徐州市宏达土木工程试验室有限责任公司

1引言

在桩基工程设计施工中，对于混凝土灌注桩，将混凝土浇筑在预先钻孔内，待混凝土硬化，混凝土与钢筋笼和周围岩土体形成一体，并与上部承台相连，作为建筑物基础承担上部结构自重、风荷载或车辆机械等动荷载，确保上部结构在设计基准期内稳定，变形满足使用要求并具有一定抵抗灾害能力。混凝土灌注桩在当今深基础设计中已扮演越来越重要的角色。

影响混凝土灌注桩施工质量的因素很多，主要包括桩身混凝土强度、桩身混凝土连续性、桩底稳固进入持力层深度、桩头超灌情况以及浮浆层清理情况等。在桩基工程施工中，如何保证基桩的施工质量，提高基桩的桩身完整性对于提高整体施工质量非常重要。目前施工中通过控制混凝土质量和施工过程来保证基桩的施工质量，通过桩身混凝土强度检测和完整性检测来评价基桩的施工效果。用于评价基桩施工效果的手段主要有两种，一种是采用声波透射法检测，另外就是低应变法检测。由于这两种方法都存在一定的缺陷，所以很多工程都采用两种方法相结合的方式进行评价，即以声波透射法检测为验收评价依据，采用低应变法检测手段对基桩质量进行分类并辅助评价。

2 声波透射法测桩

声波透射一般是以人为激励的方式向介质发射声波，在一定距离上接收经介质物理特性调制的声波，通过观测和分析声波在介质中传播时声学参数和波形的变化，对被测对象的宏观缺陷、几何特征、组织结构、力学性质进行推断和表征。桩基施工的过程中，混凝土内部存在的缺陷会形成波的阻抗，相对于正常状态的混凝土来说，缺陷部分混凝土波阻抗更低，声波在混凝土桩身传播的过程中，波阻抗界面即为缺陷界面，声波在缺陷部位出现的透射、反射和绕射现象，在波形上会有对应的显示，以波形分析为基础即可以检测判断出桩基完整性和缺陷情况。声波透射法应用的过程中，能够对声波经过桩基混凝土传播后的声学参数量值和变化情况进行分析和测定，从而对桩基混凝土质量情况进行判断，主要应用的声学参数有声速、波形、频率及波幅等，这些声学参数与桩基混凝土质量密不可分。

声速反映了混凝土的弹性性质，而混凝土的弹性性质与混凝土的强度具有相关性，因此混凝土声速与强度之间存在相关性，即声波波速越高，混凝土强度也越高。当声波在传播路径上遇到缺陷时，若该缺陷是空洞抑或不密实区，声波将绕过缺陷传播，声程变长，所测得的声时就比正常的混凝土要长，表现在声速上就是声速减小。如图1、图2所示，声幅，波形基本一致，图2声时比图1要大，同样声测管间距说明图1测线声速较高，所代表的桩身混凝土质量较好。

图1

图2

波幅表征声波穿过混凝土后能量的衰减程度，接收波波幅强弱与混凝土的粘塑性有关，接收波幅值越低，混凝土对声波的衰减作用就越大。根据混凝土中声波衰减的原因可知，当混凝土中存在低强度区、离析区以及存在夹泥、蜂窝等缺陷时，吸收衰减和散射衰减增大，使接收波波幅明显下降。幅值可直接在接收波上观察测量，测量时通常以首波的波幅为准。后续的波往往受其他叠加波的干扰，影响测量结果。接收声波幅值与混凝土质量密切相关，它对缺陷区的反应比声时值更为敏感，如图3首波幅值低于图4首波幅值，反映了图3测线所代表位置混凝土密实度欠佳。

