桥梁基桩检测

桩基检测的内容和检测方法

基桩的承载力和完整性检测是基桩质量检测的两项主要内容。

基桩分别采用单桩竖向抗压静载试验和高应变法，单桩竖向抗拔静载试验、单桩水平静载试验等检测方法

桩身完整性检测—判定桩身截面尺寸的相对变化、桩身材料的密实性和连续性，主要有下列几种方法。

→①钻孔取芯法：直接从混凝土桩身中钻取芯样，以测定桩身混凝土的质量和强度，同时可以检查桩底沉渣和持力层情况，并可直接测定实际桩长。

→②动测法：分为低应变法和高应变法。低应变法操作方便，是基桩完整性普查的主要手段。高应变法可同时检测基桩完整性和竖向承载力，是预制桩检测的最优方法。

→③声波透射法：通过预埋声测管来检测桩身完整性，不受桩周土的影响

按制桩材料分类

：适用于地下水位以下，可以抗真菌腐蚀保持耐久性，承载力、刚度及耐久性均较差，而且木材资源匮乏，目前已较少使用。

：分为预制混凝土桩和就地灌注混凝土桩。承载力高、刚度大、耐久性好，几何尺寸可根据设计要求进行变化，桩长不受限制，取材方便，是目前各国广泛使用的桩型。

钢桩：主要分为钢管桩、型钢桩、钢板桩。

：两种材料组合而成的桩，如钢管桩内灌注混凝土，充分发挥两种组合材料的性能，目前使用较少，仍处于研究探索阶段。

按成桩时对地基土的影响程度分类

非挤土桩：也称置换桩，包括干作业挖孔桩、泥浆护壁钻（挖）孔桩、套管护壁灌注桩、抓掘成孔桩和预钻孔埋桩等。

：冲孔灌注桩、钻孔挤扩灌注桩、敞口钢管桩、敞口预应力混凝土空心桩、H 型钢桩、钢板桩、预钻孔打入桩和螺旋成孔桩等。

：沉管灌注桩、沉管夯扩灌注桩、打入（静压）预制桩、闭口预应力管桩和闭口钢管桩。 按桩的功能分类

按桩的承载性状可以分为：

：桩顶荷载全部或主要由桩侧摩阻力承担。根据侧摩阻力分担外荷载的比例，又可分为纯摩擦桩和端承摩擦桩。

：桩顶荷载全部或主要由桩端阻力承担。根据端阻力发挥的程度和分担外荷载的比例，又可分为纯端承桩和摩擦端承桩。

抗拔桩：承受竖向向上拔的荷载，如抗浮力的桩基、送电线路塔桩基等，上拔荷载主要由桩侧摩阻力承担。

：承受来自水平方向的外部荷载，如基坑支护的护坡桩、抗滑桩等，桩身刚度是抵抗弯矩的重要保证。

按成桩方法分类

打（压）入桩：主要指预制桩。成桩方法是按照预定的沉桩标准，以锤击、振动或静压方式将桩沉至地层设计标高。

：直接在地基土上用钻、冲、挖等方式成孔，就地浇筑混凝土而成的桩。按成桩工艺可以分为：

沉管灌注桩

钻（冲）孔灌注桩

人工挖孔灌注桩

岩土的分类（《岩土工程勘察规范》GB50021-2001）：

土—碎石土、砂土、粉土、粘性土（粉质粘土、粘土）

岩石—按成因：岩浆岩、沉积岩、变质岩；

按风化程度：未风化、微风化、中风化、强风化、全风化、残积土。

岩土的工程性质：物理性质、水理性质和力学性质

土—颗粒分布、密度、含水率、塑性指数、压缩系数、抗剪强度

岩石—抗压强度、完整程度

地基承载力：

岩石的地基承载力特征值—可由载荷试验确定。对于完整、较完整的岩石地基，可根据室内单轴抗压强度计算，fa=Ψ·frk

土的地基承载力特征值—可由载荷试验确定或查表。

桩基检测方法及其适用范围

检测开始时

间应符合下

列规定

低应变法或声波透射法检测：【JTG/T F81-01-2004】混凝土灌注桩应在成桩

14d 以后进行检测。【JGJ 106-2003】受检桩混凝土强度至少大于设计强度的70%，且不低于15MPa 时，即可检测。钻芯法检测：受检桩应达到28d 龄期或预留同条件养护试块达到设计强度。 静载试验和高应变检测在桩身产生的应力水平较高，此类检测应在混凝土强度达到28d 龄期或设计要求时进行。

承载力检测必须考虑桩周土的时间效应

成桩过程中，桩周土受到的扰动和施工工艺、土性及土的类别有关，如非挤土桩与挤土桩的差别、高灵敏度饱和粘性土与砂土的差别等等。一般，随休止时间的增长，受扰动的土体会重新固结，强度逐渐恢复提高，桩的承载力也相应增加，在软土地区，这种时间效应比较明显。

