灌注樁成孔質(zhì)量測(cè)試技術(shù)應(yīng)用研究綜述

孫雪峰，張八芳，陳鷺琳，張勇

(廈門市工程檢測(cè)中心有限公司 福建廈門361004)

引 言

灌注樁在建筑、橋梁、港口、交通等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。灌注樁施工屬于地下隱蔽工程，復(fù)雜地質(zhì)條件或施工失誤都可能產(chǎn)生塌孔、縮徑、樁孔偏斜、沉渣過(guò)厚等質(zhì)量問(wèn)題，成孔質(zhì)量的好壞直接影響到混凝土澆注后的成樁質(zhì)量。從樁基的施工工序來(lái)看，灌注樁的施工分為成孔和成樁兩部分，基樁測(cè)試相應(yīng)分為成孔后測(cè)試和成樁后測(cè)試兩大部分。若未對(duì)成孔進(jìn)行測(cè)試，僅在成樁后再對(duì)工程樁進(jìn)行測(cè)試，一旦出現(xiàn)測(cè)試結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求，將需要很大精力和物力來(lái)進(jìn)行工程處理。

在我國(guó)，基樁測(cè)試技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)是成樁測(cè)試技術(shù)優(yōu)于成孔測(cè)試技術(shù)［1］，隨著行業(yè)管理力度的加大、監(jiān)管制度的推廣和完善，成孔質(zhì)量測(cè)試作為基樁工程測(cè)試中的一個(gè)重要部分，已越來(lái)越被各建設(shè)部門所重視。國(guó)家和一些地方先后制定了灌注樁成孔質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，使得灌注樁成孔質(zhì)量測(cè)試有章可循。混凝土灌注樁成孔施工分為干作業(yè)法和濕作業(yè)法，由于干作業(yè)成孔后人或探測(cè)設(shè)備可接近孔壁和孔底，對(duì)成孔質(zhì)量進(jìn)行直觀的檢查，相比，濕作業(yè)成孔質(zhì)量控制難度大，基樁質(zhì)量問(wèn)題更不易被發(fā)現(xiàn)。本文針對(duì)濕作業(yè)灌注樁成孔質(zhì)量測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，對(duì)成孔質(zhì)量測(cè)試檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試技術(shù)及其存在問(wèn)題作了綜述，并給出了一些技術(shù)研究的建議，以期與同行探討。

1 成孔質(zhì)量測(cè)試檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

成孔質(zhì)量測(cè)試檢驗(yàn)內(nèi)容包括樁的孔位、孔深、孔徑、垂直度、沉渣厚度、泥漿指標(biāo)等。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50202)對(duì)灌注樁成孔質(zhì)量的檢查內(nèi)容、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及檢查方法都進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定和要求，并給出了樁位、孔深、樁徑、垂直度以及沉渣厚度的允許偏差或允許值。

在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041)和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94)也對(duì)灌注樁成孔的樁位、孔深、樁徑、垂直度、沉渣厚度等作出了明確的允許偏差要求。

隨著地方對(duì)成孔質(zhì)量測(cè)試的重視和發(fā)展，上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DGJ08－11)首次提出，在施工前進(jìn)行試樁成孔外，尚應(yīng)在工程樁中均勻隨機(jī)抽查孔徑，抽查數(shù)量不得少于總數(shù)的10%，并在《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(DGJ08－218)中給出了成孔檢測(cè)測(cè)試的項(xiàng)目及允許偏差。天津、江蘇、廣東、陜西等一些地區(qū)也先后編制了成孔質(zhì)量檢驗(yàn)方面的地方標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)數(shù)量、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及儀器設(shè)備方面作了規(guī)定和要求。

此外，電力、鐵路、港口等領(lǐng)域均對(duì)成孔質(zhì)量檢驗(yàn)也作了要求，尤其在公路水運(yùn)資質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)里面，明確規(guī)定綜合甲級(jí)試驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)需具備對(duì)基樁進(jìn)行成孔質(zhì)量檢測(cè)測(cè)試的技術(shù)和設(shè)備能力。

2 成孔質(zhì)量測(cè)試技術(shù)

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，成孔質(zhì)量符合規(guī)范要求后方可進(jìn)行下一工序施工。樁位可通過(guò)經(jīng)緯儀或全站儀測(cè)得，泥漿指標(biāo)可通過(guò)泥漿比重儀測(cè)定，以上指標(biāo)測(cè)定較為簡(jiǎn)單。對(duì)于孔徑和垂直度測(cè)定，傳統(tǒng)測(cè)試多是采用自制的探孔器探測(cè)，其中鋼筋籠式是簡(jiǎn)易法測(cè)試中使用較廣泛的一種檢孔器具，其設(shè)備制作簡(jiǎn)單，但該類探孔器由于尺寸固定只能定性的探測(cè)孔徑是否小于設(shè)計(jì)孔徑或傾斜，對(duì)測(cè)試人員的經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰σ筝^高，結(jié)果帶有很大的估計(jì)性，且易破壞孔壁和卡孔，對(duì)于擴(kuò)孔、塌孔、傾斜度、孔底沉渣等指標(biāo)均無(wú)法測(cè)定［2］。特別是對(duì)于變直徑樁或擴(kuò)底樁，探孔器不能適用，更不能直觀地判斷成孔質(zhì)量的好壞，一些公路工程施工中已禁止使用該種檢孔方法。對(duì)于孔深測(cè)試，工地上常用下端系測(cè)錘的測(cè)繩進(jìn)行孔深測(cè)量，普通測(cè)繩測(cè)量時(shí)遇水后易出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，陳葉剛等人［3］發(fā)現(xiàn)一條測(cè)繩的最大收縮率竟達(dá)1.5%，另外，測(cè)繩使用次數(shù)過(guò)多、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，測(cè)繩上數(shù)字看不清或發(fā)生滑移，均會(huì)導(dǎo)致測(cè)深偏差。

