成孔檢測(cè)對(duì)灌注樁樁身質(zhì)量檢測(cè)的輔助判定

張海豐,王 忠,李 佳,許 峰

(國(guó)家海洋局第二海洋研究所工程海洋學(xué)研究中心,浙江杭州310012)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)基礎(chǔ)隱蔽工程的質(zhì)量也提出了更高的要求,許多新的工藝及檢測(cè)方法也隨之得到推廣應(yīng)用。在浙江地區(qū)近幾年新增大量的公路橋梁工程,幾乎所有的大型橋梁工程都進(jìn)行了基樁成孔質(zhì)量檢測(cè)。該項(xiàng)檢測(cè)所提供的數(shù)據(jù)對(duì)工程下一步施工起到了很好指導(dǎo)作用,提高了基樁的合格率。目前成孔檢測(cè)僅作為對(duì)施工過(guò)程的一個(gè)監(jiān)控手段,對(duì)其與基樁檢測(cè)成樁質(zhì)量判定之間的關(guān)聯(lián)性研究較少。筆者結(jié)合多年從事成孔檢測(cè)和成樁檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn),就成孔檢測(cè)資料對(duì)成樁檢測(cè)樁身質(zhì)量輔助判定問(wèn)題進(jìn)行了比較深入的探討,供相關(guān)技術(shù)人員參考。

1 成孔檢測(cè)與樁身質(zhì)量檢測(cè)現(xiàn)狀

1.1 成孔檢測(cè)

《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[1]和《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[2]對(duì)鉆孔灌注樁成孔的孔徑、孔斜、孔深、孔底沉渣厚度等指標(biāo)作了明確規(guī)定,要求成孔孔徑不小于設(shè)計(jì)樁徑、孔傾1%、沉渣厚度不大于設(shè)計(jì)要求。

傳統(tǒng)的驗(yàn)孔方法采用吊錘和鋼筋探籠探測(cè),這種方法檢測(cè)設(shè)備易于現(xiàn)場(chǎng)制作,使用方便。缺點(diǎn)是只能定性地檢查成孔情況,無(wú)法定量給出相關(guān)參數(shù)值,從而也無(wú)法評(píng)定成孔質(zhì)量是否滿(mǎn)足規(guī)范要求。鑒于上述原因,浙江地區(qū)大中型公路工程施工中該種驗(yàn)孔方法已被禁止使用。

目前浙江地區(qū)成孔檢測(cè)代表性的儀器有兩種。一種是國(guó)內(nèi)自行研發(fā)的傘形架式檢測(cè)儀,該儀器主體由4個(gè)兩兩相對(duì)能夠自動(dòng)彈開(kāi)的測(cè)量腳組成,測(cè)量腳處安裝了傳感器。當(dāng)儀器放入孔底,測(cè)量腳自動(dòng)彈開(kāi)由孔底開(kāi)始自下而上上拉過(guò)程中,相對(duì)的兩組測(cè)量腳得到相應(yīng)的成孔直徑,取兩組數(shù)據(jù)的平均值作為計(jì)算孔徑值。另有兩個(gè)專(zhuān)用的探頭測(cè)量鉆孔的垂直度和沉渣厚度。國(guó)產(chǎn)的JJC-1D型孔徑測(cè)試系統(tǒng)就是屬于此類(lèi)。另一種更加先進(jìn)的儀器為超聲波探壁監(jiān)測(cè)儀,它能夠?qū)崿F(xiàn)用一個(gè)較小的探頭同時(shí)實(shí)現(xiàn)四個(gè)方向的信號(hào)發(fā)射和接收,并且采用信號(hào)處理技術(shù)區(qū)分孔壁回聲和噪音,消除震蕩回波。基本操作方法是將超聲波探頭沿鉆孔的中心以一定速率由孔頂向下放,在連續(xù)下放過(guò)程中探頭收發(fā)信號(hào)。當(dāng)孔壁堅(jiān)實(shí)牢固(或縮徑)時(shí)發(fā)收時(shí)間短 反射強(qiáng)度大;當(dāng)孔壁較松散、塌孔(或擴(kuò)徑)時(shí)發(fā)收時(shí)間較長(zhǎng)、信號(hào)較弱甚至接收不到發(fā)射信號(hào)。由此,從孔口到孔底根據(jù)信號(hào)反射的時(shí)間和強(qiáng)度,可以直觀地反映出孔壁的狀況,進(jìn)而計(jì)算出孔徑、孔深、垂直度等參數(shù)。目前應(yīng)用比較廣泛的有日本的DM-604超聲波探壁監(jiān)測(cè)儀。這兩類(lèi)儀器可以得到規(guī)范要求的成孔質(zhì)量參數(shù)。

