鉆孔灌注樁質(zhì)量檢測(cè)方法及原理
郝 明

【內(nèi)容摘要】：本文簡(jiǎn)要介紹了一些鉆孔灌注樁檢測(cè)方法，并主要介紹了反射波法的基本原理及影響基樁質(zhì)量檢測(cè)波形的因素，運(yùn)用應(yīng)力波反射法檢測(cè)鉆孔灌注樁的365JT施工質(zhì)量，具有檢測(cè)速度快、費(fèi)用低、便于全面普查樁的質(zhì)量、判別樁的完整性和質(zhì)量缺陷，是一種值得推廣的方法。
【主題詞】 鉆孔樁 反波身法 檢測(cè)



目前在公路施工中，橋梁施工占有較大的比重，一般達(dá)到工程總造價(jià)的60～70%，在一些特殊路段，橋涵所占有的施工金額比例還要高。所以橋涵施工是公路建設(shè)中的重點(diǎn)。一方面決定著整個(gè)工程的質(zhì)量，另一方面也決定著施工企業(yè)的效益。
目前混凝土鉆孔灌注樁是橋梁施工結(jié)構(gòu)的主要形式，這主要是由于樁能將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞到深層穩(wěn)定的土層中去，從而大大減少基礎(chǔ)沉降和建筑特的不均勻沉降，是一種極為有效，安全可靠的基礎(chǔ)形式。
采用樁基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)：
①抗地震性能好。樁的靜力特性主要研究其強(qiáng)度和沉降，樁的抗震性能主要決定于其剛度和穩(wěn)定性，基礎(chǔ)剛度大抗震性能好。
②沉降量小和承載力高，樁的沉降量由三部分組成，樁身彈性壓縮；樁側(cè)摩阻力向下傳遞，引起樁側(cè)土的剪切變形和樁端土體壓縮變形。
③可以解決特殊地基土的承載力。
④施工噪音小，適用于365JT城市改造和人口密集場(chǎng)地。
但是，灌注樁的成孔是在樁位處的地面下或水下完成的，施工工序多，質(zhì)量控制難度大，稍有不慎易產(chǎn)生斷樁等嚴(yán)重缺陷。據(jù)統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)外鉆孔灌注樁的事故率高達(dá)5～10%。因此，灌注樁的質(zhì)量檢測(cè)就顯得格外重要。
灌注樁成樁質(zhì)量通常存在兩個(gè)方面的問題，一是屬于樁身完整性，常見的缺陷有夾泥、斷裂、縮頸、護(hù)頸、混凝土離析及樁頂混凝土密實(shí)度較差等。二是嵌巖樁，影響樁底支承條件的質(zhì)量問題，主要是灌注混凝土前清孔不徹底，孔底沉淀厚度超過規(guī)定極限，影響承載力。
灌注樁的缺點(diǎn)：
①灌注樁施工工藝比打入樁復(fù)雜，容易出現(xiàn)斷樁、縮頸、混凝土離析和孔底虛土或沉渣過厚等質(zhì)量問題。
②由于鉆孔樁質(zhì)量不夠穩(wěn)定，要抽檢更多數(shù)量的樁進(jìn)行檢驗(yàn)，增加檢測(cè)費(fèi)用。
灌注樁的質(zhì)量問題與其成樁工藝密切相關(guān)，屬于樁身完整性的常見質(zhì)量缺陷有夾泥、斷裂、縮頸、擴(kuò)頸、空洞、混凝土離析等。分析這些缺陷產(chǎn)生的原因，大致有：
①灌注混凝土過程中，導(dǎo)管埋入混凝土中的深度不夠，致使新灌混凝土上翻，或提升導(dǎo)管速度過快，導(dǎo)致導(dǎo)管中翻水，造成兩次灌注，使樁身形成夾泥的斷裂界面。
