綜合管波探測法、孔旁透射波法和鉆芯法在既有樁基檢測中的應用

彭 超，李學文

(廣東省地質物探工程勘察院，廣東 廣州 510800)

1 引 言

樁基礎是一種廣泛使用的基礎形式，能有效提高地基承載力，減少建筑物沉降。既有樁基在長期使用后，受復雜地質條件、自然災害和人為因素的影響，可能出現各種缺陷，需對既有樁基進行檢測、重新評估樁基質量[1]。

樁基檢測主要目的是判別樁身完整性和承載力，傳統(tǒng)的檢測方法主要有鉆芯法、高應變法、低應變法、靜載試驗法等[1]。近年來，孔旁透射波法、管波探測法、聲波CT、電磁波CT等方法亦逐步應用于樁基檢測中[2-8]。

本文將管波探測法、孔旁地震透射波法、鉆芯法綜合應用于某高速公路橋梁樁基檢測，對管波探測法、單孔地震透射波法、鉆芯法的檢測結果進行了對比分析。

2 工程概況

由于長期超負荷運營，某高速公路橋梁樁基存在一定病害。待檢橋梁為旱橋，橋墩柱體周邊為平地，具備良好的檢測場地條件。該橋梁的橋墩為工字型、王字形多樁承臺形式，承臺設計強度為C40?；鶚稙殂@孔灌注樁，設計強度為C20，直徑為1 200 mm。

3 檢測方法技術

3.1 鉆芯法

鉆芯法是一種直觀的樁基檢測方法，能有效查明樁基的完整性、樁底沉渣厚度、持力層的完整性。鉆芯法對查明大面積的混凝土離析、疏松、夾泥、空洞等缺陷比較有效，但對局部缺陷和水平裂縫等判別不夠精確[9]。因此鉆芯法常與其他檢測方法結合使用。本次鉆芯法采用XY-1型鉆機，在現狀地面待檢樁基的中心開始鉆探。

3.2 管波探測法

管波探測法是在鉆孔中利用“管波”這種特殊的彈性波，探測孔旁一定范圍內地質體的孔中物探方法。管波在孔液和孔壁外一定范圍內沿鉆孔軸向傳播，具有能量強、衰減慢、傳播速度與孔液縱波波速相當等特征。在孔徑變化處、孔底和孔液表面處、任何波阻抗變化處都將產生反射。在鉆孔周圍的圓柱狀空間，波阻抗的變化必定是由鉆孔旁側的巖性差異、不良地質體的存在造成的，因而可通過分析反射管波來確定鉆孔旁側是否存在巖性差異及不良地質體。

管波探測法已成熟應用于巖溶地區(qū)樁位巖溶探測，能有效查明孔旁直徑2 m范圍內的巖溶、溶蝕裂隙、節(jié)理裂隙、軟弱夾層的發(fā)育分布情況，評價嵌巖樁基樁持力層的完整性[10-14]。目前亦有將管波探測法成功應用于混凝土灌注樁樁身完整性檢測的實例，通過分析管波時間剖面即可判定樁身的完整性、樁底持力層是否存在空洞、軟弱夾層,并確定缺陷的頂底深度[5,6]。

圖1 管波探測法工作示意圖

管波探測采用一發(fā)一收、固定收發(fā)距的測量裝置，探測時從下至上進行，同步提升發(fā)射、接收探頭。本次檢測管波探測法在鉆芯孔中實施，采用廣州量米勘探科技有限公司研制的TTS3型管波探測儀，收發(fā)探頭間距為0.6 m，探測點距為5 cm。

管波探測法根據管波直達波、反射波和續(xù)至波能量的強弱和波組的連續(xù)性，參照《城市工程地球物理探測標準(CJJ/T7-2017)》將樁身混凝土解釋為完整混凝土、輕微缺陷混凝土、一般缺陷混凝土、嚴重缺陷混凝土。

3.3 孔旁透射波法

孔旁透射波法又稱平行地震波法(Paraller Seismic Test)，是一種有效的檢測既有建筑物基樁長度、基樁完整性的方法。該方法是在與待測基樁相連的既有建筑結構上激發(fā)彈性波，在鉆孔中觀測透射波，來探測、檢測建筑基礎和基樁。