1.2 基樁檢測(cè)

基樁檢測(cè)可分為靜力試樁法和動(dòng)力試樁法兩大類(lèi)。動(dòng)力試樁法又可分為高應(yīng)變動(dòng)力試樁法(包括凱斯法和凱普維普法)、低應(yīng)變動(dòng)力試樁法(包括穩(wěn)態(tài)激震法和瞬態(tài)激震法)和埋管超聲透射檢測(cè)法三類(lèi)[3]。目前浙江地區(qū)對(duì)在建工程的完整性檢測(cè)比例要求基本達(dá)到100%,最常用的方法為低應(yīng)變反射波法和埋管超聲透射法。

低應(yīng)變反射波法方便、快捷、高效,能比較準(zhǔn)確地確定樁身缺陷位置,定性地分析樁身缺陷類(lèi)型及程度,評(píng)定樁身質(zhì)量等級(jí)[3],廣泛應(yīng)用于建筑基樁檢測(cè)及公路工程中樁徑樁長(zhǎng)相對(duì)較小的工程樁檢測(cè)中。但低應(yīng)變反射波法易受樁型、樁長(zhǎng)、地質(zhì)變化以及周邊環(huán)境中的震動(dòng)源等因素的影響,有一定的局限性,需要結(jié)合更多的數(shù)據(jù)提高其分析判定的準(zhǔn)確性。

埋管超聲透射法要求在樁身混凝土灌注前預(yù)先埋入兩根以上的聲測(cè)管,以聲波發(fā)收的形式透射所檢測(cè)的混凝土界面。該方法具有檢測(cè)結(jié)果直觀、對(duì)混凝土缺陷敏感度高、準(zhǔn)確率高、不受樁長(zhǎng)限制等優(yōu)點(diǎn),是目前基樁常規(guī)檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛的方法之一。但超聲波檢測(cè)無(wú)法識(shí)別樁型變化,聲波頻率高,在混凝土中衰減快,檢測(cè)范圍存在一定的局限性。

2 成孔檢測(cè)對(duì)基樁檢測(cè)的輔助判定

灌注樁成孔過(guò)程中產(chǎn)生的擴(kuò)徑、縮徑等問(wèn)題將直接影響到成樁后的樁形,對(duì)樁的成樁質(zhì)量和承載力也會(huì)產(chǎn)生影響。若孔壁土質(zhì)疏松,如粉砂土等粗顆粒土層以及松散底層中成孔時(shí)常易發(fā)生坍孔。護(hù)壁泥漿質(zhì)量差、相對(duì)密度小也易造成坍孔事故。鉆孔過(guò)程遇孤石等地下障礙物使鉆桿偏斜,將造成樁孔垂直度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,而樁傾斜度對(duì)基樁承載力有不同程度的影響[4];另外孔底的沉渣過(guò)厚對(duì)端承樁、摩擦端承樁有著致命影響[4],沉渣過(guò)厚也會(huì)導(dǎo)致樁頭或者樁淺部混凝土疏松。若混凝土灌注過(guò)程中發(fā)生坍孔則更易引發(fā)斷樁、夾泥、孔徑突變、沉渣過(guò)厚等嚴(yán)重質(zhì)量事故[4],可見(jiàn)成孔質(zhì)量與樁基樁身質(zhì)量之間存在密切關(guān)系,利用成孔檢測(cè)數(shù)據(jù)可以為成樁樁身質(zhì)量檢測(cè)提供輔助手段。

2.1 對(duì)低應(yīng)變法的輔助判定

2.1.1 對(duì)常規(guī)問(wèn)題的驗(yàn)證

低應(yīng)變反射波法是基于一維彈性桿原理的檢測(cè)方法,應(yīng)力波傳播過(guò)程對(duì)基樁截面變化造成的波阻抗變化非常敏感,因此能夠較好地反映由于成孔原因引起的樁身明顯的擴(kuò)徑、縮徑等問(wèn)題,低應(yīng)變反射波波形與樁身形狀存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

實(shí)例1 某工程樁樁長(zhǎng)44.0 m,混凝土C25級(jí)配,設(shè)計(jì)樁徑1.2 m。用JJC-1D型孔徑檢測(cè)系統(tǒng)采集到的成孔數(shù)據(jù)如圖1。數(shù)據(jù)顯示在距離孔頂20 m左右位置存在著較大的擴(kuò)徑,擴(kuò)徑最大處達(dá)到1.55 m,孔徑突變明顯。