承载力检测前的休止时间

注：对于泥浆护壁灌注桩，宜适当延长休止时间。

对于工期紧而无法满足休止时间的检测项目，应在检测报告中注明，承载力检测值只能代表检测的承载力。

第二章静载试验

第一节单桩竖向抗压静载试验

为设计提供依据；

为工程验收提供依据；

验证检测。

维持荷载法，分为慢速维持荷载法和快速维持荷载法。

在大型、重点工程指导设计和进行科研试验时，在桩身埋设有应力、应变、桩底反力的传感器或位移杆，可以测定桩周土的分层侧阻力和桩端土阻力或桩身截面的位移量。

桩的极限状态

桩的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。

承载能力极限状态对应于桩基达到最大承载能力或整体失稳或发生不适于继续承载的变形。 正常使用极限状态对应于桩基达到建筑物正常使用所规定的变形限值或达到耐久性要求的某项限值。

桩基承载能力极限状态

桩基承载能力极限状态由下述三种状态之一确定：

1. 桩基达到最大承载力，超出该最大承载力即发生破坏，其荷载－沉降曲线大体表现为： 陡降型（A ）和缓变型（B ）两类。

2. 桩基出现不适于继续承载的变形。

对于渐进性破坏，判定其极限承载力比较困难，可以按照建（构）筑物所能承受的桩顶最大变形Su

确定极限承载力。

3. 桩基发生整体失稳。

位于岸边、浅埋桩基、存在软弱下卧层桩基，有发生整体失稳的可能性。

破坏模式

静载试验桩的破坏模式包括桩身结构强度破坏和地基土的强度破坏。

桩身结构强度破坏：桩身缩径、离析、松散、夹泥，混凝土强度低等都会造成桩身强度破坏；灌注桩桩底沉渣太厚，预制桩接头脱节等会导致承载力偏低。桩身结构强度破坏的Q-s 曲线为“陡降型”。 Q-s 曲线呈“陡降型”；对于端承型桩，一般Q-s 曲线呈“缓变型”，地基土破坏特征不是很明显。

第一节单桩竖向抗压静载试验

试验加卸载方式应符合下列规定（JGJ106-2003）：

◆1 加载应分级进行，采用逐级等量加载；分级荷载宜为最大加载量或预估极限承载力的1/10，其中第一级可取分级荷载的2 倍。

◆2 卸载应分级进行，每级卸载量取加载时分级荷载的2 倍，逐级等量卸载。

◆3 加、卸载时应使荷载传递均匀、连续、无冲击，每级荷载在维持过程中的变化幅度不得超过分级荷载的±10%。 v 施工后的工程桩验收检测宜采用慢速维持荷载法。当有成熟的地区经验时，也可采用快速维持荷载法。 v 当出现下列情况之一时，可终止加载：

◆1某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5 倍。

◆2某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2 倍，且经24h 尚未达到相对稳定标准。 ◆3已达到设计要求的最大加载量。

◆4当工程桩作锚桩时，锚桩上拔量已达到允许值。

◆5当荷载-沉降曲线呈缓变型时，可加载至桩顶总沉降量60～80mm ；在特殊情况下，可根据具体要求加载至桩顶累计沉降量超过80mm 。 1. 5 分析与判定

单桩竖向抗压极限承载力Qu 的确定（JGJ 106-2003）：

1根据沉降随荷载变化的特征确定：对于陡降型Q − s 曲线，取其发生明显陡降的起始点对应的荷载值；

2根据沉降随时间变化的特征确定：取s-lgt 曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值； 3如果在某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24小时尚未达到相对稳定标准，则取前一级荷载值；

