第４７卷第５期２０１０年１０月总第１９６期港工技术ＰｏｒｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶ０１．４７Ｏｃｔ．２０１０Ｎｏ．５Ｔｏｔａｌ１９６港口工程ＰＨＣ管桩完整性检测技术分析祝辉，方海东，戴鹏飞，吉同元（江苏省交通规划设计院有限公司，江苏南京２１１１０５）摘要：随着ＰＨＣ管桩在港口工程中的广泛应用．也逐渐暴露出该桩型的一些弱点。尤其是由于其脆性导致的开裂、断桩等现象屡见不鲜．冈此．对其完整性的检测和控制显得十分重要。本研究从目前应用于基桩完整性检测的各种方法中总结规律．分析每种方法的优缺点．提出港口工程ＰＨＣ管桩完整性检测的基本程序，并将其应用于长江某港１＝Ｉ工程中，取得较好效果。关键词：ＰＨＣ管桩；低应变；高应变；完整性中图分类号：ＴＵ４７３．１３文献标志码：Ａ文章编号：１００４—９５９２（２０１０）０５一００５４—０４ＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒＤｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆＩｎｔｅｇｒｉｔｙｏｆＰＨＣＰｉｌｅｓＵｓｅｄｉｎＰｏｒｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＺｈｕＨｕｉ，ＦａｎｇＨａｉｄｏｎｇ，ＤａｉＰｅｎｇｆｅｉ，ＪｉＴｏｎｇｙｕａｎＩＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＰｌａｎｎｉｎｇａｎｄＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＪｉａｎｇｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅ，ＮａｎｊｉｎｇＪｉａｎｇｓｕ２１１１０５，Ｃｈｉｎａ）ｏｆｔｈｅｐｉｌｅＡｂｓｔｒａｃｔ：ＦｏＨｏｗｉｎｇｔｈｅｗｉｄｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰＨＣＰｉｌｅｓｉｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｐｏｒｔ，ｓｏｍｅｗｅａｋｎｅｓｓｅｓａｒｅａｌｓｏｅｘｐｏｓｅｄ．ＩｎｉｔｉＳｍｏｒｅｖａｒｉｏｕｓｐａｒｔｉｃｕｌａｒ．ｃｒａｃｋｓａｎｄｒｕｐｔｕｒｅｓｅｖｉｄｅｎｔｌｙｍｅｔｈｏｄｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｃｕｒｒｅｎｔｌｙｕｓｅｄｄｅｔｅｃｔｆｏｒａｒｅｎｏｔｒａｒｅｌｙｔｈｅｓｅｅｎｉｎＰＨＣｐｉｌｅｓｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓ．ｏｆＰＨＣｐｉｌｅｓ．ＴｈｅａｕｔｈｏｒｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｈａｖｅａｎｄＴｈｅｒｅｆｏｒｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｉｎｔｅｇｒｉｔｙｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｇｒｉｔｙｏｆｐｉｌｅｓ，ａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｅａｃｈｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｄａｔｈｅｂａｓｉｃｄｅｔｅｃｔｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓｆｏｒｔｈｅＰＨＣｐｉｌｅｓｉｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｐｏｒｔ．ＴｈｅｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｕｓｅｄｉｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｊｅｃｔｏｆａｐｏｒｔａｌｏｎｇＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒｗｉｔｈｒｅｍａｒｋａｂｌｅｒｅｓｕｌｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｅ－－ｓｔｒｅｓｓｈｉｇｈ－－ｓｔｒｅｎｇｔｈｃｏｎｃｒｅｔｅｐｉｌｅ；ｌｏｗｓｔｒａｉｎ；ｈｉｇｈｓｔｒａｉｎ；ｉｎｔｅｇｒｉｔｙＰＨＣ管桩具有质量稳定、强度高、造价低、施工速度快等优点．被广泛应用于港口、桥梁等工程建设领域。但由于其易产生脆性破坏。因此。基桩的完整性检测和控制就显得越来越重要…。目前，基桩完整性检测的方法主要有低应变反射波法、超声波透射法、高应变测试法以及钻孔取芯法等。超声波透射法和钻孔取芯法主要针对灌注桩．而对预制桩则以低应变反射波法和高应变测试法为主∞］。近年来．由于ＰＨＣ管桩特有的内腔．使摄影技术也被应用到管桩完整性检测上［圳。征为理论基础的一种方法【５］。该方法假定桩为连续弹性的一维均质杆件．并且不考虑桩周土对沿桩身传播的应力波的影响。根据一维波动理论可知，桩阻抗是其横截面积、材料密度和纵波速度的函数，其函数表达式为Ｚ＝ｐＣＡ。（１）式中Ｚ为桩的广义波阻抗，Ｎ・ｓ／ｍ；Ｃ为纵波速度，ＩＩｌ，ｓ；ｐ为桩的质量密度，ｋｓ／ｍ３；Ａ为桩身截面积，ｍ２。将一维波动理论用于线弹性桩（桩长远大于直径．且入射波波长大于直径），在桩顶锤击时，产生一维压缩波。该波以波速Ｃ向下传播，如不考虑桩周阻尼的影响．则桩顶入射波在桩身截面处的反射与透射．可表达为１低应变法检测ＰＨＣ管桩完整性１．１低应变法测试原理低应变反射波法是以应力波在桩身中的传播特ＶＲ＝鹭华；ＬＩ－－Ｌ２（２）（３）收稿日期：２０１０－０３－０３修回日期：２０１０－－０７．０５作者简介：祝辉（１９８１一），男。工程师，硕士，主要从事交通工程地质勘察和工程检测工作。Ｖｒ＝器。万方数据第５期祝辉。等：港口工程ＰＨＣ管桩完整性检测技术分析・５５・式中Ｉ，，、ｙ厅、ｙ，分别为人射、反射、透射波速度幅值；易、五分别为上、下介质的广义波阻抗。由式（２）、式（３）可见：１）若桩身材料均匀、截面积相等，则五＝易、Ｖ矗＝０，即桩身无反射波存在。２）在桩底处．由于桩身混凝土与桩端岩土的Ｐ、Ｃ不等，即五≠易，因此将产生反射波；若易＞ｚ２，则¨与Ｖ，同相；若Ｚｌ＜易，则‰与Ｖ，反相。３）若桩身存在缺陷，如断裂等，都将反映为磊。其中扩径反射波反相，其余均为同相。从压缩波出现时刻算起．反射波所代表的位置可由反射波信号到达桩顶滞后的时差ｔ确定，即Ｌ。＝ｔＣ／２，由此即可确定桩长或缺陷位置。低应变反射波法检测示意。见图１。图ｌ低应变反射波法检测示意１．２低应变法用于ＰＨＣ管桩完整性检测的适用性目前，低应变法以其测点广、经济、快捷、无损等诸多优点．成为应用最为广泛的基桩质量检测手段，但也存在着缺点和不足。主要表现在：１）从上述低应变测试方法的基本原理可以看出。对ＰＨＣ管桩而言．虽然ＰＨＣ管桩桩身波阻抗基本相同，但却无法考虑桩周土层对波形曲线的影响。由于应力波在桩中传播时．不仅受桩身材料、刚度及缺陷的影响．还与桩周土层的力学性能影响有关．即桩周土层的土力学性能越好．应力波在桩周土层中的损耗就越大；同时，受桩周土层的土体模量大小的影响．硬土层处会产生似扩径的反射波．软土层处会因应力波透射损耗小而产生似缩径的反射波。因此。不了解桩侧的土质情况有时会造成误判。２）由于ＰＨＣ管桩独特的环状结构．应力波传播途径会多样化．因此．当出现平行于桩轴线的垂直裂隙时，应力波极易绕射过去而无法检测到。３）由于应力波反射法靠单一的波形特征来判断桩的缺陷，但缺乏对缺陷程度的定量分析．因此不能定量给出裂隙宽度的准确值。４）当第１缺陷较大时，会阻断信号的上行与下万方数据达．增加深部缺陷和桩底的识别困难．特别是当第２缺陷为第ｌ缺陷的２倍时更难以识别。