圖1 JJC-1D型灌注樁檢測(cè)系統(tǒng)孔徑曲線(xiàn)圖

低應(yīng)變反射波法測(cè)得的波形如圖2,分析時(shí)域信號(hào)發(fā)現(xiàn)該樁在距離樁頂17 m左右處存在明顯異向擴(kuò)徑信號(hào),突變的異向反射子波造成明顯的同向后續(xù)反射子波。

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),設(shè)計(jì)孔頂標(biāo)高與設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高的落差為3.0 m,兩組數(shù)據(jù)的深度及所反映的突變程度都吻合得非常好。

圖2 PIT樁身完整性檢測(cè)儀測(cè)得的時(shí)域波形圖

2.1.2 為復(fù)雜樁基問(wèn)題提供“導(dǎo)診”

成孔質(zhì)量、混凝土質(zhì)量及施工管理水平等都會(huì)對(duì)灌注樁成樁質(zhì)量產(chǎn)生影響。大部分問(wèn)題樁可以通過(guò)擴(kuò)大驗(yàn)證,結(jié)合地質(zhì)以及施工資料得到合理的解釋。但有一小部分問(wèn)題樁通過(guò)擴(kuò)大驗(yàn)證后卻出現(xiàn)截然不同檢測(cè)結(jié)果,這就是所謂的“假缺陷”信號(hào)。缺少足夠的數(shù)據(jù)及驗(yàn)證手段“假缺陷”就會(huì)帶來(lái)誤判。因此取得更多的數(shù)據(jù)使得這種“誤診”被提前意識(shí)并進(jìn)行預(yù)防就成為檢測(cè)中的一個(gè)難題。如果結(jié)合成孔檢測(cè)數(shù)據(jù),“假缺陷”信號(hào)帶來(lái)的問(wèn)題可以得到有效的解決。

實(shí)例2 某工程樁樁長(zhǎng)48.5 m,混凝土C25級(jí)配,用低應(yīng)變反射波法測(cè)得波形如圖3,從波形圖中可見(jiàn)距樁頂19 m左右有明顯的同向信號(hào),對(duì)時(shí)域圖分析可得此缺陷信號(hào)伴有明顯的二次反射,出現(xiàn)較明顯的缺陷指示,似應(yīng)判定為Ⅲ類(lèi)樁[5-6],應(yīng)當(dāng)作廢樁處理。

圖3 PIT樁身完整性檢測(cè)儀測(cè)得的時(shí)域波形圖

此樁地處某大橋的引橋工程,全部基樁都進(jìn)行了成孔檢測(cè),于是調(diào)用由DM-604超聲波探壁監(jiān)測(cè)儀測(cè)得的成孔檢測(cè)數(shù)據(jù)(圖4)。

從圖4可見(jiàn),該孔的直徑呈漸變狀,逐漸擴(kuò)徑至距離孔頂25 m處,突變回接近原樁徑。地質(zhì)資料顯示,該位置處為粉砂與亞粘土分界部位。樁徑漸擴(kuò)然后在某處突然縮小,但并未產(chǎn)生縮徑。此樁設(shè)計(jì)孔頂標(biāo)高與設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高落差5.50 m,低應(yīng)變?nèi)毕菟旧疃日脼槌煽讬z測(cè)波形圖中的突變位置。應(yīng)力波從大截面樁段進(jìn)入小截面樁段時(shí)阻抗發(fā)生變化會(huì)造成類(lèi)似缺陷信號(hào),較大的突變完全可能造成二次后續(xù)反射子波,此處可能并非缺陷。

圖4 DM-604超聲探壁監(jiān)測(cè)儀測(cè)得的成孔波形圖

為了確保準(zhǔn)確,對(duì)該樁進(jìn)行取芯法驗(yàn)證,取芯結(jié)果顯示該樁混凝土芯樣連續(xù)、完整、表面光滑、膠結(jié)好,19 m左右并未見(jiàn)缺陷芯樣,為Ⅰ類(lèi)樁[5]。取芯芯樣見(jiàn)圖5。取芯結(jié)果與之前所做推斷完全相符,該樁并無(wú)缺陷。

