紅砂巖地區基樁完整性檢測中低應變法的效能分析與實踐研究

中圖分類號：U443.15 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）16-0078-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.16.016

Efficiency and Practice ofLow-Strain Pile Integrity Testing in Red Sandstone Areas

ZHANG Wenming' XIAO Fei2DU Hongyuan3 WANG Jun2

（1.Quzhou Manufacturing New City Panlong Enterprise Community Service Center， Quzhou 3240oo， China;

2. Zhejiang CITIC Testing Co.，Ltd.，Quzhou 3240oo， China; 3.Longyou County Urban Development Investment Co.，Ltd.， Longyou 324400， China）

Abstract：[Purposes] Pile foundations are critical components ofbridgesand buildings，whosesafety and stability directly affect structural integrity.The complex geological conditions of red sandstone areas， which are prone to disintegration， may compromise pile foundation stability.To ensure construction quality，integrity testing of pile foundations in red sandstone areas must be conducted promptly.[Methods] This study employs the low strain method for pile integrity detection in red sandstone areas.Based on one-dimensional wave theory，the method utilizes excitation devices and sensors to detect stress waves generatedbypile-top excitation，with reflected signals indicating pileconditions.[Findings]A detection system was developed following the low strain method's principles and applied to a pile foundation projectin Quzhou.Processed data successfully identified defective piles，demonstrating the system's efficacy.[Conclusions] The case study in Quzhou's red sandstone area validates the low strain method’s effectivenessin detecting common pile defects such as fractures，necking，bulging，mud inclusion，excessive sedimentthickness，weak pile toes，insufficientstrength，and segregation.However，limitations eist： constrained by pile length/diameter，defect characteristics，material properties，and geological conditions，the method cannot evaluate pile strength or bearing capacity. Thus，complementary testing methods should be integrated for comprehensive quality assessment to ensure engineering safety.

Keywords： low strain method; pile integrity;red sandstone

0 引言

近年來，我國鐵路、橋梁及建筑等各類工程建設規模逐漸擴大，灌注樁的應用范圍也日益拓寬。但在工程應用中，灌注樁成樁會受施工工藝、施工隊伍技術水平及現場土質等諸多因素影響。因此基樁檢測是工程中必不可少的環節，灌注樁樁身完整性檢測常用的方法有低應變法、高應變法、聲波透射法和鉆芯法。其中低應變法因設備輕便、檢測速度快、檢測費用低和對基樁無損檢測等優點在基樁檢測中得到廣泛應用。低應變法以一維波動理論為基礎，在樁頂施加豎向激振力時，樁體內部應力波被激發并沿樁體軸傳播。在傳播過程中，當遇到樁體截面變化（如縮徑、擴徑）結構不連續（如斷裂）或材料異質性（如夾泥）等異常情況，或樁端存在阻抗差異界面時，應力波將產生反射與透射現象。通過在樁頂布置傳感器陣列，可有效捕捉并記錄這些反射波信號，對其進行深入分析與處理，進而能夠對樁身的完整性、缺陷位置及缺陷類型等進行有效判斷。

紅砂巖地質是衢州市一種廣泛存在的地質條件，在基樁施工的過程中不可避免地會遇到這種地質。相較于其他地質條件，紅砂巖主要由顆粒狀碎屑和泥質膠狀結構組成，在開挖后容易受外界影響發生崩解，嚴重情況下會影響基樁的安全穩定，因此有必要對基樁的完整性進行檢測

1檢測原理

低應變檢測時利用錘在樁頂施加豎向激振力，此時，樁身材料會產生彈性變形，從而在樁身內產生應力波。應力波以一定的速度沿著樁身向下傳播，與細長的彈性桿傳播的彈性波相似。根據一維波動理論，應力波在樁身中的傳播速度主要取決于樁身材料的彈性模量和密度等物理性質。對于混凝土樁，其應力波傳播速度一般為 3000～4000m/s 。

