预应力管桩多种检测方法判定桩身完整性

杨笔将

（上海汇谷岩土工程技术有限公司，上海市 201108）

0 引言

基桩作为承担建设工程（工业与民用建筑工程、桥梁工程等）上部荷载的主要构件，其质量直接影响到整体的安全和使用功能，故桩身完整性检测就十分重要。

预应力空心类桩按形状分类，主要有预应力管桩、预应力空心方桩、预应力混凝土异型预制桩等。目前检测桩身完整性常用的方法主要有低应变法[1]、高应变法[1]，其中低应变法检测简便快速，运用最为广泛。低应变反射波法（lo w s t r a in ref le c t e d w a v e m e t h o d）指在采用低能量瞬态激振方式对桩顶施加冲击荷载，实测桩顶部的加速度（或速度）时程曲线，通过波动理论的时域频域分析，对桩身完整性进行判定的检测方法[1]。适用于桩径小于2.0m、长度一般不大于40.0 m、预应力管桩上下截面相同、满足一维杆件的理论模型。该方法具有仪器设备相较其他检测方法小巧轻便、操作简便快速的特点，适合大范围、多数量快速检测工作的需要。由于桩侧土阻及阻尼耦合等因素影响，故对桩身缺陷只做定性，必要时需采用其他检测方法验证后综合判定[2]。桩土耦合的作用也对采集的数据存在一定影响，易导致误判或漏判。

通过工程实例举例说明采用多种检测方法判定此类桩桩身完整性的必要。

1 工程实例1

1.1 工程概况

上海市某新建住宅楼项目共有13幢单体建筑及地下车库，住宅楼层数均为六层。其中一单体设计采用直径为 ø400 mm的预应力管桩P H C A B 400（95）16（工程桩 8m+8m，静载试桩 8m+9m），桩身混凝土强度等级为C80，工程桩桩长16m（静载试桩桩长17m），桩端持力层为⑤2灰色粉砂，单桩竖向承载力设计值为400 kN（静载试桩为430 kN），静载荷试验最大加载量为860 kN。

1.2 静载试验结果

（1）静载荷试验前对B4-60#桩进行低应变检测，时域曲线指数放大[2]后，显示桩身中部约8.0m处（接桩位置）轻微反射，约15.0m处也有轻微反射。低应变时域图如图1所示。

图1 B4-60#桩静载试验前低应变时域曲线图

（2）静载荷试验时，该桩加载至602 kN，桩顶沉降量急剧上升，读数至60min时累计沉降达到45.38 mm，加载至688 kN（第七级）时出现荷载不能维持，测读15min累计沉降量已超过135 mm，最终未达到设计要求的最大加载量。其Q-s曲线和s-lgt曲线分别如图2、图3所示。

图2 B4-60#桩Q-s曲线

图3 B4-60#桩 s-l gt曲线

移除静载荷平台手触摸以及观察外观，桩顶完整无破损情况，可以排除因桩顶端板附近桩身屈服造成的破坏（见图4）。

图4 B4-60#桩桩顶情况照片

（3）再次对B4-60#桩进行低应变检测，时域曲线指数放大[4]后，由于该桩静载荷试验最大沉降量比较大，桩侧土的摩阻力明显降低，并致使原桩身中部接桩处8.0m左右处的反射显化，15.0m左右处的反射也同样显化，并疑似为桩底反射。低应变时域图如图5所示。

图5 B4-60#桩静载试验后低应变时域曲线图

（4）由于该工程地质勘查报告中显示，区域存在暗浜，但不在B4#楼位置。为判断该桩地质条件是否有未探明的突变情况，故在桩外侧约1.0m处进行静力触探，静探成果曲线如图6所示，与勘查报告所述基本一致，未见地质突变。