圖5 取芯芯樣照片

具體分析該樁“假缺陷”信號(hào)的形成原因。根據(jù)低應(yīng)變反射波的直桿一維波動(dòng)理論,樁頂受一瞬時(shí)錘擊力,壓力波在下行傳播過(guò)程中遇樁身阻抗發(fā)生變化,波的反射系數(shù)Rr透射系數(shù)Rt將發(fā)生變化。此樁正好是非常典型的截面突變,應(yīng)力波從大截面高阻抗界面進(jìn)入相對(duì)小截面低阻抗界面時(shí),反射波與入射波同號(hào)[4]。也即產(chǎn)生了圖3所示的反射波實(shí)測(cè)波形。

2.2 對(duì)超聲波法的輔助判定

基樁檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題樁以后,施工方及監(jiān)理單位希望得到更多信息,比如缺陷的類(lèi)別,缺陷如何形成等等,從而確認(rèn)是哪些環(huán)節(jié)出現(xiàn)了紕漏,以便在之后的施工中加以改進(jìn)。傳統(tǒng)的樁身質(zhì)量檢測(cè)只對(duì)其施工結(jié)果進(jìn)行檢測(cè),成孔檢測(cè)可以認(rèn)為是成樁質(zhì)量的一種過(guò)程控制方式,利用該檢測(cè)獲得的數(shù)據(jù)并與成樁檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,能夠提供更為直觀更加精確的解釋。另外,超聲波法檢測(cè)對(duì)于樁基的擴(kuò)徑及樁的傾斜度是個(gè)盲區(qū),成孔檢測(cè)能夠填補(bǔ)這些空缺。

實(shí)例3 某工程樁樁長(zhǎng)55.0 m,混凝土C25級(jí)配,樁基超聲波檢測(cè)結(jié)果顯示其在25.0 m左右存在著嚴(yán)重缺陷,如圖6;低應(yīng)變反射波法采集的波形如圖7,波形顯示在該部位存在明顯缺陷信號(hào);對(duì)其進(jìn)行取芯驗(yàn)證,結(jié)果顯示在距樁頂24.5 m～25.3 m處芯樣嚴(yán)重離析(圖8箭頭所指為為缺陷部位)。

根據(jù)規(guī)范判定,該樁為Ⅳ類(lèi)樁[5-6]。針對(duì)這一缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析,調(diào)出了該樁的成孔檢測(cè)數(shù)據(jù)(圖9)。

圖6 RS-ST01D非金屬聲波檢測(cè)儀測(cè)得的波形數(shù)據(jù)圖

圖7 PIT樁身完整性檢測(cè)儀測(cè)得的時(shí)域波形圖

從波形圖中可見(jiàn)兩條實(shí)線(xiàn)間深度正好為缺陷深度部位。該部位超聲波孔壁反射不清晰,雜波震蕩干擾較為嚴(yán)重,這種情形往往是由孔壁疏松孔型不規(guī)則造成[7]。查閱地質(zhì)勘察資料顯示該孔25 m～45 m為粉砂土夾亞粘土及淤泥質(zhì)粉砂土,與數(shù)據(jù)分析正相吻合。施工過(guò)程中,該孔的泥漿比重過(guò)低,孔壁護(hù)壁不力,造成混凝土灌注過(guò)程中發(fā)生坍塌。此后施工方據(jù)此優(yōu)化了施工方案,適當(dāng)加大了護(hù)壁泥漿比重,混凝土澆筑過(guò)程加強(qiáng)控制,有效地杜絕了此類(lèi)質(zhì)量事故再次發(fā)生。

圖8 取芯芯樣照片(箭頭標(biāo)注為缺陷部位)

圖9 DM-604超聲探壁監(jiān)測(cè)儀測(cè)得的成孔波形圖

3 結(jié) 語(yǔ)

在灌注樁施工過(guò)程中,成孔檢測(cè)作為一種過(guò)程控制手段,對(duì)樁身質(zhì)量保證具有重要意義。本文通過(guò)實(shí)例分析表明,充分利用成孔檢測(cè)數(shù)據(jù),將其結(jié)合到樁身完整性檢測(cè)當(dāng)中,對(duì)樁身質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果的判定具有重要的輔助作用。成孔檢測(cè)作為一種成熟的檢測(cè)手段已廣泛應(yīng)用于大型的公路橋梁以及市政建設(shè)當(dāng)中,但到目前為止,就成孔檢測(cè)的儀器設(shè)備、檢測(cè)程序、與成樁檢測(cè)成果相互比較進(jìn)行輔助判定等方面尚沒(méi)有相關(guān)的規(guī)范規(guī)定。筆者認(rèn)為,在總結(jié)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,編制相應(yīng)的規(guī)范、規(guī)程是十分必要的。

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