桩身完整性检测方法

混凝土钻孔灌注桩是桥梁及建筑结构物常用的基桩形式之一,这主要是由于桩能将上部结构的荷载传递到深层稳定的土层,从而大大减少基础沉降和建筑物的不均匀沉降,实践也证明这是一种极为有效、安全可靠的基础形式。 但是,灌注桩的成桩过程是在桩位处的地面下或水下完成,施工工序多,质量控制难度大,稍有不慎极易产生断桩等严重缺陷。 据统计,国内外钻孔灌注桩的事故率高达5% ~10%。 因此,灌注桩的质量检测显得格外重要。

灌注桩成桩质量通常存在两方面问题:一是属于桩身完整性,常见的缺陷有夹泥、断裂、缩径、扩径、混凝土离析及桩顶混凝土密实性较差等;二是嵌岩桩,影响桩底支承条件的质量问题,主要是灌注混凝土前清孔不彻底,孔底沉淀厚度超过规定极限,影响承载力。

随着长、大桩径及高承载力桩基础迅速增加,传统的静压桩试验已很难实施于桩基础施工质量的检验。 目前,常用的钻孔灌注桩质量的检测方法有3 种:钻孔取芯法、低应变反射波法、超声波法。

1)钻孔取芯法

钻孔取芯法是检测混凝土灌注桩成桩质量的一种有效手段,不受场地条件的制约,特别适用于大直径混凝土灌注桩的成桩质量检测。 钻孔取芯法的主要目的有5 个:验证施工记录的桩长是否真实;桩身混凝土强度是否满足设计要求;桩底沉淀厚度是否符合设计或规范的要求;确定桩身的缺陷长度及其位置;桩端持力层的岩土性状和厚度是否符合设计要求。

钻孔取芯法适用于检测混凝土灌注桩的桩长、桩身混凝土强度、桩底沉淀厚度、桩身缺陷及其位置、桩端岩土性状。 但若被检桩长径比较大时,成桩垂直度和钻孔取芯的垂直度都很难控制,钻芯孔容易偏离桩身,故要求受检灌注桩桩径不宜小于800 mm,长径比不宜大于40。

(1)试验仪器

液压式钻机设备参数应符合表13.22 规定。

表13.22　钻机设备参数

钻机应配备单动双管钻具及相应的孔口管、扩孔器、卡簧、扶正稳定器和可捞取松软渣样的钻具。 钻杆应顺直,直径宜为50 mm。

钻头应根据混凝土设计强度等级选用合适粒度、浓度、胎体硬度的金刚石钻头,且外径不宜小于100mm。 被检桩混凝土骨料最大粒径小于30 mm 时,可选用外径为91 mm 的钻头;不检测混凝土抗压强度时,可选用外径为76 mm 的钻头。 钻头胎体不得有肉眼可见的裂纹、缺边、少角、倾斜及喇叭口变形。

(2)试验步骤

①钻机设备安装应平稳牢固,底座水平。 钻机立轴中心、天轮中心(天车前沿切点)与孔口中心应在同一铅垂线上,钻机在钻芯过程中不得发生倾斜、移位,钻孔垂直度偏差不应大于0.5%。 桩顶面混凝土与钻机底座的距离较大时,应安装孔口管,孔口管应垂直且牢固。

②钻进过程中,钻孔内循环水流不得中断,应根据回水含砂量及颜色调整水泵水量和钻进速度。

③每回次进尺宜控制在1.5 m 内,钻至缺陷处或下钻速度快的位置,应及时测量钻杆深度,确定缺陷位置;钻至桩底时,应采取适宜的钻芯方法和工艺钻取沉淀、测定沉淀厚度,并对桩端持力层岩土性状进行鉴别;提钻卸取芯样时,应确保芯样完整。

④钻孔取芯的芯样应按进尺深度由上而下按回次顺序放进芯样箱中,芯样侧面上应清晰标明回次数、块号、本回次总块数,并应按规范格式及时记录钻进情况和钻孔异常情况,应对芯样质量做初步描述。 钻芯过程中,应对芯样、桩底沉淀及持力层做详细的编录。

