桩基检测技术及优缺点

桩基检测技术及优缺点

摘要

随着高层建筑物高强度地基处理的需要，桩基础成为土木工程中主要的基础形式之一，其理论成果也不断出现。本文简要介绍了常用的几种桩基检测技术，针对具体工程，利用成孔质量检测、静载试验检测、低应变动力检测和高应变动力检测等技术对该工程的基桩进行了检测，进而对桩基质量做出评价，以确保建设工程的质量。

关键词：桩基检测；静载试验；高应变动力检测；低应变动力检测

Abstract

With the need of high strength foundation treatment, pile foundation becomes one of the main basic forms in civil engineering, and its theoretical results are constantly emerging.. Are briefly introduced in this paper several commonly used the technique of pile foundation inspection, according to the specific engineering, the hole quality testing, static load test, low strain dynamic test and high strain dynamic testing of technology of the engineering piles were detected, and thus make the evaluation of the quality of pile foundation, to ensure the quality of construction engineering.

Key words：Pile testing；Static Loading Test ；High strain dynamic testing；Low strain dynamic testing

引言

作为一种古老的基础形式，桩的应用至今已经有 12000~14000 年的历史，最初的桩是木桩。我国是使用桩基比较早的国家之一，始建于公元 247 年的上海龙华塔及十世纪筑成的杭州湾大海塘的石砌岸壁，是凝聚我国古代劳动人民聪明智慧的，最早采用桩基础而完好保存至今的著名建筑。人类应用木桩经历了漫长的历史时期，直到 19 世纪后期，钢筋、水泥和钢筋混凝土相继问世，木桩逐渐被钢桩和钢筋混凝土桩取代。最先出现的是打入式预制桩，随后发展了灌注桩。后来随着机械设备的不断改进和高层建筑对桩基的需要，产生了很多新的桩

型，开辟了桩利用的广阔天地;桩的广泛应用也促进了人们对桩的进一步探索研究，其中包括新桩型、施工手段、检测手段、模型实验和设计计算方法等的研究。

1 桩基检测技术及优缺点

1.1 桩基检测技术

这种方法具有科学、直观、实用等特点，在检测混凝土灌注桩方面应用较广。一次完整、成功的钻芯检测，可以得到桩长、桩身混凝土强度、桩底沉渣厚度和桩身完整性的情况，并判定或鉴别桩端持力层的岩土性状。在桩的施工中，成孔质量的检测方法有:超声波接触式仪器组合法两种方法。成孔质量的好坏直接影响到混凝土浇注后的成桩质量：桩孔的孔径偏小则使整桩的承载能力降低；桩孔上部扩径将导致成桩上部侧阻力增大，而下部侧阻力不能完全发挥；桩孔偏斜则会削弱了基桩承载力的有效发挥；桩底沉渣过厚使得有效桩长减少。因此，成孔质量检测对于控制成桩质量尤为重要。成孔质量检验的内容主要包括桩孔位置、孔深、孔径、垂直度、沉渣厚度等。

优缺点：科学、直观实用。但容易导致泥浆性能指标达不到规范要求，从而施工过程中出现坍塌孔、扩径、缩径、孔底沉渣厚度等缺陷。。

1.2 桩的承载力的检测

1.2.1 静荷载试验法

这是目前公认的检测基桩竖向抗压承载力最直接、最可靠的试验方法。但在工程实践中发现，基准桩的问题有时会被检测人员所忽视，容易出现基准桩打入深度不足，试验过程产生位移的问题。

优点；操作过程比较简单，最直接、最可靠，适用性强。

缺点；劳动强度大，危险性高，测试人员十几小时长期呆在荷载底下，容易疲劳，困乏，影响测试工作，而且。危险时时存在，人为干扰因素多。

1.2.2 高应变动测法

桩基高应变动检测，就是利用重锤对桩顶进行瞬态冲击，使桩周土产生塑性变形，在桩头实测力和速度的时程曲线，通过应力波理论分析得到桩土体系的有关参数，揭示桩土体系在接近极限阶段时的工作性能，分析桩身质量，确定桩的极限承载力。它的主要功能是判定桩竖向抗压承载力是否满足设计要求。

