摘要：螺旋钻孔灌注桩在地层情况较好的情况下，有着很大的经济优势。但其成桩方法会导致一些不确定性。桩的承载力和结构的完整性可以通过对少量试验样桩进行静载试验来确认。可是这些测试桩的成桩过程与工程桩的成桩过程并不一定一致，为了增加我们对工程桩的信心，有必要对工程桩用其他检测方法来进行质量控制。

    像脉冲反射(Pulse Echo Method)这样的无损检测评估(Non—Destructive Evaluation)方法越来越多的被大范围应用。然而这些无损检测方法需要在灌注浆体或混凝土硬化后才能进行，即使发现问题，采取修复或替代等补救措施也较为昂贵。现在，通过自动地实时监测不同深度泵送注浆量可以改进对长螺旋钻孔灌注桩质量可靠性的评价。例如，监测到在某一单位深度上注浆量减小，就可以确认桩的结构有问题，并可以在浆体还是液态时立刻进行修复。这样的监测设备给施工人员以很大帮助，并减少了以后进行无损检测的依赖。

    虽然脉冲反射和施工过程中的实时监测能评估工程桩的结构完整性，但却不能评估桩的承载力。如果有合适的落锤，也可以用通常用来测试贯入桩的高应变动态桩检测法来检测螺旋钻孔灌注桩的承载力，或者直接用传统的静载荷测试法。

本文介绍了对螺旋钻孔灌注桩进行过程质量控制各种方法的优点及背景，列举了一些这些方法实际应用的案例。

关键词：螺旋钻孔灌注桩；质量控制；脉冲反射；无损检测评估

1  引言

岩土工程师们一般认为螺旋钻孔灌注桩的质量取决于分包单位施工人员的施工技术。最关键的施工步骤是注浆过程中的螺旋提钻控制(Roberts，1998)^[1]。然而对于一个监测者同时精确地估计注浆量和提钻的比率是很困难的。这些困难可以通过在成桩施工过程中和之后执行质量控制程序来克服。当自动监测系统启用后，我们可以获得详细的螺旋钻孔灌注桩的施工记录。这些数据在工程桩施工过程中为施工人员提供比人工监测更多、更可靠的指导信息。

对特定工程桩的事后结构检测证实了这种过程质量控制的有效性。事后检测一般采用脉冲反射法(Rausche et al，1992)^[2]。该方法用一个小锤敲击桩顶，并量测在敲击处输入的和遇变质界面(断面或端面)反射的整个波形。此方法在浆体或混凝土硬化后可以用于任何工程桩。

承载力可以通过在现场对任何桩进行高应变动态测试取得，或者采用更加费力且昂贵的静载荷测试方法。成桩后测试桩的选择可根据它们在现场的位置(以考虑土层条件的变化)，特殊的施工记录或者只是随机选择。施工过程监测以及以后的低或高应变动态测试和静载荷测试都能帮助工程师完成对基础工程施工质量的调查。

2  当前在螺旋钻孔灌注桩施工过程中的监测问题

靠眼睛的人工监控要同时找出、统计并记录下不同钻深泵的抽吸数。由于需要记录的数据太多，不免增大了数据记录出错的可能性。而且已经证实，注浆泵每一次抽吸并不能保持始终如一的泵送量，差别很大(Likins et al，1998)^[3]。通过点数泵送节拍数而获得的注浆量不够准确，一般会出现大致20％的错误(一般每灌注1.5m间隔人工点数一次注浆泵的抽吸次数，这种大间隔不够精确，一般会出现0.3m的误差)。需要更准确的注浆量确定方法。

3  螺旋钻孔灌注桩在施工过程中自动监测

对于螺旋钻杆在不同位置对应的注浆量的自动监测(Likins et al，1998) ^[3]主要通过对单位深度上注浆量进行实时量测而完成。螺旋钻孔灌注桩施工记录仪(PIR—A)或其它类似设备能够完成这个任务。

图1中的示意图说明了PIR—A系统的整体配置情况。数据获取控制单元为所有传感器提供信号调节，并分析处理数据。PIR—A深度监测器由一个自收缩卷筒连到螺旋钻杆的尾部。随着钻头的钻进和提取，钻头的深度位置通过附在一个滑轮上的旋转译码器来完成。磁性流量计可以精确地测量泵送的注浆量，可以准确到误差不高于2％。注浆压力传感器安装在注浆管上(通常在流量计的附近)来监测注浆管中压力变化，从而得到最小和最大压力值。螺旋钻进过程中的扭矩通过安装在钻机马达附近的液压扭矩传感器得到。