4根据沉降量确定：对于缓变型Q − s 曲线，可取s ＝40mm 对应的荷载值；对于大直径桩可取s ＝0.05D （D 为桩端直径）对应的荷载值

单桩竖向抗压极限承载力统计值：

1 参加统计的试桩结果，当满足其极差不超过平均值的30%时，取其平均值为单桩竖向抗压极限承载力。

2 当极差超过平均值的30%时，应分析极差过大的原因，结合工程具体情况综合确定，必要时可增加试桩数量。

3 对桩数为3 根或3 根以下的柱下承台，或工程桩抽检数量少于3 根时，应取低值。

单位工程同一条件下的单桩竖向抗压承载力特征值Ra 应按单桩竖向抗压极限承载力统计值的一半取值。

静载试验本身对基桩承载力的影响

经过静载试验后，桩的承载力提高了，如桩底有沉渣，静载试验将沉渣压实，桩端阻力能正常发挥；预制桩沉桩时因挤土效应而使桩上浮，静载试验消除了上浮现象等。

经过静载试验后，桩的承载力明显降低了，原本承载力略低于设计要求，静载试验最后几级加载发生桩身破坏或持力层夹层破坏。

主梁压实千斤顶

压重平台反力装置，试验前压重全部由支承墩承受，若承力不足，支承墩可能产生较大下沉，造成试验前主梁压住千斤顶，桩顶承受了荷载。

边堆载边试验

为避免主梁压实千斤顶，或避免支承墩下地基土可能破坏而导致安全事故

等，采用边堆载边试验，实际操作中应注意：试验过程中继续吊装的荷载一部分由支承墩承担，一部分由受检桩承担，桩顶实际荷载可能大于本级要求的维持荷载值。

最大试验荷载的确定

应注意两个问题：一是注意重视“临界状态”的判断；二是最大试验荷载的维持时间。 偏心问题

试验过程中应观察和分析偏心状态，尽可能消除偏心加载对测试结果的影响。

安全问题

在静载试验过程中，仪器设备、人员的安全必须高度重视，并在试验前制定预案。

第二节单桩竖向抗拔静载试验

第三节单桩水平静载试验

高应变和低应变的划分

按位移大小划分

高应变动力试桩利用几十甚至几百千牛的重锤冲击桩顶，使桩产生的动位移接近常规静载试验的沉降量级，以充分击发桩侧、桩端岩土阻力，桩周土产生塑性变形，产生永久沉降。

低应变动力试桩采用几牛至几百牛重的手锤、力棒锤击桩顶，桩-土系统处于弹性范围，桩顶位移比高应变低2-3个量级。

按桩身应变量级划分

高应变桩身应变量级通常在0.1‰-1.0‰范围内，低应变桩身应变量一般小于0.01‰。 低应变法

低应变动力检测目前基本上以低应变反射波法检测桩身完整性为主，适用于检测混凝土桩身的完整性，判定桩身缺陷的程度和位置。

桩身完整性定义为：反映桩身截面尺寸相对变化、桩身材料密实性和连续性的综合定性指标；

桩身缺陷定义为：使桩身完整性恶化，在一定程度上引起桩身结构强度和耐久性降低的桩身断裂、裂缝、夹泥（杂物）、空洞、蜂窝、松散等现象的统称。 扩径对承载力有利，不应作为缺陷考虑。

低应变动测法既不能判断缺陷的具体类型，也无法对桩身缺陷程度作定量判定，这就是目前动测方法的技术水平，也是今后在不断实践中，需要研究解决主要问题

应力波在不同阻抗界面处的反射和透射

应力波传播规律在桩基检测中的应用

经分析，可得出以下结论：

1. 透射系数T 始终大于零，所以透射波与入射波同相位。

2. β

＝1，Z1=Z2，R ｖ=0，T ＝1，入射波不受任何障碍沿桩身传播。 3. β>1，Z1

4. βZ2，应力波从大阻抗介质传入小阻抗介质，相当于应力波从硬材料向软材料传播（截面不变）或应力波由大截面向小截面传播（材料性质不变），类似于桩身断桩、混凝土离析、缩径、夹泥（空洞）、裂缝或摩擦桩桩底反射的情况。反射系数R ｖ＞0，反射波与入射波同相位。

低应变检测仪器设备包括激振设备、接收传感器、一体化动测仪（包括信号放大、采集设备，信号存储与处理和显示设备）等几部分组成。

激振设备

低应变激振设备分为瞬态和稳态两种，现场测试一般使用瞬态激振设备。 检测中最常用的瞬态激振设备是手锤和力棒，锤体质量一般为几百克至几十千克不等。

锤头材料根据软硬程度依次为：钢、铝、尼龙、硬塑料、聚四氟乙烯、硬橡胶等；锤垫一般用1-2mm 厚薄层加筋或不加筋橡胶带，试验时根据脉冲宽度增减，比较灵活。调整脉冲宽度即可以通过更换软硬不同的锤头来实现，也可通过调整锤垫的厚度来实现。

传感器

低应变动测传感器一般有速度传感器和加速度传感器，动测桩普遍采用高灵敏度剪切型压电加速度传感器。压电加速度传感器具有体积小、重量轻、结构坚固、频带宽、稳定性好、适用范围大等优点。

动测传感器的冲击响应特性

瞬态激振是低应变检测的主要方式，瞬态冲击对桩基检测系统提出了较高的要求。

衡量加速度传感器的两个重要指标：灵敏度和频响范围。

冲击信号的一般特点：

桩受冲击荷载作用产生的冲击力和加速度大小与冲击荷载强度（撞击初速度、锤重）、桩垫（锤垫）的软硬薄厚、桩的抵抗能力（广义阻抗）等有关

加速度测量系统的有限低频和高频响应均会引起波形畸变，失真。

传感器的安装谐振频率：

传感器的安装谐振频率是真正控制测试系统频率特性的关键，对传感器的在桩头处安装提出了严格要求。

如图所示，加速度传感器在六种不同安装条件下的幅频特性曲线，安装谐振频率由高到低对应的安装条件分别为：

◆1. 传感器与被测物体用螺栓直接连接（刚性连接）；

◆2. 传感器与被测物体用薄层胶、石蜡等直接连接；

◆3. 传感器用螺栓安装在垫座上；

◆4. 传感器吸附在磁性垫座上；

5. 传感器吸附在厚磁性垫座上，垫座用钉子与被测物体悬浮固定；

◆6. 传感器通过触针与被测物体接触。

显然，瞬态低应变测试时，

采用具有一定粘结强度的薄层粘贴方式安装加速度传感器基本能够获得较好的幅频曲线。

低应变测试采用薄层粘贴方法安装传感器时，粘结层越薄越好。

模拟信号的放大滤波：

传感器接收到的微弱动态信号必须经过归一放大，并对动态信号中无助于分析的高频和低频漂移分量进行滤波处理，以得到我们需要的动态信号波形。

传感器接收的信号非常微弱，必须经过上千倍乃至几十万倍的放大，滤波的作用是降低信号中的干扰成分，突出有用的部分。

低应变测试频率范围较宽，要求高频响应线性段的截止频率不低于2-3kHz 。需要注意的是，低通滤波器不可能将超过截止频率的阻带范围的高频分量完成滤除，同时还对低于截止频率的通带范围内的有用高频分量产生衰减，所以低通滤波器截止频率应定的高一些。

