一種精準(zhǔn)控制鉆孔灌注樁混凝土灌注高度的技術(shù)

陳學(xué)明，郝顯偉

(1.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100082；2.甘肅路橋建設(shè)集團有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

樁基礎(chǔ)是橋梁基礎(chǔ)中很常見的結(jié)構(gòu)形式之一，百年工程基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制尤為重要。為確保樁基灌注質(zhì)量，《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中明確規(guī)定：灌注的樁頂高程應(yīng)比設(shè)計高程高出不小于0.5 m,當(dāng)存在地質(zhì)較差孔內(nèi)泥漿密度過大、樁徑較大等情況時,應(yīng)適當(dāng)提高其超灌的高度;超灌的多余部分在承臺施工前或接樁前應(yīng)鑿除鑿除后的樁頭應(yīng)密實、無松散層。

然而，在實際工程操作中，樁基超灌高度控制是擺在工程技術(shù)人員面前的一大難題。尤其在遇到巖溶、淤泥質(zhì)、砂質(zhì)、虛樁長度大等復(fù)雜地質(zhì)或地層時，常常會導(dǎo)致混凝土實際灌注量與設(shè)計量差異較大，此時無法利用混凝土方量準(zhǔn)確復(fù)核實際灌注高度，只能通過“測繩懸吊重錘法”，憑借手感來掌握灌注尺度，但這種傳統(tǒng)的方法面臨以下諸多問題：(1)孔里都是泥漿，不知道混凝土澆灌是否到了標(biāo)高位置；(2)灌灌停停，效率很低；而且超灌了還要截樁敲樁，成本太高；(3)如果開挖后高低不一，影響工程進度還可能面臨罰款；(4)廢料運輸處理成本不低、關(guān)鍵在于不環(huán)保、不低碳、易被環(huán)保部門處罰。以上問題導(dǎo)致的結(jié)果大致分三類：(1)少灌：后期補樁，成本極高，影響質(zhì)量和進度；(2)超灌：后期截樁，浪費材料和人工，成本高，影響進度；(3)環(huán)保：不節(jié)能、垃圾處理成本高、廢料處置影響環(huán)境。

總而言之，樁基超灌高度控制既是對工程技術(shù)人員業(yè)務(wù)素質(zhì)和經(jīng)驗挑戰(zhàn)，也是項目現(xiàn)場技術(shù)精細(xì)化管理的一大漏洞。

1 技術(shù)探究

1.1 技術(shù)原理

鉆孔灌注樁樁頂面的介質(zhì)主要有混凝土和泥漿，因兩者界面變化時無法直接觀測，考慮采用傳感技術(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)加以分析，將不可視轉(zhuǎn)換為可視，來判定混凝土灌注是否達到設(shè)計高度。其主要解決核心技術(shù)是：(1)傳感技術(shù)類型選擇；(2)試驗得出傳感技術(shù)辨識的有效介質(zhì)參數(shù)；(3)數(shù)據(jù)采集、分析及顯示表達方式。

通過對混凝土和泥漿兩種不同介質(zhì)進行物理化學(xué)性能分析與試驗辨識，發(fā)現(xiàn)其在比重、電阻抗、電容抗等特性存在差異，比重差異性尤其明顯(泥漿比重約為1.01～1.5 g/cm3，混凝土比重約為2.3～2.6 g/cm3)，比重的差異性會使處在兩介質(zhì)中的傳感器壓應(yīng)力也變化很大，故選擇壓應(yīng)力參數(shù)作為傳感器辨識泥漿和混凝土的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)。

經(jīng)過現(xiàn)場試驗對壓應(yīng)力傳感器進行不斷改進，來降低灌注樁混凝土施工的干擾，提高檢測精度和傳感器體積，提升現(xiàn)場檢測的方便適用性。

1.2 裝置概念模型

裝置概念模型分為以下三部分模塊：模塊一：定位裝置(標(biāo)高測定裝置、傳感設(shè)備固定裝置)；模塊二：感應(yīng)信號裝置(壓力感應(yīng)器、脈沖信號發(fā)生器)；模塊三：數(shù)據(jù)采集及報警裝置(數(shù)據(jù)采集器、脈沖信號轉(zhuǎn)換器、報警提示器)。

1.3 裝置具體構(gòu)件組成

利用上述技術(shù)原理和概念模型，將理論轉(zhuǎn)化為具體裝置。裝置構(gòu)件主要有定位裝置、壓應(yīng)力傳感器和數(shù)據(jù)采集分析設(shè)備等部件組成。

控制裝置工作機理：如圖二所示，壓應(yīng)力傳感器進行識別后，將應(yīng)力轉(zhuǎn)換為頻率脈沖信號，通過數(shù)據(jù)線傳輸至數(shù)據(jù)采集器，由數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將頻率脈沖信號轉(zhuǎn)換為壓力值數(shù)據(jù)。壓應(yīng)力傳感器通過定位桿準(zhǔn)確固定在灌注樁設(shè)計標(biāo)高處。

