多種檢測方法在軟土地區(qū)橋梁樁基檢測中的綜合應用

羅云烈，魯傳恒，陶華飛，游建華

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

對于沿海地區(qū)來說，由于軟土層深厚，巖層埋藏較深，橋梁樁基礎多采用嵌巖樁，其施工樁長必然遠超常規(guī)。超長樁因其施工時間長、地層條件復雜、地下水變化較大、軟土層部分孔壁需埋設護筒保護等因素，相對來說更容易發(fā)生混凝土離析、縮徑、斷樁、塌孔、沉渣過厚等諸多質量問題[1]。橋梁上部結構及其所承受的荷載全部施加于樁基礎之上，再通過樁身將所有應力傳遞到地下巖土層之中，由此可見，樁基礎作為橋梁工程的根，其施工質量關系到整個橋梁工程的安危，樁基礎施工工程中產生的樁身缺陷如未及時發(fā)現(xiàn)并采取有效措施進行補救，將對后續(xù)的使用帶來巨大風險，會產生不可估量的人員和財產損失。因此，在橋梁上部結構施工之前，對樁基礎采用多種檢測技術手段進行檢驗顯得尤為重要。

樁基檢測技術歷經多年發(fā)展完善，目前工程界廣泛運用的檢測手段主要包括：低應變法、聲波透射法、鉆芯法、靜載試驗和高應變法等。靜載試驗和高應變法主要用來檢測基樁承載力。檢測樁身完整性多采用低應變法、聲波透射法和鉆芯法，這三種方法都具有操作便利、速度快、效率高、成本低等優(yōu)勢，在橋梁樁基檢測中得到了廣泛運用[2]。然而，多年實踐表明，低應變法、聲波透射法、鉆芯法也各自存在一定局限性，如果僅靠一種方法對樁基礎進行分析和評判，則可能給工程埋下安全隱患[3-5]；同時，單單根據(jù)某種方法得出的異常結論就給樁基判“死刑”，往往可能夸大了存在的缺陷問題，造成極大的工程浪費，嚴重延誤工期。因此，從工程可靠性和經濟性的角度出發(fā)，研究多種檢測手段的綜合應用具有十分重要的意義。

1 低應變法、聲波透射法、鉆芯法的主要原理及優(yōu)缺點

1.1 低應變法

低應變法將基樁假定為理想化的“一維線性彈性桿件”數(shù)學模型，利用小錘在樁頂激發(fā)一瞬態(tài)應力波，當應力波往下傳播過程中遇到樁身阻抗突變的界面，將會產生往上傳播的反射波信號，這些信號由樁頂粘貼的傳感器接收生成信號曲線，通過波動理論分析曲線來判斷樁身完整性情況[1]。低應變法的優(yōu)點主要是操作簡便、成本低廉、效率高，適用于大面積普查檢測。低應變法的缺點主要有4 點：一是應力波信號容易受到外界環(huán)境干擾、低應變激振能量較弱，有效檢測長度有限；二是對樁身缺陷只能做定性評價，無法判定缺陷的具體性質；三是樁身若存在較明顯的淺部缺陷，會使應力波的能量產生嚴重衰減，使得樁身中下部的缺陷沒法識別，造成漏判；四是對樁身“擴徑”等阻抗?jié)u變的情況容易產生誤判。

1.2 聲波透射法

聲波透射法利用提前預埋在混凝土灌注樁中的聲測管為通道，將成對的聲波發(fā)射和接收換能器放置其中，沿著樁身軸向方向從樁底開始勻速同步提升，逐點記錄超聲波穿過各檢測剖面的聲學參數(shù)，通過分析聲波在混凝土中傳播的聲學參數(shù)變化和波形畸變程度，可以分析判定樁身混凝土缺陷的位置范圍和程度[6]。它具有檢測方便快捷、適用性廣、檢測結果比較全面、準確和可靠等優(yōu)勢；同時也存在一些局限性，一是聲波檢測須提前預埋聲測管，且試驗前必須保證每根聲測管通暢到底；二是聲波透射法檢測同樣只能定性評價樁身缺陷，無法定量判定缺陷的類型；三是聲測管管壁若包裹泥團或接口焊接不良時，聲波信號會產生嚴重畸變，容易造成誤判。

1.3 鉆芯法

鉆芯法是利用鉆探設備在樁身鉆取若干個孔的全樁長混凝土芯樣及一定深度的持力層巖土芯樣，通過觀測芯樣表觀質量和抽樣進行實驗室試驗，可以準確判定樁長、混凝土強度、樁身缺陷及位置、樁底沉渣厚度等是否滿足要求[7]。鉆芯法明顯的優(yōu)勢一是檢測結果十分直觀明了，可以準確判定缺陷的類型和程度，因此常作為低應變法和聲波透射法的驗證手段；二是可查明樁底沉渣厚度和樁端持力層巖土性狀，檢測結果可輔助計算承載力。同時鉆芯法也存在一些局限性，一是天生存在“一孔之見”的弊端，無法完整體現(xiàn)整個樁身截面的情況，容易漏判、重判；二是對于超長樁和垂直度較差的旋挖樁，鉆芯法容易鉆偏出樁外，無法鉆穿樁底；三是需鉆探設備進場并配備專業(yè)人員操作，成本相對較高，面對長樁檢測時，鉆探耗費的時間較長，效率低。

