桥梁桩基检测技术分析

吴毅伟

福州榕建工程检测有限公司

摘要：桥梁桩基作为重要的承重结构，其完整性对桥梁安全至关重要。桩基检测技术分为非破坏性和破坏性两种，其中非破坏性检测包括低应变反射法（PIT）、地质雷达（GPR）、超声波透射法和交叉孔声波测试，优势在于不损害桩基结构。破坏性检测如钻芯取样和载荷测试则提供直接的桩基性能数据。实例分析中，PST成桥桩检测技术被用于评估受洪水影响的桥梁桩基，结果显示桩基长度、完整性和承载力均符合设计要求，证明了PST技术的有效性。

关键词：桥梁桩基；非破坏性检测；破坏性检测

引言：桥梁桩基损伤可能导致严重的结构性问题，甚至威胁人员安全和造成经济损失。损伤可能由多种因素造成，包括自然灾害、设计缺陷、施工问题或材料老化。一旦桩基损伤，可能导致桥梁承载力下降，极端情况下可能引起倒塌。因此，及时和准确地检测桩基的完整性、深度和潜在问题至关重要。通过有效的检测技术，可以在早期发现问题，采取修复措施，避免灾难发生，确保桥梁的长期稳定性和使用安全。

一、桥梁桩基检测技术概述

桥梁桩基检测技术分为两大类：非破坏性检测（NDT）和破坏性检测。这两种技术在桥梁工程中发挥着至关重要的作用，用于评估和保障桥梁桩基的结构完整性和安全性。非破坏性检测技术的核心优势在于其对桥梁桩基进行评估而不损害或影响桩基的结构完整性。这类技术通常包括低应变反射法（PIT）、高应变动态测试（PDA）、超声波透射法以及交叉孔声波测试等。这些技术通过分析从桩基中反射回来的信号，以评估桩基的质量、深度、完整性和存在的潜在问题。与此相对的是破坏性检测技术，这类技术包括钻芯取样和载荷测试（包括静载荷试验和动载荷试验）。破坏性检测通过对桩基的部分结构进行物理取样或施加外力，直接评估其承载能力和结构完整性。虽然这种方法提供了更为直接的桩基性能数据，但它会对桩基结构造成一定程度的损害[1]。

二、非破坏性检测技术（NDT）

（一）低应变反射法（PIT）

低应变反射法（PIT），作为桥梁桩基检测的一种非破坏性技术（图1），广泛应用于评估桩基的完整性。这种方法基于声波在材料中的传播特性，通过分析反射波来判断桩基内部的状况。操作时，在桩顶施加一个轻微的力击，产生应力波。这些波沿着桩身传播，遇到如裂缝、空洞等不连续性时会产生反射波。PIT的核心在于利用特殊的设备，如加速度计或地震仪，来捕捉和记录这些反射波。通过分析这些波的传播时间和波形，可以推断出桩基内部的问题所在。例如，如果反射波比预期提前到达，可能表明桩基在该处有损坏或缺陷。同理，如果反射波延迟到达或波形出现异常，也能提供桩基状态的重要信息。与其他检测方法相比，PIT的优势在于其操作简便、速度快，并且能够对桩基从顶部到底部的整个长度进行全面检测。此外，该技术所需的设备携带方便，使得现场应用相对容易。通过专业软件的辅助，PIT可以提供即时的分析结果，助于快速做出评估和决策。在实际应用中，PIT对于早期发现桩基潜在的结构问题尤为有效。它能够帮助工程师判断桩基的完整性，确保桥梁的安全和稳定。正因如此，这一技术已成为桥梁检测和评估领域的重要工具。

图1：低应变反射法示例图

（二）地质雷达（GPR）

地质雷达（GPR）技术（图2）在桥梁桩基检测领域内展现了显著的应用价值。这种技术通过发射高频电磁波，探测并映射地下结构和物质的分布。GPR系统通常包含一个天线，用于发射和接收电磁波，以及一个数据记录单元，用于记录电磁波的反射信号[2]。GPR技术的工作原理基于电磁波在不同介质中的传播速度差异。当电磁波遇到不同电磁特性的介质时，会产生反射波。通过分析这些反射波，可以推断出地下结构的特征，如深度、形状和材料类型。GPR在桥梁桩基检测中的应用，主要是识别桩基中的裂缝、空洞、材料变化等潜在问题。GPR技术的应用过程中，操作者将天线沿待检测的桥梁桩基移动，同时天线连续发射和接收电磁波。这些电磁波穿透桩基，反射回的信号被记录并实时显示在监控系统上。通过对收集到的数据进行分析，可以构建桩基的内部结构图像，进而判断桩基的完整性和存在的问题。GPR技术在桥梁桩基检测中的一个显著优势是其非破坏性。这意味着检测过程不会对桥梁桩基造成任何物理损伤。此外，GPR能够提供相对精确的地下结构图像，对于识别桩基内部的细微变化和潜在问题非常有效。

