不同基樁完整性檢測(cè)方法的對(duì)比分析與評(píng)價(jià)

蔡杰龍，張君祿，蔡燦旭，王梓鑫，鄧忠啟

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635;2.廣東省水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635;3.廣東省水利重點(diǎn)科研基地，廣東 廣州 510635)

1 概述

基樁是樁基礎(chǔ)中單樁，其主要作用是將建筑物上部結(jié)構(gòu)荷載均勻傳遞到地下土層(或巖層)，是整個(gè)建筑物結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位?；鶚秾儆陔[蔽的地下基礎(chǔ)工程，在工程隱蔽前基樁施工質(zhì)量的好壞關(guān)系著整個(gè)工程的質(zhì)量與安全[1-3]。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[4]的規(guī)定，工程樁應(yīng)進(jìn)行承載力和樁身完整性檢驗(yàn)，其中不同類型的混凝土預(yù)制樁和灌注樁質(zhì)量檢驗(yàn)主控項(xiàng)目均包括承載力和樁身完整性。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]的規(guī)定，基樁驗(yàn)收檢測(cè)時(shí)，宜先進(jìn)行樁身完整性檢測(cè)，后進(jìn)行承載力檢測(cè)。由此可見，基樁樁身完整性是工程樁施工質(zhì)量的重要控制指標(biāo)，關(guān)系著整個(gè)基礎(chǔ)工程和建筑物結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與安全。

根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[5-8]的定義，基樁的“樁身完整性”是反映樁身截面尺寸相對(duì)變化、樁身材料密實(shí)性和連續(xù)性的綜合定性指標(biāo)；“樁身缺陷”是指在一定程度上使樁身完整性惡化，引起樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性降低，出現(xiàn)樁身斷裂、裂縫、縮頸、夾泥(雜物)、空洞、蜂窩、松散等不良現(xiàn)象的統(tǒng)稱。參照國(guó)內(nèi)各行業(yè)和地方現(xiàn)行不同檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，基樁完整性常用檢測(cè)方法包括有低應(yīng)變法、聲波透射法、鉆芯法和高應(yīng)變法四種。在實(shí)際工程應(yīng)用中，根據(jù)各種檢測(cè)方法的適應(yīng)范圍和特點(diǎn)，結(jié)合地基條件、樁型及施工質(zhì)量可靠性、使用要求等因素，我們應(yīng)合理選擇檢測(cè)方法，科學(xué)客觀準(zhǔn)確判斷樁身完整性，為基礎(chǔ)工程隱蔽驗(yàn)收和整個(gè)建筑物結(jié)構(gòu)質(zhì)量與安全評(píng)價(jià)提供重要依據(jù)。為此，本文基于工程應(yīng)用實(shí)例對(duì)比分析并綜合評(píng)價(jià)以上4種不同基樁完整性檢測(cè)方法在工程基樁檢測(cè)中的優(yōu)劣勢(shì)，這對(duì)于工程科學(xué)合理選擇檢測(cè)方法，輔助工程參建各方評(píng)定工程施工質(zhì)量具有重大的意義。

2 檢測(cè)方法簡(jiǎn)介

2.1 低應(yīng)變法

低應(yīng)變法是采用低能量瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)方式在樁頂激振，實(shí)測(cè)樁頂部的速度時(shí)程曲線，或在實(shí)測(cè)樁頂部的速度時(shí)程曲線同時(shí)，實(shí)測(cè)樁頂部的力時(shí)程曲線。通過(guò)波動(dòng)理論的時(shí)域分析或頻域分析，對(duì)樁身完整性進(jìn)行判定的檢測(cè)方法[5]。

低應(yīng)變法激振能量較低，測(cè)試方法簡(jiǎn)便快捷，對(duì)基樁無(wú)破壞性，同時(shí)測(cè)試成本低，檢測(cè)效率高，適用于檢測(cè)數(shù)量較大的基樁檢測(cè)。

2.2 聲波透射法

聲波透射法是在預(yù)埋聲測(cè)管之間發(fā)射并接收聲波，通過(guò)實(shí)測(cè)聲波在混凝土介質(zhì)中傳播的聲時(shí)、頻率和波幅衰減等聲學(xué)參數(shù)的相對(duì)變化，對(duì)樁身完整性進(jìn)行檢測(cè)的方法[5]。