2 工程實例分析

2.1 低應變法與聲波透射法綜合運用實例

某橋梁工程采用混凝土灌注樁基礎，均為嵌巖樁，樁徑分別為1 200 mm 和1 500 mm，設計樁長在37.5～50.7 m 之間。隨機抽檢一批樁進行低應變法檢測，檢測結果發(fā)現(xiàn)，所有受檢樁低應變法結果曲線都反映出樁身上部有明顯缺陷。典型異常檢測曲線如圖1 所示，1-11# 樁的樁徑為1 200 mm，樁長為52.5 m，樁底嵌入中風化花崗巖2.4 m，其低應變檢測曲線上顯示樁身6.2 m 左右處有與入射脈沖同向的高幅值反射，說明在該深度處樁身存在阻抗明顯變小的界面或區(qū)域，判斷可能存在縮徑、蜂窩溝槽、離析、夾泥等缺陷。

圖1 1-11# 樁低應變法檢測曲線圖

本項目分別選用鉆芯法、聲波透射法和低應變法對全部46 根橋樁進行全覆蓋檢測，前期選定為鉆芯法和聲波透射法檢測的樁，它們的檢測結果均無異常，完整性均判為Ⅰ類，而第一批采用低應變法抽檢的樁，結果均出現(xiàn)異常，因此有必要對低應變法檢測結果進一步分析。查閱勘察鉆孔柱狀圖信息得知，場地上覆深厚層的淤泥軟土，深度有20 多米，該軟土層含水量大，為流塑狀，不穩(wěn)定，為保證孔壁不坍塌，樁基施工時埋設了護筒進行保護，現(xiàn)場觀察樁頭發(fā)現(xiàn)，護筒并沒有在澆筑完混凝土后拔除。詢問施工方得知，該護筒直徑要比設計樁徑要大20 cm 左右，這就造成了護筒段以下樁身非缺陷性“縮徑”，而“縮徑”位置就會產生同向的異常反射信號。將受檢樁的護筒長度數(shù)據(jù)和低應變異常反射位置進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者幾乎吻合。同時了解到該項目所有樁均預埋了聲測管，可采用聲波透射法進一步驗證。如圖2 所示，1-11 樁在6.2 m 左右處的聲速、波幅等聲測參數(shù)均無異常，波形無畸變，聲波透射法結果表明樁身完整無缺陷，可判為一類樁。對其他低應變法受檢樁均改用聲波透射法進行了驗證，結果均表明樁身完整，印證了低應變法所反映的缺陷是因大護筒產生的非缺陷性“縮徑”所引起。

圖2 1-11# 樁聲波透射法檢測波列圖

2.2 聲波透射法與鉆芯法綜合運用實例

某橋梁工程采用預應力混凝土連續(xù)剛構橋，主跨橋墩樁基礎采用沖孔灌注樁，利用水下插打鋼護筒工藝進行施工，樁端要求嵌入中風化花崗巖。11#-10 樁的施工樁長為37.65 m，樁徑為2 000 mm，提前對稱分布預埋了4 根聲測管，編號按順時針依次為A、B、C、D，聲波透射法檢測結果如圖3 所示。AB 檢測剖面34.40 ～37.60 m 段、AC 檢測剖面34.50 ～37.60 m 段、AD 檢測剖面34.50 ～37.60 m段、BC 檢測剖面34.70～37.60 m 段、BD 檢測剖面34.75～37.60 m 段的聲速和波幅參數(shù)均存在明顯異常，且聲測線波形畸變嚴重。該樁6 個聲測檢測剖面中5 個存在異常，反映的缺陷基本處同一深度，且缺陷范圍超過3 m，初步可判定為Ⅳ類樁，不滿足驗收要求，應做廢樁處理。

圖3 11#-10 樁聲波透射法檢測波列圖

進一步研究聲波透射法結果發(fā)現(xiàn)，AB 剖面的聲測曲線畸變最為嚴重，CD 剖面無異常，且所有異常剖面均跟A 管和B 管有關聯(lián)，因此靠近這兩根管的位置需要重點關注。采用鉆芯法對11#-10 樁進一步驗證，該樁樁徑大于1 600 mm，需鉆3 個孔，如圖4所示，使2 個鉆芯孔分別靠近A 管和B 管，另一孔對稱分布。

