1.3 桥梁桩基础检测技术概况

桩基质量检测的常用方法有钻孔取芯法。高应变法、低应变法和声波透射法。钻孔取芯法是直接从桩基结构上钻取芯样，对芯样进行质量分析再评定桩内混凝土质量的一种方法。钻孔取芯法只能推断钻孔周围混凝土的质量状况，检测范围减小而且费时费力，价格昂贵，所以只用于抽检或对其他检验方法的校核。高应变法与低应变法都是动态检测方法，它们具有共同的理论基础，但是二者的输入能量不同，导致了它们各自的优缺点不同。高应变法是用一数吨重的重锤锤击桩顶，产生一持续时间较短（十几或几十毫秒）的脉冲波，通过在桩顶测量被激发的阻力产生的应力波和速度波，来确定桩基的承载力和完整性。高应变法操作复杂，需清理桩头、对传感器的安置要求较高以及架设锤击设备，加上检测费用较高，易产生漏检造成大缺陷吃小缺陷的现象等原因，该方法在国内尚未普及。低应变法与高应变法在技术、原理上都很相似，低应变法是利用轻锤锤击桩顶，产生的脉冲宽度在1ms以内，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，对桩身的承载力和完整性进行判定的检测方法。这种方法操作简单，对检验人员素质要求不高，因此在国内启用得很广泛，但是对于低应变法学术界存在一个争议问题，那就是它能否检测桩的承载力，目前倾向于将低应变法用于短桩的完整性检测，对于长度大于50m的桩它显得无能为力。声波透射法是近年来发展起来的桩基检测新技术，由于检测细致、检测结果可靠，可对桩的缺陷、混凝土强度、桩身均匀性进行一体化检测，且不受桩长桩径的影响，使其成为目前应用最广泛的一种检测手段。桩基检测方法应根据工程所处的地质条件、桩型、桩的设计等级、施工质量的可靠性等因素以及各检测方法的适用范围来选择。根据检测目的，可按表1.3.1所列的特征来选择检测方法。

1.3.1 钻芯法

钻芯法是桩基检测中应用较早的一种方法，严格看来钻芯法属于有损检测的范围，其检测过程是利用人工钻头对混凝土桩进行钻芯取样，判断桩基本身的长度、桩基本身混凝土的剥落情况、混凝土强度以及桩底沉渣厚度等，从而为桩基承载力验收提供依据。采用钻芯法检测桥梁桩基的主要特点是检测周期长、成本高，仅适用于对桥梁桩基局部进行判断，类似于对桥梁桩基断桩、离析、桩底夹泥等病害的检测，要求检测人员需有较强的专业能力和实践经验，并且钻芯法无法检测桩基本身存在缩径、扩径等微小缺陷情况。

1.3.2 低应变法

低应变动测方法是假设所要检测的桩基其桩长远远大于桩的孔径，并且整个桩基是等截面各向同性的一维梁体，在此理论基础上，用振动仪对桩基的桩顶位置进行激振，这样荷载致使整个桩身与周围土体产生振动，如图1.3.1所示，并通过桩基本身的传感器将桩基振动的加速度和速度传递给仪器。

如果桩基本身具有扩径、缩径、断桩等差异性界面，那么弹性波在传播的过程中就会出现反射，通过传感器对声波进行过滤放大，之后将数据通过波动理论进行分析，研究桩土之间动态响应，然后反演分析实测出来的速度信号、频率信号，从而判断桩基本身质量以及桩基本身的长度。低应变动测法检测速度快、检测方便、检测范围广，被广泛应用于工程实践。

低应变检测法类别较多，有反射波法、机械阻尼法、动力参数法、声波透射法和水电效应法等。

波反射法主要工作过程是通过对桩顶进行敲击，从而产生应力波，然后产生的应力波向下传播，再沿着桩身传播的过程中，如果桩基本身出现类似于缩径、离析、断桩等缺陷时，其桩基本身断面的阻抗就会发生变化，这样应力波就会分成两部分，其中一部分变成反射波向上传播，另一部分变成透射波穿过缺陷界面向下传播直至到达桩基底部然后反射，这样检测人员就可以通过接收到的曲线特征判断桩基本身的质量和计算桩基的长度，有时还可以通过声波在混凝土传播的平均波速进行桩基长度的计算。

图1.3.1 低应变动测法示意图

机械阻抗法的工作过程是通过对桩顶上方作用一冲击力，然后通过桩顶上方所安置的传感器来测量速度信号，通过记录仪将桩顶速度与响应合成一曲线，得到桩顶速度导纳曲线，从而通过曲线特征判断桩基的质量，其激振方式分为稳态激振和瞬态激振两种形式。

水电效应法，其检测方法也是基于低应变动测法之上的，其主要方法是在桩顶上方安置1根水泥管，其管道内充满水，大约为1m，检测过程中，通过电极进行高压放电，这样就会产生强大的电流，这也是桩基瞬态激振能量的来源，水听器接收信号后通过放大仪记录，通过输出信号处理机进行分析，以此判断桩基本身的质量。

动力参数法在工程检测应用较为广泛，其主要的理论依据是波动理论和振动理论，通过对桩基进行激振，激起桩土之间竖向振动，通过波动力学方法，求得桩基本身的自振频率，然后分析相关的参数进行桩基质量的判定。

