水利工程樁基無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

孫丹丹，徐 昕，劉 昱，劉瑞龍

（1.湖北正平水利水電工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，武漢 430064；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，武漢 430070）

目前水利工程采用的樁基主要有鉆孔灌注樁、挖孔樁、預(yù)制樁、旋噴樁。樁基質(zhì)量檢測(cè)內(nèi)容主要為樁基質(zhì)量評(píng)價(jià)和確定樁基的承載力兩個(gè)方面。 當(dāng)前水利工程樁基檢測(cè)主要采用無(wú)損檢測(cè)和有損檢測(cè)兩類，其中無(wú)損檢測(cè)方法主要為高應(yīng)變應(yīng)力檢測(cè)、低應(yīng)變應(yīng)力檢測(cè)和超聲波投射法等； 有損檢測(cè)方法主要為鉆芯取孔法等， 由于有損檢測(cè)主要為鉆芯取孔這一種代表方法，準(zhǔn)確度雖優(yōu)于無(wú)損檢測(cè)，但存在造價(jià)高、耗時(shí)長(zhǎng)、操作困難等劣勢(shì)，所以無(wú)損檢測(cè)在樁基檢測(cè)中運(yùn)用得越來(lái)越廣泛。 我國(guó)水利工程樁基無(wú)損檢測(cè)興起于20 世紀(jì)90 年代，張海峰等［1］對(duì)低應(yīng)變應(yīng)力檢測(cè)方法的基本原理、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集方法、室內(nèi)數(shù)據(jù)分析與處理等方面進(jìn)行詳盡介紹；王懷元等［1］對(duì)高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)樁法的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)（包括樁頭處理、錘擊能量、傳感器的安裝等對(duì)高應(yīng)變測(cè)試的影響）和數(shù)據(jù)分析技術(shù)（包括測(cè)試曲線分析、波速確定、Jc值的選取等）進(jìn)行討論；吳剛等［2］將低應(yīng)變反射波法和超聲波法透射法均應(yīng)用于某橋梁的樁基檢測(cè)， 并將兩類方法從理論、實(shí)測(cè)等方面進(jìn)行對(duì)比。綜上，不少研究人員僅對(duì)其中某類方法開(kāi)展詳盡的研究和介紹，或?qū)ζ渲械膬深惙椒ㄟM(jìn)行對(duì)比，但對(duì)整套方法進(jìn)行系統(tǒng)研究的較少，缺乏對(duì)各類方法適用范圍、條件等方面的提煉與總結(jié)， 所以本文主要針對(duì)無(wú)損檢測(cè)的3 類方法進(jìn)行系統(tǒng)梳理， 總結(jié)樁基無(wú)損檢測(cè)方法的適用條件、檢測(cè)范圍、優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，并提出改進(jìn)方法與思路，以期為水利工程樁基質(zhì)量檢測(cè)提供參考。

1 水利工程樁基無(wú)損檢測(cè)方法

1.1 低應(yīng)變法

低應(yīng)變法廣泛用于水利工程樁基檢測(cè)中， 適用于檢測(cè)混凝土樁的樁身完整性， 理論原理是通過(guò)樁頂施加能量瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)激振信號(hào)產(chǎn)生一維彈性桿件應(yīng)力波，傳播至樁底，當(dāng)波陣面到達(dá)波阻抗的變化閾值界面時(shí)，可穿透閾值界面的稱為透射波，此類應(yīng)力波可繼續(xù)向前傳播； 不可穿透閾值界面并沿原介質(zhì)回彈的應(yīng)力波稱為反射波， 透射波和反射波的能量大小與波阻抗的差異相關(guān)。

假定樁身存在一個(gè)波阻抗閾值界面， 上端的廣義波阻抗為Z1=ρ1νc1A1， 下端的廣義波阻抗為Z2=ρ2νc2A2，當(dāng)應(yīng)力波傳播到該閾值界面時(shí)，就要發(fā)生相應(yīng)的透射和反射。 根據(jù)連續(xù)性條件可得透射系數(shù)和反射系數(shù)如下：

式中ρ1為上端介質(zhì)密度；ρ2為下端介質(zhì)密度；νc1為應(yīng)力波在上端介質(zhì)中的速度；νc2為應(yīng)力波在下端介質(zhì)中的速度；A1為上端截面積；A2為下端截面積。

若Z2

1.2 高應(yīng)變法

高應(yīng)變法主要用于檢測(cè)樁基的豎向抗壓承載力和樁身完整性［4］。不同于低應(yīng)變的是，高應(yīng)變法主要通過(guò)重錘沖擊樁頂（重錘質(zhì)量一般需達(dá)到樁身重量的10%或達(dá)到單樁豎向承載力1%以上）， 在沖擊樁頂過(guò)程中主要測(cè)量樁頂部的力時(shí)程曲線和速度時(shí)程曲線， 然后通過(guò)波動(dòng)理論進(jìn)行分析， 最終得到單樁豎向抗壓承載力及樁身完整性的檢測(cè)結(jié)論，如圖1。

