1. 引言
目前，大量建设项目采用了桩基础施工，基桩的质量好坏，直接影响到建筑物的安全性。为准确了解桩基施工质量，需要充分运用现有的检测方法进行把控。由于各种检测方法各有优缺点，我们在基桩质量的检测中，应充分结合各种方法之间的互补性，通过两个或多个方法综合评定取得准确的基桩质量检测结果。
2. 桩基础定义
桩基础由设置在土中的桩和承接上部结构的承台组成。桩在平面内可布置成方形或矩形网格，或三角形及梅花形网格。桩可为等间距的，也可为不等间距的。一个承台承接一根桩就称为单桩，一个承台将各根桩在上端联成一体，为群桩。
桩基础的作用是将墩台传来的外力由桩群经过地基上部软弱土层传到较深的地层中去。桩基础是由承台和基桩组成。
承台的作用是将外力传递给各桩并将各桩联成一整体共同承受外荷载。基桩的作用在于穿过软弱的压缩性土层或水，使桩底坐落在更密实的地基持力层上。各桩所承受的荷载由桩通过桩侧土的摩阻力及桩端土的抵抗力将荷载传递到桩周土及持力层中，见图1。
Figure 1. Pile foundation
图1. 桩基础
3. 常用的几种基桩检测方法[1]
基桩桩身完整性检测是确保桩基工程质量的重要环节，目前多种检测方法都在不断发展和完善，以下是一些常见检测方法的研究现状：
低应变反射波法：
原理是以一维波动理论为基础，在桩顶施加瞬态激振，通过分析反射波特征来判断桩身完整性。
发展现状：该方法在现场检测中相对简便，但仍存在一些问题。例如，桩顶横波干扰可能导致误判；桩周土质会对反射波曲线产生干扰；测试人员的经验对结果影响较大。为提高检测准确性，现在更加注重结合地质资料和施工记录来分析基桩完整性，利用定量分析软件对基桩缺陷程度进行判定。同时，研究人员也在努力减少误判，通过寻找被测桩之间的共性来提高分析效果。
高应变法：
声波透射法：
钻芯法：
静载荷试验：
(一) 基桩检测的目的：
1) 对基桩桩身质量进行检测，查清桩身缺陷及位置，以便对影响桩基承载力和耐久性的桩身缺陷进行必要的补救，同时达到对桩身质量普查的目的。
2) 对基桩承载力进行检测，达到判定与评价基桩承载力是否满足设计要求的目的。
(二) 根据建设项目的实际情况，在参建各方没有强制要求指定某一检测方法的情况下，将几种检测方法配合使用更能准确判定基桩质量。常用的基桩完整性的检测方法一般采用低应变法进行基桩全数检测，对大直径灌注桩可在施工前埋设声测管采用声波透射法进行抽样检测。钻芯法不适用于直径较小的灌注桩，采用破损检测方法，一般作为桩身完整性检测的验证方法。常用的基桩承载力检测一般采用单桩静载试验进行抽检，对有充分经验的地区也可采用高应变法。
4. 基桩检测方法的综合应用
(一) 低应变法检测
低应变法是一种基桩无损检测方法，主要用于检测基桩桩身完整性，一般是在桩顶施加低能量冲击荷载，通过安装在桩顶处的传感器来收集桩中应力波信号，以应力波理论来分析桩土体系的频率信号和实测速度信号，判断桩身的完整性[2]。其仪器设备轻便、检测速度快、费用较低，一直作为桩基工程中一个重要的普查手段。由于存在着复杂的桩与土系统阻抗变化、理论假设与实际不相符等问题，低应变法存在较多检测局限性，如：受桩的长径比影响、无法准确区分二类桩与三类桩、无法检测与桩轴线平行的竖向裂隙等。见图2。
Figure 2. Limitations of low strain method testing
图2. 低应变法检测局限性
(二) 高应变法检测
