嵌巖灌注樁完整性檢測(cè)的測(cè)試盲區(qū)分析

劉展輝

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 前言

目前采用沖擊成孔水下灌注工藝的嵌巖灌注樁是橋梁工程的首選樁型。由于橋梁長(zhǎng)期承受交通車輛的動(dòng)荷載和設(shè)計(jì)要求較長(zhǎng)的使用壽命，對(duì)于橋梁基樁的樁身完整性基本要求全部工程樁均檢測(cè)，而常用的灌注樁樁身完整性檢測(cè)方法有低應(yīng)變法、聲波透射法和鉆芯法。三種檢測(cè)方法各有利弊，低應(yīng)變法可以對(duì)樁身質(zhì)量快速普查，但是無(wú)法確定樁身缺陷的類型，只能定性分析樁身缺陷的程度和位置，也容易出現(xiàn)復(fù)雜信號(hào)無(wú)法判斷；聲波透射法能判定樁身缺陷的位置、范圍和程度，前提條件是樁身預(yù)先埋設(shè)有通順的聲測(cè)管并符合規(guī)范布置要求；鉆芯法為有破損檢測(cè)法，能檢測(cè)灌注樁的樁長(zhǎng)、混凝土強(qiáng)度、完整性、沉渣厚度及判定樁底持力層巖土性狀。

每一種檢測(cè)方法都有它的可測(cè)試范圍和可提供的結(jié)果，對(duì)于同一根樁，有時(shí)候多種方法結(jié)果一致，有時(shí)候結(jié)果差異較大，這是因測(cè)試原理差異而造成了相對(duì)測(cè)試盲區(qū)。本文以一橋梁工程檢測(cè)為例，對(duì)三種方法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 分析各種檢測(cè)方法的相對(duì)測(cè)試盲區(qū)

1.1 低應(yīng)變法

低應(yīng)變法適用于長(zhǎng)徑比不小于5 的灌注樁樁身完整性檢測(cè)[1]。采用一維彈性桿應(yīng)力波傳播理論，對(duì)樁頂施加瞬態(tài)沖擊，沖擊產(chǎn)生的小應(yīng)力波在類似桿件的樁身縱向傳播，遇到阻抗變化較大的橫向截面會(huì)形成可測(cè)量的反射波，反射波信號(hào)傳遞至樁頂粘接的加速度傳感器，通過(guò)分析積分的信號(hào)時(shí)程曲線并結(jié)合地質(zhì)剖面情況，可以判定樁身的缺陷程度和位置。

如果樁身截面多變且變化幅度較大，應(yīng)力波會(huì)多次反射疊加，形成不可分析的復(fù)雜信號(hào)；或者樁頭混凝土材質(zhì)較差，無(wú)法產(chǎn)生適中的瞬態(tài)沖擊脈沖，也是得不到可分析的反射信號(hào)。對(duì)于基本滿足一維彈性桿件性狀的灌注樁，樁身水平裂縫、斷樁、短樁、較大縮頸、嵌巖樁沉渣厚度較大或未入巖等橫向界面缺陷，低應(yīng)變法經(jīng)常能檢出一明顯缺陷反射波；而樁身局部混凝土材質(zhì)劣化，或者振搗不實(shí)、拔管過(guò)快造成澆筑管周縱向連續(xù)的混凝土溝槽，通常應(yīng)力波能穿過(guò)這類型阻抗縱向緩變的區(qū)域而不產(chǎn)生可測(cè)量的反射波信號(hào)，造成樁身缺陷的測(cè)試盲區(qū)。

1.2 聲波透射法

聲波透射法采用兩根聲測(cè)管從樁頂沿著鋼筋籠內(nèi)側(cè)通長(zhǎng)布置到籠底端部，管內(nèi)滿水，兩個(gè)換能器從樁底同步上升到樁頂。上升過(guò)程中，發(fā)射換能器超聲脈沖從發(fā)射端先后經(jīng)過(guò)耦合水、發(fā)射端聲測(cè)鋼管壁、混凝土、接收端聲測(cè)鋼管壁及耦合水到達(dá)接收換能器，得到一個(gè)紡錘形的時(shí)間-聲幅衰減曲線，曲線按測(cè)點(diǎn)間距排列形成波列圖。曲線首波起跳點(diǎn)的時(shí)間（波速）和波幅參數(shù)參與統(tǒng)計(jì)計(jì)算，計(jì)算波速和波幅的臨界值，并參考波形曲線畸變程度和整體波列圖，形成缺陷判斷依據(jù)。