②孔中水頭下降，對(duì)孔壁的靜水壓力減小，導(dǎo)致局部孔壁土層失穩(wěn)坍落，造成混凝土樁身夾泥或縮頸。孔壁坍落部分留下的窟窿，成樁后形成護(hù)頸。
③混凝土攪拌不均勻，或運(yùn)輸路徑太長(zhǎng)、或?qū)Ч苈┧炷潦芩疀_泡等，使粗骨料集中在一起，造成樁身混凝土離析。
由于鉆孔樁在施工過程中容易產(chǎn)生一些缺陷，故在施工中加強(qiáng)管理，保證工程質(zhì)量。同時(shí)加強(qiáng)對(duì)成樁質(zhì)量進(jìn)行檢查，使工程在施工過程中不留隱患。樁的檢驗(yàn)?zāi)康模皇橇私馄涑休d力；二是檢驗(yàn)樁本身混凝土質(zhì)量是否符合質(zhì)量要求；三是查明樁身的完整性，查清缺陷及其位置，以便對(duì)影響樁承載力和壽命的樁身缺陷進(jìn)行必要的補(bǔ)救，以保證工程質(zhì)量，不留下事故隱患。
目前國(guó)內(nèi)外常用的樁基檢測(cè)方法：
①鉆芯檢測(cè)法：由于大直鉆孔灌注樁的365JT設(shè)計(jì)荷載一般較大，用靜力試樁法有許多困難，所以常用地質(zhì)鉆機(jī)在樁身上沿長(zhǎng)度方向鉆取芯樣，通過對(duì)芯樣的觀察和測(cè)試確定樁的質(zhì)量。
但這種方法只能反映鉆孔范圍內(nèi)的小部分混凝土質(zhì)量，而且設(shè)備龐大、費(fèi)工費(fèi)時(shí)、價(jià)格昂貴，不宜作為大面積檢測(cè)方法，而只能用于抽樣檢查，一般抽檢總樁量的3～5%，或作為無損檢測(cè)結(jié)果的校核手段。
②振動(dòng)檢測(cè)法：又稱動(dòng)測(cè)法。它是在樁頂用各種方法施加一個(gè)激振力，使樁體及至樁土體系產(chǎn)生振動(dòng)。或在樁內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力波，通過對(duì)波動(dòng)及波動(dòng)參數(shù)的種種分析，以推定樁體混凝土質(zhì)量及總體承載力的一種方法。這類方法主要有四種，分別為敲擊法和錘擊法、穩(wěn)態(tài)激振機(jī)械阻抗法、瞬態(tài)激振機(jī)械阻抗法、水電效應(yīng)法。
③超聲脈沖檢驗(yàn)法：該法是在檢測(cè)混凝土缺陷的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其方法是在樁的混凝土灌注前沿樁的長(zhǎng)度方向平行預(yù)埋若干根檢測(cè)用管道，作為超聲檢測(cè)和接收換能器的通道。檢測(cè)時(shí)探頭分別在兩個(gè)管子中同步移動(dòng)，沿不同深度逐點(diǎn)測(cè)出橫斷面上超聲脈沖穿過混凝土?xí)r的各項(xiàng)參數(shù)，并按超聲測(cè)缺原理分析每個(gè)斷面上混凝土質(zhì)量。
④射線法：該法是以放射性同位素輻射線在混凝土中的衰減、吸收、散射等現(xiàn)象為基礎(chǔ)的一種方法。當(dāng)射線穿過混凝土?xí)r，因混凝土質(zhì)量不同或因存在缺陷，接收儀所記錄的射線強(qiáng)弱發(fā)生變化，據(jù)此來判斷樁的質(zhì)量。 


