前言
混凝土钻孔灌注桩是工程中常用的基桩形式之一,它适用于各种复杂的地质条件,具有质量优、承载能力强、造价低廉的优点,但钻孔灌注桩从钻孔开始到完成混凝土的灌注要经过多道施工工序,受地质条件、施工管理、机械设备、技术水平、原材料及配合比等因素的影响很大,在施工过程中稍有不慎极易发生断桩事故或出现严重缺陷。据统计,国内外钻孔灌柱桩的事故率高达5%～10%。因此,钻孔灌注桩的完整性检测就显得格外重要。
在工程检测中, 对基桩缺陷的误判、漏判, 往往给工程安全造成隐患或致使建筑物产生不均匀沉降等工程质量事故。如何最大限度地减少误判和漏判? 以下将从测试原理角度并结合工程实例作一些分析探讨。
一、低应变反射波法的原理
低应变反射波法基桩完整性检测是一种使用比较广泛的基桩完整性检测方法, 是将弹性固体内应力在一维空间的传播作为理论基础。即桩长远远大于桩径时(有资料认为长径比大于一个数量级以上)，可将桩作为一维弹性杆件。利用手锤(或力棒) 在桩顶施加一小冲击力F( t) , 激发应力波沿桩身传播, 应力波在传播过程中如遇到桩截面缩径, 扩径, 砼离析, 断桩等缺陷或桩底时, 波阻抗将发生变化, 从而使得应力波在该截面发生反射, 利用安装在桩顶的传感器(加速度计或速度计) 接收由初始信号和桩身缺陷或桩底产生的反射信号组合的时程曲线, 利用信号采集分析仪对所记录的带有桩身质量信息的波形进行处理和分析, 并结合有关地质资料和施工记录对桩的完整性作出判断。桩顶接收到的时域信号还包括桩侧土阻力的增加(增大)或减小(表现为波阻抗减小)而引起的叠加信息, 因此可以根据时域曲线异常反射信号的位置来判断桩缺陷的深度及对桩实际长度加以核对, 根据反射信号的相位变化或频率分析来判断桩缺陷的性质, 根据反射信号的幅值，用时域拟合曲线方法来确定桩缺陷的程度。
数学理论公式如下:
(1) 应力波在混凝土中的传播速度为：
C = (E/P)1/2
(2) 定义桩阻抗为：
Z = EA/C = A × (EP)1/2 = ACP
C——纵波在桩身混凝土中的传播速度，m/s;
E——混凝土的弹性模量，N/m2;
P——混凝土的密度,kg/m3。
Z——广义波阻抗，Ns/m;
A——桩身的截面积，m2。
从此公式可以看出, 阻抗Z与桩身截面积及混凝土的强度有关。
(3) 当应力波V 从阻抗Z1 介质进入阻抗Z2 介质, 会产生反射波Vf和透射波Vt;
Vf = V×(Z 1 - Z 2)/(Z 1 + Z 2)
桩基的检测波形还与桩侧土阻力有关,通常认为突变较大的反射信号以桩身阻抗变化为主, 而渐变范围较大的反射信号受土阻力影响大。完整桩的时域波形呈规律递减，波形曲线形态平滑，波速较高，有1次或几次明显的桩底反射信号，桩底反射波信号与入射波同相。对于离析桩，一般反射波形不规则，反射不明显，且波幅会出现陡降。缩颈桩，时域波形中常见到缩颈反射与桩底反射信号，缩颈处会出现几次反射信号。扩颈桩处反射波相位与入射波相位相反，波频不变。断桩及严重缺陷桩，缺陷的上界面处可能产生强烈的正向波，下界面不产生负向波。夹泥桩通常反射波相位与入射波相位相同，但一般反射波波幅会发生畸变现象。
二、工程实例分析
按《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2003),根据检测结果可将桩的质量分为四类,即:
Ⅰ类桩:动测波形规则衰减,桩底反身清晰。桩身完好,达到设计桩长。波速正常,混凝土强度高于设计强度等级。