桩头的处理

桩顶条件和桩头的处理好坏直接影响测试信号的质量。

低应变方法判断桩身阻抗相对变化的基准是桩头部位的阻抗，因此要求，受检桩桩顶的混凝土质量、截面尺寸应与桩身设计条件基本一致。

灌注桩应凿去桩顶浮浆或松散、破损的部分，直至露出坚硬的混凝土表面；桩顶表面应平整干净、无积水；应将敲击点和传感器安装点磨平。

多次锤击信号重复性差时，多是因为敲击或安装部位不平整。

2. 激振点与传感器安装点尽量远离钢筋笼主筋，安装在距中心2／3半径处。在JTG/T F81-01-2004中的要求略有差别：“传感器宜安装在距中心1/2～2/3半径处，且距离桩的主筋不宜小于50㎜”。

特殊情况下的桩身波速确定

当无法按上述方法确定时（如没有桩底反射信号），波速平均值可根据本地区相同桩型及成桩工艺的其他桩基工程的实测值，结合桩身混凝土的骨料品种和强度等级综合确定。 虽然波速与混凝土强度二者没有明确的一一对应关系，但考虑到二者整体趋势上呈正相关关系，对于超长桩或无法明确找出桩底反射信号的桩，可以根据本地区经验并结合混凝土强度等级，综合确定波速平均值，或利用成桩工艺、桩型相同、桩长相对较短并已找出桩底反射信号的桩确定波速，作为波速平均值。

当某根桩露出地面有一定高度时，沿桩长方向间隔一段距离安置两个传感器，通过测量两个传感器的响应时差，也可计算该段桩的波速值，以该值代表整根桩的波速值

桩身完整性判定需注意的若干问题

1. 在实测中会出现桩身无缺陷或轻微缺陷但无桩底反射信号的情况。

低应变法测不到桩底反射信号受多种因素的影响，如软土地区的超长桩，长径比很大；桩周土约束大；桩身阻抗与桩底持力层阻抗匹配较好；桩身截面阻抗显著突变或沿桩长渐变；预制桩接头缝隙影响等。

因此，绝对要求同一工程所有Ⅰ、Ⅱ类桩都有清晰的桩底反射不现实。对同一场地、地质条件相近、桩型和成桩工艺相同的基桩，实测信号无桩底反射时（无缺陷反射信号），只能按照本场地同条件下有桩底反射的其他桩实测信号判定桩身完整类别。

但也需要注意，低应变动测法的这种局限性，可能会导致误判。

2. 桩身完整性为Ⅰ类桩的信号从时域或频域曲线特征明显，判定较为简单直观，缺陷桩信号的分析就复杂多了。

◆

有的实测缺陷信号的是施工质量缺陷产生的，但也有因设计构造或成桩工艺本身局限性导致的。因此，在分析测试信号时，应仔细分清缺陷波或缺陷谐振峰与桩身构造、成桩工艺、土层影响所造成的类似缺陷信号特征。

◆此外，根据测试信号幅值大小判定缺陷程度，除受缺陷本身的影响外，还受桩周土及缺陷所处深度的影响。相同程度的缺陷因桩周土性质的不同或埋深不同，在测试信号中其幅值大小也是不同的。 ◆正确判定缺陷程度，尤其是缺陷特征很明显时，划分Ⅲ类桩还是Ⅳ类桩，应仔细对照桩型、地质条件、施工情况并结合当地经验分析判断。除此之外，还应结合基础和上部结构型式对桩的承载安全性要求，判断桩身承载力不足引发桩身结构破坏的可能性，综合分析划分缺陷类别。

4. 嵌岩桩问题

对于嵌岩桩，桩底沉渣和桩端持力层是否为软弱层、溶洞等是直接关系到能否安全使用的关键因素。虽然低应变动测法不能确定桩底的情况，理论上可以将嵌岩桩桩端视为杆件的固定端，并根据桩底反射波的方向判断桩端端承效果。