聲波透射法檢測(cè)方法簡(jiǎn)便，對(duì)場(chǎng)地要求不高，檢測(cè)效率高，對(duì)基樁無(wú)破壞性，缺點(diǎn)是需要在基樁施工過(guò)程中預(yù)埋聲測(cè)管，聲測(cè)管在施工過(guò)程中容易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，需要施工人員對(duì)施工過(guò)程工藝進(jìn)行嚴(yán)格的控制。同時(shí)，根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，對(duì)于樁徑小于0.6 m的樁，不宜采用本方法進(jìn)行樁身完整性檢測(cè)[5]。

2.3 鉆芯法

鉆芯法是用鉆機(jī)鉆取芯樣，檢測(cè)樁長(zhǎng)、樁身缺陷、樁底沉渣厚度以及樁身混凝土的強(qiáng)度，判定或鑒別樁端巖土性狀的方法[5]。

鉆芯法可以直觀反映樁身完整性，并對(duì)缺陷類型進(jìn)行準(zhǔn)確的定性，檢測(cè)結(jié)果可靠性較高。然而，鉆芯法的缺點(diǎn)是對(duì)基樁具有一定的破壞性，需要進(jìn)行灌漿補(bǔ)孔封閉，檢測(cè)效率較低，且檢測(cè)成本相對(duì)較高。

2.4 高應(yīng)變法

高應(yīng)變法是用重錘沖擊樁頂，實(shí)測(cè)樁頂附近或樁頂部的速度和力時(shí)程曲線，通過(guò)波動(dòng)理論分析，對(duì)單樁豎向抗壓承載力和樁身完整性進(jìn)行判定的檢測(cè)方法[5]。

高應(yīng)變法的優(yōu)點(diǎn)是可以在檢測(cè)基樁的完整性的同時(shí)反映基樁的豎向承載力，但對(duì)場(chǎng)地條件和試驗(yàn)條件要求比較高，需要大型起重設(shè)備配合，且一般情況需要加做樁帽，樁帽需要一定齡期，相比較于其它基樁完整性檢測(cè)方法，檢測(cè)效率較低，檢測(cè)成本較高。

3 不同方法的對(duì)比分析與評(píng)價(jià)

3.1 低應(yīng)變法與聲波透射法

本次以某工程中的混凝土灌注樁案例進(jìn)行對(duì)比分析，該工程樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為21.2 m，樁徑為800 mm，本次在基樁施工滿28 d后分別進(jìn)行低應(yīng)變法和聲波透射法檢測(cè)。

根據(jù)圖1低應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線可知，該樁在深度3.63 m左右存在1個(gè)同相反射波，根據(jù)波形初步判斷為輕微缺陷，可是混凝土膠結(jié)較差或輕微離析所致；在深度9.86 m左右存在1個(gè)先同相后反相的反射波，根據(jù)波形判斷為輕微縮頸所致。因以上均為輕微缺陷，且有樁底反射波，波速正常，根據(jù)JGJ 106—2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》中表8.4.3樁身完整性判定標(biāo)準(zhǔn)[5]判定該樁為Ⅱ類樁。

圖1 低應(yīng)變實(shí)測(cè)時(shí)速曲線示意

根據(jù)圖2聲波透射法波列圖可知，該樁在1-2、2-3和1-3剖面(深度范圍分別為3.2～3.7 m、3.7～3.8 m和3.5～3.9 m)均存在聲學(xué)參數(shù)明顯異常、波形明顯畸變的異常聲測(cè)線，且異常聲測(cè)線均在3個(gè)檢測(cè)剖面的一個(gè)區(qū)段內(nèi)縱向連續(xù)分布，異常區(qū)段均在樁身同一深度范圍內(nèi)橫向分布。同時(shí)，根據(jù)表1計(jì)算所得的聲學(xué)參數(shù)可知，該樁3個(gè)檢測(cè)剖面在連續(xù)多個(gè)測(cè)點(diǎn)或某一深度樁截面處的聲速、波幅值均小于臨界值。由此，根據(jù)JGJ 106—2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》中表10.5.11樁身完整性判定標(biāo)準(zhǔn)[5]判定該樁為Ⅳ類樁。

圖2 聲波透射法波列示意

表1 聲波透射法聲學(xué)參數(shù)