根據相關規范，當樁長已知，樁底反射信號明確時，需對同一地基條件且樁型和成樁工藝相同的基樁進行檢測。取不少于5根I類樁的樁身波速值，并計算這些樁的波速平均值作為對比。時域信號特征滿足時刻前無缺陷反射波，且有樁底反射波，樁底諧振峰排列基本等間距且相鄰頻差的樁為I類樁。

2檢測關鍵

2.1 檢測數量設計

根據《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ-106—2014）[]，對采用低應變法檢測樁身完整性檢測時的檢測數量設定如下：建筑樁基設計等級為甲級，或地基條件復雜、成樁質量可靠度較低的灌注樁工程，檢測數量應不少于總樁數的 30% ，且應不少于20根；其他樁基工程，檢測數量應不少于總樁數的20% ，且應不少于10根。除符合以上規定外，每個柱下承臺檢測樁數應不少于1根。當有其他特殊要求時，可根據現場情況增加檢測數量。

2.2 現場檢測

2.2.1 檢測設備

檢測儀器的主要技術性能指標應符合相關行業標準的有關規定。瞬態激振設備應包括能激發寬脈沖和窄脈沖的力錘和錘墊；力錘可裝有力傳感器；穩態激振設備應為電磁式穩態激振器，激振力可調，掃頻范圍為 10～2000Hz 。

2.2.2 樁頭處理

樁頭材質、強度應與樁身相同，樁頭截面尺寸不宜與樁身有明顯差異[2。樁頂面應平整、密實，并垂直于樁軸線。樁頭處理時應將樁頭表面的浮漿、松散混凝土、雜物等清理干凈，直至露出堅硬、密實的混凝土表面[3。浮漿和松散混凝土會吸收和散射應力波，導致檢測信號減弱和失真，影響對樁身完整性的判斷。對于灌注樁，還需要將樁頂的超灌部分鑿除至設計標高，確保樁頭平整，以便傳感器的安裝和激振力的有效傳遞。對于不平整的樁頭應使用打磨機或其他工具將樁頭表面打磨平整，使樁頭表面的平整度誤差不超過 5mm 。不平整的樁頭會使傳感器與樁頭之間接觸不良，導致接收的信號不穩定，影響檢測結果的準確性[4]。

2.2.3 激振錘的選取

采用低應變法檢測基樁時，激振錘的選取直接影響檢測信號的質量和檢測結果的準確性。對于不同的樁型，如灌注樁、預制樁等，應根據樁的材質、剛度和長度等因素選擇合適的激振錘。對于樁身混凝土的均勻性相對較差的灌注樁，宜選用能量較大、頻率較低的激振錘，以便產生較強的應力波穿透樁身并使反射波信號更明顯；預制樁身質量相對較為均勻，可根據樁長和樁徑等具體情況選擇激振錘。大直徑樁需要較大能量的激振錘才能使樁身產生足夠的振動，以獲取清晰的反射波信號[5]。樁長較短時，應力波在樁身中傳播的時間較短，反射波信號相對容易獲取，可選用能量較小、頻率較高的激振錘，如小型手錘等，以獲得較高分辨率的反射波信號，便于準確判斷樁身的完整性。對于長樁，應力波在樁身中傳播的時間長，能量衰減大，需要選用能量較大、頻率較低的激振錘，如大質量的尼龍錘或力棒等，以保證應力波能夠傳播到樁底并產生足夠強的反射波信號，使樁底反射波能夠被清晰地識別[6]。

2.2.4測量傳感器安裝與激振操作

一般情況下，傳感器應安裝在樁頂中心位置附近。對于圓形樁，可在樁頂圓心或偏離圓心不超過樁半徑的1/10處安裝；對于方形樁，可在樁頂中心或靠近中心的位置安裝。這樣可使傳感器接收到較為對稱和均衡的應力波信號，減少因位置偏差而導致的信號失真。安裝傳感器時，應盡量避開樁頂的鋼筋。因為鋼筋會對應力波的傳播產生干擾，使傳感器接收到的信號不準確。如果無法完全避開鋼筋，應確保傳感器與鋼筋之間有一定的距離，一般不宜小于 50mm 。為了增強傳感器與樁頂之間的耦合效果，通常需要在傳感器底部涂抹適量的耦合劑。常用的耦合劑有凡士林、黃油、橡皮泥等。涂抹耦合劑時，應均勻、適量，避免耦合劑過多或過少影響耦合效果。將傳感器輕輕放置在安裝位置上，然后用手或其他工具輕輕按壓傳感器，使其與樁頂緊密貼合，擠出多余的耦合劑[7]。