图6 B4-60#桩外侧约1.0 m处静力触探曲线图

图7 B4-60#桩磁测井法（步距25 cm）曲线图

（5）为了解该桩15.0m左右处的缺陷性质，对该试桩进行磁测井法[3]检测桩长，在桩外缘净距约为50 cm桩旁成孔25.5m，并埋设P V C管作为磁测井法的检测通道，测量采用四种步距，分别为5 cm、10 cm、25 cm、50 cm。综合四次磁测井法检测结果和低应变时域曲线以及施工资料，确定实测桩长为15.0m。列举磁测井法成果比较清晰的步距25 cm曲线，结果如图7所示。

1.3 判定及原因分析

（1）综上所述，B4-60#桩实际桩长为15.0m，少于设计桩长，判断该桩完整性为不合格（Ⅳ类）。

（2）针对该工程内的此种情况，扩大低应变抽检数量（原设计及检测规程要求不少于30%[1]），部分单体扩大至100%普测。又陆续发现有个别桩的桩长少于设计桩长1m或2m，同时也有个别桩长比设计桩长长1m或2m的情况。

（3）原因是现场管理混乱造成。该批桩并非按照设计图纸中的上下节桩桩长采购，施工班组夜间施工较多，沉桩（静力压入法）时未认真核对每节桩桩身上标记的型号，也未测量每节桩的长度，盲目进行作业；另外监理管理方面也存在明显遗漏，最终酿成此次质量问题。

1.4 技术整改措施

（1）对于桩长不足的桩，采用接桩压入的方法，使桩端进入设计要求的持力层深度。

（2）对于桩长超出设计桩长的，勘察单位核查地质资料及补勘计算下卧层的距离，由设计单位逐个验算单桩承载力是否满足原设计要求，并采用高应变[1]补充检测单桩承载力和完整性。

2 工程实例2

常州市某新建住宅楼项目共有7幢单体及地下车库，其中6#楼28层，7#楼33层（其余单体均为单节桩）。基桩规格采用 P H C A B 600（130）26（13，13）、P H C A B 600（130）25（12，13），桩身混凝土强度等级为C80，桩端持力层为⑥粉砂，单桩竖向抗压承载力特征值为3 000 kN。静载试桩桩长与工程桩相同，静载荷试验桩在基坑开挖后根据低应变检测结果挑选。

2.1 任务起因

该工程由常州市当地一家检测公司进行检测，在基坑开挖后进行低应变检测，并根据低应变检测结果挑选静载荷试验桩（静载试验在坑底进行）。首先开挖的是6#、7#楼，故先对该两栋单体进行检测，该检测公司仅凭低应变检测结果就判定不合格桩（Ⅲ类）较多（均超过60%），且判定不合格类型均位于接桩处（上下节桩脱开）。参建方对此产生异议，故对该两栋进行复测。在查看检测成果曲线后发现，反射波波峰较为轻微，认为需要补充其他检测方法验证原判定。

2.2 复测成果

2.2.1 低应变复测

7#楼共165根桩，实际上下节桩未按设计长度采购（采购方为开发商），而采用的是25m（11m+14m）、26m（11m+15m）。另外因部分桩难以压至设计标高，经核定后采取截桩措施。

对比分析普测的曲线基本与原检测一致，反射波波峰均较为轻微，且经过指数放大后均未见多次等距的反射波。举例4根桩低应变时域曲线（指数放大[4]）如图8所示。

2.2.2 孔内摄像法验证

为了解7#楼桩身接桩处是否存在明显或严重缺陷，将桩孔内部的土清除至桩顶以下15 m作为通道，选取部分接桩处反射波相对明显的桩作为验证对象，利用桩孔作为通道进行孔内摄像法[1]探查，直观查看接桩情况，以判别缺陷程度。当7#楼此项工作做到一半时发现，已探查的桩均存在接桩处脱开情况，且有个别桩接桩处的端板变形或与桩身断开，问题比原先判断要严重得多。经紧急会议协商，对6#、7#楼进行孔内摄像普查。为区分接桩处缺陷程度进行分类：

