鐵路工程基樁檢測方法綜述與展望

萬 明

(昌九城際鐵路股份有限公司，江西南昌 3300000)

樁基礎(chǔ)作為一種古老的地基基礎(chǔ)形式，距今已有數(shù)千年的歷史，被廣泛地應(yīng)用于鐵路的路基、橋涵工程。樁基礎(chǔ)屬于隱蔽工程，鐵路沿線地層復(fù)雜，施工條件受到諸多因素限制，從而使剛性樁不可避免出現(xiàn)質(zhì)量問題[1，2]，直接影響結(jié)構(gòu)物的使用安全及長久性。

目前，對樁身質(zhì)量的檢測主要有低應(yīng)變法、高應(yīng)變法、聲波透射法、靜載試驗(yàn)和鉆芯法等。由于理論方法和影響因素的不同，各檢測方法均存在一定的局限性。了解各種檢測方法在檢測中的影響因素，解決檢測過程中的實(shí)際問題，對鐵路建設(shè)質(zhì)量控制有一定的指導(dǎo)意義。

1 低應(yīng)變法

1.1 檢測方法原理

低應(yīng)變動(dòng)測法是當(dāng)前較為成熟且鐵路工程基樁檢測中應(yīng)用最為廣泛的一種(又稱瞬態(tài)激振法)。

低應(yīng)變法基本原理為：樁頂收到瞬態(tài)錘擊時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)波，振動(dòng)波沿樁身向下傳播，由于樁身波阻抗的變化，傳遞過程中將產(chǎn)生反射和透射，部分透射波繼續(xù)向下傳遞，在樁底產(chǎn)生反射波。樁身缺陷及樁底沉渣厚度均可以根據(jù)反射波的相位、振幅、頻率特性，輔以地層資料、施工記錄以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對其性質(zhì)作出確切的判斷[3-4]。

1.2 適用范圍

該方法檢測的基樁樁徑應(yīng)小于2.0 m，樁長一般不大于40 m。40 m臨界深度源于鄭西客專橋梁工程336根樁的低應(yīng)變法和聲波透射法比對檢測后的專家會審意見。實(shí)際上，很多地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，土層摩阻影響明顯，有效檢測深度遠(yuǎn)低于40 m[5]。

1.3 優(yōu)缺點(diǎn)及工程實(shí)例分析

在實(shí)際應(yīng)用中，常遇到低應(yīng)變檢測波形難以判讀或檢測結(jié)果與取芯結(jié)果不符等情況，此時(shí)，應(yīng)對檢測過程中的影響因素進(jìn)行分析總結(jié)，可減少對基樁檢測的誤判。

(1)優(yōu)點(diǎn)

低應(yīng)變檢測所使用的儀器較為輕巧，使用便捷，其理論和實(shí)踐發(fā)展比較成熟，加上有比較先進(jìn)的分析軟件，在檢測工作中的應(yīng)用較為廣泛。

(2)缺點(diǎn)

①當(dāng)樁長不大于40 m，可采用低應(yīng)變法檢測樁身完整性。實(shí)際上，很多地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，土層摩阻影響明顯，有效檢測深度遠(yuǎn)低于40 m。

②存在淺部缺陷“檢測盲區(qū)”。當(dāng)激振錘頭較軟，力度較大時(shí)，激振產(chǎn)生應(yīng)力波波長較大，脈沖較寬，樁頂淺部缺陷部位將產(chǎn)生類似于“質(zhì)體-彈簧”系統(tǒng)的低頻震蕩，不符合一維杠桿理論的反射波特征。圖1是某橋梁基樁反射波形，該樁為端承樁，樁徑1.25 m，樁長8.0 m，樁身混凝土強(qiáng)度為C45，由于應(yīng)力波波長較大，無法采用此波形圖來判定樁身質(zhì)量。對于8.0 m樁長，應(yīng)采用高頻脈沖敲擊錘檢測。