2.2.5傳感器和激振點布置

傳感器檢測點應沿樁心對稱分布，依據樁徑尺寸設定數量為2～4個。激振源應優先布設于樁體中心區域，而傳感器檢測點宜設置于距樁心2/3半徑范圍內。當檢測對象為超大直徑樁基或樁體上部幾何形態不規則時，除執行標準測點布置方案外，推薦實施多位置信號采集策略，即通過時域信號特征分析動態調整激振源與傳感器的空間坐標。在數據采集過程中，若不同檢測點或多次采集的時域信號呈現顯著離散性，應進行成因分析并擴充測點數量以滿足檢測精度要求。相關檢測規范明確要求，單個檢測點有效信號采集量不應低于3組，并依據時域信號所揭示的樁身完整性特征，決定是否實施激振位點遷移或測點增補等后續檢測方案。該技術體系通過多維度信號對比分析，可有效提升樁基缺陷識別的可靠性和完整性評估的準確性[8]。

3數據處理

對同一地區采集的數據進行處理，根據《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ-106—2014）選取不少于5根I類樁的樁身波速值，按式（1）至式（3）計算其平均值。

c_i=2L?Δf

以上式中： c_m 為樁身波速平均值， m/s;c_i 為第 i 根受檢樁的樁身波速值， m/s ，且 ∣c_i-c_m∣/c_m 不宜大于5% ；L為測點下樁長度， m;ΔT 為速度波第一峰與樁底反射波峰間的時間差， ms;Δf 為輻頻曲線上樁底相鄰諧振峰間的頻差， Hz;n 為參加波速平均值計算的基樁數量， n?5 。

無法滿足I類樁少于5根的條件時，可根據該地區相同成工藝及相同樁型的其他樁基工程的實測值和樁身混凝土骨料品種及強度等級確定波速平均值。樁身缺陷位置可根據式（4）和式（5）計算。

以上式中： x 為樁身缺陷位置到傳感器安裝點的距離， m;Δt_x 為速度波的第一峰與缺陷反射波峰之間的時間差， ms;c 為受檢樁的樁身波速， m/s ，若無法確定樁身波速，可采用樁身波速的平均值代替； Δf^′ 為幅頻信號曲線上缺陷相鄰諧振峰之間的頻差， Hz 。最后可根據缺陷反射波出現的時間與2L/c 時刻比較判定樁身完整性的類別[9]。

4 工程實例

本研究以衢州某工程為例，樁基采用機械旋挖灌注樁，樁徑 700mm 的有53根，樁徑 800mm 的有16根，設計樁長均為 9m 。樁基礎持力層為3-3中風化砂巖，樁伸入持力層的長度不小于 4D（D 為樁直徑）。混凝土強度等級為C30水下混凝土。灌注樁成樁之后首先采用低應變法進行樁身完整性檢測抽樣，低應變檢測的KBZ-935#樁信號曲線如圖1所示。經測量發現波速為 3758m/s ，實際樁長為 9.2m ，缺陷位置經式（5）計算可知在 9.24m ，缺陷反射波出現時間為 4.85s ，出現在 2L/c 時刻前，有明顯反射波，缺陷類型初步判定為Ⅲ類。