⑤钻孔取芯结束后,在截取芯样试件之前,应对芯样进行唯一性标识,并拍照。

⑥按规定对芯样进行强度和完整性评价(表13.23)。

表13.23　桩身完整性评判

续表

注:如上一缺陷的底部位置高程与下一缺陷的顶部位置高程高差小于30 cm,则定为两缺陷处于同一深度部位。

2)低应变反射波法

低应变反射波法是目前国内外使用最广泛的一种基桩无损检测方法,它借一维弹性波动理论对实测桩顶速度或加速度响应信号的时域、频域特征来分析判定被检桩的桩身完整性,其中包括桩身存在的缺陷部位及其影响程度、桩端与持力层的结合状况。

低应变反射波法是在桩顶受到低能量锤击的作用下,低应变弹性波在桩中传播至桩端,并反射回桩顶被传感器所接收。 人们既可利用时域信号中的桩端反射时间来计算波在桩中的传播速度,也可利用该场地被检桩的平均波速来估算桩的长度。 根据一维弹性杆件波动理论,对由桩顶锤击产生的下行入射波来说,桩身某处波阻抗发生变化时将产生上行反射波。广义波阻抗在该截面上由大变小时,反射波与入射波的相位相同,反之相位相反。 如混凝土夹泥、离析、缩颈甚至断裂均使桩身截面的波阻抗降低,而扩径和嵌岩良好时则波阻抗增大,仅仅通过反射波的相位特征来判定桩身缺陷的具体类型具有一定的困难。

因此,本方法在应用中尚需结合岩土工程地质和现场施工技术资料,通过综合分析来对桩身和桩端存在的缺陷及其类型和影响程度做出较科学的定性和半定量判定。

(1)试验仪器

检测仪器设备应包括激振设备、传感器、信号采集系统及处理器和专用附件等。

①激振设备:主要包括能激发窄脉冲和宽脉冲的力棒、力锤和锤垫。

②传感器:宜选用压电式加速度传感器,也可选用磁电式速度传感器,其频响曲线的有效范围应覆盖整个测试信号的频率范围。

③信号采集系统:应具有连续采集、快速自动存储、显示实测信号和处理分析信号的功能。 主要符合以下规定:

a.数据采集和处理器模/数(A/D)转换器的位数不宜低于16 bit。

b.采样间隔宜为5 ~50 μs。

c.单通道采样点不宜少于1 024 点。

d.动态范围宜大于60 dB,可调,线性度良好,其频响范围应满足10 Hz~5 kHz。

(2)准备工作

①传感器安装位置应平整,混凝土灌注桩桩头应凿至新鲜混凝土面,各测试点和激振点宜用砂轮机磨平。(www.xing528.com)

②测量并记录桩头截面尺寸。

③预制桩的检测应在相邻桩施工完成后再进行。

④根据现场情况,合理选择合适的激振设备和传感器,并确认整个测试系统处于正常的工作状态。

(3)试验方法

①传感器应安装在桩头平整面上,应安装在灌注桩新鲜混凝土面上,并应与桩顶面垂直,确保传感器黏结稳固、耦合良好。

②激振设备应进行现场对比试验选定,短桩或分辨浅部缺陷桩时,宜采用窄脉冲低能量激振;长桩或深部缺陷宜采用宽脉冲大能量激振,选用不同重量和材质的力锤(棒),也可采用软硬适宜的锤垫。

③对于混凝土灌注桩,激振点宜选择在桩中心,传感器宜安装在距桩中心2/3 半径处,且距离桩的主筋不小于50 mm;当桩径小于1 000 mm 时,不宜少于2 个测点;当桩径大于或等于1 000 mm时,应设置3 ~4 个测点;测点宜以桩心为中心对称布置。

④对于混凝土预制桩,当边长或桩径小于600 mm 时,不宜少于2 个测点;当边长或桩径大于或等于600 mm 时,不宜少于3 个测点。

⑤对于预应力混凝土管桩,激振点、检测点和桩中心连线形成的夹角宜为90°,且不应少于2 个测点。

⑥各测点记录的有效信号数不应少于3 次,且检测波形应具有良好的一致性。

⑦当检测环境存在干扰时,宜采用信号叠加增强技术进行重复激振,提高信噪比。 当时域信号一致性较差时,应分析原因,排除人为和检测仪器等干扰因素,并重新检测或增加检测点数量。