圖1 應(yīng)力波波長較大波形

③低應(yīng)變法可依據(jù)反射波相位分析判定缺陷類型，計(jì)算缺陷位置，卻無法對缺陷程度進(jìn)行定量分析，如混凝土密實(shí)程度、離析程度、夾泥量等。圖2是某橋梁基樁反射波圖，該樁為端承樁，樁徑1.25 m，樁長20.0 m，樁身混凝土強(qiáng)度為C45，在8.16 m處存在嚴(yán)重缺陷，但無法定性混凝土為離析、導(dǎo)管超拔還是夾泥，經(jīng)取芯驗(yàn)證，為樁身夾泥。

圖2 樁身嚴(yán)重缺陷波形

對于嵌巖樁，樁端為同向反射時(shí)，很難對其嵌巖情況、沉渣厚度等進(jìn)行準(zhǔn)確判定。圖3為端承樁，樁徑1.00 m，樁長8.0 m，樁身混凝土強(qiáng)度為C35，樁底反射曲線明顯且完整，反射波與入射波相位相同，但無法斷定樁底沉渣的厚度。經(jīng)取芯驗(yàn)證，樁底沉渣厚度低于50 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 樁底反射明顯波形

④山區(qū)鐵路嵌巖樁多采用沖擊鉆成孔，有時(shí)還采用爆破，導(dǎo)致孔徑極為不規(guī)則，低應(yīng)變檢測曲線無法準(zhǔn)確判識。特別是當(dāng)樁體有多重缺陷時(shí)，曲線只能表征第一次缺陷的(最淺部位)相關(guān)反射以及對應(yīng)的多次反射。

⑤對于樁徑緩慢變大然后突然縮徑的情況，在曲線上往往不能分辨出擴(kuò)徑現(xiàn)象而只看到縮徑現(xiàn)象[6]，圖4是某橋梁基樁反射波形，該樁為端承樁，樁徑1.00 m，樁長38.5 m，樁身混凝土強(qiáng)度為C45，在1.87 m與入射波相位相同的反射波顯示為縮徑。經(jīng)開挖驗(yàn)證，該樁在0～1.8 m樁徑偏大，該樁合格。

圖4 樁頭偏大樁波形

⑥受樁身混凝土均質(zhì)性的影響，應(yīng)力波會產(chǎn)生繞射，傳遞路徑會增加(不考慮混凝土離析等對混凝土波速的影響)，這種繞射會使計(jì)算波速低于混凝土實(shí)際波速。

⑦人為影響較大。分析判識結(jié)果與檢測人員對數(shù)據(jù)的理解，對施工工藝、地質(zhì)情況的了解有很大的關(guān)系。

2 高應(yīng)變法

2.1 檢測方法原理

20世紀(jì)80年代初期，隨著計(jì)算機(jī)的推廣與普及，動(dòng)測法檢測基樁承載力的研究在理論上取得了長足的進(jìn)步，波動(dòng)理論和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的結(jié)合，為高應(yīng)變法檢測基樁承載力奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。關(guān)于高應(yīng)變檢測，根據(jù)計(jì)算方法的不同，規(guī)程中推薦了兩種方法：CASE法和波形擬合法。

CASE法以波動(dòng)方程為基礎(chǔ)，采用簡化的樁-土模型，利用行波理論求導(dǎo)的簡易公式直接計(jì)算基樁承載力。

實(shí)測波形擬合法是通過數(shù)值模擬、反演迭代，求得土體的力學(xué)參數(shù)。即先根據(jù)已知資料，假設(shè)樁周、樁端土體力學(xué)參數(shù)，力學(xué)模型等，以實(shí)測曲線作為邊界條件，用計(jì)算機(jī)反算樁受力曲線；如求得曲線與實(shí)際一致，則假設(shè)土體力學(xué)參數(shù)、力學(xué)模型合理，如一致性較差，則需要重新修改調(diào)整，反復(fù)迭代計(jì)算，最終求得承載力、側(cè)阻分布和Q-S曲線[7]。

2.2 適用范圍

該方法適用于檢測預(yù)制樁或灌注樁的豎向抗壓承載力和樁身完整性。

2.3 優(yōu)缺點(diǎn)及工程實(shí)例分析

圖5為某灌注樁高應(yīng)變擬合曲線，混凝土強(qiáng)度為C35。結(jié)合地基條件、設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)得到總側(cè)摩阻力為3 084 kN，樁端阻力為563 kN，最大沉降量為31.12 mm。檢測結(jié)果見表1。

