不同基樁完整性檢測方法的對比分析與評價

蔡杰龍，張君祿，蔡燦旭，王梓鑫，鄧忠啟

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635;2.廣東省水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635;3.廣東省水利重點科研基地，廣東 廣州 510635)

1 概述

基樁是樁基礎(chǔ)中單樁，其主要作用是將建筑物上部結(jié)構(gòu)荷載均勻傳遞到地下土層(或巖層)，是整個建筑物結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位。基樁屬于隱蔽的地下基礎(chǔ)工程，在工程隱蔽前基樁施工質(zhì)量的好壞關(guān)系著整個工程的質(zhì)量與安全[1-3]。根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)[4]的規(guī)定，工程樁應(yīng)進(jìn)行承載力和樁身完整性檢驗，其中不同類型的混凝土預(yù)制樁和灌注樁質(zhì)量檢驗主控項目均包括承載力和樁身完整性。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]的規(guī)定，基樁驗收檢測時，宜先進(jìn)行樁身完整性檢測，后進(jìn)行承載力檢測。由此可見，基樁樁身完整性是工程樁施工質(zhì)量的重要控制指標(biāo)，關(guān)系著整個基礎(chǔ)工程和建筑物結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與安全。

根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[5-8]的定義，基樁的“樁身完整性”是反映樁身截面尺寸相對變化、樁身材料密實性和連續(xù)性的綜合定性指標(biāo)；“樁身缺陷”是指在一定程度上使樁身完整性惡化，引起樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性降低，出現(xiàn)樁身斷裂、裂縫、縮頸、夾泥(雜物)、空洞、蜂窩、松散等不良現(xiàn)象的統(tǒng)稱。參照國內(nèi)各行業(yè)和地方現(xiàn)行不同檢測標(biāo)準(zhǔn)，基樁完整性常用檢測方法包括有低應(yīng)變法、聲波透射法、鉆芯法和高應(yīng)變法四種。在實際工程應(yīng)用中，根據(jù)各種檢測方法的適應(yīng)范圍和特點，結(jié)合地基條件、樁型及施工質(zhì)量可靠性、使用要求等因素，我們應(yīng)合理選擇檢測方法，科學(xué)客觀準(zhǔn)確判斷樁身完整性，為基礎(chǔ)工程隱蔽驗收和整個建筑物結(jié)構(gòu)質(zhì)量與安全評價提供重要依據(jù)。為此，本文基于工程應(yīng)用實例對比分析并綜合評價以上4種不同基樁完整性檢測方法在工程基樁檢測中的優(yōu)劣勢，這對于工程科學(xué)合理選擇檢測方法，輔助工程參建各方評定工程施工質(zhì)量具有重大的意義。

2 檢測方法簡介

2.1 低應(yīng)變法

低應(yīng)變法是采用低能量瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)方式在樁頂激振，實測樁頂部的速度時程曲線，或在實測樁頂部的速度時程曲線同時，實測樁頂部的力時程曲線。通過波動理論的時域分析或頻域分析，對樁身完整性進(jìn)行判定的檢測方法[5]。

低應(yīng)變法激振能量較低，測試方法簡便快捷，對基樁無破壞性，同時測試成本低，檢測效率高，適用于檢測數(shù)量較大的基樁檢測。

2.2 聲波透射法

聲波透射法是在預(yù)埋聲測管之間發(fā)射并接收聲波，通過實測聲波在混凝土介質(zhì)中傳播的聲時、頻率和波幅衰減等聲學(xué)參數(shù)的相對變化，對樁身完整性進(jìn)行檢測的方法[5]。

聲波透射法檢測方法簡便，對場地要求不高，檢測效率高，對基樁無破壞性，缺點是需要在基樁施工過程中預(yù)埋聲測管，聲測管在施工過程中容易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，需要施工人員對施工過程工藝進(jìn)行嚴(yán)格的控制。同時，根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，對于樁徑小于0.6 m的樁，不宜采用本方法進(jìn)行樁身完整性檢測[5]。

2.3 鉆芯法

鉆芯法是用鉆機(jī)鉆取芯樣，檢測樁長、樁身缺陷、樁底沉渣厚度以及樁身混凝土的強(qiáng)度，判定或鑒別樁端巖土性狀的方法[5]。

鉆芯法可以直觀反映樁身完整性，并對缺陷類型進(jìn)行準(zhǔn)確的定性，檢測結(jié)果可靠性較高。然而，鉆芯法的缺點是對基樁具有一定的破壞性，需要進(jìn)行灌漿補(bǔ)孔封閉，檢測效率較低，且檢測成本相對較高。

2.4 高應(yīng)變法

高應(yīng)變法是用重錘沖擊樁頂，實測樁頂附近或樁頂部的速度和力時程曲線，通過波動理論分析，對單樁豎向抗壓承載力和樁身完整性進(jìn)行判定的檢測方法[5]。