圖1KBZ-935#樁低應變法信號曲線

5結果分析

5.1基樁常見缺陷

① 斷裂：樁身受到過大的彎矩、剪力或施工過程中的不當操作等，可能導致樁身出現斷裂現象，使樁的承載能力大幅下降，嚴重影響基樁的安全性和穩定性。 ② 縮頸：在灌注樁施工過程中，由于混凝土坍落度不合適、拔管速度過快等原因，可能使樁身局部直徑變小，形成縮頸。縮頸部位的樁身截面積減小，承載能力降低，容易引發樁身破壞。 ③ 擴頸：主要由樁孔在成孔過程中局部孔徑過大，或混凝土在灌注時側向壓力不均勻等原因造成。擴頸會使樁身的有效承載面積不均勻，影響樁的承載性能和沉降特性。 ④ 夾泥：在灌注樁施工中，孔壁泥土或雜物掉入樁孔內，或混凝土灌注過程中出現離析等情況，都可能導致樁身夾泥。夾泥會降低樁身混凝土的強度和樁土之間的摩擦力，影響樁的承載能力。 ⑤ 沉渣過厚：在灌注樁成孔后，孔底的泥土、碎石等雜物未清理干凈，或在混凝土灌注前孔底又有新的沉淀物產生，導致樁底沉渣過厚。這會使樁端阻力無法有效發揮，降低樁的承載能力，還可能導致樁身沉降過大。 ⑥ 樁底軟弱：當樁底持力層為軟弱土層或存在軟弱夾層時，樁底的承載能力不足，在荷載作用下容易發生沉降和變形，影響基樁的穩定性和安全性。 ⑦ 強度不足：混凝土配合比不當、原材料質量不合格、施工過程中振搗不密實等，導致樁身混凝土強度達不到設計要求。強度不足的樁身在承受荷載時容易出現破壞，影響基樁的可靠性。 ⑧ 離析：混凝土在攪拌、運輸或灌注過程中，各種原因導致水泥漿、骨料等分離，使樁身混凝土的均勻性變差。離析后的混凝土強度和耐久性都會降低，容易在樁身內部形成薄弱部位，引發樁身缺陷[10]。

5.2 低應變法的局限性

5.2.1 樁長和樁徑的限制

低應變法的有效檢測樁長通常受到樁身材料波速和激振能量的限制。一般來說，對于較長的樁，應力波在傳播過程中會發生衰減和彌散，導致樁底反射信號微弱甚至難以識別，從而影響對樁身完整性的準確判斷。在實際工程中，對于超過 30m 的灌注樁，低應變法檢測結果的可靠性可能會降低。

大直徑樁的樁身截面較大，在樁頂激振時，應力波在樁身內的傳播路徑復雜，不同位置的反射波相互疊加和干擾，使得樁身缺陷的反射信號難以準確識別和分析。例如，對于直徑大于 2m 的大直徑灌注樁，低應變法檢測時容易出現誤判或漏判的情況[]

5.2.2 缺陷類型和位置的判斷精度

低應變法主要通過反射波的相位、幅值等特征來判斷樁身缺陷，但對于一些復雜的缺陷類型，如漸變縮頸、離析與夾泥并存等，僅依靠反射波特征難以準確區分。不同類型的缺陷可能會產生相似的反射波信號，導致檢測人員對缺陷類型的判斷存在一定的模糊性。應力波在樁身中的傳播速度并非完全均勻，且受樁身材料、周圍介質等多種因素影響，使根據反射波時間計算出的缺陷位置存在一定誤差。特別是對于深部缺陷，應力波傳播路徑長，微小的波速變化都可能導致缺陷位置判斷出現較大偏差。

5.2.3 樁身材料和地質條件的影響

當樁身材料不均勻，例如，存在不同強度等級的混凝土、鋼筋分布不均勻等情況時，會導致應力波在樁身內的傳播特性發生變化，影響反射波信號的特征和傳播時間，給檢測結果的分析帶來困難。

在地質條件復雜的地區，若存在溶洞、孤石、軟硬夾層等，應力波在樁身與周圍巖土介質的界面處會發生復雜的反射和折射，其會干擾樁身缺陷反射波信號，使得對樁身完整性的判斷更加復雜和困難。