如时域曲线桩底反射信号为单一反射波

且与入射波同向，表明桩底存在沉

渣

（类似于摩擦桩）或桩端嵌固效果

较差，

但需注意低应变方法无法解决桩

底沉渣

厚度对于桩承载力和沉降性状的

影响程 度。

由于受桩周土约束、激振能量、桩身材料阻尼和桩身截面阻抗变化等因素的影响，应力波从桩顶

传播至桩底、再从桩底反射回桩顶的传播过程是一个能量和幅值逐渐衰减的过程，如果桩过长（或长径比较大，桩土刚度比过小）或桩身截面阻抗多变或变化幅度较大，应力波尚未反射回桩顶甚至尚未传到桩底，其能量已完全耗散或提前反射，均将导致测不到桩底反射信号，无法判定整根桩的完整性。规范虽未规定有效检测长度的控制范围，但考虑各地区地质条件的差异，桩的有效检测深度主要受桩土刚度比大小的限制，各地提出的有效检测范围变化很大，如长径比30-50，桩长30m-50m 。 对于超长桩，虽然测不到桩底反射，但有效检测长度范围内有缺陷，则实测信号中必有缺陷反射信号。因此，低应变方法仍可用于查明有效长度范围内是否有缺陷。

第五章声波透射法

第一节基本理论

波动与声波

波动

在空间某处发生的扰动，以一定的速度由近及远地传播，这种传播着的扰动称为波动。如：水波、声波、无线电波、光波、红外线等。

声波

声波是在介质中传播的机械波，根据波动频率不同，声波可以分为次声波（0-2×10Hz ）、可闻声波（2×10-2×104Hz ）、超声波（ 2×104-2×1010Hz ）、特超声波（ >1010Hz ） 。 用于桩基混凝土声波透射法所用的为超声波，主频率一般为2×104～2.5×105Hz 。 弹性介质中波的产生和传播

必须具备两个条件：1. 有做机械振动的波源；2. 有传播机械振动的介质

1.2 波的类型与形式

波的类型

根据介质中质点振动方向与波的传播方向的差别可以波可以分为：

1. 纵波（P 波）：介质质点的振动方向与波的传播方向平行。

2. 横波（S 波）：介质质点的振动方向与波的传播方向垂直。

3. 表面波（R 波）：固体介质表面质点受交替变化的表面张力作用，发生相应的纵向振动和横向振动，质点做两种振动的合成运动。

波的形式

波阵面：介质中振动相位相同的点的轨迹。

1. 平面波：波阵面为平面的波。

2. 球面波：波阵面为球面的波。

3. 柱面波：波阵面为同轴圆柱面的波。

声速的影响因素

固体介质中声波的波速取决于波动方程的形式和介质的弹性系数，波动方程的形式取决于波的类型和介质的边界条件，声波在固体介质中的传播速度主要受三个方面影响：

1. 波的类型：不同类型的波的传播机理不同，直接导致了传播速度的差异。

2. 固体介质的性质：对于弹性介质主要取决于它的密度、弹性模量、泊松比，这是影响波速的内在因素，介质的弹性特征越强（E 或G 越大，ρ 越小），则波速越高。

3. 边界条件：实际上就是固体介质的横向尺寸（垂直于波的传播方向上的几何尺寸）与波长的比值，比值越大，传播速度越快。

弹性固体介质中声波在不同边界条件下的波速

E---介质杨氏弹性模量；μ—介质泊松比；ρ—介质密度。

1. 纵波波速（VP ）

在无限大固体介质中传播的纵波波速

在薄板中纵波波速

在细长杆中纵波波速

2. 横波波速（VS ）

G 为剪切弹性模量

3. 表面波波速（VR ）

对于混凝土， μ=0.2-0.3，则VR ≈ 0.9VS,VP=(1.81-2.08)VR，在混凝土中有：

VP>VS> VR。

低应变反射波法测试波速与声波透射法测试波速的比较

两者均采用纵波，波的类型相同，不同之处有：

1. 波长和边界条件

低应变试验应力波波长量级为米，其声速v1接近于杆件波速；声波透射法波长量级为厘米，声速v2接近于体波的波速，因此，v2明显大于v1。

2. 声波频率

低应变脉冲主频在几百赫兹，声波脉冲主频高达30-50kHz 。在相同介质中，高频声波波速高与低频声波波速，存在所谓“频散”现象。

3. 测距

低应变法以桩底反射信号和桩长计算波速，测距为2倍桩长；声波透射法测距比桩径略小，明显小于桩长，声波在传播过程中有“频漂”现象，随着传递距离的增加，主频降低，传播速度减慢，测试波速减小。例如，一批C25混凝土灌注桩，低应变反射波法平均波速3750m/s，声波透射法平均波速4200m/s，两者相差较大

1.4 声波在固体介质中传播时的能量衰减

声波的衰减

声波在介质中传播过程中质点振幅随与波源距离增大而减小的现象称为衰减，这种衰减即和介质的粘塑性、内部结构特征有关，也和波源扩散的几何特征有关。

声波衰减的原因

1. 吸收衰减

传播中，部分机械能被介质转化为其他形式的能量而散失。

2. 散射衰减

传播过程中，声波碰到其他介质组成的障碍物而向不同方向散射，从而导致声波减弱（即声传播的定向性减弱）。

3. 扩散衰减

声波传播过程中，波阵面积扩大，能流密度减弱。

1.5 声波在混凝土中的传播特点

声波能量衰减较大

由于混凝土存在广泛的异质界面，声波散射损失十分明显，散射功率与声波频率的平方成正比。因此，为了使声波在混凝土中传播距离增大，往往采用比金属材料探伤中所采用的频率低得多的声波进行检测。