圖1 孔徑儀示意圖

圖2 觸探式測(cè)試儀的樁身成孔測(cè)試曲線示意圖

圖3 測(cè)斜儀示意圖

綜上，傳統(tǒng)的成孔檢測(cè)方法已無(wú)法滿足精確測(cè)量的要求。在多年的泥漿護(hù)壁灌注樁施工和測(cè)試中，逐漸研究出現(xiàn)了兩種具有代表性的先進(jìn)儀器設(shè)備:觸探式測(cè)試儀和超聲波法測(cè)試儀。這兩種儀器設(shè)備的測(cè)試原理、數(shù)據(jù)處理方式均不相同，在實(shí)際應(yīng)用中各具優(yōu)勢(shì)和局限性，下面將具體介紹這兩種成孔質(zhì)量測(cè)試技術(shù)。

2.1 觸探式測(cè)試儀

觸探式測(cè)試儀一般是由多種儀器共同組成的測(cè)試系統(tǒng)，分為孔徑儀、測(cè)斜儀及沉渣測(cè)試儀系統(tǒng)，孔深測(cè)試一般與孔徑測(cè)試同時(shí)進(jìn)行。用于孔徑測(cè)試的測(cè)頭前端有四條測(cè)腿，如(圖1)所示，測(cè)腿可在彈簧和外力作用下自動(dòng)張開(kāi)、合攏，測(cè)頭放入孔底后，張開(kāi)的測(cè)腿以一定的壓力與孔壁接觸，測(cè)腿的張開(kāi)角度隨著孔徑的變化而變化。傘形孔徑儀通過(guò)在測(cè)頭上安裝的電路將孔徑值轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由電纜將電信號(hào)送傳到地面，根據(jù)接收、記錄的電信號(hào)值計(jì)算或直接繪出孔徑，觸探式測(cè)試儀的樁身成孔測(cè)試曲線如(圖2)所示。另有專用的測(cè)斜儀探頭利用鉛垂原理測(cè)量成孔的垂直度，測(cè)斜儀如(圖3)所示。

目前沉渣測(cè)試的方法大致有測(cè)錘法、電阻率法、電容法、聲測(cè)法等。觸探式測(cè)試儀系統(tǒng)的沉渣測(cè)試采用電阻率法，沉渣測(cè)試儀如(圖4)所示。不同介質(zhì)的導(dǎo)電性不同，沉渣測(cè)試儀通過(guò)測(cè)量介質(zhì)的電阻值變化判斷沉渣厚度。測(cè)試時(shí)，將探頭在距離孔底一定高度使其下落，在重力的作用下，插入孔底原狀土層中，然后絞車慢慢提升電纜，通過(guò)自動(dòng)記錄儀記錄探頭自原狀土到孔底沉渣再到孔內(nèi)泥漿的電阻率變化曲線。通過(guò)分析該曲線的變化特征，確定孔底沉渣厚度，沉渣電阻率測(cè)試曲線如(圖5)所示。

圖4 沉渣測(cè)試儀示意圖

圖5 沉渣電阻率測(cè)試曲線示意圖

基于觸探式的成孔質(zhì)量測(cè)試技術(shù)在應(yīng)用中存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:

1)受觸探測(cè)腿長(zhǎng)度的限制，孔徑的測(cè)量范圍一般不超過(guò)3m，過(guò)長(zhǎng)的機(jī)械測(cè)腿除太重不便安裝運(yùn)輸外，測(cè)量數(shù)據(jù)的線性度也難以保證［4］。

2)測(cè)定的樁孔直徑為4個(gè)探頭測(cè)試結(jié)果的平均值，不能真正直觀的反映周邊孔壁的變化情況，對(duì)于非軸對(duì)稱孔徑變化的樁孔測(cè)試存在一定誤差。

3)當(dāng)成孔地質(zhì)比較復(fù)雜、塌孔現(xiàn)象較嚴(yán)重或孔徑突變段，觸探式測(cè)試儀不能適用。

2.2 超聲波法測(cè)試儀

隨著測(cè)試技術(shù)的提高，非接觸式超聲波成孔質(zhì)量測(cè)試技術(shù)得到了迅速發(fā)速。超聲波的成孔測(cè)試技術(shù)是利用超聲波測(cè)距原理，通過(guò)超聲波傳感器，向孔壁四周發(fā)射超聲波脈沖，脈沖到達(dá)孔壁后被反射，再回到發(fā)射位置，通過(guò)測(cè)量從發(fā)射到收到回波的時(shí)間間隔，計(jì)算得出孔徑大小，實(shí)際垂直度則利用孔壁曲線的偏移值計(jì)算得出。超聲波法測(cè)試如(圖6)所示，測(cè)試的樁身成孔曲線如(圖7)所示，從實(shí)測(cè)的曲線可清晰的看出成樁的孔徑和垂直度情況。