圖4 11#-10 樁鉆芯法驗證開孔位置平面圖

鉆芯驗證結果如圖5 所示，3 個驗證孔的混凝土芯樣均表現(xiàn)為連續(xù)完整，斷口吻合，芯樣表面光滑，未見明顯蜂窩麻面溝槽，骨料分布均勻，膠結良好，依據(jù)鉆芯法結果，樁身完整性可判為Ⅰ類。聲波透射法在樁底附近測得的異常信號并沒有在鉆芯法結果上有任何體現(xiàn)，出現(xiàn)這種明顯反差的原因可能是11#-10 樁的樁徑較大，且為水下樁，下部護筒未圍蔽段的孔壁泥土相對不穩(wěn)定，塌落至孔底，樁長也較長，吊放鋼筋籠時也容易刮碰到孔壁泥土，這些都可能使A 管和B 管外壁附著泥土，導致這兩根管關聯(lián)的聲測剖面信號數(shù)據(jù)異常。

圖5 11#-10 樁鉆芯法驗證芯樣照片

2.3 鉆芯法與聲波透射法綜合運用實例

某橋梁工程采用鉆（沖）孔灌注樁基礎，橋墩樁基直徑為1 300 mm，橋臺樁基直徑為1 000 mm，均為嵌巖樁，樁底入中風化花崗巖不少于1.5D。橋臺樁基Z4-27 樁的樁長為56.95 m，采用鉆芯法進行檢測時，發(fā)現(xiàn)樁身21.41～22.61 m 段芯樣松散破碎，膠結質量差（如圖6），混凝土破碎段長度遠大于10 cm，樁身完整性類別應判為Ⅳ類，理論上需做廢樁處理。在原樁增加一個鉆芯孔進行驗證，結果如圖7 所示，在對應深度范圍內并未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，芯樣整體連續(xù)完整，芯樣表面光滑，膠結良好，說明一孔發(fā)現(xiàn)的缺陷并沒有完全貫穿整個樁身截面，然而考慮到鉆芯法“一孔之見”的局限性，必須擴大檢測的有效區(qū)域，對缺陷的影響范圍做進一步驗證。

圖6 Z4-27 樁鉆芯法檢測芯樣照片（松散破碎）

圖7 Z4-27 樁鉆芯法驗證孔芯樣照片（完整光滑）

觀察到Z4-27 樁有預埋3 根聲測管，可采用聲波透射法進行驗證，檢測結果曲線如圖8 所示，三個檢測剖面的聲波參數(shù)均無異常，實測波形無明顯畸變，表明樁身完整性良好。鉆芯法發(fā)現(xiàn)的缺陷問題在聲波透射法檢測信號上沒有任何反映，原因可能是該鉆芯孔開孔位置比較貼近樁中心（如圖9），而聲波透射法僅能檢測三根聲測管兩兩之間有限范圍的樁身質量，鉆芯孔正好位于聲波透射法檢測的盲區(qū)之中，不過這恰巧也同時說明了鉆芯法發(fā)現(xiàn)的缺陷僅分布在靠近樁中心的狹小空間內。利用鉆芯孔作為聲測探頭的通道，繼續(xù)檢測鉆芯孔與三根聲測管之間剖面的完整性情況，結果如圖10 所示，三個剖面聲測實測波形均未出現(xiàn)嚴重的畸變，進一步說明了缺陷的范圍主要分布在鉆芯孔內及其鄰近較小的區(qū)域，后續(xù)可利用鉆芯孔進行高壓注漿補強處理，處理后樁身質量可達到使用要求。

圖9 Z4-27 樁鉆芯孔與聲波透射法檢測有效范圍位置關系圖

圖10 Z4-27 鉆芯孔與三根聲測管之間測試剖面的聲波透射法檢測波列圖

3 結 語

（1）低應變法、聲波透射法和鉆芯法在樁基礎質量檢測中運用十分廣泛，它們的實用性和可靠性已獲得廣大工程師們的認可。三者從原理上分析均有鮮明的優(yōu)點，當同時也存在一定的局限性，本文通過實例表明，面對沿海軟土地區(qū)復雜的地質條件，如果僅依托一種檢測手段來判斷該區(qū)域橋梁樁基礎的施工質量，往往會夸大存在缺陷問題甚至產生誤判。

（2）當?shù)蛻兎z測信號出現(xiàn)大批量有規(guī)律的異常反射時，應當考慮是否因施工工藝、場地地質條件等因素引起的干擾，并采用其他方法輔助驗證。

（3）當聲波透射法在樁底位置出現(xiàn)異常結果時，應當分析異常剖面與聲測管的對應關系，由此確定鉆芯法驗證孔的開孔位置，提高鉆芯法驗證的可靠度。

（4）當鉆芯法檢測某一鉆孔芯樣出現(xiàn)質量缺陷時，可選用聲波透射法擴大檢測的范圍，同時可利用鉆芯孔作為聲測探頭的通道，測試與其他聲測管之間的剖面，來進一步確定缺陷的分布區(qū)域，綜合判斷缺陷對樁身承載力的影響程度。