图3

图4

由于声波脉冲在缺陷界面的反射和折射，形成波线不同的约束，这些约束由于传播路径不同，或由于界面上产生波形转换而形成横波等原因，使得到达接收换能器的时间不同，因而使接收波成为许多同相位或不同相位波束的叠加波，导致波形畸变。实践证明，凡超声脉冲在传播过程中遇到缺陷，其接收波形往往产生畸变，所以波形畸变程度可作为判断缺陷程度的参考依据。如图5，波形特征和图6相比存在畸变，后续波形叠加混乱，所代表测线处是缺陷界面。

图5

图6

3 低应变法检测技术

低应变法是采用低能量瞬态或稳态激振方式在桩顶激振，实测桩顶部的速度时程曲线或速度导纳曲线，通过波动理论分析或频域分析，对桩身完整性进行判定的检测方法。本方法对桩身缺陷程度只作定性判定，尽管利用实测曲线拟合法分析能给出定量的结果，但由于桩的尺寸效应、测试系统的幅频相频响应、高频波的弥散、滤波等造成的实测波形畸变，以及桩侧土阻尼、土阻力和桩身阻尼的耦合影响，曲线拟合法还不能达到精确定量的程度。如图7、图8，同样桩型在不同地质条件下所采取的低应变波形，图7桩身在8m处进入软弱夹层，土阻抗减小在曲线上反映为缺陷反射波，图8未经过软弱夹层，反射波正常。

4 声波透射法与低应变法共同运用

在桩基检测中，由于声测管埋设在钢筋笼内侧，浇筑混凝土过程中有时会冲击底部声测管造成声测管倾斜，虽然可以通过软件后期处理进行管距修正，但检测剖面就不能完全覆盖整个桩身剖面，如果桩身存在影响桩身承载力的缩颈，那么仅仅进行声波检测将忽略此桩身缺陷造成误判，所以对于声测管倾斜的桩进行低应变检测极其必要。如图5、图6，图5经管距修正后整个检测剖面没有异常测点，显示整桩完整，但对该桩进行低应变检测发现上部5.11m处存在缩颈，桩身质量评价下降一类，因此低应变法有效弥补了声波的检测盲区，使得桩身质量评价更合理。

图9

图10

在低应变法检测过程中，经常会遇到桩底和持力层阻抗相匹配的情况，这种情况下采集的曲线没有明显的桩底反射波，所以经常用施工桩长去计算桩身波速，如果计算的波速在合理的波速取值范围内而又没有明显缩颈反射波往往判定为一类。但工程中经常出现围护桩桩长不够的情况，对于这种围护桩如果用声波透射法抽检往往可以发现问题，提供桩长的参考，进而缩小波速取值范围，更有利于低应变的结果判别。

对于岩层中的钻孔灌注桩，采用锤击工艺成孔往往会击碎持力层基岩，沉放钢筋笼并浇筑混凝土后进行声波透射法检测往往所测剖面桩身完整，混凝土强度正常，但该桩已成为实际意义上桩端承载力很低的吊脚桩，在后期上部结构承载过程中往往发生过度沉降，此时仅仅进行声波检测往往会忽略问题，而进行低应变检测桩端有明显低阻抗区即同向反射波。如图11，嵌岩桩桩底反射本应是反向反射，而吊脚桩却呈现出同向反射的特点。

图11

对于上部穿过软弱岩土层的钻孔灌注桩，施工过程中经常在上部超灌混凝土造成上部桩身扩径，低应变法检测这种上部扩径桩时，曲线往往在前部出现反向反射并出现二次反射掩盖了中下部的缺陷和桩底反射信号（如图12），采用声波透射法进行桩身质量检测更有效地识别桩身下部缺陷，有效进行桩身质量评价。

图12

5 结语

混凝土灌注桩的广泛应用对于桩身质量检测提出了更高的要求，本文综述了声波透射法和低应变检测方法，针对不同的桩型和不同的岩土层反射波特点，对声波透射法和低应变法进行了对比分析，这两种方法的综合运用对于桩身质量的合理评价大有裨益，把这两种方法有机结合起来将使桩基检测更科学合理。