孫丹丹，徐 昕，劉 昱，劉瑞龍

（1.湖北正平水利水電工程質量檢測有限公司，武漢 430064；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，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、預制樁、旋噴樁。樁基質量檢測內容主要為樁基質量評價和確定樁基的承載力兩個方面。 當前水利工程樁基檢測主要采用無損檢測和有損檢測兩類，其中無損檢測方法主要為高應變應力檢測、低應變應力檢測和超聲波投射法等； 有損檢測方法主要為鉆芯取孔法等， 由于有損檢測主要為鉆芯取孔這一種代表方法，準確度雖優(yōu)于無損檢測，但存在造價高、耗時長、操作困難等劣勢，所以無損檢測在樁基檢測中運用得越來越廣泛。 我國水利工程樁基無損檢測興起于20 世紀90 年代，張海峰等［1］對低應變應力檢測方法的基本原理、現(xiàn)場數(shù)據采集方法、室內數(shù)據分析與處理等方面進行詳盡介紹；王懷元等［1］對高應變動力測樁法的現(xiàn)場測試技術（包括樁頭處理、錘擊能量、傳感器的安裝等對高應變測試的影響）和數(shù)據分析技術（包括測試曲線分析、波速確定、Jc值的選取等）進行討論；吳剛等［2］將低應變反射波法和超聲波法透射法均應用于某橋梁的樁基檢測， 并將兩類方法從理論、實測等方面進行對比。綜上，不少研究人員僅對其中某類方法開展詳盡的研究和介紹，或對其中的兩類方法進行對比，但對整套方法進行系統(tǒng)研究的較少，缺乏對各類方法適用范圍、條件等方面的提煉與總結， 所以本文主要針對無損檢測的3 類方法進行系統(tǒng)梳理， 總結樁基無損檢測方法的適用條件、檢測范圍、優(yōu)點與缺點，并提出改進方法與思路，以期為水利工程樁基質量檢測提供參考。

1 水利工程樁基無損檢測方法

1.1 低應變法

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

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

式中ρ1為上端介質密度；ρ2為下端介質密度；νc1為應力波在上端介質中的速度；νc2為應力波在下端介質中的速度；A1為上端截面積；A2為下端截面積。

若Z2

1.2 高應變法

高應變法主要用于檢測樁基的豎向抗壓承載力和樁身完整性［4］。不同于低應變的是，高應變法主要通過重錘沖擊樁頂（重錘質量一般需達到樁身重量的10%或達到單樁豎向承載力1%以上）， 在沖擊樁頂過程中主要測量樁頂部的力時程曲線和速度時程曲線， 然后通過波動理論進行分析， 最終得到單樁豎向抗壓承載力及樁身完整性的檢測結論，如圖1。

圖1 高應變法檢測示意圖

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

（1）CASE 法是在檢測單樁時假定樁身為等截面樁，再將檢測到的數(shù)據通過波動理論進行計算，計算結果與樁基設計值要求進行比對， 判斷是否符合設計要求。 由于CASE 法計算的單樁承載力數(shù)值為估算值，與實際承載力相比精準度不夠，但由于操作簡便，適合于樁基工程成樁過程中的檢測。

（2）阻力系數(shù)法是采用一維波動方程檢測樁基周邊巖土對樁基的支撐力，在檢測過程中有3 種假定：①假定樁身與巖土呈等阻抗狀態(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，應力波在傳播過程中沒有損耗。實際檢測過程中將3 種假定的數(shù)值作為樁基承載力檢測值。

（3）波形擬合法是高應變法中最為準確的一種方法，波形擬合法主要是將現(xiàn)場檢測到應力波直接輸入到計算機中，由計算機進行迭代計算，通過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參數(shù)，求解出波形曲線，將求解的波形曲線與現(xiàn)場檢測的波形曲線進行擬合， 若擬合重合度不高，需重新調整樁基和周邊巖土的物理力學參數(shù)，直至完全重合為止，此時樁基和周邊巖土的物理力學參數(shù)值即為最佳假定值，同時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， 主要原理為利用超聲脈沖對樁身內部發(fā)射高頻率的彈性脈沖波， 該脈沖在經過樁身后被接收并轉換成電信號， 超聲檢測儀對電信號進行綜合處理及分析， 通過專業(yè)儀器對脈沖波在樁體的波動情況進行記錄， 通過這些波動情況來預測樁體內部的情況，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度有密切關聯(lián)，混凝土密實則傳播速度快，混凝土不密實則傳播速度慢。當樁身無連續(xù)無缺陷時，超聲波的傳播形式是以直線形式傳播；若樁身存在縮徑、擴徑或離析等缺陷，超聲波的傳播形式會以折射、反射或繞射的形式傳播，接收到的能量也會明顯衰減、頻率顯著降低、波形畸變，同時波速、振幅等波形參數(shù)也會發(fā)生明顯變化， 通過上述變化來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雜性和疊加效益， 所以在進行波形變化分析時較為復雜， 從而增加操作和分析樁基缺陷的難度。