指向性差

混凝土中声波指向性差的原因：

1. 使用的声波频率较低，波长较长，扩散角大。

2. 混凝土内存在众多的声学界面导致出现许多反射波和折射波，彼此相互干涉和叠加，造成较大的漫射声能。

声传播路径复杂

声波波线经界面反射和折射而曲折，当声波在混凝土中遇到较大缺陷时，无法直线传播。 经混凝土介质特性调制后声波的构成复杂

混凝土中，在声场所及的空间内的任何一点，都存在一次声波（入射声波）和二次声波（反射声波、折射声波和波形转换后的横波），换能器接收的信号是两次信号的叠加。

直接穿越的一次声波所走的距离较短，首先到达接收换能器，但由于衰减作用往往波幅较低；二次波经多次反射，所走距离较长，其中横波波速较慢，到达时间比一次波滞后，由于相互叠加，使接收信号变大，而且使波形畸变。

声波在混凝土中的传播过程是非常复杂的，混凝土内部的缺陷、粗骨料与水泥砂浆构成的声学界面的数量和空间分布也是随机的、多样性的，很难找到合适的力学模型去模拟。因此，对声波在混凝土中传播机理的研究，目前只是在定性的水平。

第二节仪器设备

混凝土声波检测设备主要包括声波仪和换能器两大部分，因所用声波频率属超声频段，也可称为混凝土超声波检测。

目前国内检测机构使用较多的是数字式智能声波仪，一般由计算机、高压发射与控制、程控放大与衰减、A/D转换与采集四大部分组成。

声波仪在使用期内应进行定期（一年）送计量检定部门进行计量检定或校准。

换能器首先将电能转化为声波能量，向被测桩身混凝土发射声波，当声波经过混凝土传播后，为了度量声波的各项声学参数，又将声能量转化为最容易量测的量-电量。 换能器根据能量转化的方向不同，分为发射换能器和接收换能器。

声测管的埋设

声测管是声波透射法测桩时换能器的通道，其埋设数量决定了检测剖面的个数，同时也决定了检测精度：声测管埋设数量多，则两两组合形成的检测剖面多，声波对桩身混凝土的有效检测范围更大、更细致，但增加了检测工作量和成本。

声测管之间应保持平行，其埋设质量直接影响检测结果的可靠性和检测试验的成败。 对D ≤1500㎜的桩，预埋三根声测管；对于桩径大于1500㎜的桩应预埋四根声测管。 声测管的材料一般使用钢管、钢质波纹管、塑料管3种。

声测管内径通常比径向换能器直径大10-20mm 。

声测管的连接可以采用螺纹连接和套筒连接。

4.1 测试数据整理

声学参数的计算

1. 波速

vi=l’/tci

tci=ti-t0-t’

tci,ti----分别为第i 测点的声时和声时测量值（μs ）； t0--------测试系统延时（μs ）；

t ’-------几何因素声时修正值，t ’=tw+tp;

l ’-------每个检测剖面相应两声测管外壁间的净距离(mm)； vi -------第i 测点声速（km/s）。

2. 波幅

这里的波幅是测点的首波波幅，数字式声波仪一般用分贝（dB ）表示。

3. 频率

测点声波接收信号的主频。周期法或频域分析法。

4. 波形记录与观察

实测波形的形态能综合反映发、收换能器之间声波能量在混凝土中各种传播路径上的总的衰减情况，应记录有代表性的混凝土质量正常的测点的波形曲线，和异常测点的波形曲线，可作为对桩身缺陷的辅助判断。

绘制声参数-深度曲线

根据各测点声参数的计算值和测点标高，绘制声速-深度曲线，声幅-深度曲线、主频－深度曲线，将三条曲线对应起来进行异常测点的判断，进行综合分析。

声速低限值法

概率法从本质上讲是一种相对比较法，其考察的只是某测点声速与所有测点声速平均值的偏离程度，在使用时，没有与声速的绝对值相联系，可能会导致误判或漏判。

（1）如果一根混凝土灌注桩实测声速普遍偏低（低于混凝土声速的正常取值），但离散度小，采用概率法是无法找到异常测点的，将导致误判。

（2）有的工程，为了抢进度，采用比桩身混凝土设计强度高1-2个等级的混凝土进行灌注，虽然桩身混凝土声速有较大的离散性，可能出现异常测点，但即使是声速最低的测点也在混凝土声速的正常取值范围，不应判为桩身缺陷。而用概率法判据，可能就会视其为桩身缺陷，造成误判。 鉴于上述原因，规范中增加了低限值异常判踞。一方面，当检测剖面n 个测点的声速值普遍偏低且离散性很小时，宜采用声速低限值判据。

采用声速低限值判据应注意：当桩身混凝土龄期未够，提前检测时，应注意低限值的合理取值。 PSD 判据（斜率法判据）

1.PSD 判据的计算

Ki=（tci-tci-1）2/(zi-zi-1)