（1）贴合（A类）。接桩处环接桩全周长贴合或基本贴合。

（2）欠贴合（B类）。接桩处环接桩全周长欠贴合（未见明显断口）或局部方向基本贴合、局部欠贴合。

（3）脱开（C类）。接桩处环接桩局部方向贴合，局部方向断开，或局部方向欠贴合，局部方向轻度断开，或者环接桩全周长断开轻度断开（断开量小于 1.0 cm）。

（4）严重脱开（D类）。接桩处环接桩全周断开量1.0 cm及以上。

2.2.2.1 6#楼孔内摄像结果

工程桩共137根进行基桩孔内摄像普查，普查结果如下：接桩贴合桩（A类）46根，占33.6%；接桩欠贴合桩（B类）4根，占2.9%；接桩轻度断开桩（C类）2根，占1.5%；接桩断开桩（D类）85根，占62.0%。缺陷特征主要表现为上下节桩接桩处脱开，个别有轻度错位。

2.2.2.2 7#楼孔内摄像结果

工程桩共165根进行孔内摄像普查，普查结果如下：贴合桩（A类）18根，占10.9%；欠贴合桩（B类）8根，占 4.9%；轻度断开桩（C类）3根，占1.8%；断开桩（D类）136根，占82.4%。缺陷特征主要表现为上下节桩接桩处脱开，个别有轻度错位。

孔内摄像工作历经近4个月（期间遇春节工程停工1个月），列举部分桩摄像截图如图9～图11所示。

图9 7-29#桩桩顶下12.0 m接桩处有约1.5 cm整合型水平向间隙（下节桩端板与上节桩连接，但与下节桩桩身断开。间隙处有夹泥，泥无渗流，无渗水情况。缺陷程度为D类）

图10 7-34#桩桩顶下11.6 m接桩处有约3 cm整合型水平向间隙（上节桩端板与下节桩端板脱开。间隙处有夹泥，泥无渗流，无渗水情况。缺陷程度为D类）

常州检测公司由于静载荷前期工作已经全部到位，于是在孔内摄像工作刚刚开展期间，挑选7#楼80#桩进行静载荷试验，设计要求最大加载量为6 000 kN，按最大加载量的30%、50%、70%、80%、90%、100%分级加载。当加载至3 000 kN时沉降量陡增至53mm，此间荷载不能维持，之后沉降恢复稳定施加下一级直至6 000 kN，最大沉降量为68mm。分析该桩接桩处有4～5 cm脱开，当加载至3 000 kN时上节桩土的侧摩阻力破坏，在相当于压入至下节桩闭合时承载力恢复，最终残余沉降为63mm。静载荷Q-s曲线如图12所示，静载荷试验前低应变时域曲线如图13所示。

图11 7-127#桩桩顶下约9.0 m接桩处断开约5.0 cm（有夹泥，上节桩端板变形，局部与下节桩端板连接，另外一部分与上节桩连接。无渗水情况。缺陷程度为D类）

图12 7#楼80#桩静载荷Q-s曲线照片

图13 7#楼80#桩静载试验前低应变时域曲线与指数放大对比图

2.3 原因分析

2.3.1 土质分析

该工程土质自上而下为③（黏土）、④（砂层）、⑤（黏土）、⑥（砂层）。其中砂层的摩擦角 φ值较大，对于上节桩处于土性较好的黏土与粉砂交互沉积，导致沉桩形成的桩侧挤土应力与桩之间的夹角偏大（45°+φ/2）。经过力的矢量分解后，挤土应力形成上抬力，黏土压缩性低、透水性弱、超孔隙水压力消散性差，并产生应力叠加效应，上层黏土力学也比较好，作用于桩侧的上抬力值同样较大。因此在已压入的桩侧产生上抬的力。

对于下节桩处于硬层和软层的交互作用中，当桩身穿越硬层进入软层时（涉及土层③1/③2、⑤2/⑤3），将在桩侧产生明显的向下拉应力，该拉应力将对接桩处产生明显的不利影响。

2.3.2 施工过程分析

工期较短的条件对挤土桩[9]沉桩施工不利，并且未采用桩间砂井释放孔隙水压力，沉桩过程中也无第三方进行周边环境监测，未及时发现挤土隆起的情况。

2.4 处理措施

（1）由于基坑已经开挖，大型设备无法下坑作业以及工期原因，故未采用静力复位、打桩动力监测加动力复位。介于孔内摄像证实无渗水情况以及桩孔较大等因素，决定采用高压旋喷桩底加固并全桩孔设置钢筋笼灌入等强度的混凝土。