5.2.4無法檢測樁身強度和承載力

低應變法主要關注樁身的完整性，無法直接獲取樁身混凝土的強度信息。雖然樁身完整性與強度有一定的相關性，但不能僅憑完整性檢測結果準確推斷樁身強度是否滿足設計要求。該方法不能直接確定基樁的承載力大小，對于樁的承載能力評價，需要結合其他檢測方法，例如結合靜載試驗等進行綜合判斷。低應變法檢測樁身完整性主要依據反射波的波形特征來判斷，對于缺陷的性質、大小和具體位置的判斷多基于經驗和理論分析，主觀性較強。同時易受樁周土影響，當樁周土的剛度較大或存在局部異常時，可能會掩蓋樁身本身的缺陷反射信號，或者產生虛假的反射信號，導致對樁身完整性出現誤判。低應變法主要側重于樁身的完整性檢測，無法直接獲取樁身混凝土的強度信息，對于樁身質量的評估不夠全面，需要結合其他檢測方法如鉆芯法或聲波透射法等綜合判斷樁身的質量狀況。

6結論

① 低應變法檢測原理與關鍵技術。低應變法以一維波動理論為基礎，通過在樁頂施加豎向激振力，利用傳感器接收樁身內應力波的反射信號，從而判斷樁身完整性、缺陷位置及類型等。在檢測過程中，需根據規范要求確定檢測數量，確保檢測設備性能達標，做好樁頭處理、激振錘選取、傳感器安裝與激振操作以及信號采集與篩選等關鍵環節，這些步驟對于獲取準確可靠的檢測數據至關重要，任何一個環節的失誤都可能影響最終的檢測結果。

② 低應變法在工程實例中的應用及基樁常見缺陷。本研究以衢州某工程為例，展示了低應變法在實際工程中對機械旋挖灌注樁樁身完整性檢測的應用過程，通過對KBZ-935#樁進行檢測分析，確定其樁身缺陷類型初步為Ⅲ類。同時，歸納了基樁常見的缺陷類型，包括斷裂、縮頸、擴頸、夾泥、沉渣過厚、樁底軟弱、強度不足和離析等，這些缺陷會嚴重影響基樁的承載能力、穩定性和可靠性，在工程建設中需高度重視并采取相應的預防和檢測措施。

③ 低應變法檢測的局限性及綜合檢測的必要性。低應變法雖然具有設備輕便、檢測速度快、費用少且無損等優點，但也存在諸多局限性，如檢測樁長和樁徑受限，對于長樁和大直徑樁檢測結果可靠性降低；缺陷類型和位置判斷精度不足，易受樁身材料和地質條件影響，且無法直接檢測樁身強度和承載力。因此，在基樁檢測中，不能僅依賴低應變法，而應結合鉆芯法、聲波透射法或靜載試驗等其他檢測方法進行綜合判斷，以更全面、準確地評估樁身質量狀況，確保工程的安全與穩定。

參考文獻：

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑基樁檢測技術規范：JGJ-106—2014[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[2]廣東省住房和城鄉建設廳.建筑地基基礎檢測規范：DBJ/T15-60—2019[S].北京：中國城市出版社，2019.

[3]深圳市住房和建設局.建筑基樁檢測標準：SJG09—2024[S].北京：中國建筑工業出版社，2024.

[4]黃東煉.低應變法和聲波透射法在樁基檢測中的綜合應用研究[J].廣東建材，2024，40（12）：64-67.

[5]張穎博.低應變法和聲波透射法在軟土地區內支撐結構下灌注樁樁身完整性檢測中的綜合應用研究[J].廣東建材，2021，37（6）：32-33，41.

[6]孟新秋.低應變法與鉆芯法結合在樁長檢測中的應用[J].土工基礎，2024，38（1）：139-142.

[7]范偉，王碧波.低應變反射波法在工程基樁檢測中的應用[J].廣東建材，2024，40（11）：74-77.

[8]王否.鉆孔取芯法驗證低應變法和超聲波法檢測[J].廣東建材，2024，40（10）：37-39.

[9陳育光.聲波透射法及鉆芯法在建筑樁基檢測中的應用研究[J].江蘇建材，2023（6）：43-45.

[10]楊智南.鉆芯法在樁基混凝土檢測中的應用效果研究[J].四川水泥，2024（6）：127-129.

[11]羅云烈，魯傳恒，陶華飛，等.多種檢測方法在軟土地區橋梁樁基檢測中的綜合應用[J].城市道橋與防洪，2023（11）：215-218，326.

（欄目編輯：孫艷梅）