Ki 为第I 测点的PSD 判据；

tci 、tci-1分别为第i 测点和第i-1测点声时；

Zi, Zi-1分别是第测点和第测点深度。

2. 根据实测声时计算某一剖面各测点的PSD 判据，绘制“判据值-深度”曲线，然后根据PSD 值在某深度处的突变，结合波幅变化情况，进行异常点判定。

采用PSD 法突出了声时的变化，对缺陷比较敏感，同时也减小了因声测管不平行或混凝土不均匀等非缺陷因素造成的测试误差对数据分析判断的影响

波幅判据

接收首波波幅是判定混凝土灌注桩桩身缺陷的另一个重要参数。

首波波幅对缺陷反映比声时更敏感，但波幅的测试值受仪器设备、测距、耦合状态等许多非缺陷因素的影响，波幅测试值没有声速稳定。

规范采用的波幅临界值判据：波幅异常的临界值判据为同一剖面各测点波幅平均值的一半。

主频判据

声波接收信号主频漂移程度反映了声波在桩身混凝土中传播时的衰减程度，通过衰减程度可以体现混凝土质量的好坏。

规范中只是把主频作为桩身缺陷的辅助判据。

实测声波波形

实测波形可以作为判断桩身混凝土缺陷的一个参考，在检测过程中，注意对测点实测波形的观察，选择混凝土质量正常测点的有代表性的波形记录，对比声参数异常的测点的实测波形，重点观察其后续波的强弱变化情况。

桩身完整性类别判定

I 类桩：各声测剖面每个测点的声速、波幅均大于临界值，波形正常。

II 类桩：某一个声测剖面个别测点的声速、波幅略小于临界值，但波形基本正常。

III 类桩：某一个声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅小于临界值，PSD 值变大，波形畸变。

IV 类桩：某一个声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅明显小于临界值，PSD 值突变，波形严重畸变。

第六章钻芯法

第一节概述

1. 钻芯法是一种微破损或局部破损的检测方法，具有科学、直观、实用等特点，不仅可以检测混凝土灌注桩，也可以检测地下连续墙施工质量以及混凝土结构质量检测。

2. 钻芯法特别适用于大直径混凝土灌注桩的成桩质量的检测。

3. 有些工程为了验收的需要，对中小直径的灌注桩的上部混凝土也进行钻芯法检测。

钻芯法检测的主要目的

1. 检测桩身混凝土质量情况，如桩身混凝土胶结状况、有无气孔、蜂窝麻面、松散或断桩等，桩身混凝土强度是否符合设计要求，判定桩身完整性类别。

✓2. 桩底沉渣是否满足设计或规范要求。

✓3. 桩底持力层的岩土性状（强度）和厚度是否符合设计或规范要求。

✓4. 测定桩长是否与施工记录桩长一致

关于水泥搅拌桩等钻芯法检测

1. 钻芯法检测水泥土搅拌桩，《建筑地基基础施工质量验收规范》（GB50202-2002）要求对高压喷射注浆地基的桩体强度或完整性进行检验、对水泥土搅拌桩、水泥粉煤灰碎石桩（CFG 桩）的桩身强度进行检查。

2. 《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）要求，经触探和载荷试验后对水泥土搅拌桩桩身质量有怀疑时，应在成桩28天后，采用钻芯法钻取芯样进行强度试验。

3. 在实际检测中，有时也采用钻芯法检测深层搅拌桩等低强度的桩身质量，这些增强体的质量不仅与施工工艺密切相关，而且也与土层性质密切相关，如深层搅拌桩在砂层中的桩身强度可以达到10MPa ，而在淤泥中则可能不到1MPa ，对于上述这些类型的桩，如何准确描述芯样、评价桩身强度是很困难的。

钻机设备

高速油压钻机回转钻进。回转钻进的钻头可以分为：金刚石钻头、硬质合金钻头、牙轮钻头、钢粒钻头等。为保证钻芯质量应采用金刚石钻头

钻芯孔数和钻孔位置

◆（1）桩径小于1.2m 的桩钻1 孔，桩径为1.2～1.6m 的桩钻2 孔，桩径大于1.6m 的桩钻3 孔。 ◆（2）当钻芯孔为一个时，宜在距桩中心10～15cm 的位置开孔；当钻芯孔为两个或两个以上时，开孔位置宜在距桩中心0.15～0.25D 内均匀对称布置。

◆（3）对桩端持力层的钻探，每根受检桩不应少于一孔，且钻探深度应满足设计要求。

桩身钻芯技术

钻机设备安装必须周正、稳固、底座水平。钻机立轴中心、天轮中心（天车前沿切点）与孔口中心必须在同一铅垂线上。应确保钻机在钻芯过程中不发生倾斜、移位，钻芯孔垂直度偏差不大于0.5%。 当桩顶面与钻机底座的距离较大时，应安装孔口管，孔口管应垂直且牢固。

钻进过程中，钻孔内循环水流不得中断，应根据回水含砂量及颜色调整钻进速度。

提钻卸取芯样时，应拧卸钻头和扩孔器，严禁敲打卸芯。

桩身混凝土钻芯每回次进尺应控制在1.5m 内；钻进过程中，尤其是前几米的钻进过程中，应经常对钻机立轴垂直度进行校正；同时注意钻机塔座的稳定性，确保钻芯过程不发生倾斜、移位。