（2）采取增加高应变和静载荷测试数量，共同完成对整改后桩的验收依据。

3 工程实例3

国内某航空公司上海虹桥机场基地项目的基地总面积66 210m2，总建筑面积165 315m2，建筑限高48m（吴淞高程），基地分为三个区块。其中南区共总桩数989根，采用 ø500预应力管桩（壁厚100mm）；抗拔桩580根，低应变检测按100%普测；抗压桩409根，按总桩数的30%抽检。据悉该工程由业主采购上海市某一线品牌制桩企业产品，总包及监理进场验收时把控严格，遇有瑕疵或不合格产品均已退回不予进场。

3.1 个别桩浅部曲线异常

在检测过程中发现个别桩浅部（桩顶以下1.5～4.0m）曲线呈现不同程度的异常反射。部分（4根）较典型桩的低应变时域曲线如图14所示。

图14 部分桩低应变时域曲线图

3.2 复测成果

（1）仅对曲线分析疑似桩顶附近存在缺陷，因反射峰距离桩顶较近，可从桩孔内部观察以及孔内摄像探查是否真实存在缺陷，但未发现有缺陷存在（摄像至接桩处）（见图15、图16）。

图15 从桩顶向孔内观察

图16 采用孔内摄像第一节与第二节接桩处（11 m）未见缺陷存在

（2）又怀疑管桩端板下存在混凝土欠密实对曲线浅部形成干扰，故去除端板后再次复测，复测与此前低应变成果一致（见图17）。

图17 去除端板后复测

3.3 查明原因及判断

3.3.1 查明原因

经过上述几种方法均未找出浅部曲线反射原因。查阅勘察、施工资料，发现有该种情况的桩均距离高压旋喷较近（2m范围之内），旋喷深度为工程桩以下约4m，加固土层为淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土。此时有一个假设：由于高压旋喷压力较高，其实际土中加固平面范围已经超过设计平面区域，已达到桩身侧面且包围桩身，当其固结后附着在桩侧面，低应变的弹性波实际上是在管桩和高压旋喷固结物中传递，所以曲线呈现出类似桩顶附近不规则扩径的反射波现象。

为求证该假设是否成立，北区开挖的基坑同样有高压旋喷加固，选取距离高压旋喷位置较近桩的区域进行局部开挖直接观察。发现经高压旋喷过的部位土体已经形成强度很高的固结物体，且超出设计范围并将桩身侧面包围，低应变时域曲线在桩顶以下约4m处类似扩缩径的反射波是受此影响，从而证实了该观点的现实性。北区基坑内高压旋喷坑底加固如图18所示。

图18 北区基坑内高压旋喷桩施工坑底加固处开挖照片

3.3.2 验证判断

鉴于上述复测及其他探查方法验证判断，该种情况下的桩身完整性为合格（Ⅰ类）。

3.4 检测措施

因高压旋喷固结物附着造成低应变曲线异常反射的桩，通过基坑施工方法汇总，并采用孔内摄像辅助判断其完整性，以补充低应变的不足。

4 结语

低应变反射波法检测建立理论的一维波动方程模型，对桩身完整性只能定性，遇桩土耦合作用下往往会影响到曲线，在以上三个工程实例中都有体现。低应变反射波法具有仪器设备相较其他检测方法小巧轻便、操作简便快速的特点，适合大范围、多数量快速检测工作的需要。在工程实际运用中采用该方法检测时，作为检测人员需要仔细研究数据并及时分析原因，必要时需采取多种检测手段及验证方法来判别被测桩的完整性。对于预应力管桩、预应力空心方桩、预应力混凝土异型预制桩等具有桩孔的特点，利用桩孔进行孔内摄像法也可作为桩身完整性判定的依据之一。综上所述，切勿仅仅依靠低应变反射波法的成果进行判定，避免误判或漏判。