圖6 超聲波示意圖

圖7 超聲波法測(cè)試儀的樁身成孔測(cè)試曲線示意圖

與觸探式測(cè)試儀相比，超聲波成孔測(cè)試技術(shù)具有應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)更大孔徑等優(yōu)點(diǎn)，有的儀器可測(cè)試8m以上的孔徑，還可直觀地給出孔壁坍塌等現(xiàn)象，通過(guò)分析孔壁對(duì)超聲波的反射強(qiáng)度，給出不同深度處地層的軟硬度判斷;對(duì)于支盤(pán)樁和地下連續(xù)墻的成槽過(guò)程測(cè)試，只能使用超聲波法。

基于超聲波原理的成孔質(zhì)量測(cè)試技術(shù)在應(yīng)用中依然具有一定的局限性:

1)測(cè)試孔內(nèi)的泥漿性能指標(biāo)和粗顆粒含量應(yīng)滿足儀器的使用要求［5］，若泥漿比重較高，或泥漿中懸浮泥沙顆粒較多，超聲波在到達(dá)孔壁之前因顆粒形成漫射波，造成超聲波能量在傳輸過(guò)程中大幅衰減，即使通過(guò)儀器的增益調(diào)節(jié)后仍然明顯;還可能因?yàn)槟酀{比重過(guò)高，泥漿將探頭完全封閉，造成沒(méi)有測(cè)試信號(hào)的現(xiàn)象。

2)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)，致使測(cè)試失敗。

3)在深長(zhǎng)樁孔測(cè)試中，上部泥漿長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)沉淀不斷堆積在孔壁上，使得越向下顯示的孔徑測(cè)試值越小的縮徑假象［6］。

4)測(cè)距存在盲區(qū)，為超聲波探頭發(fā)射面外側(cè)約20cm距離，對(duì)于小直徑灌注樁或因樁孔偏斜較大時(shí)，成孔測(cè)試出現(xiàn)探頭距孔壁太近，導(dǎo)致探頭進(jìn)入盲區(qū)而無(wú)法接收信號(hào)。

5)吊放傳感器的纜繩自轉(zhuǎn)引起傳感器中心的偏移，導(dǎo)致測(cè)量的垂直度方位數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差。

3 建議

隨著建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，灌注樁的孔徑和深度越來(lái)越大，對(duì)孔徑、垂直度等指標(biāo)的要求更為精確，對(duì)測(cè)試技術(shù)和方法也提出了更高要求。對(duì)于灌注樁成孔質(zhì)量測(cè)試技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用建議如下:

(1)根據(jù)兩種測(cè)試方法的特點(diǎn)，充分發(fā)揮各自不同情況下的成孔質(zhì)量測(cè)試中的優(yōu)越性，值得進(jìn)一步研究和探討。

(2)在確保孔壁安全的前提下，適當(dāng)增加新泥漿的比例，采取措施減少泥漿中的懸浮顆粒或泥砂含量，成孔質(zhì)量測(cè)試可獲得更好的效果。

(3)深入研究泥漿中高含砂量的聲學(xué)性能，改善提高超聲波法對(duì)高含砂泥漿的適應(yīng)性，擴(kuò)大超聲波的量程，以適應(yīng)更大孔徑的成孔測(cè)試需求。

(4)理論上沉渣的聲學(xué)屬性和上部泥漿及下部樁端巖土的聲學(xué)屬性存在差異，研究這種差異增加聲學(xué)測(cè)試沉渣功能，對(duì)于指導(dǎo)施工更具有意義。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)觸探式和超聲波法是目前成孔質(zhì)量測(cè)試中精度較高、技術(shù)較為成熟的測(cè)試方法，成孔質(zhì)量測(cè)試對(duì)大直徑和高承載力的超長(zhǎng)灌注樁施工具有重要指導(dǎo)價(jià)值。

(2)現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)依靠科技進(jìn)步，利用必要的先進(jìn)測(cè)試設(shè)備，測(cè)試灌注樁的成孔參數(shù)，為改進(jìn)施工工藝提供依據(jù)，有助于保證樁基施工質(zhì)量、優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制成本。

(3)灌注樁成孔孔壁很少是垂直和對(duì)稱的，測(cè)試灌注樁樁身的成孔曲線、垂直度、成孔體積及孔壁特性，有助于研究基樁承載力性能和合理評(píng)估基樁承載力。

(4)成孔質(zhì)量的好壞直接影響到混凝土澆注后的成樁質(zhì)量，成孔質(zhì)量檢測(cè)能起到提前預(yù)控作用，無(wú)論從工程技術(shù)角度還是經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看都是非常有益的。

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