表1 高應(yīng)變試驗(yàn)檢測結(jié)果

圖5 高應(yīng)變擬合曲線

(1)優(yōu)點(diǎn)

可有效補(bǔ)充及部分取代傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)，可得到比靜載荷試驗(yàn)更加豐富和詳細(xì)的檢測數(shù)據(jù)，能夠降低檢測費(fèi)用及加快檢測進(jìn)度。

(2)缺點(diǎn)

高應(yīng)變法計(jì)算理論得到了很大的發(fā)展，但在實(shí)際運(yùn)用過程中還是存在很大的不足。

①與低應(yīng)變數(shù)據(jù)采集質(zhì)量相比，高應(yīng)變數(shù)據(jù)采集質(zhì)量普遍不高，樁頭處理不到位、錘擊偏心、激振能量不足等均可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集困難。

②大量高應(yīng)變與豎向靜載試驗(yàn)結(jié)果的對比分析表明，兩者的檢測結(jié)果相去甚遠(yuǎn)。以往模型計(jì)算中樁周摩阻力和樁端阻力互不相干，可以相互疊加，這一傳統(tǒng)觀念正面臨著挑戰(zhàn)，相繼有不少實(shí)驗(yàn)證實(shí)：樁端土強(qiáng)度或剛度直接影響著樁側(cè)阻力的發(fā)揮，樁側(cè)阻力和樁端阻力并非孤立、簡單地疊加[8]。

③采用CASE法測樁，應(yīng)充分發(fā)揮土的全部靜阻力，并從波形上正確判斷樁尖的反射位置，恰當(dāng)?shù)剡x取阻尼系數(shù)，才能比較準(zhǔn)確地確定單樁極限承載力；而阻尼系數(shù)值的選取，不但與樁尖土的類別、樁的阻抗等因素有關(guān) ，人為因素也較大[9]。

④實(shí)測波形擬合法為反演法，計(jì)算所用土力學(xué)參數(shù)的輸入、模型的選定都對承載力的計(jì)算結(jié)果有很大的影響。此外，計(jì)算結(jié)果的可靠程度與分析人員的經(jīng)驗(yàn)、對地質(zhì)勘察資料的掌握程度都有很大的關(guān)系。

3 聲波透射法檢測

3.1 檢測方法原理

聲波透射法是在結(jié)構(gòu)混凝土聲學(xué)檢測技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。結(jié)構(gòu)混凝土的聲學(xué)檢測始于1949年，經(jīng)過多年的研究發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)檢測中[10]。

聲波透射法基本原理為：利用事先埋設(shè)的聲測管，用跨孔超聲檢測儀沿樁身逐點(diǎn)發(fā)射并接收超聲波。超聲波在樁身混凝土傳遞過程中，會產(chǎn)生折射、繞射等，相關(guān)聲學(xué)參數(shù)(聲時(shí)、振幅、頻率)會發(fā)生變化?？赏ㄟ^接收到的聲學(xué)參數(shù)和波形特征來綜合判斷測點(diǎn)處的混凝土質(zhì)量，確定樁身混凝土缺陷的位置、范圍、程度。

3.2 適用范圍

(1)本方法適用于檢測混凝土灌注樁樁身缺陷位置、范圍和程度，判定樁身完整性類別。

(2)樁徑大于等于2 m或樁長大于40 m，或復(fù)雜地質(zhì)條件下的基樁應(yīng)采用聲波透射法檢測。

3.3 檢測中的優(yōu)缺點(diǎn)

(1)優(yōu)點(diǎn)

聲波透射法檢測方法操作簡單，全樁長的各個(gè)截面都在檢測范圍內(nèi)，尤其是當(dāng)樁內(nèi)存在多個(gè)缺陷時(shí)更具優(yōu)勢，已成為樁身質(zhì)量完整性檢測最常用的方法[11]。

(2)缺點(diǎn)