优点：仪器设备较为轻便，检测速度快费用较传统的静荷载试验低，这是高应变动测相对传统的静荷载试验比较突出的优点。

缺点：力量一旦过大就会破坏桩的结构。

1.3 桩的完整性检测

1.3.1 应变动测法

基桩的低应变动测法就是通过对桩顶施加较低的激振能量，引起桩身及周围土体的微幅振动，同时用仪表量测和记录桩顶的振动速度和加速度，利用波动理论或机械阻抗理论对记录结果加以分析，从而达到检验桩基施工质量、判断桩身完整性、预估基桩承载力等目的。

1.3.2 超声波透射法

超声波透射法检测桩身结构完整性的基本原理是：由超声脉冲发射源在砼内激发高频弹性脉冲波，并用高精度的接收系统记录该脉冲波在

砼内传播过程中表现的波动特性；当砼内存在不连续或破损界面时，缺陷面形成波阻抗界面，波到达该界面时，产生波的透射和反射，使接收到的透射波能量明显降低；当砼内存在松散、蜂窝、孔洞等严重缺陷时，将产生波的散射和绕射；根据波的初至到达时间和波的能量衰减特性、频率变化及波形畸变程度等特征，可以获得测区范围内砼的密实度参数。

优点：其他完整性检测方法相比，声波透射法能够进行全面、细致的检测，且基本上无其他限制条件。

缺点：由于存在漫射、透射、反射，对检测结果会造成影响。

1.3.3 反射波法

又称为低应变发射波法，它是以应力波在桩身中的传播反射特征为理论基础的一种方法。使用小锤敲击桩顶，通过粘结在桩顶的传感器接收来自桩中的应力波信号，采用应力波理论来研究桩土体系的动态响应，反演分析实测速度信号、频率信号，桩身的缺陷、桩底均可以根据反射波的相位、振幅、频率特性，辅以地层资料、施工记录以及实践分析经验，对其性质进行综合分析判断。

优点：仪器轻便、现场检测快捷，以其测点多。经济。便捷等优点，应用十分普遍，尽管从理论到实际应用较为成熟但本身还有一定的局限性。

缺点：测量时桩的阻抗变小，对缺陷的性质难以区分。

2 检测方法及选定原则

2.1 检测方法

本规程所涉及的检测方法包括低应变反射波法、高应变动测法、超声波法（包括透射法和折射法）。检测方法应根据工程的需要和检测的目的确定。

检测方法检测内容：低应变反射波法检测桩身缺陷位置及影响程度，判定桩身完整性类别，高应变动测法分析桩侧和桩端土阻力，推算单桩轴向抗压极限承载力；检测桩身缺陷位置、类型及影响程度，判定桩身完整性类别。

为保证检测结论的可靠性，可根据不同被检对象和检测要求，选用多种测试方法进行综合分析判断。

桩的检测数量应符合下列规定：

1．公路工程基桩应进行100%的完整性检测，各种方法的选定应具有代表性和满足工程检测的特定要求；

2．重要工程的钻孔灌注桩应埋设声测管，检测的桩数不应少于50%；

3.高应变动测法的抽检率可由工程设计或监理单位酌情决定，但不宜少于相近条件下总桩数的5%且不少于5根。

2.2 检测仪器与设备

基桩检测所用仪器设备的主要技术性能和工作环境条件应符合《基桩动测仪》JG/T3055中的规定，并具有良好的波形现场显示、记录和贮存功能。检测仪器设备必须由法定计量单位定期进行标定和年检，合格后方能使用。所有仪器设备在检测前后必须进行自检，确认仪器工作正常。

在检测前的准备应做到以下几点：

（1）被检工程应进行现场调查，搜集其工程地质资料、基桩设计图纸和施工记录、监理日志等，了解施工工艺及施工过程中出现的异常情况。

（2）检测方法和制定检测方案应根据调查结果和检测目的合理选用。

（3）检测时间应满足拟用检测方法对混凝土强度（或龄期）和地基土休止期的规定。

检测中需要注意的问题:

