范圍相符。

取正常樁身P 波速度Vpp=3848m/s，它與地基土P 波速度之比n=2.86。旁孔距D = 0.1m，則樁身完整段的P 波透射深度zP = 0.04m。在樁長范圍內，旁孔首至P 波時深關系由兩條平行線及其之間的過渡段構成，表明該試樁樁身存在缺陷。可以推測，該段樁身在打樁施工和豎向抗壓靜載試驗過程中已遭受損壞，從而導致樁頂在明顯低于設計要求的極限承載力對應的荷載下發生急劇的沉降。

與缺陷以下完整樁身相關的下一條直線與樁底以下土相關的直線之交點深度為31.5m。可采用相關公式計算出樁底埋深為31.4m，比3 節預制樁長度33m 小約4.8%。試樁頂面離場地表面的高差、樁身缺陷段在豎向抗壓靜載試驗過程中破損壓縮，均會使樁底埋深小于3 節預制樁的長度。

樁頂沉降為樁身壓縮量與樁底沉降之和。在靜載試驗加載過程中，若樁底沉降正常，但樁身缺陷段受壓破壞而產生較大的壓縮量，則樁頂便會出現驟增的沉降。在這個工程實例中，工程樁的抗壓特性應屬于端承摩擦型的，樁底埋深即使略有不足，也不會嚴重降低基樁的極限承載力。

通過旁孔透射波法檢測分析結果，筆者認為，該試樁在豎向抗壓靜載試驗中出現異常的主要原因，很可能是因為樁身中部存在缺陷段或被打樁擠土效應產生了豎向彎曲，在加載到一定數值后發生樁身破壞所致。

四、結語

綜上所述，在樁基檢測的過程中，除了常規的地下樁基以外，有時候還會遇到需要檢測深基礎中基樁、既有建筑下基樁的長度及完整性的情況。目前廣泛應用于樁基檢測的設備主要是用反射波法，此方法在基礎頂部不能進入或者樁太長、太細（即樁的長徑比過大），還有樁身淺部有嚴重缺陷的基樁，以及低承臺樁等，無法應用低應變反射波法進行測試。此時，可考慮利用旁孔透射波法進行檢測。對于基樁，由于樁身透射到旁孔的彈性波路徑短、干擾小且能反映缺陷以下樁身質量及樁底位置信息等優勢，所以旁孔透射波法比常用的反射波法能夠更為全面可靠地評價樁基質量狀況。