 实际应用中，钻机操作人员在桩施工的所有阶段都可观测螺旋钻孔灌注桩施工记录仪(PIR—A)。操作者只要输人桩的编号，控制单元就会处理其他任何事。钻进阶段，操作者监视着钻头的深度位置和扭矩。在没有卡钻的情况下，适当地提高扭矩可以增加钻进的效率并减小带到地面的沉渣。从地质工程的角度来看，对于钻头扭矩的了解可以使工程师在分析卡钻原因时确定是由于密实的土体情况还是由于扭矩太低。

钻进施工达到设计深度后，操作者开始提钻并注浆。注浆过程中，单位深度上的注浆量通过图形或数字表示出来。图2为一注浆量观测仪的屏幕。施工操作人员通过此屏幕观测到单位深度上的注浆量，从而可以调节钻杆的提拔速率，确保注入足够的浆体。如果单位深度上实际泵人浆量小于设计量，要求立即重新钻进和注浆。在浆体还是液态时，及时纠正可以避免以后残桩的出现和不必要的修补措施。提高了工程师对工程桩质量的信心。

注浆完成后，详细和概要的关于单位深度上钻进和注浆的数据信息被输出到现场的打印机。这些信息包括单位深度上钻进阶段的钻进时间、扭矩；注浆阶段的注浆量、注浆压力。概要的信息包括每根桩中单位钻杆增量的浆体容量，溢出量(地面以上的浆体量)。工程桩中实际注浆容量与理论注浆量的比值称为注浆充盈率。因此在钻机移位之前就可以拿到打印出的数据结果，这些数据存储在一个可移动的PCMCIA存储器上，以便后来在需要的时候可以输出到表格处理程序中。

当螺旋钻孔灌注桩记录仪的数据用于指导施工人员进行施工时，钻杆的施工应满足工程师提出的单位深度上的最小注浆量要求，浆体应该在钻头到达地面1.5 m的距离时被观察到。由于每个人都了解在施工的时候都发生了什么，项目的质量可靠性会有显著提高。也减小了以后对于像低应变脉冲反射整体测试法这些常规方法检测的依赖。

其它的施工过程如现场浆体注满时间，浆体试样的力学测试结果不能被自动完成。这些过程还包括，加固措施的施工，调节足够的等待时间来进行邻近桩钻杆的收装和现场开挖，这些需要人为的监测。如果问题在注浆阶段完成之后才被发现，就只能依靠低应变脉冲反射法来保证工程桩的完整性。

3．1  脉冲反射完整性检测法

脉冲反射方法(Rausche et al，1992) ^[2]是通过一个手持的小锤来敲击桩头，在桩身中产生一组压应力波。

图3为一利用脉冲反射原理的桩身完整性测试仪(PIT)。输入一组应力波后，位于桩头的接收元件记录下反射波(从变质界面和桩脚)的返回的时间。桩身完整性测试仪(PIT)对所记录下的速度进行积分而得到加速度，检测工程师再进行解译。

如果桩头被土壤、泥浆或其它物质污染，可以剔去桩头的混凝土从而获得一个平滑的平面来放置反射波接收仪。用一薄层凡士林或石蜡等物质将反射波接收仪粘到桩头。数次锤击的加速度被规整、积分、平均后显示为速度。更进一步的的处理过程包括小波分析和指数放大函数的应用。小波分析(Rioul et a1，1991) ^[4]功能通过过滤器加强与输入匹配的频率，消除由于噪音产生的不必要频率。放大功能恢复了由于土壤阻力、桩体阻尼或不正常断面而衰减的频率的细节。

图4显示PIT输出的例子。放大指数函数的应用反映在图上，从左到右或从桩顶到反射面或桩脚从零到最大的值(这个例子中最大的值是40倍)在规定时间即反射波的双程走时(2 L／c，L是桩的长度，25米；c是弹力波的波速，4150m／s)。底部的波形图展示了一个清晰的从桩底反射的信号，从弹性应力波输入到反射波的到达，一直是稳定的波速，这说明了此桩完好无损。上部波形图指相同场地上的另一根桩，在16m位置，波速明显增加，这说明了桩的截面积减小或混凝土有缺陷。一般来说，相对尖锐的波形对应于阻抗的较大变化，较为舒缓的波形变化一般认为由于土阻力而成，如果能区分土阻力和其它阻抗变化，有缺陷的桩就可以被识别出来，这种方法可以用于探测任何桩。

3．2  用于螺旋钻孔灌注桩的质量检测的两种方法的对比

螺旋钻孔灌注桩的实时过程监测控制记录法(PIR—A)和低应变脉冲完整性检测法(PIT)都已被用于近期的建设项目。现对通过这些方法取得的数据进行了比较和解释。

3．2．1 PIR—A检测

某场地由桩径为500 mm的螺旋钻孔灌注桩，长度范围在18m到20 m。在13.7 m到15m 时，土层由中等密实砂过渡到密实砂。桩脚嵌人基岩l m深。在一次静载荷测试失败后，开始采用低应变脉冲反射法(PIT)来测试一些已完成的桩，采用实时过程监测控制记录法监测(PIR—A)正在施工的桩，来增进质量可靠性。