本次孔旁透射波法在鉆芯孔內進行，測試采用Geometrics公司生產的Geode地震儀和廣州量米勘探科技有限公司研制的CH3R型高靈敏度多道水聽器。測試時，先將高靈敏度多道水聽器編織成道間距0.5 m的水聽器鏈，將水聽器鏈沉放至孔底，在立柱上用小錘激振，每次激振記錄一張地震記錄。記錄采樣間隔20.833μm，記錄長度32 ms。按0.1 m間距提升水聽器鏈，逐點測試，至將水聽器鏈提至孔口為止。

數據分析時將原始地震記錄抽成道距0.1 m的時間剖面，根據透射波的視速度、振幅、頻率等特征判定基樁的完整性。

圖2 孔旁透射波法工作示意圖

4 結果分析

本文以編號為A4-C1、A4-D2的兩樁為例，分析鉆芯法、管波探測法、孔旁透射波法檢測結果。

4.1 A4-C1樁

圖3(a)～圖3(c)分別為A4-C1樁芯樣照片、管波探測法檢測成果、孔旁透射波法檢測成果。

4.1.1 鉆芯法

如圖3(a)所示，鉆芯法揭露0～2.6 m為回填粉質黏土、塊石。2.6～4.3 m為承臺混凝土，膠結良好，粗細骨料分布均勻，鉆遇鋼筋，與樁頂接觸良好。4.3～11.44 m為樁身混凝土、膠結良好，粗細骨料分布均勻，11.44 m處芯樣較破碎。11.44～14.83 m為微風化砂礫巖。

4.1.2 管波探測法

如圖3(b)所示，0.0～2.6 m段管波直達波能量微弱，管波法解釋該段為土層，與鉆芯法揭露的粉質黏土、塊石層深度范圍吻合。2.6～4.3 m段管波直達波能量強、波速穩(wěn)定，承臺頂界面的反射波在層內傳播，能量強、速度高。管波法解釋該段為完整混凝土。鉆芯法揭露承臺底埋深為4.3 m，管波成果圖中，深度4.3 m處直達波速度高、無明顯反射波組，表明該處承臺底與樁頂接觸良好。4.3～11.0 m段管波直達波速度高、能量穩(wěn)定，解釋為完整混凝土。11.0～11.4 m段管波直達波能量較弱，該段頂底界面存在明顯的上行、下行反射波組，該段解釋為一般缺陷混凝土，與鉆芯法揭露的11.44 m處芯樣破碎情況吻合。11.4～14.2 m段管波直達波速度高、能量穩(wěn)定，鉆芯法揭露該段為微風化砂礫巖，管波法解釋為完整基巖段。

4.1.3 孔旁透射波法

如圖3(c)所示，0.0～2.4 m段直達波視速度低、頻率低，波組明顯“下陷”，為土層段。2.4～4.5 m段直達波視速度高，頻率高，能量強，為承臺混凝土段。4.5～10.7 m段直達波能量強、視速度高(約為3 900 m/s)，視速度、頻率較填土層高、較承臺段低，為樁身混凝土段。據此可區(qū)分承臺、樁身的深度范圍。10.7～11.2m段直達波能量明顯變弱，且在11.2 m處存在明顯的上行反射波組，與鉆芯法和管波探測法揭露的缺陷基本吻合。11.2～14.6 m段直達波能量較強、視速度較高(約為3 000 m/s)，為基巖段，在深度14 m處存在明顯的波速分界面，這與管波解釋成果中深度14.1 m處上行反射波組吻合。

圖3 A4-D2樁綜合檢測成果

圖3 A4-C1樁綜合檢測成果

A4-C1樁鉆芯法揭露深度11.44 m芯樣破碎；管波探測法、孔旁透射波法分別于深度11.0～11.4 m、10.7～11.2 m發(fā)現缺陷。該缺陷于三種檢測方法均有明顯反映，且深度范圍基本吻合。