圖1 高應(yīng)變法檢測(cè)示意圖

在具體檢測(cè)過(guò)程中，一般采取CASE 法、阻力系數(shù)法和波形擬合法等理論進(jìn)行分析：

（1）CASE 法是在檢測(cè)單樁時(shí)假定樁身為等截面樁，再將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)波動(dòng)理論進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與樁基設(shè)計(jì)值要求進(jìn)行比對(duì)， 判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。 由于CASE 法計(jì)算的單樁承載力數(shù)值為估算值，與實(shí)際承載力相比精準(zhǔn)度不夠，但由于操作簡(jiǎn)便，適合于樁基工程成樁過(guò)程中的檢測(cè)。

（2）阻力系數(shù)法是采用一維波動(dòng)方程檢測(cè)樁基周邊巖土對(duì)樁基的支撐力，在檢測(cè)過(guò)程中有3 種假定：①假定樁身與巖土呈等阻抗?fàn)顟B(tài)； ②假定樁基周圍的巖土阻力為零，阻力僅集中分布在樁基頂部；③假定樁基僅存在靜阻力，應(yīng)力波在傳播過(guò)程中沒(méi)有損耗。實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中將3 種假定的數(shù)值作為樁基承載力檢測(cè)值。

（3）波形擬合法是高應(yīng)變法中最為準(zhǔn)確的一種方法，波形擬合法主要是將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到應(yīng)力波直接輸入到計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行迭代計(jì)算，通過(guò)模擬樁基與周邊巖土的離散模型，并假定樁基和周邊巖土的物理力學(xué)參數(shù)，求解出波形曲線，將求解的波形曲線與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的波形曲線進(jìn)行擬合， 若擬合重合度不高，需重新調(diào)整樁基和周邊巖土的物理力學(xué)參數(shù)，直至完全重合為止，此時(shí)樁基和周邊巖土的物理力學(xué)參數(shù)值即為最佳假定值，同時(shí)可求解出樁基承載力。

1.3 超聲波透射法

超聲波透射法也稱聲波投射法， 主要用于樁身完整性的檢測(cè)， 主要原理為利用超聲脈沖對(duì)樁身內(nèi)部發(fā)射高頻率的彈性脈沖波， 該脈沖在經(jīng)過(guò)樁身后被接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 超聲檢測(cè)儀對(duì)電信號(hào)進(jìn)行綜合處理及分析， 通過(guò)專業(yè)儀器對(duì)脈沖波在樁體的波動(dòng)情況進(jìn)行記錄， 通過(guò)這些波動(dòng)情況來(lái)預(yù)測(cè)樁體內(nèi)部的情況，判斷樁身完整性［5］。

超聲脈沖波的傳播速度與樁身混凝土的密實(shí)度有密切關(guān)聯(lián)，混凝土密實(shí)則傳播速度快，混凝土不密實(shí)則傳播速度慢。當(dāng)樁身無(wú)連續(xù)無(wú)缺陷時(shí)，超聲波的傳播形式是以直線形式傳播；若樁身存在縮徑、擴(kuò)徑或離析等缺陷，超聲波的傳播形式會(huì)以折射、反射或繞射的形式傳播，接收到的能量也會(huì)明顯衰減、頻率顯著降低、波形畸變，同時(shí)波速、振幅等波形參數(shù)也會(huì)發(fā)生明顯變化， 通過(guò)上述變化來(lái)判斷樁身缺陷的尺寸及分布位置， 由于樁身缺陷造成超聲波的傳播形式的變化往往具有復(fù)雜性和疊加效益， 所以在進(jìn)行波形變化分析時(shí)較為復(fù)雜， 從而增加操作和分析樁基缺陷的難度。

2 無(wú)損檢測(cè)方法研究

2.1 各類方法適用條件

參照以往測(cè)量數(shù)值經(jīng)驗(yàn)， 低應(yīng)變法適用于樁基直徑不超過(guò)1.8 m，樁長(zhǎng)5～50 m；高應(yīng)變法適用于預(yù)制樁和預(yù)應(yīng)力管樁的檢測(cè)。 對(duì)于預(yù)估Q-s 曲線具有緩變型特征的大直徑灌注樁或大直徑擴(kuò)底樁， 不宜采用高應(yīng)變法；聲波透射法適用于樁長(zhǎng)大于50 m 或樁徑大于2.0 m，對(duì)于樁徑小于0.6 m 的樁，不宜采用此方法。

2.2 各類方法優(yōu)缺點(diǎn)

低應(yīng)變法的優(yōu)點(diǎn)在于操作方便快捷， 費(fèi)用低；缺點(diǎn)是無(wú)法開(kāi)展定量分析，比較依賴檢測(cè)人員的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，不同的檢測(cè)人員會(huì)因波形的細(xì)微差別給出不同的樁基完整性等級(jí)結(jié)論，給后續(xù)問(wèn)題樁基的處理帶來(lái)困擾，同時(shí)地質(zhì)條件對(duì)低應(yīng)變法的測(cè)量準(zhǔn)確度也有較大影響， 尤其是樁側(cè)土對(duì)應(yīng)力波的傳播存在阻礙作用，會(huì)衰減應(yīng)力波的能量，從而影響檢測(cè)結(jié)論。