當(dāng)鋼管壁與混凝土之間因粘結(jié)不良存在空隙、或者混凝土有空洞及不密實(shí)等缺陷，超聲脈沖會(huì)在這些異界面發(fā)生散射和反射，導(dǎo)致接收的脈沖能量下降和相位變化[2]，信號(hào)曲線則會(huì)發(fā)生畸變、首波波速和波幅會(huì)降低。而沿著深度方向有連續(xù)缺陷時(shí)，波列圖對(duì)應(yīng)區(qū)域會(huì)出現(xiàn)衰減曲線向直線過(guò)渡的區(qū)域，如果缺陷嚴(yán)重，接收信號(hào)能量明顯下降，則形成一直線區(qū)域。

聲波透射法只能測(cè)試兩根聲測(cè)管之間主波束輻射的區(qū)域，主波束以外的區(qū)域是無(wú)法測(cè)試的，聲測(cè)管距離越遠(yuǎn)，非輻射區(qū)域越大，因此檢測(cè)規(guī)范要求根據(jù)樁徑大小布置聲測(cè)管數(shù)量，讓主波束能充分覆蓋鋼筋籠內(nèi)混凝土區(qū)域，以減少測(cè)試盲區(qū)，而目前聲波透射法的主要盲區(qū)是樁底段混凝土。水下灌注混凝土?xí)r，混凝土向上擠出，鋼筋籠同時(shí)受到泥漿浮力和混凝土的向上推力，當(dāng)施工單位未采取有效措施時(shí)，會(huì)出現(xiàn)浮籠情況，造成聲測(cè)管未能覆蓋樁底區(qū)域，以致樁底沉渣厚度和樁底混凝土質(zhì)量的測(cè)試缺失。

1.3 鉆芯法

鉆芯法一般是對(duì)低應(yīng)變法和聲波透射法的驗(yàn)證檢測(cè)方法，通過(guò)鉆取的混凝土芯樣和樁底巖土樣，能直觀判斷成樁質(zhì)量，但因鉆孔的局限性，對(duì)鉆孔外的樁身質(zhì)量不可確定。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某市政橋梁工程，樁徑為1000/1300/1600mm，沖擊成孔灌注樁，樁長(zhǎng)19～40m，持力層為中風(fēng)化花崗巖，每根灌注樁均預(yù)埋三根聲測(cè)管，對(duì)灌注樁同時(shí)使用聲波透射法和低應(yīng)變法全檢，依據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)B1#、E2#、N#及S#樁進(jìn)行鉆芯法或淺部開(kāi)挖驗(yàn)證。

2.2 缺陷樁樁身完整性復(fù)合檢測(cè)

2.2.1 B1# 樁

B1#樁樁徑1000mm，施工記錄樁長(zhǎng)28.00m。低應(yīng)變法實(shí)測(cè)曲線如圖1 所示，樁身完整，樁底入巖良好。聲波透射法實(shí)測(cè)曲線如圖2 所示，波列圖AC 剖面0.2～0.7m 及BC 剖面0.3～0.7m 出現(xiàn)類直線區(qū)域，樁身靠近C 管周邊存在缺陷。由于聲測(cè)缺陷較淺，對(duì)缺陷方位的2m 范圍開(kāi)挖，淺部樁周狀況見(jiàn)圖3，樁身未見(jiàn)明顯縮頸，但有部分樁周土侵入C 管周圍，管周夾雜的泥質(zhì)造成脈沖能量衰減嚴(yán)重。對(duì)樁身鉆芯，芯樣完整、無(wú)缺陷，未見(jiàn)沉渣，持力層為中風(fēng)化花崗巖，見(jiàn)圖4。

從B1#樁的復(fù)合檢測(cè)結(jié)果分析，成樁過(guò)程中，有泥漿侵入樁頭C 管周邊，未對(duì)樁身造成較大橫向缺陷，低應(yīng)變無(wú)法檢出，而聲測(cè)管外周的粘結(jié)泥漿基本阻斷超聲脈沖的有效傳播，聲測(cè)對(duì)這區(qū)域檢出明顯缺陷。對(duì)于鉆芯驗(yàn)證，由于鉆孔只能布置在離中心10～15cm 的位置，靠近聲測(cè)管的混凝土區(qū)域無(wú)法鉆取，所以鉆取的芯樣不能反映B1#樁的缺陷內(nèi)容。