動(dòng)力打樁法
波動(dòng)方程打樁分析法
高應(yīng)變法
Case法
波形擬合法
應(yīng)力波反射法
穩(wěn)態(tài)激振法
機(jī)械阻抗法
樁動(dòng)測(cè)方法 瞬態(tài)激振法
低應(yīng)變法 動(dòng)參數(shù)法
水電效應(yīng)法
球擊法
火箭激振法
單孔反射法
聲波透射法
雙孔反射法


目前對(duì)鉆孔灌注樁質(zhì)量檢測(cè)一般都采用對(duì)樁身無破損的動(dòng)力檢測(cè)法。灌注樁應(yīng)以低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)法對(duì)樁的勻質(zhì)性進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)均應(yīng)符合下列要求：
1.對(duì)各墩臺(tái)有代表性的樁用低應(yīng)變動(dòng)測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)。重要工程或重要部位的樁宜逐根進(jìn)行檢測(cè)。無條件采用低應(yīng)變動(dòng)測(cè)法檢測(cè)鉆孔樁的柱樁時(shí)，應(yīng)須取鉆取芯樣法，對(duì)總根數(shù)的至少3～5%樁進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)于柱樁并應(yīng)鉆到樁底0.5米以下。
2.對(duì)質(zhì)量有懷疑的樁及因灌注故障處理過的樁，均應(yīng)用低應(yīng)變動(dòng)測(cè)法檢測(cè)樁的質(zhì)量。
根據(jù)作用在樁頂上動(dòng)荷載能量是否使樁土之間發(fā)生一定塑性位移或彈性位移，而把動(dòng)力測(cè)樁分為高、低應(yīng)變兩種方法。動(dòng)力檢測(cè)法又有高應(yīng)變與低應(yīng)變之分。對(duì)樁頂施加錘擊，使樁身不沉應(yīng)變達(dá)到1.5～2.5mm以上的稱為高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法，否則稱為低應(yīng)變動(dòng)測(cè)法。前者對(duì)了解樁的承載力效果較好，后者對(duì)檢驗(yàn)樁身混凝土勻質(zhì)性效果較優(yōu)；前者檢測(cè)設(shè)備較笨重，價(jià)格貴，且因要求錘與樁的重量比須大于0.08～0.2，因此檢測(cè)大直徑、深長(zhǎng)的灌注樁，錘的質(zhì)量要求大于10噸以上，相應(yīng)的吊張、搬運(yùn)設(shè)備都顯得笨重；后者設(shè)備較輕便，價(jià)格低些。
高應(yīng)變法，作用在樁上能量大，應(yīng)力和應(yīng)變水平接近或達(dá)到工程樁的應(yīng)力、應(yīng)變水平，動(dòng)荷載使樁克服土阻力產(chǎn)生貫入度，從而使樁、土之間產(chǎn)生塑性位移。樁對(duì)外的抗力主要通過位移產(chǎn)生，有了位移，樁側(cè)和樁尖土阻力得到一定程度的產(chǎn)揮。在樁頂量測(cè)到的樁，土響應(yīng)信號(hào)包括承載力因素，所以高應(yīng)變?cè)嚇犊梢詫?duì)單樁承載力進(jìn)行判定，也可以評(píng)價(jià)樁身結(jié)構(gòu)完整性。
低應(yīng)變法，作用在樁頂上的動(dòng)荷載小于使用荷載，其能量小，只能使樁產(chǎn)生彈性變形，一般情況下只產(chǎn)生10-5動(dòng)應(yīng)變。它是通過應(yīng)力波在樁身中傳播和反射原理，對(duì)樁身結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)；根據(jù)振動(dòng)理論對(duì)承載力進(jìn)行推算。低應(yīng)變法從原理上不能直接得到承載力的推斷，而是由實(shí)測(cè)動(dòng)剛度和靜動(dòng)對(duì)比的修正進(jìn)行推算，因此帶有很大的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和人為因素。
樁動(dòng)測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)：
①儀器設(shè)備輕便，檢測(cè)速度快和費(fèi)用較低。
②具有靜荷載試樁不具備的功能。動(dòng)力試樁除了和靜力試樁一樣，可檢測(cè)單樁承載力外，還有樁身結(jié)構(gòu)完整性檢測(cè)、沉樁能力分析、樁工機(jī)械監(jiān)控和樁動(dòng)態(tài)特性測(cè)定等功能。
③可區(qū)分破壞模式是土的破壞還是樁身結(jié)構(gòu)破壞。
④可對(duì)工程樁進(jìn)行普查。低應(yīng)變法檢測(cè)速度快，費(fèi)用低，可對(duì)工程樁進(jìn)行普遍檢查，然后有針對(duì)性對(duì)質(zhì)量稍差的樁進(jìn)行承載力檢測(cè)，更好地保證工程質(zhì)量。
⑤波形擬合法不僅可得到單樁總承載力，還可進(jìn)行側(cè)阻力分布和端阻力值的估計(jì)。
目前在

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橋梁樁基檢測(cè)過程中最常用的方法是應(yīng)力反射波法。下面簡(jiǎn)要介紹一下應(yīng)力反射波法的原理及其應(yīng)用.
一、反射波法的基本原理：
反射波法源于應(yīng)力波理論，基本原理是在樁頂進(jìn)行豎向激振，彈性波沿著樁身向下傳播。在樁身明顯存在波阻抗界面（如樁底、斷樁或嚴(yán)重離析等部位）或樁身截面積變化（如縮頸或擴(kuò)頸）部位，將產(chǎn)生反身波。經(jīng)接收、放大濾波和數(shù)據(jù)處理，可識(shí)別來自樁身不同部位的反射信息。據(jù)此計(jì)算樁身波速、判斷樁身完整性和混凝土強(qiáng)度等級(jí)。
當(dāng)樁嵌于土體中，將受到樁周土的阻尼作用，樁的動(dòng)力特性滿足一維波動(dòng)方程。即：
V----質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移 
X----振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)到振源的距離
t-----質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的時(shí)間 
n-----阻尼系數(shù)
A----樁的截面積
Vp—縱波在樁中傳播的速度

