钻孔灌注桩质量检测方法及原理
郝 明
【内容摘要】：本文简要介绍了一些钻孔灌注桩检测方法，并主要介绍了反射波法的基本原理及影响基桩质量检测波形的因素，运用应力波反射法检测钻孔灌注桩的365JT施工质量，具有检测速度快、费用低、便于全面普查桩的质量、判别桩的完整性和质量缺陷，是一种值得推广的方法。
【主题词】 钻孔桩 反波身法 检测
目前在公路施工中，桥梁施工占有较大的比重，一般达到工程总造价的60～70%，在一些特殊路段，桥涵所占有的施工金额比例还要高。所以桥涵施工是公路建设中的重点。一方面决定着整个工程的质量，另一方面也决定着施工企业的效益。
目前混凝土钻孔灌注桩是桥梁施工结构的主要形式，这主要是由于桩能将上部结构的荷载传递到深层稳定的土层中去，从而大大减少基础沉降和建筑特的不均匀沉降，是一种极为有效，安全可靠的基础形式。
采用桩基础的优点：
①抗地震性能好。桩的静力特性主要研究其强度和沉降，桩的抗震性能主要决定于其刚度和稳定性，基础刚度大抗震性能好。
②沉降量小和承载力高，桩的沉降量由三部分组成，桩身弹性压缩；桩侧摩阻力向下传递，引起桩侧土的剪切变形和桩端土体压缩变形。
③可以解决特殊地基土的承载力。
④施工噪音小，适用于365JT城市改造和人口密集场地。
但是，灌注桩的成孔是在桩位处的地面下或水下完成的，施工工序多，质量控制难度大，稍有不慎易产生断桩等严重缺陷。据统计国内外钻孔灌注桩的事故率高达5～10%。因此，灌注桩的质量检测就显得格外重要。
灌注桩成桩质量通常存在两个方面的问题，一是属于桩身完整性，常见的缺陷有夹泥、断裂、缩颈、护颈、混凝土离析及桩顶混凝土密实度较差等。二是嵌岩桩，影响桩底支承条件的质量问题，主要是灌注混凝土前清孔不彻底，孔底沉淀厚度超过规定极限，影响承载力。
灌注桩的缺点：
①灌注桩施工工艺比打入桩复杂，容易出现断桩、缩颈、混凝土离析和孔底虚土或沉渣过厚等质量问题。
②由于钻孔桩质量不够稳定，要抽检更多数量的桩进行检验，增加检测费用。
灌注桩的质量问题与其成桩工艺密切相关，属于桩身完整性的常见质量缺陷有夹泥、断裂、缩颈、扩颈、空洞、混凝土离析等。分析这些缺陷产生的原因，大致有：
①灌注混凝土过程中，导管埋入混凝土中的深度不够，致使新灌混凝土上翻，或提升导管速度过快，导致导管中翻水，造成两次灌注，使桩身形成夹泥的断裂界面。
②孔中水头下降，对孔壁的静水压力减小，导致局部孔壁土层失稳坍落，造成混凝土桩身夹泥或缩颈。孔壁坍落部分留下的窟窿，成桩后形成护颈。
③混凝土搅拌不均匀，或运输路径太长、或导管漏水，混凝土受水冲泡等，使粗骨料集中在一起，造成桩身混凝土离析。
由于钻孔桩在施工过程中容易产生一些缺陷，故在施工中加强管理，保证工程质量。同时加强对成桩质量进行检查，使工程在施工过程中不留隐患。桩的检验目的，一是了解其承载力；二是检验桩本身混凝土质量是否符合质量要求；三是查明桩身的完整性，查清缺陷及其位置，以便对影响桩承载力和寿命的桩身缺陷进行必要的补救，以保证工程质量，不留下事故隐患。
目前国内外常用的桩基检测方法：
①钻芯检测法：由于大直钻孔灌注桩的365JT设计荷载一般较大，用静力试桩法有许多困难，所以常用地质钻机在桩身上沿长度方向钻取芯样，通过对芯样的观察和测试确定桩的质量。
但这种方法只能反映钻孔范围内的小部分混凝土质量，而且设备庞大、费工费时、价格昂贵，不宜作为大面积检测方法，而只能用于抽样检查，一般抽检总桩量的3～5%，或作为无损检测结果的校核手段。
②振动检测法：又称动测法。它是在桩顶用各种方法施加一个激振力，使桩体及至桩土体系产生振动。或在桩内产生应力波，通过对波动及波动参数的种种分析，以推定桩体混凝土质量及总体承载力的一种方法。这类方法主要有四种，分别为敲击法和锤击法、稳态激振机械阻抗法、瞬态激振机械阻抗法、水电效应法。