3．2．2 PIT检测

桥墩B 18上所有桩的PIT记录都显示出在12 m到15 m位置的阻抗显著减少(表现为波速的增加)。尽管无法由PIT定量地确定阻抗减少的量，但原因可以认为是由于桩径由粗的上端变回到原尺寸而造成的。土层性质的不均一，自上而下，土体由松到密，导致桩径在上部对应松土的位置处变粗。

桩B 18的PIT记录（见图5）显示出在大约14.6m处波速在增加或阻抗在减少。PIR-A概要结果显示在15.2m到14.6m处，每0.6m的深度增加上的注浆量从平均的0.18m3减小到0.13m3，而最小理论注浆量0.154m3

在基岩部位的反射波显示在PIT记录上为17.7m处波速下降。这是很典型的由于高土层阻力或增高的桩阻抗的例子。

PIR—A记录显示出注浆率相当均匀，所以不会出现大的问题，再通过PII、进行一些有选择性的检测。PIR—A进行足够的过程质量控制，PIT进行进一步的确认，这样也就没有必要进行静载荷试验了。

3．3  高应变动态检测

只是在桩的施工过程进行监测是不能保证桩基所需要的承载力。因此另外的静载荷试验或高应变动态检测法(Rausche et al，1985．Hussein et al，1996) ^[5-6]需要被用来进行桩基承载力的确认。高应变动态检测以凯司法(CASE METHOD)为理论基础。凯司法起初是通过高应变打桩分析仪(PILE DRIVEN ANALYZER)用于贯入桩的监测。大约从1974年起，随着自由落锤的应用、高应变检测已经用于钻孔桩或长螺旋钻孔灌注桩。在许多国家高应变检测已被广泛应用于钻孔桩或螺旋钻孔灌注桩。

图6展示了附在一根螺旋钻孔灌注桩上的可以用来测量加速度和应变的传感器。通过一个很薄的钢衬箍将桩延伸到注浆面以上，钢衬箍的下部被切开后，可以像用于混凝土贯入桩似的方式，把传感器通过使用混凝土锚固定在已有的混凝土平面上。

桩顶平面通常是平的和相对光滑的，因此只需要一些小胶合板垫子来把冲击分散到整个桩平面，一个钢垫板被放置于胶合板上，用于冲击板。如果加强部分从桩顶突出，可再浇铸一些混凝土以盖住伸出来的加强部分(如钢筋)测试后再去掉。

钻孔桩和螺旋钻孔桩高应变动态测试一般使用相对大的冲击重量。很多情况下最好使用简单的自由落锤。图7为一个17.8KN的重物(通过焊接4根H形槽钢在一起)已经就位。其它的配重设计包括混凝土填充的钢锭或加强的混凝土块。一般规定，重量为所要求最终承载力的1～1.5％(Hussein et al 1 996)^[6]以确保在合理的应力范围内测所需的承载力。更大一些的配重只要保持和桩径及承载力成一定比例就能提供作为贯入物。不管配重尺寸、形状、组成，重物一般通过一套导线被引导进行轴向冲击。如图7所示，下落方法可以简单地用绳索将重物提起后突然松开。另一种更好的方法是：将重物提起后、控制住，然后完全释放以模拟真的自由落体(可通过用于振动锤的液压爪来实现)。

测试一般包括几次独立的撞击，应先用较小落差，用来评估信号的质量和校正桩锤的相对位置和锤击方向。每次撞击之后，向下的永久净位移被记录下来。如有永久位移、则说明承载力被激发出来。检查所测的压应力、并与混凝土的压强进行对比。如有必要，进行调整。然后调高落差、进行下一次锤击。持续进行逐渐增加下落高度，直到所检测到的承载力大于所要求的最终承载力或直到压力达到桩的破坏极限。大多数测试撞击次数少于5次可完成。如果桩顶有额外浇铸的混凝土用来承受动荷，测试完成应将额外的桩顶部分去掉以便和其他结构衔接。

记录的桩顶应变和加速度被转化成桩顶力F(t)和桩顶速度V(t)。应力在每次锤击后被直接输出，除了用凯司法评估承载力外，力和速度数据可通过称作CAPWAP的信号匹配软件进行分析，从而从另一个角度验证每次撞击所激发的承载力。CAPWAP分析速度很快，每次撞击后，在现场就能决定是否还要进行更重或更高的撞击。完成数据分析后，同时一个模拟静载荷测试也完成了。