５）由于港１：３工程中应用的ＰＨＣ管桩桩长与桩径比值较大，又为管桩结构，其应力波损失多，一般都无法抵达桩底．因此很难测到桩底反射。６）ＰＨＣ管桩的接头一般为法兰盘焊接。由于法兰盘的波阻抗与混凝土波阻抗存在差别或法兰盘焊接处焊接质量不好。均易出现异常信号。因此。很难判定ＰＨＣ管桩的接头。２高应变法检测ＰＨＣ桩完整性２．１高应变法测试基本原理高应变动力测试是用重锤冲击桩顶．使桩顶产生动位移．并与静载荷试验至极限状态的沉降量相当．以便让桩周土极限阻力充分发挥。高应变动力测试是应用一维杆应力波理论．并应用检测截面的实测力和速度曲线，建立相应的桩、土单元数学模型。假定模型中土的极限阻力、阻尼系数、最大弹性变形值以及土塞、过渡层、软化和硬化系数等参数；利用实测的速度信号作为边界条件输入．通过特征线求解．反算桩力曲线。若计算力曲线和实测力曲线不符．则调整桩、土参数重新计算，直至与实测曲线的符合程度满足规范要求为止：评价锤击过程中桩土动力特性、土参数和桩的静力特性。给出沿桩身的土阻力分布、桩的极限承载力、模拟计算的Ｑ—Ｓ曲线以及桩身剖面等．从而定量评价桩的极限承载力和桩身结构的完整性［６．训。评价桩身完整性可用口法，其计算公式为，一８：［丞业型㈦］二至塑±［丞必型㈦］．（４）［凡ｔ１）＋ＺＶ（ｔ１）］一［凡屯）＋Ｚｙ（瓦）］。、’７式中口为桩身完整性系数；Ｆ（ｔ１）、Ｆ（ｔ２）分别为ｔｌ、ｔ２时刻测点处实测的锤击力，ｋＮ；Ｖ（ｔ。）、Ｖ（ｔ：）分别为ｔ，、ｔ：时刻测点处实测的速度，ｍ／ｓ；ｋ为缺陷反射峰所对应的时刻，ｍｓ；Ｆ（￡；）为缺陷反射峰对应时刻测点处实测的力，ｋＮ；ｙ（乞）为缺陷反射峰对应时刻测点处实测的速度。ｒｉｄｓ：ＡＲ为缺陷以上部位土阻力的估计值：Ｚ为桩身截面力学阻抗，ｋＮ・ｓ／ｍ。高应变动力检测试验原理。见图２。用实测曲线重力锤湘举—Ｔ＿Ｔ拟合法分析阿莉Ｌ。。。。。。’。。。＿Ｊ．．．．．．．．．．．．ＪＬ绘图、打印【．．．．．．一图２基桩高应变动力检测示意・５６・港工技术第４７卷２．２高应变法用于ＰＨＣ管桩完整性检测的适用性高应变动力测试采用重锤锤击，锤击能量大．使得应力波所能传达的深度增大。较易获取桩底的反射情况，也可反映出桩身缺陷；在ＰＨＣ管桩两侧对称安装１对加速度传感器和１对力传感器．不仅使测点布置合理、测试参数较多．而且使得桩身完整性检测更加可靠。特别是判定桩身水平整合型裂缝、多道缺陷等情况时．能够在查明缺陷是否影响竖向抗压承载力的基础上．合理判定缺陷程度。采用高应变测试法对港口工程中的ＰＨＣ管桩完整性检测。也存在一些问题：１）由于高应变法动力测试数据的采集质量直接关系计算结果的准确性．因此，正确采集信号是良好结果的前提条件。但影响采集信号的因素很多．如，桩头处理好坏、锤击位置及能量大小、传感器安装、外界干扰、仪器本身性质等。都会影响数据的采集质量。２）由于高应测试涉及锤击系统，在港口工程中．高应变测试大都采用打桩船上的打桩锤锤击。因此。对沉桩施工有一定的影响．需统筹安排。对较长的管桩（长径比大于３０）。可抽取一定比例进行高应变动力检测：而对打桩过程中出现异常情况的管桩．可先采用低应变反射波法进行初步检测，以确定是否存在浅部缺陷．如低应变反射波法所测波形无法解释异常现象时．应进一步采用高应变法或孔内摄像法检测．进而确定管桩是否存在沿桩轴线的竖向裂缝或深部缺陷。ＰＨＣ管桩完整性检测流程示意，见图３。垂霉州篙轰？篓蓑袅釜嚣曩鬈１根进行低应选取一定比例的ＰＨｃ管桩做高应变检测（桩长径比大于３０）其余部分全部做低应变将所测波形与沉桩前测得波形进行对比．并结合地质情况、施工记录进行分析，确定桩身完整性。沉桩结施下过程中出现异常的桩。且低应变未检测到异常波形的，应进一步采用高应变或孔内摄像进行检测。图３港口工程中ＰＨＣ管桩完整性检测流程示意３港口工程中ＰＨＣ管桩完整性检测方法分析低应变法和高应变法用于ＰＨＣ管桩完整性检测的适用性可看出．由于低应变法对管桩浅部缺陷的反应比较明显．且操作简单方便．因此建议沉桩前．初步测试堆放在驳船上的管桩。获取较理想状态的波形，以为后续测试提供参考波形。４某港口工程ＰＨＣ管桩完整性检测实例４．１工程概况长江某港口工程基础采用ＰＨＣ管桩．锤击打入。桩长为４１．０～４７．