③超声脉冲检验法：该法是在检测混凝土缺陷的基础上发展起来的。其方法是在桩的混凝土灌注前沿桩的长度方向平行预埋若干根检测用管道，作为超声检测和接收换能器的通道。检测时探头分别在两个管子中同步移动，沿不同深度逐点测出横断面上超声脉冲穿过混凝土时的各项参数，并按超声测缺原理分析每个断面上混凝土质量。
④射线法：该法是以放射性同位素辐射线在混凝土中的衰减、吸收、散射等现象为基础的一种方法。当射线穿过混凝土时，因混凝土质量不同或因存在缺陷，接收仪所记录的射线强弱发生变化，据此来判断桩的质量。
动力打桩法
波动方程打桩分析法
高应变法
Case法
波形拟合法
应力波反射法
稳态激振法
机械阻抗法
桩动测方法 瞬态激振法
低应变法 动参数法
水电效应法
球击法
火箭激振法
单孔反射法
声波透射法
双孔反射法
目前对钻孔灌注桩质量检测一般都采用对桩身无破损的动力检测法。灌注桩应以低应变动力检测法对桩的匀质性进行检测，检测时均应符合下列要求：
1.对各墩台有代表性的桩用低应变动测法进行检测。重要工程或重要部位的桩宜逐根进行检测。无条件采用低应变动测法检测钻孔桩的柱桩时，应须取钻取芯样法，对总根数的至少3～5%桩进行检测；对于柱桩并应钻到桩底0.5米以下。
2.对质量有怀疑的桩及因灌注故障处理过的桩，均应用低应变动测法检测桩的质量。
根据作用在桩顶上动荷载能量是否使桩土之间发生一定塑性位移或弹性位移，而把动力测桩分为高、低应变两种方法。动力检测法又有高应变与低应变之分。对桩顶施加锤击，使桩身不沉应变达到1.5～2.5mm以上的称为高应变动测法，否则称为低应变动测法。前者对了解桩的承载力效果较好，后者对检验桩身混凝土匀质性效果较优；前者检测设备较笨重，价格贵，且因要求锤与桩的重量比须大于0.08～0.2，因此检测大直径、深长的灌注桩，锤的质量要求大于10吨以上，相应的吊张、搬运设备都显得笨重；后者设备较轻便，价格低些。
高应变法，作用在桩上能量大，应力和应变水平接近或达到工程桩的应力、应变水平，动荷载使桩克服土阻力产生贯入度，从而使桩、土之间产生塑性位移。桩对外的抗力主要通过位移产生，有了位移，桩侧和桩尖土阻力得到一定程度的产挥。在桩顶量测到的桩，土响应信号包括承载力因素，所以高应变试桩可以对单桩承载力进行判定，也可以评价桩身结构完整性。
低应变法，作用在桩顶上的动荷载小于使用荷载，其能量小，只能使桩产生弹性变形，一般情况下只产生10-5动应变。它是通过应力波在桩身中传播和反射原理，对桩身结构完整性进行评价；根据振动理论对承载力进行推算。低应变法从原理上不能直接得到承载力的推断，而是由实测动刚度和静动对比的修正进行推算，因此带有很大的地区经验和人为因素。
桩动测法的优点：
①仪器设备轻便，检测速度快和费用较低。
②具有静荷载试桩不具备的功能。动力试桩除了和静力试桩一样，可检测单桩承载力外，还有桩身结构完整性检测、沉桩能力分析、桩工机械监控和桩动态特性测定等功能。
③可区分破坏模式是土的破坏还是桩身结构破坏。
④可对工程桩进行普查。低应变法检测速度快，费用低，可对工程桩进行普遍检查，然后有针对性对质量稍差的桩进行承载力检测，更好地保证工程质量。
⑤波形拟合法不仅可得到单桩总承载力，还可进行侧阻力分布和端阻力值的估计。
目前在
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桥梁桩基检测过程中最常用的方法是应力反射波法。下面简要介绍一下应力反射波法的原理及其应用.
