桩身混凝土离析缺陷的低应变测试信号特征

1 前言
桩基是地基中广泛采用的一种深基础形式。我国灌注桩工程于1963年始于河南省，之后随着国家基础建设的快速发展，众多的高楼、桥梁、码头等工程陆续开始采用大直径、大深度钻（冲）孔灌注桩的地基基础形式。
桩基工程属地下隐蔽工程，由于桩基施工工艺及复杂的地质条件等，使得灌注桩有时会产生离析、夹泥、断桩、缩径、胶结不良等缺陷。而大直径灌注桩一般单桩竖向承载力较高，部分桩不仅受垂直竖向荷载的作用，还受水平力的作用，所以对大直径混凝土灌注桩的精确检验就尤为重要。
离析是一种常见的混凝土缺陷，对桩的使用危害较大。其产生原因甚多：如混凝土的配合比不良、施工中的过振、地下水的作用、混凝土落距大等等都会导致离析。其特征是局部浆体富余，而另一处粗骨料形成堆积。在灌注桩混凝土中表现为：上部为水泥砂浆而缺少粗骨料，下部粗骨料聚集而缺少水泥砂浆，并且下部密实度较差，呈现过渡分层特征。
对于大直径混凝土灌注桩，目前常采用的无损检测方法是低应变动测法和超声波透射法。低应变法由于检测方法简便易行，检测费用低廉而被广泛采用。
由于离析缺陷相对于低应变法检测信号的特殊反映，在工程实际中常常引起误判或漏判，有必要在此深入探讨。
 
2 低应变法检测原理
低应变法检测桩身混凝土完整性，是通过在桩顶施加激振信号产生应力波，该应力波在沿桩身传播过程中，遇到波阻抗差异界面（如蜂窝、夹泥、断裂、孔洞等缺陷）和桩底面时，将产生反射波，检测分析反射波的传播时间、幅值和波形特征，可判断桩的完整性。其原理是建立在一维杆状体的基础上的。假设桩为一维线弹性杆，其长度为L，横截面积为A，弹性模量为E，质量密度为ρ，弹性波速为C（C²=E/ρ），广义波阻抗为Z=AρC。推导可得桩的一维波动方程：
 ⑴
假设桩中某处阻抗发生变化，当应力波从介质Ⅰ（阻抗为Z1）进入介质Ⅱ（阻抗为Z2）时，将产生速度反射波Vr和速度透射波Vt。令桩身质量完好系数β＝Z2/Z1，则有

检测中主要研究反射波Vr。桩身某部位阻抗增大或桩端阻抗增大时，β大于1，即Vr值为负，表现在测试曲线（时域曲线，以下相同）上的特征为反射峰与首波波峰相位相反（以下称反相），相对阻抗越大，β值越大，反向峰值越高。桩身某部位阻抗变小或桩端阻抗变小时，β小于1，即Vr值为正，表现在测试曲线上的特征为反射峰与首波波峰相位相同（以下称同相）。相对阻抗越小，β值越小，反向峰值越高。这是低应变测试中的桩身完整性的基本判定方法。
由于混凝土离析缺陷多呈现过渡性分层特征，阻抗变化呈渐变状态。由于粗骨料聚集段波速并无强烈下降，粗骨料多声学界面多，应力波散射加剧，加上在实际检测中土阻力的影响，所以在低应变检测曲线中，离析缺陷并非表现为强烈的同向反射，而是表现为宽缓的反射。
3 实例分析
实例1：
东莞市寮步镇某厂房采用人工挖孔灌注桩，23#桩桩径1000mm，桩长20.60m，设计砼强度等级C20，设计桩端持力层为中风化泥岩。图1为其低应变法检测时域曲线，由于无桩底反射信号，参照同工地完整桩确定波速为3500m/s，曲线中6.0m左右呈现宽缓的同向反射，判定6.0m左右明显缺陷。