2.2.2 E2# 樁

E2#樁樁徑1000mm，施工記錄樁長(zhǎng)34.50m。低應(yīng)變法實(shí)測(cè)曲線如圖5 所示，樁底存在明顯同向反射，同向反射前有輕微負(fù)向反射，樁底疑有沉渣影響。聲波透射法曲線如圖6 所示，測(cè)試深度34.30m，略短于施工記錄樁長(zhǎng)，波列圖均勻。對(duì)樁身鉆芯，揭露樁長(zhǎng)34.61m，樁底粘連黑色膠皮，膠皮單層厚7～9mm，呈V 型彎曲折疊，持力層為中風(fēng)化花崗巖，見(jiàn)圖7、圖8。

鉆取芯樣揭露膠皮異物內(nèi)嵌于入巖段樁端混凝土上，低應(yīng)變同向反射明顯，推測(cè)鉆孔外膠皮仍占據(jù)較大面積。對(duì)這種成樁過(guò)程較大異物掉落孔內(nèi)并被下放鋼筋籠擠壓至樁底而形成的嵌巖樁底橫向缺陷，低應(yīng)變能有效檢出，而聲測(cè)管埋深34.30m，鉆芯揭露樁實(shí)際長(zhǎng)度34.61m，有31㎝的樁端混凝土聲測(cè)盲區(qū)。

2.2.3 N# 樁

N#樁樁徑1600mm，施工記錄樁長(zhǎng)29.40m。低應(yīng)變法實(shí)測(cè)曲線如圖9 所示，樁身完整，樁底入巖良好。聲波透射法曲線如圖10 所示，波列圖均勻性一般，波幅波速曲線圖中較多波幅低于臨界值。對(duì)樁身鉆芯，兩孔均出現(xiàn)較多連續(xù)溝槽，持力層為中風(fēng)化花崗巖，見(jiàn)圖11、圖12。

混凝土空隙、氣泡和溝槽不會(huì)導(dǎo)致超聲脈沖波速明顯降低，波速受粗骨料的混凝土占比影響較大[3]，這類型缺陷讓接收信號(hào)能量明顯下降，波幅降低明顯，所以N#樁聲波透射法的波列圖和波幅值能指出樁身缺陷。而低應(yīng)變法只對(duì)橫向界面缺陷敏感，所以低應(yīng)變時(shí)程曲線無(wú)法反應(yīng)N1#的溝槽問(wèn)題。

2.2.4 S# 樁

S#樁樁徑1600mm，施工記錄樁長(zhǎng)29.90m。低應(yīng)變法實(shí)測(cè)曲線如圖13 所示，樁底有明顯同向反射，同向反射后有二次負(fù)向反射，有持力層未達(dá)到中風(fēng)化的可能。聲波透射法結(jié)果如圖14 所示，測(cè)試深度29.70m，略短于施工記錄樁長(zhǎng)，波列圖均勻?？紤]低應(yīng)變和聲測(cè)的檢測(cè)結(jié)果，主要缺陷是未入巖，復(fù)核地質(zhì)柱狀圖和剖面地層深度變化情況，樁端可能支承在強(qiáng)風(fēng)化層上，由于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖遇水軟化崩解，如果不提前采取有效鉆取措施，大部分芯樣巖屑和風(fēng)化土?xí)o水沖走，擬定鉆芯穿樁后采用低水壓或干鉆強(qiáng)風(fēng)化層同時(shí)監(jiān)測(cè)鉆桿下落高度。對(duì)樁身鉆芯，揭露樁長(zhǎng)29.89～9.97m，確定有1.30～1.52m 厚強(qiáng)風(fēng)化花崗巖夾層與樁端接觸，不滿足中風(fēng)化的入巖要求，見(jiàn)圖15、圖16。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析三種檢測(cè)方法的測(cè)試盲區(qū)及列舉的工程實(shí)例，提出以下建議：嵌巖灌注樁進(jìn)行完整性檢測(cè)時(shí)，建議使用低應(yīng)變法和聲波透射法對(duì)樁雙重檢測(cè)，低應(yīng)變法普查樁身橫向缺陷和樁端混凝土、沉渣、入巖的綜合情況，而聲波透射法檢測(cè)樁身混凝土質(zhì)量，這樣可以減少因采用單一方法檢測(cè)而造成的缺陷漏檢，再對(duì)篩查的缺陷樁采取鉆芯驗(yàn)證。