（1）各种墩、桩及桩墙结构的完整性检测，常用低应变或高应变动力试桩法。对于大直径桩，用声波透射法或钻芯法检测比较合理。（2）高、低应变动力试桩法的适用范围：当桩长比直径大于30m 时，或桩体有两个以上缺陷时，动力试桩法难以提供准确的桩体完整性信号。因此，针对目前大量使用的超长桩，动力试桩必须加以改进，提高动测信噪比，提高检测精度。

（3）桩基检侧的桩位应结合设计情况和施工质量综合确定，除考虑对整个工程具有代表性外，应选择结构受力比较重要的部位、地质条件比较差的桩，由设计、监理等单位共同认定，新规范为此对一些重要的或成桩质量可靠性差的桩基工程要求必须采用静载试验法来确定。

（4）尽管在目前桩的静载试验仍被国内外公认为评价桩承载力最直观、可靠的方法，但由于测试仪表的精度、试验方法的限制、分析

方法的差异和工程判断的能力等因素，其测试误差也能达到10％。因此，如何改进静载试验测试、分析方法，提高静载试验的可靠度，就很迫切。

（5）桩身完整性检测宜采用两种或多种合适的检测方法进行。当采用低应变法或声波透射法检测时，受检桩混凝土强度至少达到设计强度的70％，且不小于15MPa。当采用钻芯法检测时，受检桩的混凝土龄期达到28d或预留同条件养护试块强度达到设计强度。当基础埋深较大时，桩身完整性检测应在基坑开挖至基底标高后进行。（6）基桩低压应变法动测的关键是要取得准确、可靠的测试信号，所以现场检测人员应操作熟练，经验丰富，遇到异常信号时，应分析原因，多换几个监测点，特别对大直径桩，桩截面各部位的运动不均匀性会增加，桩浅部的阻抗变化往往表现出明显的方向性，故应增加检测点数量，每个检测点得采集信号不宜少于3个，通过叠加平均提高信号比。

2.3 桩基检测技术在工程中的实例

2.3.1 工程背景

该桥为某大桥墩柱的混凝土，墩柱为圆形结构，直径1500mm，高度8m左右，因为此次检测的墩柱质量比较差，施工单位在施工完毕拆模后，发现桩身有许多蜂窝与空洞，后来虽然经过灌浆处理，但用CUT-201超声仪检测的数据结果中发现，墩柱中局部还是存在不密实与空洞的地方。

2.3.2 检测方法与检测过程分析

该类型的缺陷适宜于超声波方法检测，采用超声脉冲检测混凝土缺陷的基本依据是，利用脉冲波在技术条件相同（指混凝土的原材料、配合比、龄期和测试距离一致）的混凝土中传播的时间（或速度）、接收波的振幅和频率等声学参数的相对变化来判定混凝土的缺陷。

超声脉冲波在混凝土中传播速度的快慢，与混凝土的密实度有直接关系，对于相同质地及测试距离的混凝土来讲，声速高表明混凝土密实，反之则表明混凝土密实性较差。

不密实与空洞缺陷的检测方法是在柱身布置网格点，沿墩柱的纵向方向，每隔300mm为一道，每道在横截面方向对称布置6对测点，这样对整个墩柱进行全面的扫描式测试，测试完毕后软件会自动根据规范进行计算，对于声速值或波幅值低于判定值的点，会给予标注。

2.4 桩基检测技术在工程上的应用

某办公楼为地上十四层，地下一层的高层办公楼，采用框架结构，总建筑面积38818.6m2，其基础采用钢筋混凝土预制桩。经勘探，场地地基根据其工程特性的差异，自上而下分为四层，分述如下: 粉土层、粉质粘土层、砾砂层和强风化泥岩层。基桩设计参数要求如下：桩径为φ500mm；桩长为10-12m；工程桩总桩数为170根；单桩承载力特征值2000kN；混凝土强度等级：C40；桩端持力层为砂砾层。本次工程实践中针对场地环境和地质条件，主要采用了如下几种检测手段：①成孔质量检测，检测数量40个；②试桩载荷试验，检测试桩数量3根；③高应变动力检测，检测数量10根；④低应变动力检测，检测数量30根。