０ｍ，桩径为８００ｍｍ，管桩壁厚为１１０ｍｍ：以细砂为桩端持力层，单桩极限承载力标准值为６０００ｋＮ。地层分布情况．见表２。表２某港口工程地层分布情况４．２ＰＨＣ管桩完整性检测分析１）低应变测试分析该工程码头ＰＨＣ管桩较长，地质情况复杂．部波形，见图４。分基桩用低应变检测均无法判定桩底．且由于地层－变化较复杂，极易出现错判或漏判。因此．为更好地检测管桩质量，先在驳船上．对该工程采用的几类管桩进行初步测试。以获取较理想状况的波形。桩长为４７．０ｍ图４●Ｉ４７．０ＩｎＰＨＣ管桩沉桩前低应变测试波形ＰＨＣ管桩横躺状态下测试所得对同类型ＰＨＣ管桩沉桩结束后．进行了低应变万方数据第５期祝辉，等：港口工程ＰＨＣ管桩完整性检测技术分析・５７・测试。波形变化较大。４７．０ｍＰＨＣ管桩沉桩后采集的波形。见图５。图５４７．ｏｍＰＨＣ管桩沉桩后低应变测试波形从图５中可以看出．在２０．９ｍ附近出现严重扩径现象．而预制桩出现扩径基本是不可能的。分析地质资料发现在该深度处为粉砂。相对上、下地层．该层类似一硬夹层．使桩侧土体波阻抗增大．极易导致该处波形显现出扩径信号．从而可排除该桩扩径的可能性。同理，对缩径信号，也可综合分析沉桩前波形及地质资料，以防错判或漏判。２）高应变测试分析某根ＰＨＣ管桩桩长４７．０ｍ．打桩过程中出现异常，桩尖距设计高程５．０ｍ左右，贯入度突然增大．最后阵击贯入度达５ｃｍ。为掌握该桩的完整性情况．先对该桩进行了低应变测试。该桩低应变测试波形．见图６。仨：￡＝！！五＝＝！！＝＝＝兰三＝＝＝兰兰ｊ”圈６某ＰＨＣ管桩低应变测试波形从波形看．该桩在距桩顶４．２ｎｌ与１２．８ｍ的位置出现２次反射信号．但幅值不大。似有开裂的轻微缺陷。打桩过程中出现贯人度突增的异常情况．可能由２种情况产生．一是地层突然变化，二是桩身断裂。经分析地质情况，该深度处未见地层突变的现象，且该桩附近的其他沉桩均未出现异常情况。为了进一步弄清出现打桩异常现象的原因。对该桩又进行高应变动力测试。其高应变测试波形．见图７。图７某ＰＨＣ管桩高应变测试波形根据测试结果分析，该桩在１２．８ｍ处卢值为万方数据桩在１２．８ｍ左右力曲线下移，说明由于桩身开裂，导致应力急剧下降，桩身出现拉应力；而速度曲线上移．说明该处桩身阻抗明显降低，桩身开裂。最终判定该桩有严重缺陷．及时进行补桩。消除了基桩质量隐患．以确保工程质量。５结论１）低应变测试若未考虑桩周土对沿桩身传播应力波的影响．极易导致错判或漏判。在港Ｅｌ－Ｔ程ＰＨＣ管桩测试中．可采用沉桩前与沉桩后波形对比的方法．结合地质资料进行桩身完整性分析。２）高应变动力测试锤击能量较大。应力波所能传达的深度增大．对桩底的反射情况较易获取．也能反映出桩身缺陷。同时。由于高应变测试包括应力波和桩身应力的测试．对ＰＨＣ管桩而言，桩身如有缺陷．两者都能反映。因此。对ＰＨＣ管桩的完整性检测．高应变测试更可靠。３）低应变测试与高应变测试均有其优缺点，在港口工程ＰＨＣ管桩完整性检测中．可结合两者的优点．按沉桩前和沉桩后的检测程序进行。从而可更好地控制工程质量。参考文献：［１］陈曼．ＰＨＣ管桩的检测与存在接桩问题时的检测方案［Ｊ］．福建建设科技，２００５（５）：１２．１３．［２］ＪＴＪ２４９－－２００１港１２１工程基桩动力检测规程［Ｓ］．北京：人民交通出版社．２００２．［３］罗骐先．桩基工程检测手册［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００８．［４］黄阳．孔内摄像技术在ＰＨＣ桩完整性检测中的应用［Ｊ］．工程质量．２００５（９）：１７．２１．［５］史兴华．低应变反射波法在预应力混凝土管桩检测中的应用［Ｊ］．铁道标准设计，２００４（６）：６２—６４．［６】王吉生．高应变动力试验和低应变反射波法在引黄工程总干三级泵站ＧＩＳ室基桩检测的应用［Ｊ］．山西水利科技，２００８（１）：３３．３５．［７］王建华，智胜英．低应变条件下桩土相互作用的阻尼系数［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００７，２６（９）：１８００．１８０８．Ｏ．３４，属于严重缺陷桩或断桩。从卜ｙ图上来看，该