根據(jù)以上低應(yīng)變法和聲波透射法數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，兩種方法均能對(duì)該工程樁在深度3.6 m左右位置的缺陷進(jìn)行定位，但低應(yīng)變時(shí)域曲線在3.63 m處僅出現(xiàn)輕微缺陷反射波，與聲波透射法相比，其無(wú)法準(zhǔn)確定位該缺陷的深度范圍，究其原因，主要因低應(yīng)變是一維應(yīng)力波，而超聲波是三維應(yīng)力波，兩種方法對(duì)缺陷反映程度不一樣所致。同時(shí)，低應(yīng)變法反映在深度9.86 m存在輕微缺陷反射波，缺陷類型初判為縮頸所致，但聲波透射法在該深度的聲測(cè)線并未發(fā)現(xiàn)明顯異常，究其原因，這與聲波透射法僅能識(shí)別聲測(cè)管內(nèi)部混凝土的缺陷有關(guān)，聲測(cè)管外圍的混凝土是測(cè)試盲區(qū)。另外，根據(jù)樁身完整性判定結(jié)果可知，兩種不同方法對(duì)于同一根樁判定結(jié)果亦不相同，低應(yīng)變法判定結(jié)果為Ⅱ類樁，聲波透射法判定結(jié)果為Ⅳ類樁。

綜上分析，聲波透射法對(duì)缺陷位置、范圍和程度判定準(zhǔn)確性整體優(yōu)于低應(yīng)變法。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，基于準(zhǔn)確性考慮，對(duì)于設(shè)計(jì)要求與重要性較高的基樁樁身完整性的檢測(cè)建議優(yōu)先采用聲波透射法。

3.2 低應(yīng)變法和高應(yīng)變法

本次以某工程中的混凝土灌注樁案例進(jìn)行對(duì)比分析，該工程樁施工樁長(zhǎng)為21.67 m，樁徑為800 mm，單樁豎向承載力特征值為1 400 kN，本次在基樁施工滿28 d后分別進(jìn)行低應(yīng)變法和高應(yīng)變法檢測(cè)。

根據(jù)圖3低應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線可知，該樁樁身在淺部位置出現(xiàn)1個(gè)先同相后反相的缺陷反射波，初判為淺部出現(xiàn)輕微縮頸所致。同時(shí)，根據(jù)曲線可知樁底信號(hào)并不明顯。

圖3 低應(yīng)變實(shí)測(cè)時(shí)速曲線示意

根據(jù)圖4高應(yīng)變速度波形曲線可知，該樁在15.0 m左右存在輕微缺陷反射波，樁底信號(hào)較明顯。

圖4 高應(yīng)變力和速度波形曲線示意

根據(jù)兩種方法不同曲線對(duì)比分析可知，對(duì)于同一根樁，低應(yīng)變法和高應(yīng)變法實(shí)測(cè)的時(shí)速曲線存在一定差異。該兩種方法測(cè)試原理基本一致，但在錘擊的能量和頻率方面存在差異。低應(yīng)變法錘擊能量低，測(cè)試頻率高，更容易識(shí)別淺部微小缺陷，高應(yīng)變法錘重比較大，測(cè)試頻率比較低，較容易忽略了淺部的缺陷特征。另外，低應(yīng)變只使用1個(gè)通道，高應(yīng)變采用多個(gè)通道，其中力通道信號(hào)特征和速度通道信號(hào)特征相反，兩者可相互補(bǔ)充輔助分析。

綜上分析可知，低應(yīng)變法和高應(yīng)變法測(cè)試原理一致，但對(duì)缺陷的識(shí)別各有優(yōu)勢(shì)。從工程應(yīng)用效果分析可知，低應(yīng)變法操作簡(jiǎn)便，檢測(cè)效率高，費(fèi)用低，而高應(yīng)變法一般應(yīng)加做樁帽，對(duì)場(chǎng)地條件和試驗(yàn)條件要求比較高，需要大型起重設(shè)備配合，檢測(cè)效率低，一般多用于基樁豎向承載力的檢測(cè)，不單獨(dú)用于檢測(cè)樁身完整性。

3.3 聲波透射法和鉆芯法

本次以某工程中的混凝土灌注樁案例進(jìn)行對(duì)比分析，該工程樁施工樁長(zhǎng)為32 m，樁徑為1 600 mm，本次在基樁施工滿28 d后進(jìn)行聲波透射法檢測(cè)。