通过在桩顶施加高能量冲击荷载，实测力和速度信号，运用波动理论反演来推算被检桩的完整性及轴向抗压极限承载力。高应变检测桩身完整性的可靠性比低应变法高，只是在带有普查性的完整性检测中应用尚有一定困难[3]。目前，在工程界采用较多的高应变检测方法主要有曲线拟合法和阻力系数法。高应变动测法在确定单桩的承载力方面具有明显优势，不需要静载试验中的堆载物或者锚桩，费用低、时间短且效率高，还能够进行大吨位的桩基检测，逐步取代了静载荷试验方法，在应用经验丰富地区成为桩基工程验收的重要手段。
高应变动测法不仅能够确定桩基承载力的大小，还能够反映出桩土阻力分布、桩身完整程度等信息。但是由于这种检测方法不但计算程序较复杂，而且在现场测试中的桩头处理、锤击设备选择、传感器的安装等众多因素都影响检测精度，因而在房建基桩检测中的应用受到限制。但高应变动测法对于桩基设计和其他的检测方法均具有借鉴作用。
(三) 声波透射法检测
声波透射法是利用声波的透射原理对桩声混凝土介质状况进行检测，灌注成型过程中在桩内预埋若干根平行于桩的纵轴的声测管，将超声探头通过声测管直接伸入桩身混凝土内部进行逐点逐段探测。其基本原理与上部结构构件的超声探伤原理相同，即根据超声脉冲穿透被测混凝土时的声速、波幅等参数的变化反映是否存在缺陷，并评价混凝土质量的匀质性[4]。
但由于灌注桩的灌注条件与上部结构的成型条件完全不同，尤其是水下灌注时差异更大，混凝土的配合比、灌注后的离析程度、声测管的平行度等诸多因素都会严重影响对缺陷的判断和对均匀性的评价。声波透射法优点在于抗干扰能力强，仪器比较方便，观测的精度较高，但在声时分析、波幅分析、桩基质量判断方面还存在较多干扰因素。
1) 声测管缺水
Figure 3. Water shortage waveform diagram of Section 1~2
图3. 1~2剖面缺水波形图
典型特征：检测波形表现为一条直线。比如上图，2号管缺水，相应与2号管相关的剖面全部出现上述典型特征，且出现典型特征的高度一致，加水后测试结果波形正常。则遇到此类情况，应予以灌入清水。见图3、图4。
Figure 4. Normal waveform diagram of Section 1~2
图4. 1~2剖面正常波形图
2) 换能器不在同一平面
典型特征：以3个换能器为例，3个剖面，在增益相同的情况下，在波形图上两个剖面的波幅较小，一个剖面的波幅较大。在输出波形图上可以看出1~2剖面波幅大，其它两个剖面波幅小。典型波形特征在换能器高度相差越悬殊的时候越明显。测试到桩头时，由于换能器高度不一致，导致在波形上反映有的剖面桩头已无正常波形，有的剖面仍有正常波形。
不在同一平面的原因有两种：① 人为的未放置在同一高度；② 声测管堵塞。产生第一种情况肯定是下放深度较浅的换能器没有放到设计桩底，还能继续下放，而第二种情况下换能器虽然未到达设计桩底，但因声测管堵塞，就再也放不下去了，故发现换能器不在一个平面时，首先看下放深度较浅的换能器还能不能继续下放，能下放则将两换能器放置于同一高度，如果是声测管堵塞则需要对堵塞的声测管进行清孔处理。所以在进行现场平测时必须严格保持声波发射与接收换能器始终处于相同高度[1]。
见图5~8。
Figure 5. Normal waveform diagram of Section 1~2
图5. 1~2剖面正常波形图
Figure 6. Abnormal waveform diagram of Section 1~3
图6. 1~3剖面异常波形图
Figure 7. Abnormal waveform diagram of Section 2~3
图7. 2~3剖面异常波形图
Figure 8. Output waveform diagram