4.2 A4-D2樁

圖4(a)～圖4(c)分別為A4-D2樁芯樣照片、管波探測法檢測成果、孔旁透射波法檢測成果。

4.2.1 鉆芯法

如圖4(a)所示，鉆芯法揭露該孔0～2.5 m為回填粉質黏土、塊石。2.5～4.4 m為承臺混凝土，膠結較好，粗細骨料分布均勻，鉆遇鋼筋，與樁頂接觸良好。4.4～10.96 m為樁身混凝土，膠結良好，粗細骨料分布均勻。10.96～15.17 m為微風化砂礫巖。樁底0.3 m基巖破碎，夾泥質物。

4.2.2 管波探測法

如圖4(b)所示，0.0～2.4 m管波直達波能量微弱，管波解釋該段為土層，與鉆芯法揭露的粉質黏土、塊石層深度范圍吻合。2.4～4.4 m段管波直達波能量強、波速穩(wěn)定，承臺頂界面的反射波在層內傳播，能量強、速度高。管波法解釋該段為完整混凝土段。鉆芯法揭露承臺底埋深為4.4 m，管波成果圖中，深度4.4 m處直達波速度高、無明顯反射波組，表明該處承臺底與樁頂接觸良好。4.4～11.1 m段管波直達波速度高、能量穩(wěn)定，解釋為完整混凝土。11.1～12.1 m段管波直達波能量微弱，管波探測時間剖面表現為“空白”。管波法解釋該段為樁底破碎基巖段，存在嚴重缺陷，與鉆芯法揭露的10.96～11.26段巖芯破碎情況基本吻合。管波解釋的該段缺陷長度達1 m，大于鉆芯法揭露的范圍。12.1～13.6 m段管波直達波速度高、能量穩(wěn)定，解釋為完整基巖段。

4.2.3 孔旁透射波法

如圖4(c)所示，0.0～2.5 m段直達波視速度低、頻率低，波組明顯“下陷”，為土層段。2.5～4.0 m段段直達波視速度高，頻率高，能量強，為承臺混凝土段。4.0～10.6 m段直達波能量強、視速度高(約為4 300 m/s)，視速度、頻率較填土層高、較承臺段低，為樁身混凝土段。據此可區(qū)分承臺、樁身的深度范圍。10.6～12.6 m段直達波能量明顯變弱，且在11 m處存在明顯的上行、下行反射波組，與鉆芯法和管波探測法揭露的缺陷吻合。12.6～13.5 m段直達波能量較強、視速度較高(約為3 200 m/s)，為基巖段。

A4-D2樁鉆芯法揭露深度10.96～11.26 m樁底巖芯破碎；管波探測法、孔旁透射波法分別于深度11.1～12.1 m、10.6～12.6 m發(fā)現缺陷。該缺陷于三種檢測方法均有明顯反映，且深度范圍基本吻合。

4.3 綜合分析

對比分析A4-C1、A4-D2樁的檢測結果，可發(fā)現三種方法對基樁缺陷均有明顯的反映。鉆芯法可直觀反映基樁的質量，但鉆芯法探測范圍僅限于鉆芯孔，無法總體判定鉆芯孔周邊基樁的質量。管波探測法可全面有效查明整個基樁的質量、準確判定缺陷的位置及程度。由于管波探測法的探測范圍是以探測孔為中心、直徑為2 m的空間，管波探測法查明的缺陷范圍往往較鉆芯法揭露的缺陷范圍偏大。孔旁地震透射波法通過分析透射波的速度、振幅、頻率等特征，可有效區(qū)分承臺、樁身的深度范圍，可定性判別基樁缺陷的位置及程度。

5 結 語

本文將管波探測法、孔旁透射波法和鉆芯法綜合應用于既有樁基檢測。三種方法均適宜檢測既有樁基的完整性，各方法查明的缺陷位置及深度范圍基本吻合。三種檢測方法各有特點：①鉆芯法可直觀地判定樁基質量，但探測范圍較小，無法總體判定鉆芯孔周邊樁基的質量；②管波探測法須在鉆芯孔中實施，檢測現場即可判定檢測結果，可準確、全面判定樁基質量，并準確測定缺陷的位置及程度;③孔旁地震透射波法須在鉆芯孔中實施，可有效區(qū)分承臺、樁身的深度范圍，可定性判別基樁缺陷的位置及程度;綜合三種檢測方法的特點，鉆芯法與管波探測法的組合應為同類工程的最佳檢測方案。