一、反射波法的基本原理：
反射波法源于应力波理论，基本原理是在桩顶进行竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播。在桩身明显存在波阻抗界面（如桩底、断桩或严重离析等部位）或桩身截面积变化（如缩颈或扩颈）部位，将产生反身波。经接收、放大滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息。据此计算桩身波速、判断桩身完整性和混凝土强度等级。
当桩嵌于土体中，将受到桩周土的阻尼作用，桩的动力特性满足一维波动方程。即：
V----质点振动位移
X----振动质点到振源的距离
t-----质点振动的时间
n-----阻尼系数
A----桩的截面积
Vp—纵波在桩中传播的速度
Vp=E/ρ
ρ---桩的质量密度
当在桩顶施加瞬时外力F（t）时，桩内只存在下行波，波在不同的波阻抗面上发生反射。从上式中，可推导出应力波在桩体中旅行的时间及其对不同结构介质桩的纵波速度：
Vp=2L/tb
L------桩长
tb-----桩底反射波到达时间
当桩身存在缺陷或断桩时，各界面反射波使曲线变得复杂，认真分析波形并选出可靠的缺陷反射时间t，从而得到缺陷部位距桩顶的距离：
L=Vpm*t/2
Vpm----同一工地多根已检合格桩桩身纵波速度的平均值。
t--------缺陷部位距桩顶的距离。
二、现场检测及注意事项：
①安装全部测试设备，并应确认各项仪器装置处于正常工作状态。
②在测试前应正确选定仪器系统的各项工作参数，使仪器在设定的状态下进行试验。
③在瞬态激振试验中，重复测试的次数应大于4次。
④在测试过程中应观察各设备的工作状态，当设备均处于正常状态，则该次测试有效。
三、实测曲线判读解释的基本方法：
由于桩身种类复杂，实测曲线判读人员的365JT技术水平有限，实测资料的解释是一项较为困难的工作。
(1)缺陷存在可能性的判读
判断桩身缺陷存在与否，需分辨实测曲线中有无缺陷的反射信号，及分辨桩底反射信号，这对缺陷的定性及定量解释是有帮助的。桩底反射明显，一般表明桩身完整性好，或缺陷轻微、规模小。另外计算桩身平均波速，从而评价桩身是否有缺陷及其严重程度。
此外，还应分析地层等资料，排除由于桩周土层波阻抗变化过大等因素造成的假反射现象。
(2)多次反射及多层反射问题
当实测曲线中出现多个反射波至时，应判别它是同一缺陷面的多次反射，还是桩间多次缺陷的多层反射，前者，即缺陷反射波在桩顶面及缺陷面间来回反射，其主要特征：反射波至时间成倍增加，反射波能量有规律递减。后者往往是杂乱的，不具有上述规律性。
多次反射现象的出现，一般表明缺陷在浅部，或反射系数较大（如断桩）。它是桩顶存在严重离析或断桩的有力证据。多层反射不只表明缺陷可能有多处，而且由下层缺陷反射波在能量上的相对差异，可推测上部缺陷的性质和相对规模。
一般情况下，应力波反射法所采集的较好波形应具有以下几个特征：
(1)多次锤击的波形重复性好；
(2)波形真实反映桩的实际情况，完好桩桩底反射明显；
(3)波形光滑，不应含毛刺或振荡波形；
(4)波形最终回归基线。
四、影响基桩质量检测波形的因素：
(1)露出于桩头的钢筋对波形的影响
由于灌注桩考虑到以后的承台问题，桩头均有钢筋露出，这对实测波形有一定的影响，严重时可影响反射信号的识别。
(2)桩头破损对波形的影响
灌注桩头表面松散，将使弹性波能量很快衰减，从而削弱桩尖及桩底反射信号，影响波形的识别。有效途径是：将松散处铲去。
(3)桩的强度对波形的影响
桩的龄期短，强度低，将降低应力波在混凝土中的传播速度，影响对桩长的判别。
总之，运用应力波反射法检测钻孔灌注桩的施工质量，具有检测速度快、费用低、便于全面普查桩的质量、判别桩的完整性和质量缺陷，是一种值得推广的方法。但是，目前低应变法推算桩的承载力的变异性较大，有的免不了用地质报告的土参数估计和检测结果相结合的办法。其中，经验估计占了相当大的因素。所以要全面了解桩的承载力情况，只能通过静载试验来确定。
参考文献：《桥涵工程试验检测技术》人民365JT交通出版社
《桥涵》人民交通出版社
《桩基工程与动测技术200问》中国建筑工业出版社
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