Ⅱ类桩:动测波形有小畸变,桩底反射清晰。桩身有小缺陷,如扩颈、轻度缩颈、局部轻度离析等,对单桩承载力没影响。
Ⅲ类桩:动测波形出现较明显的不规则反射,对应桩身缺陷如:裂纹、离析、缩颈1/ 3 桩截面以上,波速偏低,混凝土达不到设计强度等级,对单桩承载力有一定影响。
Ⅳ类桩:动测波形严重畸变,对应桩身缺陷如:裂缝、严重离析、夹泥、严重缩颈、断裂、桩长严重不足或与持力层没有充分接触等。Ⅳ类桩不能被工程使用。
某工程设计采用泥浆护壁钻孔灌注桩，地层从上到下顺序为杂填土层、黄色粉质粘土层、灰色粉质粘土层、细砂层、中砂层及卵石层，设计桩端持力层为卵石层，设计桩长7.5m左右，混凝土强度C25，桩径400mm。检测前地表土层已挖除2.0m，实际桩长5.5m左右。下面结合工程实际情况做进一步分析：
1#桩测试波形如图2所示，桩间曲线平直，桩底反射清晰，检测时混凝土龄期20天以上，波速为3460m/s，属于正常范围内，因为判定为Ⅰ类桩。由于该桩长径比不大，所以桩底反射比较清晰。对于长径比过大桩，应力波在传播过程中有一定的损耗外桩端还与持力层充分接触有关(如持力层波速与混凝土波速相相近)，有可能会形成桩底反射不清晰或看不见桩底，这种情况下不能按Ⅱ～Ⅳ类桩判定，这在检测过程中应引起注意。
2#桩测试波形如图5所示。该桩桩间曲线平直，桩底反射特别清晰。检测时混凝土龄期20天以上，从检测波形上能看到3次桩底反射，通过计算，波速明显偏高，初步认定为断桩或桩长明显偏短。后经试验证实承载力明显偏低。通过了解得知，在成孔后停滞时间过长，造成孔底沉渣过多造成桩长偏短。
三、低应变反射波法测桩技术的缺点：
(1) 桩基质量判定上存在不稳定性。由于输入的桩长往往和施工的实际桩长存在一定的出入,而导致实际的波速和算出的波速存在一定的差别。
(2) 在时间域中,速度曲线的冲击脉冲宽度范围是测试分析结果的盲区,难以发现桩头浅部的缺陷。
(3) 上层大的缺陷会掩盖下层缺陷。这是由于应力波在上层较大缺陷阻抗界面反射时,会产生多次反射,应力波向下传播能量急剧减小,下层缺陷阻抗界面反射波信号难以接收到,所以很难探测到下部的其他缺陷。
(4) 桩身存在多处缺陷时,波形判读较为困难,缺陷类型及程度难以判定。这是由于同一缺陷波阻抗界面的多次反射和不同缺陷波阻抗界面的多层反射相互叠加造成的。
四、结论
(1) 低应变反射波法进行桥梁钻孔灌注桩的检测,能够快速对桩的质量进行定性描述,判定桩身的完整性,确定缺陷存在的位置。该方法不受场地条件限制,检测仪器体积小、重量轻、携带方便,检测费用低廉,检测结果准确度高,非常适用于当前工程项目多、检测频率高的实际,对于确保工程建设质量满足设计要求具有重要的意义。
(2) 该方法在桩的质量判定上存在一定的局限性,对波形的分析和判读要求检测人员具有丰富的实践经验。对于有缺陷的桩,需多方面综合分析,必要时核查桩位的工程地质钻探结果以及本桩钻孔和灌注的施工原始记录,如果有条件,可采用钻芯取样法对缺陷部位进行验证性检测,确定缺陷类型和程度,然后采用合理的修补技术和补强处理措施,以保证桩基础的质量。
参考文献
1 ISBN 7-112 06023-0，基桩质量检测
2 《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2003)
3 《建筑基桩技术规范》(JGJ94-94)
4 ISBN7-114-04459-3，桩基工程检测手册
5 ISBN 7-112-00902-2，桩的动测新技术