如湖北省仙桃市某泵站樁基采用PRC 樁，樁徑400 mm，樁間距1.8 m，樁長(zhǎng)12 m，其中泵房基礎(chǔ)87根，泵室擋墻14 根，前池?fù)鯄?4 根，共計(jì)115 根。主要儀器設(shè)備為RS-1616 （K）T 基樁動(dòng)測(cè)儀和低應(yīng)變加速度計(jì)， 其中前池?fù)鯄Φ膬筛鶚痘牡蛻?yīng)變波形圖如圖2。

圖2 低應(yīng)變法波形圖

這兩根樁波形圖分別在6.64 m 和5.86 m 處有微小凸起，部分檢測(cè)人員判定為II 類樁，即樁身混凝土結(jié)構(gòu)基本完整，存在輕微缺陷，另一部分檢測(cè)人員認(rèn)為波形完整， 凸起部門可能是周邊填土模量較小引起，應(yīng)判定為I 類樁，通過(guò)結(jié)合施工地質(zhì)勘察資料和施工記錄，最終將這兩根樁判定為I 類樁，可見(jiàn)，不同檢測(cè)人員針對(duì)低應(yīng)變波形圖可能會(huì)判定出不同的樁基完整性等級(jí)結(jié)論， 波形圖會(huì)受到側(cè)土地質(zhì)條件的影響。

高應(yīng)變法的優(yōu)點(diǎn)在于可同時(shí)檢測(cè)承載力和樁基完整性，檢測(cè)時(shí)間短，成本低；缺點(diǎn)是由于高應(yīng)變法假定樁周不存在土體變形， 導(dǎo)致承載力計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確， 在檢測(cè)后還需將檢測(cè)結(jié)論與本地區(qū)同等情況下的可靠性資料進(jìn)行對(duì)比佐證。

如湖北省荊州市某堤防工程共檢測(cè)南、 北側(cè)大堤28 根樁，豎向抗壓承載力特征值為90 kN，通過(guò)高應(yīng)變法檢測(cè)樁基承載力，其中樁基100%滿足承載力要求， 部分樁基承載力高于承載力特征值約3 倍以上，檢測(cè)結(jié)果數(shù)值偏高，通過(guò)對(duì)比本地區(qū)同等情況的可靠性資料， 并對(duì)承載力特征值偏高的樁基采取靜載試驗(yàn)復(fù)檢， 檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中兩根樁基不滿足承載力要求， 樁基的豎向承載力合格率為92.85%，可見(jiàn)高應(yīng)變法在樁基承載力檢測(cè)時(shí)可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確的情況，從而影響檢測(cè)結(jié)論。

超聲波透射法的優(yōu)點(diǎn)在于檢測(cè)儀器便攜、 環(huán)境適用性高、 可對(duì)樁基結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的質(zhì)量檢測(cè)和檢測(cè)結(jié)論直觀準(zhǔn)確等，缺點(diǎn)是由于樁基結(jié)構(gòu)位于地下，在聲波傳輸過(guò)程中，會(huì)受到地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，產(chǎn)生一些誤差性數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，需要對(duì)干擾因素做好處理，否則會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果的合理性。

表1 無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)比

3 改進(jìn)方法與思路

借鑒生物群體智能算法，如狼群算法、蟻群算法等， 將低應(yīng)變的波形和準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)論一并輸入進(jìn)行智能訓(xùn)練學(xué)習(xí)，形成樁基檢測(cè)大數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)波形分析的定量化，避免過(guò)分依賴檢測(cè)人員的主觀性。

提前收集巖土工程勘察資料和施工記錄， 深入了解樁側(cè)土質(zhì)情況， 并將工程區(qū)所有被測(cè)樁基結(jié)合起來(lái)分析，降低地質(zhì)條件對(duì)低應(yīng)變結(jié)果的影響。

高應(yīng)變法應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)輔以靜載荷實(shí)驗(yàn)法對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，提高地基承載力的準(zhǔn)確度。

在每根樁基澆筑之前， 在樁中心位置沿著平行樁身方向同步埋設(shè)一根聲測(cè)管， 可顯著增強(qiáng)超聲波透射法中聲波的穩(wěn)定回彈， 以減少樁身地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)聲波傳輸?shù)挠绊?，明顯提高檢測(cè)精度。

4 結(jié)語(yǔ)

質(zhì)量是水利工程的生命，樁基檢測(cè)是整個(gè)水利工程中重要的組成部分，各類水利工程樁基檢測(cè)方法均有各自的優(yōu)勢(shì)和局限，應(yīng)根據(jù)具體的施工工藝和地質(zhì)條件，選擇最佳的組合檢測(cè)方法，充分發(fā)揮各類檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)，提高檢測(cè)準(zhǔn)確度，確保工程質(zhì)量。