(4)数据处理

桩身完整性分析宜以时域曲线为主,辅以频域分析,并结合岩土工程勘察资料、桩型、施工记录和波形特征等因素进行综合分析评判(表13.24)。

表13.24　桩身完整性类别评判表

3)超声波法

超声波法包括跨孔声波透射法和单孔声波折射法,其中声波透射法适用于检测直径不小于800 mm 的混凝土灌注桩的完整性,评判桩身缺陷的位置、范围和程度;单孔声波折射法适用于辅助评判缺陷的位置、范围和程度。

超声波法主要是在桩身预埋一定数量的声测管,通过水的耦合,超声波从一根声测管中发射,在另一根声测管中接收,或单孔中发射并接收,可以测出被测混凝土介质的声学参数。由于超声波在混凝土中遇到缺陷时会产生绕射、反射和折射,因而到达接收换能器时声时、波幅及主频发生改变。 超声波法就是利用这些声波特征参数来判别桩身的完整性,评定桩身缺陷的位置、范围和程度,但由于受混凝土的配比、原材料因素的影响,声参量并未与混凝土的强度建立良好的已知对应关系,不能用于推测桩身混凝土强度。

(1)试验仪器

检测仪器系统应由声波发射、径向换能器、接收放大、数据采集、数据处理、显示及存储等部分组成。 检测仪应具有波形实时显示和声参量自动判读功能。 当采用单孔声波折射法检测时,应具有一发双收功能。

①声波发射:可采用高压脉冲激振,其波形为阶跃脉冲或矩形脉冲,脉冲电压宜为250 ~1 000 V,且分挡可调。

②径向换能器:应满足其径向水平面应无指向性,谐振频率选用宜大于25 kHz 且能在1 MPa水压下正常工作。 径向换能器的收、发换能器的导线均应有长度标注,其标注允许偏差不应大于10 mm。 接收换能器宜带有前置放大器,频带宽度宜为5 ~60 kHz。

③接受放大与信号采集系统:接收放大器的频带宽度为5 ~200 kHz,增益分辨率不低于0.1 dB,噪声有效值不大于10 μV;仪器动态范围不小于100 dB,测量允许误差小于1 dB。 声时测量范围大于2 000 μs,声时分辨率优于1 μs,声时测量误差优于2%。 采集器模-数转换不低于8 bit,采样频率不小于10 MHz,最大采样长度不小于8 kB。

(2)准备工作

①标定超声波检测仪发射至接收的系统延迟时间t0。

②声测管内灌满清水,且保证换能器应能在声测管中升降畅通。

③应准确测量声测管的管径和壁厚,测量精度为±0.1 mm;测量桩头处声测管外壁相互之间距离,测量精度为±1 mm。

④取芯孔作为超声波法的检测通道时,其垂直度误差不应大于0.5%,检测前应进行孔内清洗。

⑤声测管的编号宜以路线前进方向的顶点为起始点,按顺时针旋转方向进行编号和分组,每2 根编为一组。

⑥在检测开始前或检测过程中,应避免如强的电流、磁场或与检测信号频率相当的其他振动干扰。

(3)测试要求

①测点间距不应大于250 mm。 发射与接收换能器应以相同高程同步升降,其累计相对高差不应大于20 mm,并随时校正。

②在对同一根桩的检测过程中,声波发射电压和仪器参数设置等应保持不变。

③检测过程中应读取并存储各测点的声参量,同时应存储各测点包含首波的波形或波列。

④对于声时值和波幅值出现明显异常的部位,应采用加密平测、双向斜测或扇形扫测进行局部细测,确定桩身混凝土缺陷的位置、大小和严重程度。 上述局部细测的测点间距不应大于100 mm;局部斜测时,两支换能器发射、接收部分的中心连线与水平面的夹角不应小于30°,也可利用CT 技术进行扫测和数据分析。

(4)数据处理与分析

被测桩的桩身完整性类别可根据各剖面的可疑缺陷区的分布、可疑缺陷区域测点的声参量偏离正常值的程度和接收波形变化情况,结合桩型、地质情况、成桩工艺等因素,按照表13.25的特征进行评判。

表13.25　桩身完整性判定表