注意区分松散混凝土和破碎混凝土芯样，松散混凝土芯样完全是施工质量不佳所致，而破碎混凝土仍处于胶结状态，但施工造成其强度较低，钻机机械扰动使其破碎，不完整。

桩底钻芯技术

钻至桩底时，应采取适宜的钻芯方法和工艺钻取沉渣并测定沉渣厚度。一般情况下，钻至桩底时，为检测桩底沉渣或虚土厚度，应采用减压、慢速钻进，若钻具突降，应立即停钻，及时测量机上余尺，准确记录孔深及有关情况。

持力层为中、微风化岩石时，可将桩底0.5m 左右的混凝土芯样、0.5m 左右的持力层以及沉渣纳入同一回次。当持力层为强风化岩层或土层时，钻至桩底时，立即改用合金钢钻头干钻反循环吸取法等适宜的钻芯方法和工艺钻取沉渣并测定沉渣厚度。

对于端承型大直径灌注桩，当受设备或现场条件限制无法检测单桩竖向抗压承载力时，可采用钻芯法测定桩底沉渣厚度并钻取桩端持力层岩土芯样检验桩端持力层。抽检数量不应少于总桩数的10%，且不应少于10根。

桩底持力层的钻探

每桩应至少有一孔钻至设计要求的深度，其它钻芯孔不宜少于1m ；

对桩底持力层的夹层或岩溶的工程，每根受检桩的每个钻孔入持力层的深度均应满足设计要求；

如设计没有明确的要求时，宜钻入持力层3倍桩径，且不应少于3m 。

地下连续墙持力层的钻探

每个槽段至少有一孔钻至设计要求的深度，其它钻芯孔不少于0.5m ；

如设计没有明确的要求时，对于承重地下连续墙，宜钻入持力层3倍墙厚，且不应少于3m ；对于非承重地下连续墙，每个钻孔钻入持力层的深度不应少于0.5m 。

芯样试件制作

截取混凝土抗压芯样试件应符合下列规定：

（1）当桩长为10～30m 时，每孔截取3 组芯样；当桩长小于10m 时，可取2 组，当桩长大于30m 时，不少于4 组。

（2）上部芯样位置距桩顶设计标高不宜大于1 倍桩径或1m ，下部芯样位置距桩底不宜大于1 倍桩径或1m ，中间芯样宜等间距截取。

（3）缺陷位置能取样时，应截取一组芯样进行混凝土抗压试验。

（4）当同一基桩的钻芯孔数大于一个，其中一孔在某深度存在缺陷时，应在其他孔的该深度处截取芯样进行混凝土抗压试验。

当桩端持力层为中，微风化岩层且岩芯可制作成试件时，应在接近桩底部位截取一组岩石芯样；遇分层岩性时宜在各层取样。

每组芯样应制作三个芯样抗压试件。芯样试件应按JGJ 106-2003附录E 进行加工和测量（平均直径、芯样高度、垂直度、平整度）。

强度试验

根据桩的工作环境状态，芯样试件宜在20±5℃的清水中浸泡40～48h 后进行抗压强度试验。但出于工作方便考虑，在JGJ 106-2003中指出：芯样试件制作完毕即可进行抗压强度试验。

试验按照《普通混凝土力学性能试验方法》的有关规范执行。

每组制作三个试件，芯样试件的高径比为1：1。

强度计算

钻芯法试件的抗压强度不等同于标准养护28d 的立方体试件抗压强度。但国标不推荐统一的折算系数，各地根据试验结果进行调整。

岩石芯样试验

桩底岩芯单轴抗压强度试验可参照《公路桥涵地基与基础设计规范》的有关规定执行。注意芯样的高径比为2：1，试验状态为：饱和（浸水48小时）。

混凝土芯样试件的强度值不等于在施工现场取样、成型、同条件养护试块的抗压强度，也不等于标准养护28d 的试块抗压强度。

混凝土芯样强度代表值

规范规定，取一组三块试件强度值的平均值为该组混凝土芯样试件抗压强度代表值。单桩混凝土芯样试件抗压强度代表值为该桩中不同深度位置的混凝土芯样试件抗压强度代表值中的最小值。

成桩质量评价

成桩质量评价应按单桩进行。当出现下列情况之一时，应判定该受检桩不满足设计要求：

（1）桩身完整性类别为Ⅳ类的桩。

（2）受检桩混凝土芯样试件抗压强度代表值小于混凝土设计强度等级的桩。

（3）桩长、桩底沉渣厚度不满足设计或规范要求的桩。

（4）桩端持力层岩土性状（强度）或厚度未达到设计或规范要求的桩。

1. 应按单桩进行桩身完整性和混凝土强度评价，不应只根据几根桩的钻芯结果对整个工程桩基础进行评价。

2. 应根据桩身完整性、芯样试件混凝土抗压强度代表值以及桩底沉渣、持力层岩土性状等内容，进行综合评价。

3. 虽然根据芯样特征可对桩身完整性进行分类描述，有比其他检测方法更直观的一面，但需要注意的是，一孔之见的代表性是较差的，必要时仍需结合其他检测方法进行验证。