Vp=E/ρ

ρ---樁的質(zhì)量密度
當(dāng)在樁頂施加瞬時(shí)外力F（t）時(shí)，樁內(nèi)只存在下行波，波在不同的波阻抗面上發(fā)生反射。從上式中，可推導(dǎo)出應(yīng)力波在樁體中旅行的時(shí)間及其對(duì)不同結(jié)構(gòu)介質(zhì)樁的縱波速度：
Vp=2L/tb
L------樁長(zhǎng) 
tb-----樁底反射波到達(dá)時(shí)間
當(dāng)樁身存在缺陷或斷樁時(shí)，各界面反射波使曲線變得復(fù)雜，認(rèn)真分析波形并選出可靠的缺陷反射時(shí)間t，從而得到缺陷部位距樁頂?shù)木嚯x：
L=Vpm*t/2
Vpm----同一工地多根已檢合格樁樁身縱波速度的平均值。
t--------缺陷部位距樁頂?shù)木嚯x。
二、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及注意事項(xiàng)：
①安裝全部測(cè)試設(shè)備，并應(yīng)確認(rèn)各項(xiàng)儀器裝置處于正常工作狀態(tài)。
②在測(cè)試前應(yīng)正確選定儀器系統(tǒng)的各項(xiàng)工作參數(shù)，使儀器在設(shè)定的狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。
③在瞬態(tài)激振試驗(yàn)中，重復(fù)測(cè)試的次數(shù)應(yīng)大于4次。
④在測(cè)試過程中應(yīng)觀察各設(shè)備的工作狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備均處于正常狀態(tài)，則該次測(cè)試有效。
三、實(shí)測(cè)曲線判讀解釋的基本方法：
由于樁身種類復(fù)雜，實(shí)測(cè)曲線判讀人員的365JT技術(shù)水平有限，實(shí)測(cè)資料的解釋是一項(xiàng)較為困難的工作。
(1)缺陷存在可能性的判讀
判斷樁身缺陷存在與否，需分辨實(shí)測(cè)曲線中有無缺陷的反射信號(hào)，及分辨樁底反射信號(hào)，這對(duì)缺陷的定性及定量解釋是有幫助的。樁底反射明顯，一般表明樁身完整性好，或缺陷輕微、規(guī)模小。另外計(jì)算樁身平均波速，從而評(píng)價(jià)樁身是否有缺陷及其嚴(yán)重程度。
此外，還應(yīng)分析地層等資料，排除由于樁周土層波阻抗變化過大等因素造成的假反射現(xiàn)象。
(2)多次反射及多層反射問題
當(dāng)實(shí)測(cè)曲線中出現(xiàn)多個(gè)反射波至?xí)r，應(yīng)判別它是同一缺陷面的多次反射，還是樁間多次缺陷的多層反射，前者，即缺陷反射波在樁頂面及缺陷面間來回反射，其主要特征：反射波至?xí)r間成倍增加，反射波能量有規(guī)律遞減。后者往往是雜亂的，不具有上述規(guī)律性。
多次反射現(xiàn)象的出現(xiàn)，一般表明缺陷在淺部，或反射系數(shù)較大（如斷樁）。它是樁頂存在嚴(yán)重離析或斷樁的有力證據(jù)。多層反射不只表明缺陷可能有多處，而且由下層缺陷反射波在能量上的相對(duì)差異，可推測(cè)上部缺陷的性質(zhì)和相對(duì)規(guī)模。
一般情況下，應(yīng)力波反射法所采集的較好波形應(yīng)具有以下幾個(gè)特征：
(1)多次錘擊的波形重復(fù)性好；
(2)波形真實(shí)反映樁的實(shí)際情況，完好樁樁底反射明顯；
(3)波形光滑，不應(yīng)含毛刺或振蕩波形；
(4)波形最終回歸基線。
四、影響基樁質(zhì)量檢測(cè)波形的因素：
(1)露出于樁頭的鋼筋對(duì)波形的影響
由于灌注樁考慮到以后的承臺(tái)問題，樁頭均有鋼筋露出，這對(duì)實(shí)測(cè)波形有一定的影響，嚴(yán)重時(shí)可影響反射信號(hào)的識(shí)別。
(2)樁頭破損對(duì)波形的影響
灌注樁頭表面松散，將使彈性波能量很快衰減，從而削弱樁尖及樁底反射信號(hào)，影響波形的識(shí)別。有效途徑是：將松散處鏟去。
(3)樁的強(qiáng)度對(duì)波形的影響
樁的齡期短，強(qiáng)度低，將降低應(yīng)力波在混凝土中的傳播速度，影響對(duì)樁長(zhǎng)的判別。
總之，運(yùn)用應(yīng)力波反射法檢測(cè)鉆孔灌注樁的施工質(zhì)量，具有檢測(cè)速度快、費(fèi)用低、便于全面普查樁的質(zhì)量、判別樁的完整性和質(zhì)量缺陷，是一種值得推廣的方法。但是，目前低應(yīng)變法推算樁的承載力的變異性較大，有的免不了用地質(zhì)報(bào)告的土參數(shù)估計(jì)和檢測(cè)結(jié)果相結(jié)合的辦法。其中，經(jīng)驗(yàn)估計(jì)占了相當(dāng)大的因素。所以要全面了解樁的承載力情況，只能通過靜載試驗(yàn)來確定。


參考文獻(xiàn)：《橋涵工程試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)》人民365JT交通出版社
《橋涵》人民交通出版社
《樁基工程與動(dòng)測(cè)技術(shù)200問》中國(guó)建筑工業(yè)出版社

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