2.4.1 成孔质量检测

本工程中基桩成孔质量测试采用的仪器设备主要有JJC-1A型孔径仪、JNC-1型沉渣测定仪、JJX-3A型井斜仪、深度记录仪（充电脉冲发生器）、电动绞车、孔口轮等组成。分别对成孔的孔深、孔径、孔斜及沉渣厚度进行了检测。检测结果：设计孔深介于10.45m～11.94m，实测孔深介于10.60m～12.20m，所有检测桩均大于设计要求孔深。实测局部最小孔径介于451mm～471mm，局部最大孔径介于524mm～633mm，无最小孔径<550mm的桩孔。实测垂直度介于0.68%～0.97%，均小于1%。实测孔底沉渣厚度介于80～100mm，均小于150mm。综上数据统计分析，本次桩孔成孔质量检测4项指标（孔深、孔径、孔斜、沉渣厚度）均能够达到规范要求。

2.4.2 静载试验检测

本次工程中，根据设计要求，对试桩检测过程中的3根试桩分别进行单桩竖向静载试验。本次检测使用的主要设备有:武汉生产的静载试验成套设备RS-JYB，主要包括主机、中继器、控载箱、5000kN千斤顶、位移传感器等。另外还有钢梁、压板等。检测方法如下：本次竖向静载试验，采用锚桩反力装置与配重联合加载法，即在试验桩桩顶放置千斤顶，再放主梁、次梁，次梁连接4根锚桩，同时在次梁之上堆放预制桩作为配重。对桩的加载方式采用快速维持荷载法，即逐级加荷，加荷后隔15min读一次数，每级加荷时间为2h。预计加荷为8级，每级荷载增量均为500kN。如果中间出现破坏荷载，则停止加荷。检测结果3根桩的极限承载力平均值为4000kN，最大极差为0，

不大十平均值的30%，故单桩承载力的特征值(标准值)为4000=2.0=2000kN，符合设计要求。

2.4.3 低应变动力检测

根据《建筑桩基检测技术规范》规定，低应变方法适用于检测混凝土桩的桩身完整性，判断桩身缺陷的程度及位置，并要求根据桩身完整性检测结果，给出每根桩的桩身完整性类别。本次工程实践中共对工程桩中的30根桩进行了低应变动力测试。检测仪器由采用FDP204PDA型动测分析系统，加速度传感器，力棒组成。检测方法是：在桩顶放置一只加速度传感器，接受锤击过程中产生的加速度信号，通过FDP204PDA型桩基动测系统放大和A/D转换，变成数字信号传给微机，信号经计算机处理后，在屏幕显示实测波形，每根桩布采集点一个，每点采集5～6锤信号。将存储在磁盘上的测试信号在时域内进行处理，根据应力波反射等价地将实测速度信号通过时域由频域辅助，分析不同部位的反射信号，据此分析每根桩的桩身完整性。检测结果：其中:I类桩28根，满足设计要求；II类桩2根，满足设计要求。

2.4.4 高应变动力检测

本次工程中共对工程桩中的10根桩进行了低应变动力测试。检测仪器采用FEI-C3型动测分析系统，该系统由486/40微机，12位A/D 转换器，加速度传感器，力传感器、重锤组成。检测方法是：将两只加速度计和两只应变式力传感器，分别对称安装在桩侧表面，锤自由下落锤击桩顶，瞬时冲击力产生的加速度和力信号，通过FEI-C3型桩

基动测系统放大和A/D转换，变成数字信号传给微机，信号经过计算机软件处理后存入磁盘，同时显示实测波形，然后，将存储在磁盘上的测试信号进行回放（力、速度），利用FEIPWAPC软件进行曲线拟合分析，得出单桩竖向极限承载力。检测结果：所检测的10根桩的单桩竖向极限承载力基本值均位于2178kN～2342kN之间，单桩竖向极限承载力平均值为2260kN，故根据本次高应变检测结果综合判定单桩极限承载力为2260kN。

3 桩基础在高层项目应用过程中出现的弊端

3.1 挤土效应和浮桩

在将预应力管桩打入土层中时，由于管桩对土体的挤压会使土体向四周排挤，周围的土体会因此而受到严重的扰动。土体遭到严重的扰动后会发生径向位移，离管桩一定范围内的土体受到不排水剪切和很大的水平挤压力，经过这些外部干扰后，土体会形成具有很强的孔隙水压力的扰动重塑区。