图2 为该桩的抽芯检测砼芯照片，抽芯检测结果：5.5m处砼芯呈碎块状，钻至10.0m无法钻进而终孔。该桩缺陷为混凝土离析。

实例2：
东莞市广汇工地某工程人工挖孔灌注桩，设计砼强度等级C20，桩长10m左右，桩径1200mm。设计持力层为中风化花岗岩。
图3为该工程10#桩的实测曲线图，设定波速3500m/s。5.1m处见宽缓的同向反射波，无桩底反射，而该工地大部分桩曲线的桩底反射清晰，对该桩桩身完整性有怀疑，建议抽芯。抽芯显示，在3.4～3.9m水泥砂浆富积，而少粗骨料，3.9～5.0m胶结较差，砼芯尚完整，但观感上看强度较低，5.0m以下砼芯呈碎块状、碎石状。

该桩为离析缺陷，抽芯二个钻孔，结果基本相同，后作报废处理。图4为砼23#桩的实测曲线图，设定波速3500m/s，4.2m左右见较强的同向反射波，并见二次反射，无桩底反射，判定4.2m左右明显缺陷。抽芯显示，在4.0～4.5m为松散砂，下部砼胶结差。
 
图4为砼23#桩的实测曲线图，设定波速3500m/s，4.2m左右见较强的同向反射波，并见二次反射，无桩底反射，判定4.2m左右明显缺陷。抽芯显示，在4.0～4.5m为松散砂，下部砼胶结差。

该桩为严重离析缺陷，由于局部呈砂状，缺陷段与上部砼呈现较大阻抗差异，故反射峰较强，并能见到二次反射。该桩抽芯检测后，亦作报废处理。
实例3：
广州市南部快速干线某标段大桥采用冲孔灌注桩，设计砼强度等级为C25，设计桩径1200～1800mm，桩端持力层为微风化花岗岩，入岩深度不小于2m。
对该桥基桩低应变法检测中，桩底反射绝大部分清楚，图5为其代表性曲线。该桩桩号为Z2-2#，桩长20m，桩径1500mm。由曲线可见，桩身完整连续，桩底反射清楚。

Z2-1#桩桩长20m，桩径1500mm，图6为该桩的实测曲线。由曲线可见，15.5m左右有一宽缓的同向反射，桩底反射不清楚，建议抽芯。抽芯结果：15.0～15.5m为水泥砂浆，无粗骨料；15.8～17.0m砼胶结差，粗骨料密集，砼芯呈块状、短柱状，短柱状砼芯轻击易断。

4结语
⑴大直径灌注桩一般荷载较大，对桩身砼完整性要求较高，应严格检测。离析是一种常见的混凝土缺陷，低应变法检测往往会对该类缺陷漏判，造成安全隐患，危害*。
⑵桩身混凝土离析缺陷在低应变法检测时域曲线中的表现为：宽缓的同向反射，往往反射峰并不强烈，甚至很微弱，*大特征是无桩底反射。为了准确地进行判别，宜通过与本场地其它桩测试曲线进行对比，在无桩底反射信号时，仔细分析桩身每一处反射，为慎重起见，建议配合其它方法进行检测。
⑶检测人员应进行大量对比，以获得丰富的检测经验。
⑷在一些重要工程中，为获得桩身混凝土质量情况，建议进行超声波透射法检测。在这一点上，声波法比低应变动测法有着较大的准确性，从而使基桩得到更准确的质量判定，而不至由低应变法引起漏判或误判。
【参考文献】
⑴王雪峰，吴世明，《基桩动测技术》，北京，科学出版社，2001
⑵徐天平，《基桩反射波法检测技术》，广东省建设工程质量安全监督检测总站培训教材，2002⑶罗骐先《桩基工程检测手册》，北京，人民交通出版社
⑷《基桩检测技术规范》（JGJ106-2003）
⑸《基桩反射波法检测规程》（DBJ15-27-2000）