高應(yīng)變法的優(yōu)點是可以在檢測基樁的完整性的同時反映基樁的豎向承載力，但對場地條件和試驗條件要求比較高，需要大型起重設(shè)備配合，且一般情況需要加做樁帽，樁帽需要一定齡期，相比較于其它基樁完整性檢測方法，檢測效率較低，檢測成本較高。

3 不同方法的對比分析與評價

3.1 低應(yīng)變法與聲波透射法

本次以某工程中的混凝土灌注樁案例進(jìn)行對比分析，該工程樁設(shè)計樁長為21.2 m，樁徑為800 mm，本次在基樁施工滿28 d后分別進(jìn)行低應(yīng)變法和聲波透射法檢測。

根據(jù)圖1低應(yīng)變實測曲線可知，該樁在深度3.63 m左右存在1個同相反射波，根據(jù)波形初步判斷為輕微缺陷，可是混凝土膠結(jié)較差或輕微離析所致；在深度9.86 m左右存在1個先同相后反相的反射波，根據(jù)波形判斷為輕微縮頸所致。因以上均為輕微缺陷，且有樁底反射波，波速正常，根據(jù)JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》中表8.4.3樁身完整性判定標(biāo)準(zhǔn)[5]判定該樁為Ⅱ類樁。

圖1 低應(yīng)變實測時速曲線示意

根據(jù)圖2聲波透射法波列圖可知，該樁在1-2、2-3和1-3剖面(深度范圍分別為3.2～3.7 m、3.7～3.8 m和3.5～3.9 m)均存在聲學(xué)參數(shù)明顯異常、波形明顯畸變的異常聲測線，且異常聲測線均在3個檢測剖面的一個區(qū)段內(nèi)縱向連續(xù)分布，異常區(qū)段均在樁身同一深度范圍內(nèi)橫向分布。同時，根據(jù)表1計算所得的聲學(xué)參數(shù)可知，該樁3個檢測剖面在連續(xù)多個測點或某一深度樁截面處的聲速、波幅值均小于臨界值。由此，根據(jù)JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》中表10.5.11樁身完整性判定標(biāo)準(zhǔn)[5]判定該樁為Ⅳ類樁。

圖2 聲波透射法波列示意

表1 聲波透射法聲學(xué)參數(shù)

根據(jù)以上低應(yīng)變法和聲波透射法數(shù)據(jù)對比分析可知，兩種方法均能對該工程樁在深度3.6 m左右位置的缺陷進(jìn)行定位，但低應(yīng)變時域曲線在3.63 m處僅出現(xiàn)輕微缺陷反射波，與聲波透射法相比，其無法準(zhǔn)確定位該缺陷的深度范圍，究其原因，主要因低應(yīng)變是一維應(yīng)力波，而超聲波是三維應(yīng)力波，兩種方法對缺陷反映程度不一樣所致。同時，低應(yīng)變法反映在深度9.86 m存在輕微缺陷反射波，缺陷類型初判為縮頸所致，但聲波透射法在該深度的聲測線并未發(fā)現(xiàn)明顯異常，究其原因，這與聲波透射法僅能識別聲測管內(nèi)部混凝土的缺陷有關(guān)，聲測管外圍的混凝土是測試盲區(qū)。另外，根據(jù)樁身完整性判定結(jié)果可知，兩種不同方法對于同一根樁判定結(jié)果亦不相同，低應(yīng)變法判定結(jié)果為Ⅱ類樁，聲波透射法判定結(jié)果為Ⅳ類樁。

綜上分析，聲波透射法對缺陷位置、范圍和程度判定準(zhǔn)確性整體優(yōu)于低應(yīng)變法。因此，在實際工程應(yīng)用中，基于準(zhǔn)確性考慮，對于設(shè)計要求與重要性較高的基樁樁身完整性的檢測建議優(yōu)先采用聲波透射法。

3.2 低應(yīng)變法和高應(yīng)變法

本次以某工程中的混凝土灌注樁案例進(jìn)行對比分析，該工程樁施工樁長為21.67 m，樁徑為800 mm，單樁豎向承載力特征值為1 400 kN，本次在基樁施工滿28 d后分別進(jìn)行低應(yīng)變法和高應(yīng)變法檢測。

根據(jù)圖3低應(yīng)變實測曲線可知，該樁樁身在淺部位置出現(xiàn)1個先同相后反相的缺陷反射波，初判為淺部出現(xiàn)輕微縮頸所致。同時，根據(jù)曲線可知樁底信號并不明顯。

圖3 低應(yīng)變實測時速曲線示意

根據(jù)圖4高應(yīng)變速度波形曲線可知，該樁在15.0 m左右存在輕微缺陷反射波，樁底信號較明顯。

圖4 高應(yīng)變力和速度波形曲線示意

根據(jù)兩種方法不同曲線對比分析可知，對于同一根樁，低應(yīng)變法和高應(yīng)變法實測的時速曲線存在一定差異。該兩種方法測試原理基本一致，但在錘擊的能量和頻率方面存在差異。低應(yīng)變法錘擊能量低，測試頻率高，更容易識別淺部微小缺陷，高應(yīng)變法錘重比較大，測試頻率比較低，較容易忽略了淺部的缺陷特征。另外，低應(yīng)變只使用1個通道，高應(yīng)變采用多個通道，其中力通道信號特征和速度通道信號特征相反，兩者可相互補(bǔ)充輔助分析。