①若預(yù)埋聲測管出現(xiàn)嚴(yán)重管彎、管斜、甚至堵管現(xiàn)象，會影響檢測分析結(jié)果。近年來，大部分檢測儀器都開發(fā)了相應(yīng)的管斜校正功能，但對該功能不加區(qū)分的過度、隨意使用，可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相去甚遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真。

②規(guī)程中聲速臨界值求取采用遵循正態(tài)分布情況下一定保證率的概率法。對所有正常測點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求得臨界值。然后用每一個(gè)測點(diǎn)波速與臨界值去進(jìn)行比較，這樣勢必會產(chǎn)生誤判或漏判。雖然也引入了聲速低限值這個(gè)概念，但低限值的獲取仍很困難。鐵路工程檢測中，很多檢測單位無法獲得準(zhǔn)確的低限值，僅僅靠儀器廠家提供的推薦值或經(jīng)驗(yàn)值。

③臨界值統(tǒng)計(jì)計(jì)算過程中，按規(guī)程要求，對明顯低于正常值的波速進(jìn)行舍棄，然后再計(jì)算聲速臨界值。但是對明顯大于正常值的聲速值沒有進(jìn)行任何處理，直接參與運(yùn)算，使得臨界值失真。

4 靜載試驗(yàn)

4.1 檢測方法原理

靜載試驗(yàn)可分為水平靜載、豎向靜載試驗(yàn)。目前，鐵路上采用較多的為豎向靜載試驗(yàn)。在靜載試驗(yàn)的同時(shí)，可同步開展基樁內(nèi)力測試，進(jìn)一步獲取樁周土層的土體摩阻力、樁端土體端阻力，便于進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，確定施工工藝的可行性。

4.2 適用范圍

可采用慢速維持荷載法檢測單樁的豎向抗壓承載力。

4.3 檢測中的優(yōu)缺點(diǎn)

(1)優(yōu)點(diǎn)

可直觀判別樁身的承載力。

(2)缺點(diǎn)

①現(xiàn)場需要施工錨樁或準(zhǔn)備大量堆載反力，運(yùn)輸?shù)跹b成本較高。

②存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)(特別是大噸位堆載試驗(yàn))，堆載體極易倒塌，造成安全事故。

③目前，各鐵路項(xiàng)目完成了大量的豎向靜載試驗(yàn)，但很少同步開展基樁內(nèi)力測試。

5 鉆芯法

鉆芯法被廣泛地應(yīng)用于爭議曲線、樁底沉渣以及嵌巖等情況的驗(yàn)證。該方法對樁身混凝土損傷較小，所提取的芯樣還可進(jìn)行室內(nèi)混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)，在檢測工作中發(fā)揮著不可或缺的作用。隨著對質(zhì)量工作的日益重視以及其他檢測方法的自身局限性，鉆芯法的應(yīng)用會進(jìn)一步增加。

6 展望

每種檢測方法都有自身的局限性，宜采用兩種或兩種以上檢測方法相互配合的方式，進(jìn)行樁身的完整性及承載力的檢測和判定。目前，仍有許多工作需要去完善，可從如下幾方面去提高。⑴對于動(dòng)測法(低應(yīng)變法、高應(yīng)變法)，需要進(jìn)一步加強(qiáng)檢測基本理論的研究，特別是高應(yīng)變數(shù)據(jù)處理所采用的力學(xué)模型應(yīng)更加貼近實(shí)際，參數(shù)更加明確具體；應(yīng)用物探中較為成熟的小波分析法對低應(yīng)變信號進(jìn)行提取等。⑵對于鐵路工程樁基檢測，應(yīng)進(jìn)一步吸取地方市政、工民建專業(yè)好的檢測方法、儀器設(shè)備，比如對樁身進(jìn)行CT透視管樁內(nèi)部裂縫試驗(yàn)，大噸位單樁自平衡試驗(yàn)等。⑶盡快總結(jié)各鐵路項(xiàng)目樁基檢測經(jīng)驗(yàn)成果，加快完成對《鐵路工程基樁檢測技術(shù)規(guī)程》(TB10218)的修訂，對地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)檢測樁長、最低驗(yàn)證比例等方面做出更加合理的規(guī)定。