目前，规范规定的采用低应变方法对桩基完整性检测只适用于混凝土灌注桩和预制桩等刚性材料桩的完整性检测。低应变动力测桩有如下优点：

（1）观测简单、快速，有利于提高测桩速率和加快工程进度。

（2）观测系统轻便、低廉，便于推广应用。

（3）能适应于各种类型的桩，如预制桩和灌注桩；对桩径基本无限制。适应于大、中、小直径桩。

（4）对场地要求低，适用于城市新建、改建和扩建的各种场地。

（5）由于测试费用相对低廉，能大大提高测桩比例，从而对基桩的桩身质量和承载力的评价更为全面，更具代表性。

1.3.3 高应变法

我国目前采用较多的一种高应变动力测桩法是“锤击贯入法”，这种方法只适用于预制桩和专门浇灌的试验桩和中小直径桩。其测试原理是通过获得锤击力与桩基贯入度的关系曲线来确定桩的承载力，即用重锤冲击桩顶，使桩、土产生足够的相对位移，以充分激发桩周土阻力和桩端支撑力，通过安装在桩顶以下桩身两侧的力和加速度传感器接收桩的应力波信号，采用应力波理论分析处理力和速度时程曲线，从而判定桩的承载力和评价桩身完整性。

高应变测试法检测预制桩，须在整个打桩过程中完成其观测和估算工作，所以测桩的周期长，设备较笨重和昂贵，测试设备对施工场地的要求也比较高。对于大直径灌注嵌岩桩，由于其沉降值小，不便于观测，如采用大应变检测，要求锤击力又特别大，因此，在工程实践中极少有采用大应变方法检测大直径嵌岩桩承载力的。

1.3.4 声波透射法

声波透射法也是目前较为常用的一种方法，主要原理就是根据声波在不同传播介质中所表现出来特性的差异来判断桩基质量的好坏。由于混凝土本身材料的不均匀性，桩基本身就会产生不同声阻抗声学界面，这样声波在混凝土桩基传播时，就会沿着不同阻抗截面进行传播，导致大量声波能量散射，从而衰减也较快。在声波传播过程中，混凝土界面上就会产生诸多的折射波和散射波，大量的折射波与散射波相互叠加之后就会导致声能散失，当遇到混凝土桩基本身超大缺陷时，其声波的传播路线就不会是直线，而是绕着缺陷进行传播。这时声波传播的路径要比直线传播的距离要长，从而体现在声学参数上的声也变大了，然后通过两声测管的测距与声时进行计算，这样就会得到声速由于声时的变大而变小规律。另外，由于声波在遇到缺陷桩基混凝土截面时会发生多次的反射折射等现象，声波的声能会逐渐衰减，波幅与频率都会变小，这样直线传播声波与通过缺陷桩基的声波相互叠加，整个波形就会发生畸变。工程实际检测就会通过相应参数和工程实践经验相结合进行判定。

1.3.5 自平衡法

自平衡法承载力检测是一种桩基极限承载力检测技术，特别是用于承载力较大的桥桩，特殊地基桩基承载力的检测，目前国内尚处于初期应用阶段。

在桩端某一部位进行加载是自平衡测试法的独特测试方法，通过对荷载箱处施加压力使荷载箱处可以产生上、下各自的位移。在坐标系下可以分别绘制上、下段桩各自的Q-s曲线。而在判断极限承载力时要通过转换方法将两条曲线转换成一条桩顶的荷载一位移曲线，这也是与传统抗压桩的区别。但是自平衡测试法与传统抗压桩相比有其独特的优势，主要表现在以下几个方面：

（1）在加载设备方面，该法测试只需要将荷载箱埋入指定的桩基位置即可。而不需要对桩基堆放数百吨甚至数千吨的荷载源。

（2）在试验费用方面相对于锚桩法与堆载法而言将节省总费用的1/3左右。

（3）该法的操作简单、试验方便、费用低，在做测试时可以适当考虑增加检测桩基的数量，提高检测的准确性与精度。

（4）测试完成后桩基可以作为工程桩使用，在某些桩基测试后为了提高桩基的承载力，可通过对荷载箱进行压力注浆来实现。

（5）该测试方法可以不受场地条件的限制。这一点是很多传统测试方法所达不到的。

1.3.6 静载、动测及静动法对比

动载试验是一次性瞬时加荷，在锤击作用下，桩顶所受的力脉冲延续时间较短，所以桩身应力是以波动形式存在的，应力波随桩身传递，桩身在某些深度可能受压，在某些深度范围可能受张拉，而且随时间变动，速度及位移也是一样。桩身各处的速度和位移都与静态加荷情况相差很大，因此，波形拟合法需要一静荷载试验结果为基础，用参数来调整或拟合。静荷载试验中荷载是分段加压，并保持一段时间，压力沿着桩身变化，整个桩身均可受压力且随着桩周土的影响而递减，基桩速度几乎为零，位移则沿着桩身为变化。

动、静结合法的荷载以等梯度递增方式施加于基桩，力脉冲延续时间较长，压应力沿桩身变化，所有基桩范围内均承受压力，且随着桩周土壤的影响而递减，基桩各深度范围的速度及位移几乎与压应力相似并作相似的变化；静动法的桩身应力与位移分布均与静态加荷相近，但静、动法加载速度还是很快，与静态不同，试桩仍会产生速度和加速度，故它是介于静态与动态之间的。

传统静荷载试验需要专门的反力装置，试桩过程中至少需要四根锚桩，其规模接近于试桩，而且需要通长配筋，工程量大，也不经济。尤其是堆载法需要较大的试验场地，这就造成检测桩数不可能太多，整个桩基工程不能进行概率统计分析，所以静载试验代表性不高。动力测桩同样需要现场搭设试验反力架或者力锤，场地要求高，但动测法更加方便、快捷，虽然就单桩而言静载结果的精度高于动测法，但从整个桩基工程来看，由于工程复杂性和抽样的样本数量，其保证率反倒不如动测结果。