綜上分析可知，低應(yīng)變法和高應(yīng)變法測試原理一致，但對缺陷的識別各有優(yōu)勢。從工程應(yīng)用效果分析可知，低應(yīng)變法操作簡便，檢測效率高，費用低，而高應(yīng)變法一般應(yīng)加做樁帽，對場地條件和試驗條件要求比較高，需要大型起重設(shè)備配合，檢測效率低，一般多用于基樁豎向承載力的檢測，不單獨用于檢測樁身完整性。

3.3 聲波透射法和鉆芯法

本次以某工程中的混凝土灌注樁案例進(jìn)行對比分析，該工程樁施工樁長為32 m，樁徑為1 600 mm，本次在基樁施工滿28 d后進(jìn)行聲波透射法檢測。

根據(jù)圖5聲波透射法波列影像圖可知，該樁在樁頂0.0～2.0 m和22.0～25.0 m范圍內(nèi)均存在聲學(xué)參數(shù)嚴(yán)重異常、波形嚴(yán)重畸變的異常聲測線，且異常聲測線均在3個檢測剖面的1個區(qū)段內(nèi)縱向連續(xù)分布，2個異常區(qū)段均在樁身同一深度范圍內(nèi)橫向分布。

圖5 聲波透射法波列影像示意

在完成聲波透射法檢測后，本次利用鉆芯法對該樁20.0～25.0 m范圍內(nèi)的樁身完整性進(jìn)行鉆孔取芯驗證。鉆芯結(jié)果如圖6所示。

圖6 鉆孔取芯驗證孔芯樣示意

根據(jù)鉆芯驗證孔結(jié)果可知，該樁20.5～22.1 m樁身范圍內(nèi)的混凝土芯樣連續(xù)、完整、膠結(jié)好，芯樣側(cè)表面光滑，芯樣呈長柱狀、斷口吻合；22.1～23.2 m樁身范圍的混凝土芯樣膠結(jié)較好，但呈短柱狀；23.2～25.1 m范圍的混凝土芯樣完整性和膠結(jié)質(zhì)量較差，芯樣呈破碎狀。根據(jù)鉆芯驗證結(jié)果分析初步判定該樁在22.1～25.1 m樁身范圍內(nèi)存在嚴(yán)重缺陷，與聲波透射法檢測結(jié)果基本一致。結(jié)合該樁的施工記錄分析可知，該缺陷主要是混凝土在澆筑過程出現(xiàn)嚴(yán)重離析所致。

根據(jù)兩種方法的檢測結(jié)果對比分析可知，聲波透射法能夠準(zhǔn)確識別聲測管范圍內(nèi)的混凝土缺陷的位置和范圍，鉆芯法則能夠直觀準(zhǔn)確反映鉆孔范圍內(nèi)混凝土缺陷的位置、范圍、類型和程度，兩種方法各有優(yōu)劣勢，聲波透射法對基樁無損，測試盲區(qū)在聲測管外圍，鉆芯法則有損，僅能反映鉆孔范圍內(nèi)小部分混凝土的質(zhì)量。

4 結(jié)語

基樁完整性的準(zhǔn)確判定關(guān)系著整個基礎(chǔ)工程和建筑物結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與安全。當(dāng)前，常用的基樁完整性檢測方法有四種，包括低應(yīng)變法、聲波透射法、鉆芯法和高應(yīng)變法，其中工程應(yīng)用中各有優(yōu)勢，亦存在不同的局限性。基于以上工程應(yīng)用實例對比分析與綜合評價結(jié)果可知，低應(yīng)變法能夠基本準(zhǔn)確定位整樁樁身缺陷的位置，但無法準(zhǔn)確識別缺陷的范圍和程度；聲波透射法能夠準(zhǔn)確識別聲測管范圍內(nèi)的混凝土缺陷的位置和范圍，但聲測管外圍是測試盲區(qū)；高應(yīng)變法較容易識別樁底信號，但亦容易忽略了淺部的缺陷特征；鉆芯法則能夠直觀準(zhǔn)確反映混凝土缺陷的位置、范圍、類型和程度，但僅能反映鉆孔范圍內(nèi)小部分混凝土的質(zhì)量。

基于以上分析結(jié)果，建議在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同基樁的特點、要求和試驗條件科學(xué)合理選擇相應(yīng)的樁身完整性檢測方法。其中，設(shè)計等級或重要性較高的基樁完整性建議優(yōu)先采用聲波透射法進(jìn)行檢測，地基條件簡單且施工質(zhì)量可靠性較高的基樁建議優(yōu)先采用低應(yīng)變法，有豎向抗壓承載力要求的基樁完整性可結(jié)合高應(yīng)變法進(jìn)行判定，以上檢測結(jié)果有疑問宜采用鉆芯法進(jìn)行驗證并綜合評定。