图2：地质雷达（GPR）技术示例图

（三）超声波透射法

超声波透射法是一种广泛应用于桥梁桩基检测的非破坏性技术。该方法利用超声波信号穿过桩基材料，通过分析接收到的信号来评估桩基的结构完整性和材料性质。超声波透射法的关键在于其能够提供有关桩基内部结构的详细信息，尤其是在检测裂缝、空洞或其他结构缺陷方面表现出色。该技术的基本原理是使用特定频率的超声波。超声波发射器和接收器分别放置在桩基的两侧。当超声波从发射器发出，穿过桩基，最终被对面的接收器捕捉时，其传播时间和波形会被记录下来。在理想状态下，超声波直接穿过桩基，不会受到干扰。但如果桩基内部存在裂缝或空洞，超声波的传播路径会受到影响，从而改变接收到的信号。通过对比测量得到的信号与理想状态下的预期信号，可以准确地识别出桩基内部的异常区域。信号的变化，如传播时间的延长或波形的变化，通常表明桩基中存在结构上的问题。此外，超声波透射法还能够评估桩基材料的均匀性和密实度，进一步确保桩基的质量和安全性。在实际操作中，超声波透射法的应用相对简单。仪器的携带和设置便捷，使得现场检测工作能够高效且迅速地进行。此外，由于是非破坏性检测，该技术不会对桩基造成任何物理损害，因而适用于定期的桥梁维护和检测。超声波透射法在桥梁桩基检测中的应用，尤其适用于深层次和大面积的检测。它能够提供桩基深入内部的清晰视图，帮助工程师们及时发现并处理潜在的结构问题，确保桥梁的安全和长期稳定性。

（四）交叉孔声波测试

交叉孔声波测试是桥梁桩基检测中一种重要的非破坏性检测技术，主要用于评估桩基的内部结构完整性。这种测试通过在桩基内部或其附近布置多个孔隙，利用声波在孔间传播的特性来探测桩基内部的缺陷和不连续性。技术操作中，专业设备在桩基的不同孔隙中放置声波发射器和接收器。发射器产生的声波沿着桩基传播，被相对应的接收器捕捉。声波在桩基内部遇到任何不连续性，如裂缝或空洞，其速度和传播路径会发生变化，这些变化通过接收器记录下来。通过分析接收到的声波信号，可以对桩基内部的完整性进行详细的评估[3]。交叉孔声波测试的核心优势在于其能够提供关于桩基深度方向上的详细信息。与其他表面检测方法相比，这种深度方向的检测使得技术更能精确地定位桩基内部的问题区域。例如，通过测量声波在桩基内不同深度的传播时间，可以推断出裂缝或空洞的具体位置。此外，交叉孔声波测试能够提供关于桩基材料性质的重要信息。声波在不同材料中的传播速度不同，这一特性使得技术能够用于评估桩基的材料均匀性和密度。这对于确保桩基的质量和长期稳定性具有重要意义。交叉孔声波测试不仅适用于新建桥梁的桩基检测，也适用于现有桥梁的维护和检测。这种技术的应用有助于及时发现桩基的潜在问题，从而避免可能发生的结构损坏，确保桥梁的安全和可靠性。

三、破坏性检测技术

（一）钻芯取样

钻芯取样是桥梁桩基检测中一种常用的破坏性检测方法。这种技术通过从桥梁桩基中直接取出物理样本，进行细致的实验室分析，从而评估桩基的物理和化学属性，以及其结构完整性。钻芯取样在桥梁维护和安全评估领域中，尤其在需要深入了解桩基材料性能和内部条件的情况下，发挥着不可替代的作用。钻芯取样的过程涉及使用专业的钻探设备，在桥梁桩基中钻取一段直径和深度特定的圆柱形样本。这些样本被小心地从桩基中提取出来，并被送往实验室进行进一步的测试和分析。这些分析可能包括物理性质的测试（如密度、孔隙率、强度等），化学成分分析，以及微观结构的检查。由于钻芯取样是一种破坏性测试，它能够提供非常直接和具体的关于桩基材料性质的信息。例如，通过观察样本的断面，可以直观地评估材料的均匀性、存在的裂缝和空洞等。此外，实验室测试能够准确测量材料的力学性能，如抗压强度和抗拉强度，这对于评估桩基的承载能力至关重要。在桥梁的维护和修复过程中，钻芯取样所提供的信息对于确定最合适的维修策略和材料至关重要。例如，如果测试结果显示桩基材料有老化或腐蚀的迹象，工程师可以据此制定相应的加固或更换计划。钻芯取样还特别适用于老旧桥梁的检测。对于这类桥梁，原始的设计和建造资料往往不完整或已经丢失，因此通过钻芯取样获得的材料信息对于评估桥梁当前状态和制定维护计划尤为重要。需要注意的是，钻芯取样虽然提供了详尽的材料信息，但由于其破坏性质，通常仅在非常必要的情况下才会被采用。采样点的选择需要细心规划，以确保获取的样本能够代表整个桩基的状况，并且不会对桥梁的整体结构安全造成影响[4]。