浮桩只是管桩挤土效应的另外一种表现形式，但是浮桩问题表现得非常之隐蔽，往往是压桩工程结束之后在做静载检测时才发现这一问题。这个时候可能整个压桩工程已经结束，要再次进行压桩就会处于非常被动的地位，而且再次压桩施工时的难度和施工资金都会增加。

3.2 沉桩不达标和断桩

沉桩没有达到设计要求的原因主要有以下几点，施工前对地质的勘探点不够多，对持力层的起伏标高不明确，导致在考虑持力层和选择管桩的长度时出现差错；没有设计合适的持力层，不恰当的持力层

会使管桩的承载力受较大的影响。断桩是在管桩施工中经常遇到的问题，主要原因是使用了未经检验的不合格管桩；管桩在地下碰到了坚硬障碍物；在压桩过程中没有控制好垂直度；挤土效应造成管桩断裂。

3.3 滥用预应力管桩

预应力管桩虽然在工程中得到了广泛的应用，但是这并不代表着预应力管桩适用于任何的施工场地，预应力管桩的持力层可以选择是强风化岩层、坚硬的黏土层或砂层和碎石层，但是预应力管桩不能打入中风化和弱风化岩层。

3.4 对预应力管桩基础弊端的相关处理措施

（1）处理挤土效应和浮桩问题

对于施工过程中遇到的挤土效应，笔者结合自身多年的经验建议采取以下几种防治措施：①对管桩的压桩顺序进行合理的安排，不要盲目的追求工程的施工速度，要控制好每天的压桩数量，减少因为压桩数量过多而引起空隙水压力的叠加。②优化压桩的施工的工序，可以先对基坑进行深度开挖，这样可以有效的减少地基中土层的侧向位移和隆起，降低因为压桩所引起的空隙水压力。③在施工场地中设置袋装的砂土和一些塑料排水板，为地基创造有利的排水条件，并且降低空隙水压力。④在压桩之前可以先进行预钻孔作业，通过预钻孔可以提高压桩的成功率。

对于浮桩问题笔者认为有效的处理措施主要有：在压桩施工还没有结束前就选择具有代表性的管桩进行测量和监控，在压桩施工结束之后就要立即使用水准仪器对管桩进行测量记录，在整个压桩施工过

程中要对管桩进行定期的测量监控，及时发现管桩的上浮现象。如果在测量和监控过程中发现管桩有上浮现象，则可以采取控制压桩的速率、调节压桩的路线等补救措施，通过减少挤土效应来控制管桩的上浮现象。如果在采取上列措施后还没有解决管桩上浮问题，则好可以进行管桩复压的方法来进行处理。

（2）处理沉桩不达标和断桩的措施

压桩不达标会对导致管桩的承载力下降，管桩是高层建筑物地基部分中的重要构件，一旦管桩的承载力下降，将会对整个工程的质量造成巨大的影响。防治措施首先要对工程施工地段的地质进行详细的勘探，正确的对持力层进行选择；在施工时要根据管桩规格的不同而选择合适的桩机；根据施工地质条件的不同而灵活的选用管桩的施工方法，并且合理的安排压桩的顺序，保证管桩自身的质量。

在施工过程中可能会由于管桩遇到坚硬的障碍物而出现断桩的现象，对于出现的断桩要采取相应的补强加固措施，不能再继续使用断桩。

（3）合理的利用预应力管桩

在管桩施工过程中，要对施工区域的地质进行充分彻底的勘探，根据地质构造的不同而选用不同类型的管桩，勘探人员要多选用一些探测点，避免因勘探不全面而给整个施工带来损失。

结束语

利用成孔质量检测、静载试验检测、低应变动力检测和高应变动力检测等技术对某办公楼工程的基桩进行了检测，了解被测桩的桩身

完整性和桩身混凝土质量，并初步判断桩端土支承强弱，选择合适的方法，进而对桩基质量做出评价，以确保建设工程的质量。基检测人员在测试工作中要做到实事求是，一丝不苟，程序严谨，以免给工程造成事故隐患。

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