3．4  螺旋钻孔灌注桩的高应变动态测试实例

基础为直径400 mm的螺旋钻孔灌注桩，桩在地面以上部分安装了临时外壳(如图6)。注浆率显示出实际的桩径在上层砂子和淤泥中要比理论桩径大。钻孔被钻到了页岩上。动态测试采用了一个现存的29 KN重锤、从0.9 m到1.5 m高度自由下落。桩顶放一个厚75mm．的胶合板垫子。即便用更高的高度，所测得压力仍小于28MPa，拉应力很小可以忽略。图8显示出一组所测得高质量的数据，由这些数据可看出在桩的上部阻抗(即截面积)增加，这也可以从上部过大的注浆率记录推断。通过CAPWAP获得桩阻力随着深度的增加而逐渐增加，这与土层勘探孔获得的数据一致。图9显示了CAPWAP模拟了1840KN静载荷测试，从而保证桩对540 KN的设计载荷有足够的安全系数。

4  结  论

低应变完整性检测法可以通过较低的成本和努力就能检测到桩的主要缺陷。然而，PIT测试法有时解译很困难，不应该作为基础质量检测的唯一方法。至少，地质工程勘探孔和现场的施工记录应该被包括进基础的评价过程。对于很长的桩，这种方法就不一定能提供肯定的结论。

螺旋钻孔施工记录仪被安装在螺旋钻上，它将自动记录下所有桩的施工数据， PIR—A记录数据通过更精确的信息评价桩的连贯性和可接受性。因此，螺旋钻孔桩也更受到设计工程师的青睐。

PIR一A所提供的注浆量和注浆压力数据可以指导分包商进行高质量的施工。如果注浆量对深度的施工数据说明是一根好桩，这就减小了再使用PIT检测的必要性，PIT检测可只用来检测那些PIR—A记录有问题的桩，或那些未用PIR-A监视的桩或在施工之后、开挖当中被观察到有问题的桩。也可作为补充，对一小部分随机选择的桩进行PIT测试。

尽管螺旋钻孔桩的承载力可以通过静载荷试验得到，但动态检测加上C APWAP分析的方法被证明是另一种好方法，特别是在时间是关键的情况下或需要多次测试以包括不同的现场条件。动态检测方法通常需要作一些准备，并确定一个合适的撞击重量。

参考文献：

[1]Rberts，T．(1998)．Quality Control for Augered Cast—In—Place Piles in Texas and Louisiana．Proceedings，The Deep Foundations Institute’s Augered Cast—In Place Piles Committee Specialty Seminar：Augered Cast—In—Place Piles，Houston，TX，USA，P.95-111.

[2]Rausche，F．，Likins，G．and Shen，R．K．(1992)．Pile Integrity Testing and Analysis．Proceedings，Fourth International conference on the Application of Stress—Wave Theory to Piles，The Hague，The Netherlands.

[3]Likins，G．，Piscsalko，G．and Cole，C．(1998)．Pile Installation  Recorder Tests for ACIP/CFA Piles.Proceedings，The Deep Foundations Institute’s Augered Cast—In P1ace Piles Committee Specialty Seminar：Augered Cast—In_P1ace Piles，Houston，TX，USA，P.69-92.

[4]Riou1，O．and Vetterli，M．(1991)．Wavelets and Signal Processing．IEEE Signal Processing Magazine.Vo1．8，no.4.October，P.14-38．

[5]Rausche，F．，Goble，G．and Likins，G．(1985)．Dynamic Determination of Pile Capacity．ASCE  Journal of Geotechnical Engineering，Vol.111，March 1985．

[6]Hussein，M．，Likins，G．，and Rausche，F．，(1996)．Selection of a Hammer for High—Strain Dynamic Testing of Cast—In—Place Shafts．．Proceedings，Fifth Intemational Conference on the Application of Stress-Wave Theory to Piles，Orlando，Florida，USA．

Geo—Denver 2000，American Society of Civil Engineers，Denver，Colorado，August 5-8，2000.

译者注：当代，高层建筑在许多国家和城市蓬勃发展，浅层基础越来越少。浅层土质一般不能满足高层建筑对地基的要求，这就需要把基础埋置于深层较稳定、均一地层上。工程桩无论在深基坑开挖中作为护坡桩，还是直接作为基础桩开始发挥越来越大的作用。对于在地层较好的情况下，螺旋钻孔灌注桩有很大的经济优势，但就其成桩工艺也存在不确定性。本文主要介绍了通过在螺旋钻机上安装适当的设备对整个成桩施工过程进行质量控制，施工完成后，通过PIT方法验证其完整性，通过高应变检测法进行承载力测试这样的一揽子程序来增强我们对于工程桩质量的信心。通过本文的介绍，希望引起国内的同行们对于工程桩基检测及工程桩质量更多的关注。本文在翻译过程中，得到了吉娜·本女士的大力支持，梁力群先生对译文进行了校正，作者代表格兰德·里肯斯先生对于本文的翻译与发表给予了书面授权，在此一并表示感谢。原文载于：www.pile.com