图8. 输出波形图
3) 声测管倾斜
由于声测管倾斜，可能导致波形图上部分剖面实测声速值低于临界值。从原始波形看，波形完整，波幅较为均匀正常。则此时不可将越过临界值的一部分判定为缺陷。一般声测管倾斜时均可找到多个波形倾斜剖面，且位置相对应。对于声测管倾斜较为厉害的桩，可能导致测试范围减小很多，对这种桩要钻孔当声测管重新检测。见图9~12。
Figure 9. Abnormal waveform diagram of Section 1~2
图9. 1~2剖面异常波形图
Figure 10. Abnormal waveform diagram of Section 1~3
图10. 1~3剖面异常波形图
4) 声测管底部脏水、铁锈、杂质沉淀造成的桩底缺陷假象，当遇到此类情况时，需用高压水管伸至声测管底部冲洗出不干净的水。
声波检测中对于声测管中的耦合剂有较高要求，由于声测管灌的不是清水，在管底部形成一定的悬浮段，易造成误判。两个方法判别：
① 现场询问施工人员，当时灌水是否为清水。
② 一般如果发现底部波形缺陷高度不一致，高低相差比较大，或者是有的剖面显示缺陷，有的显示没有，则要注意有可能是底部水质不干净造成。因为一般水下灌注桩比较少出现缺陷有高有低，除非浇筑时导管倾斜。
还有诸如施工堵管、拔导管过快、地层塌孔、混凝土骨料堆积等因素影响的缺陷，需要详细了解现
Figure 11. Abnormal waveform diagram of Section 2~3
图11. 2~3剖面异常波形图
Figure 12. Output waveform diagram
图12. 输出波形图
场施工情况，结合地勘报告综合分析检测结果，必要时需结合低应变、高应变和钻孔取芯等检测方法综合评定桩身质量。
(四) 钻芯法检测
钻芯法检测桩身完整性是一种局部破损检测方法，因受场地限制影响小，可以对桩身质量进行直观全面定性分析，可以判断桩身的完整性、混凝土强度、桩长、桩底沉渣及持力层性状等多方面情况，而广泛应用于桩基质量检测工作中。
钻芯法是一种非常有效的桩基检测方法，具有直观、全面的优点和一定的局限性，除了用于常规抽检外，在与其他检测方法验证检测中应用较广。但是钻芯法在应用中也存在一些局限性和不足之处，例如:实验周期长、局部破损检测对基桩造成影响、强度评定不够细化等[5]。
(五) 静载荷试验法检测
在桩基工程中，确定单桩的竖向承载力非常重要。静载荷试验方法既是检测单桩承数力最传统的方法，也是目前最直观、可靠的方法，判定某种动载检验方法是否成熟，均以此试验结果的对比误差大小为依据。静载荷试验法通过对桩顶施加荷载的过程，了解在这一过程中桩土间的变化情况，再通过Q-S曲线得出单桩的竖向承载力，判断桩基施工的质量。
常用的静载荷试验方法是维持荷裁法，而维持荷载法又可分为快速维持荷载法和慢速维持荷载法，在房建桩基工程检测中，一般采用的是慢速维持荷载法。
由于桩基承载力试验值较大，静载荷试验要求的现场检测条件较高，检测时间长及检测费用较高，同时配套工作麻烦，因此除了常规抽检以外较少采用此方法进行验证。
5. 各检测方法的验证作用
(一) 开挖验证低应变检测结果
某房建项目，采用低应变法检测该桩桩身完整性时，在确保桩头测点处理完好后通过更换锤头、锤击能量测得两个典型波形曲线，见图13。分析得到在距离桩头1.2米处波阻抗变大，随后波阻抗随着桩深的变大而变小，为了验证检测结果确定缺陷范围，对此桩进行了浅部开挖。
Figure 13. Typical waveform curve of shallow defects
图13. 浅部缺陷典型波形曲线