樁基混凝土灌注前，預(yù)先用比重計進行孔內(nèi)泥漿重度和混凝土重度的測定，并根據(jù)其測定的數(shù)值進行報警參數(shù)設(shè)置，當(dāng)超灌高度達到設(shè)計標(biāo)高時報警器報警后即可停止灌注混凝土。

1.4 數(shù)據(jù)采集器報警設(shè)定

以工程試驗為依托，根據(jù)現(xiàn)場預(yù)先采集的數(shù)據(jù)設(shè)定報警參數(shù)，并加以報警燈閃爍的方式進行告知，便于人機溝通。具體參數(shù)設(shè)定方法為：混凝土超灌高度為h,預(yù)判參數(shù)=h高度時的混凝土壓應(yīng)力-h高度時泥漿壓應(yīng)力，灌注過程中實時測得的壓應(yīng)力數(shù)值>預(yù)判參數(shù)時，采集器報警提示。

2 工程應(yīng)用案例

某高速公路特大橋水中樁基作業(yè)，為便于施工和降低安全風(fēng)險，制定方案為先進行水中圍巖提供臨時作業(yè)平臺，待樁基灌注完畢后，再進行基坑開挖承臺作業(yè)。工程樁數(shù)量100根，設(shè)計樁徑2.0 m，有效樁長30 m，虛樁長約6 m，混凝土強度等級C35。該工程樁樁頭超灌控制難度較大，若樁頭超灌高度過大，不僅材料浪費嚴(yán)重，而且環(huán)切樁頭成本過高。

2.1 技術(shù)效果驗證

使用該技術(shù)裝置，有效解決了灌注樁頭控制難的問題，經(jīng)開挖基坑驗證，測量數(shù)據(jù)(見統(tǒng)計表1)偏差較小且穩(wěn)定可靠，達到了預(yù)期的效果。

表1 實際超灌高度統(tǒng)計表(單位：m)

2.2 經(jīng)濟效果驗證

(1)材料費：C35混凝土市場價約300～400元/立方，取350元/立方計算，樁深平均6米計算，業(yè)內(nèi)平均超灌2 m左右，直徑2.0 m，每百根灌注樁節(jié)約材料費21.98萬元。

(2)敲樁截樁費：單根150元計，每百根灌注樁節(jié)約1.50萬元。

(3)廢料處置費：廢混凝土運輸費5.0元/立方計，每百根灌注樁節(jié)約0.31萬元。

(4)以上合計每百根灌注樁可直接節(jié)約23.79萬元，單根節(jié)約0.24萬元。

3 技術(shù)拓展

3.1 改進后方案

(1)將鉆孔樁灌注泥漿和混凝土的比重、電阻抗、電容抗等多個差異特性參數(shù)融入作為判定依據(jù)值，判定結(jié)果更加精準(zhǔn)。

(2)利用物聯(lián)APP應(yīng)用軟件，實時監(jiān)測并傳輸數(shù)據(jù)，多級權(quán)限可視管理(管理者實時了解灌注樁情況)，管理效率大幅提升。

3.2 改進后工作流程

混凝土(泥漿)多參數(shù)標(biāo)定→固定傳感器→黃色預(yù)警→綠色報警→回收傳感器→平臺自動匯報

固定傳感器模式：將傳感器固定在鋼筋籠最后一節(jié)環(huán)箍附近，設(shè)備憑借傳感器和數(shù)據(jù)傳輸，開始工作。

黃色預(yù)警模式：浮漿層到達標(biāo)高位置，黃燈閃爍發(fā)聲預(yù)警，開始放緩澆灌混凝土。

綠色報警模式：混凝土到達標(biāo)高位置，綠燈閃爍發(fā)聲報警，即可停止?jié)补嗷炷痢?/p>

回收傳感器模式：澆灌完畢，用力拉出傳感器，并用水沖洗干凈，回收重復(fù)使用。

4 結(jié) 論

本技術(shù)通過在工程實踐中的具體應(yīng)用、試驗和不斷改進，在樁基混凝土灌注技術(shù)管理和成本控制等方面取得了良好的效果。

(1)通過傳感技術(shù)與工程技術(shù)相結(jié)合的方式，用先進的技術(shù)手段和設(shè)備，克服了以往人員經(jīng)驗判斷不準(zhǔn)的弊端，填補了現(xiàn)場技術(shù)管理漏洞，有效地解決了工程樁基灌注過程中超灌控制難的問題。

(2)結(jié)合當(dāng)下前沿科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用趨勢，通過引入物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)的手段，提出優(yōu)化建議和方向，為下一步改進優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。