（二）载荷测试

载荷测试（图3）是桥梁桩基检测中的一种破坏性测试方法，用于评估桩基的承载能力和结构完整性。这种测试通过对桩基施加预定的负荷，观察其对荷载的响应，从而判断桩基的性能和安全状态。载荷测试主要分为两种类型：静载荷测试和动载荷测试。静载荷测试是通过缓慢增加桩顶负荷的方式进行，直到达到桩基设计负荷或更高[5]。在整个测试过程中，负荷的增加速度需要控制在一个恒定的水平，以确保测试结果的准确性。测试过程中会持续监测桩基的位移和倾斜情况。通过对这些数据的分析，可以评估桩基的承载能力和稳定性。静载荷测试能够提供关于桩基性能的详细信息，尤其是在确定桩基的极限承载能力和工作承载能力方面。动载荷测试则涉及对桩顶施加快速的力冲击，模拟实际工况下桩基可能遭受的瞬时荷载。这种测试通常使用重锤或特殊的动力设备来施加冲击力。与静载荷测试相比，动载荷测试的时间更短，通常只需几分钟到几小时。测试结果通过分析桩基的响应速度和方式，来评估桩基的动态承载特性和整体稳定性。在实际应用中，载荷测试通常在桩基的设计和施工阶段进行，以验证桩基设计的正确性和安全性。此外，载荷测试也适用于已有桥梁的定期检测和维护，特别是在桥梁历经重要载荷变化或可能受损后的评估。

图3：载荷测试示例图

四、实例分析

某高架桥受洪水冲击影响，其中99#桩附近边坡岩石垮塌，并发现桩基础明显出露。为避免对其承载力产生影响，遂采用PST成桥桩检测技术对其桩长及完整性进行检测。该桩基设计长度为38m，设计强度为C30，桩型为嵌岩桩。PST成桥桩检测技术是一种非破坏性检测技术，其原理是利用桩顶的动力响应信号，通过数学模型和计算机分析，推算出桩的长度、完整性和承载力。该技术具有检测速度快、精度高、成本低、操作简便等优点。

检测过程如下：（1）在桩顶安装两个加速度传感器，分别测量桩顶的垂直和水平方向的加速度信号，将信号传输到数据采集器。（2）在桩顶中心位置用自由落锤进行激振，产生桩顶的动力响应信号，同时记录锤击力和贯入度。（3）将采集到的信号通过专用软件进行处理和分析，得到桩的时域和频域曲线，以及桩的长度、完整性和承载力等参数。

检测结果如下：（1）桩的长度为37.8m，与设计长度相符，说明桩的嵌岩情况良好。（2）桩的完整性为I类，无明显缺陷，桩身波速为4.2km/s，符合C30混凝土的标准。（3）桩的极限承载力为2800kN，大于设计承载力的1.2倍，说明桩的承载力充足。（4）桩的时域曲线和频域曲线如图所示，可见桩顶的反射信号清晰，无异常波形，表明桩的动力响应信号稳定可靠。

综上所述，该桩基检测技术案例表明，PST成桥桩检测技术是一种有效的桥梁桩基检测技术，能够快速准确地评价桥梁桩基的质量和安全性。

五、结论

在桥梁安全管理中，桩基检测是保障结构稳定性和延长使用寿命的关键环节。通过对比非破坏性与破坏性检测技术，明显看出非破坏性方法因其操作便捷、即时反馈和无损性质而更受青睐。然而，破坏性检测因其提供直接的结构性能数据，在某些情况下仍然不可或缺。实践案例分析表明，PST成桥桩检测技术等非破坏性方法能够有效评估桩基的完整性和承载能力，对于灾后评估尤其有效。维护桥梁安全的最佳策略应结合这两类技术，根据桥梁的具体状况和需求，制定合理的检测计划。未来桥梁桩基检测技术的发展应着重于提高检测精度、减少检测成本，并增强对桩基潜在缺陷的预测能力，从而为桥梁的安全运营提供坚实的技术支撑。

参考文献：

[1]王晨.桥梁桩基检测技术分析[J].智能城市,2021,7(12):2.

[2]王文.无损检测技术在桥梁桩基检测中的应用研析[J].中文科技期刊数据库(全文版)工程技术,2023(4):46.

[3]黄七零.无损检测技术在桥梁桩基检测中的应用[J].中国高新科技,2023(13):118-120.

[4]邱衍坚.无损检测技术在桥梁桩基检测中的应用[J],2021(2):25-26.

[5]李宗军.超声波检测技术在桥梁桩基检测中的应用[J].华东科技（综合）,2021(8):85.