开挖情况如图14，此桩扩径处距离桩头1米，开挖方向由设计桩径1米扩大为1.6米。由此可见该桩浅部缩颈不为缺陷反射信号，从而避免了完整性的错判。
Figure 14. Verification of shallow excavation at pile top
图14. 桩顶浅部开挖验证
(二) 声波透射法检测出桩底沉渣缺陷(钻芯验证)
声波透射法检测中，在排除由于声测管内灌入脏水、杂质堆积等原因，若桩底信号仍存在畸变波形，则可判断缺陷为桩底沉渣造成。
混凝土灌注桩，特别是端承桩。对底部沉渣有严格要求。对人工挖孔桩，成好孔后，要清孔干净。尽量在短期内进行桩基浇筑。在放钢筋笼后，需要进行二次清孔。
钻孔灌注桩，成孔时，泥浆比重需要较大。(使泥浆可以更好的护壁)，在浇筑过程中，适当的调小泥浆比重，这样使泥浆比较容易上浮。混凝土导管在浇筑桩底时，要严格控制好导管和桩底的高度。高度太高，泥浆容易和混凝土包裹在一起，形成包裹物，降低桩底强度。高度太低，形成不了冲击力，泥浆不易上浮，会造成沉渣过厚。以下为某房建项目，该桩通长埋设2根声测管，通过声波透射法检测发现桩底缺陷。经现场咨询施工人员，为排除由于声测管底处理不当导致的影响，通过钻芯法进行验证，最终在距桩底约50 cm发现沉渣。见图15，图16。
Figure 15. Waveform diagram of pile bottom sediment test
图15. 桩底沉渣测试波形图
Figure 16. Bottom sediment of pile
图16. 桩底沉渣照片
6. 各方法现阶段研究进展对比与分析
(一) 各方法研究进展上的对比：
1) 低应变反射波法：近年来，在信号处理技术方面取得了较大进展，如采用小波变换、希尔伯特-黄变换等方法对反射波信号进行分析，提高了对缺陷的识别能力和定量分析精度。
2) 高应变法：在数据采集和分析系统方面不断改进，提高了测试数据的准确性和可靠性。同时，通过与数值模拟方法相结合，进一步完善了对桩土相互作用的分析。
3) 声波透射法：在声波换能器的性能提升、多通道检测技术的应用以及数据处理算法的优化等方面取得了显著成果，提高了检测效率和精度。
4) 钻芯法：在钻芯设备的自动化程度、芯样加工和分析技术等方面有所改进，减少了人为误差，提高了检测结果的可靠性。
(二) 各方法研究进展上的分析：
1) 检测精度
在检测精度方面，声波透射法和钻芯法相对较高，能够较为准确地确定缺陷的位置、性质和程度。低应变反射波法和高应变法的检测精度相对较低，但在初步筛查和快速检测中具有优势。
2) 检测效率
低应变反射波法和声波透射法检测效率较高，适合大规模检测。钻芯法检测效率较低，通常作为局部抽检的手段。高应变法检测效率适中，但准备工作较为复杂。
3) 适用条件
不同的检测方法适用于不同类型、长度和直径的桩。在实际工程中，应根据桩的特点和检测要求选择合适的方法或采用多种方法相结合。
4) 成本因素
低应变反射波法成本较低，声波透射法和高应变法成本相对较高，钻芯法、静载荷试验成本最高。
7. 结语
虽然上述基桩检测方法在各种桩基检测工程中得到了广泛的应用，但我们也了解到基桩检测方法各有其局限性。
为了解决这些问题，我们在现场检测时要尽量排除各种外界干扰因素，并且多了解施工情况。注意多观察，收集施工，地质资料，帮助室内资料分析整理。测试结果不能只单纯地依靠测试波形判断，一定要综合各种与桩有关的各种因素，综合进行判断。分析出现问题的原因，积累经验。当结果存疑时可采用多个检测方法进行验证，必要时可采用静载荷试验法验证桩的承载能力。