根據(jù)圖5聲波透射法波列影像圖可知，該樁在樁頂0.0～2.0 m和22.0～25.0 m范圍內(nèi)均存在聲學(xué)參數(shù)嚴(yán)重異常、波形嚴(yán)重畸變的異常聲測(cè)線，且異常聲測(cè)線均在3個(gè)檢測(cè)剖面的1個(gè)區(qū)段內(nèi)縱向連續(xù)分布，2個(gè)異常區(qū)段均在樁身同一深度范圍內(nèi)橫向分布。

圖5 聲波透射法波列影像示意

在完成聲波透射法檢測(cè)后，本次利用鉆芯法對(duì)該樁20.0～25.0 m范圍內(nèi)的樁身完整性進(jìn)行鉆孔取芯驗(yàn)證。鉆芯結(jié)果如圖6所示。

圖6 鉆孔取芯驗(yàn)證孔芯樣示意

根據(jù)鉆芯驗(yàn)證孔結(jié)果可知，該樁20.5～22.1 m樁身范圍內(nèi)的混凝土芯樣連續(xù)、完整、膠結(jié)好，芯樣側(cè)表面光滑，芯樣呈長(zhǎng)柱狀、斷口吻合；22.1～23.2 m樁身范圍的混凝土芯樣膠結(jié)較好，但呈短柱狀；23.2～25.1 m范圍的混凝土芯樣完整性和膠結(jié)質(zhì)量較差，芯樣呈破碎狀。根據(jù)鉆芯驗(yàn)證結(jié)果分析初步判定該樁在22.1～25.1 m樁身范圍內(nèi)存在嚴(yán)重缺陷，與聲波透射法檢測(cè)結(jié)果基本一致。結(jié)合該樁的施工記錄分析可知，該缺陷主要是混凝土在澆筑過(guò)程出現(xiàn)嚴(yán)重離析所致。

根據(jù)兩種方法的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析可知，聲波透射法能夠準(zhǔn)確識(shí)別聲測(cè)管范圍內(nèi)的混凝土缺陷的位置和范圍，鉆芯法則能夠直觀準(zhǔn)確反映鉆孔范圍內(nèi)混凝土缺陷的位置、范圍、類型和程度，兩種方法各有優(yōu)劣勢(shì)，聲波透射法對(duì)基樁無(wú)損，測(cè)試盲區(qū)在聲測(cè)管外圍，鉆芯法則有損，僅能反映鉆孔范圍內(nèi)小部分混凝土的質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

基樁完整性的準(zhǔn)確判定關(guān)系著整個(gè)基礎(chǔ)工程和建筑物結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與安全。當(dāng)前，常用的基樁完整性檢測(cè)方法有四種，包括低應(yīng)變法、聲波透射法、鉆芯法和高應(yīng)變法，其中工程應(yīng)用中各有優(yōu)勢(shì)，亦存在不同的局限性?；谝陨瞎こ虘?yīng)用實(shí)例對(duì)比分析與綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可知，低應(yīng)變法能夠基本準(zhǔn)確定位整樁樁身缺陷的位置，但無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別缺陷的范圍和程度；聲波透射法能夠準(zhǔn)確識(shí)別聲測(cè)管范圍內(nèi)的混凝土缺陷的位置和范圍，但聲測(cè)管外圍是測(cè)試盲區(qū)；高應(yīng)變法較容易識(shí)別樁底信號(hào)，但亦容易忽略了淺部的缺陷特征；鉆芯法則能夠直觀準(zhǔn)確反映混凝土缺陷的位置、范圍、類型和程度，但僅能反映鉆孔范圍內(nèi)小部分混凝土的質(zhì)量。

基于以上分析結(jié)果，建議在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同基樁的特點(diǎn)、要求和試驗(yàn)條件科學(xué)合理選擇相應(yīng)的樁身完整性檢測(cè)方法。其中，設(shè)計(jì)等級(jí)或重要性較高的基樁完整性建議優(yōu)先采用聲波透射法進(jìn)行檢測(cè)，地基條件簡(jiǎn)單且施工質(zhì)量可靠性較高的基樁建議優(yōu)先采用低應(yīng)變法，有豎向抗壓承載力要求的基樁完整性可結(jié)合高應(yīng)變法進(jìn)行判定，以上檢測(cè)結(jié)果有疑問(wèn)宜采用鉆芯法進(jìn)行驗(yàn)證并綜合評(píng)定。