2 無損檢測方法研究

2.1 各類方法適用條件

參照以往測量數(shù)值經驗， 低應變法適用于樁基直徑不超過1.8 m，樁長5～50 m；高應變法適用于預制樁和預應力管樁的檢測。 對于預估Q-s 曲線具有緩變型特征的大直徑灌注樁或大直徑擴底樁， 不宜采用高應變法；聲波透射法適用于樁長大于50 m 或樁徑大于2.0 m，對于樁徑小于0.6 m 的樁，不宜采用此方法。

2.2 各類方法優(yōu)缺點

低應變法的優(yōu)點在于操作方便快捷， 費用低；缺點是無法開展定量分析，比較依賴檢測人員的技術經驗，不同的檢測人員會因波形的細微差別給出不同的樁基完整性等級結論，給后續(xù)問題樁基的處理帶來困擾，同時地質條件對低應變法的測量準確度也有較大影響， 尤其是樁側土對應力波的傳播存在阻礙作用，會衰減應力波的能量，從而影響檢測結論。

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12 m，其中泵房基礎87根，泵室擋墻14 根，前池擋墻14 根，共計115 根。主要儀器設備為RS-1616 （K）T 基樁動測儀和低應變加速度計， 其中前池擋墻的兩根樁基的低應變波形圖如圖2。

圖2 低應變法波形圖

這兩根樁波形圖分別在6.64 m 和5.86 m 處有微小凸起，部分檢測人員判定為II 類樁，即樁身混凝土結構基本完整，存在輕微缺陷，另一部分檢測人員認為波形完整， 凸起部門可能是周邊填土模量較小引起，應判定為I 類樁，通過結合施工地質勘察資料和施工記錄，最終將這兩根樁判定為I 類樁，可見，不同檢測人員針對低應變波形圖可能會判定出不同的樁基完整性等級結論， 波形圖會受到側土地質條件的影響。

高應變法的優(yōu)點在于可同時檢測承載力和樁基完整性，檢測時間短，成本低；缺點是由于高應變法假定樁周不存在土體變形， 導致承載力計算結果不夠準確， 在檢測后還需將檢測結論與本地區(qū)同等情況下的可靠性資料進行對比佐證。

如湖北省荊州市某堤防工程共檢測南、 北側大堤28 根樁，豎向抗壓承載力特征值為90 kN，通過高應變法檢測樁基承載力，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，檢測結果數(shù)值偏高，通過對比本地區(qū)同等情況的可靠性資料， 并對承載力特征值偏高的樁基采取靜載試驗復檢， 檢測結果發(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%，可見高應變法在樁基承載力檢測時可能出現(xiàn)數(shù)據不夠準確的情況，從而影響檢測結論。

超聲波透射法的優(yōu)點在于檢測儀器便攜、 環(huán)境適用性高、 可對樁基結構進行全面的質量檢測和檢測結論直觀準確等，缺點是由于樁基結構位于地下，在聲波傳輸過程中，會受到地質結構的影響，產生一些誤差性數(shù)據，在數(shù)據處理過程中，需要對干擾因素做好處理，否則會影響檢測結果的合理性。

表1 無損檢測方法對比

3 改進方法與思路

借鑒生物群體智能算法，如狼群算法、蟻群算法等， 將低應變的波形和準確的檢測結論一并輸入進行智能訓練學習，形成樁基檢測大數(shù)據庫，實現(xiàn)波形分析的定量化，避免過分依賴檢測人員的主觀性。

提前收集巖土工程勘察資料和施工記錄， 深入了解樁側土質情況， 并將工程區(qū)所有被測樁基結合起來分析，降低地質條件對低應變結果的影響。

高應變法應結合現(xiàn)場實測經驗，同時輔以靜載荷實驗法對結果進行驗證，提高地基承載力的準確度。

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一根聲測管， 可顯著增強超聲波透射法中聲波的穩(wěn)定回彈， 以減少樁身地質結構對聲波傳輸?shù)挠绊?，明顯提高檢測精度。

4 結語

質量是水利工程的生命，樁基檢測是整個水利工程中重要的組成部分，各類水利工程樁基檢測方法均有各自的優(yōu)勢和局限，應根據具體的施工工藝和地質條件，選擇最佳的組合檢測方法，充分發(fā)揮各類檢測方法的優(yōu)勢，提高檢測準確度，確保工程質量。