某山區橋梁樁基孔壁坍塌分析及處理

虞 夢 澤

(福建省建筑科學研究院有限責任公司，福建省綠色建筑技術重點實驗室，福建 福州 350025)

0 引言

山區的工程地質條件往往較為復雜，巖土工程勘察的資料與實際情況常常有所出入，從而導致樁基成樁質量難以控制，其中樁基礎成孔過程中的孔壁坍塌就是施工中經常遇到的問題之一。孔壁坍塌易造成樁身夾泥、縮徑甚至斷樁，對工程質量造成嚴重影響。本文通過對某山區橋梁工程樁基檢測數據的對比，分析了樁身缺陷的類型和范圍并開挖驗證，采用接樁方式修復缺陷部分，為因孔壁坍塌導致的樁基質量問題提供了工程經驗和處理思路。

1 工程概況

某工程主橋上部結構采用三跨變截面預應力混凝土連續箱梁，橋梁采用單箱雙室斷面。中墩下設置矩形承臺，承臺長7.6 m，寬7.6 m，高2.5 m；承臺下設置4根直徑1.8 m 的鉆孔灌注樁基礎，樁基設計為摩擦樁，施工工藝為沖擊成孔灌注樁，樁長70 m，樁底持力層為④粉質黏土層。

橋址上部多為沖洪積、坡殘積層所覆蓋，下伏基巖為石炭系林地組(Cl)石英砂巖。據區域地質資料及地質調繪，橋址區附近無大的區域構造分布，橋址區未發現新構造及活動斷裂，橋位場地較穩定。2號橋臺所處位置工程地質情況如表1所示。

表1 工程地質情況表

場地地表水不發育，地下水主要為賦存于卵石土層、粉質黏土層中的孔隙型潛水及賦存于基巖中的裂隙水，富水性較弱，二者存在一定的水力聯系。地下水位埋深8.4 m。

2 聲波透射法檢測

本工程采用超聲波法檢測樁身質量情況，抽檢比例為100%。聲波透射法是對基樁無損檢測的一種重要手段，這種方法是在基樁內預埋聲測管道，根據聲波脈沖波穿越基樁時的參數(聲時、聲速、頻率、能量及PSD值)來反映構件缺陷的存在。超聲波的反射情況因缺陷的不同性質與不同大小而異，這種差異在時間域上并不明顯，很難辨別出來，但是在頻率域上卻很明顯。因為聲波的固有頻率不變，所以超聲波各波束干擾融合的影響在頻率域內較小，通過修正以后，能做到頻率域的特征只與混凝土缺陷的性質有關[1]。

樁基施工完成14 d后進行聲波透射法試驗，其中2號橋臺2-3號樁存在嚴重缺陷，聲波檢測剖面結果見表2。

表2 聲波透射法檢測結果

該試樁波形嚴重畸變的異常聲測線在8.60～12.20深度范圍內均有分布，樁身完整性應判別為Ⅳ類。根據規范中聲波檢測剖面的覆蓋范圍初步分析兩個典型剖面見圖1，圖2[2]，其中陰影部分為可能存在缺陷的范圍。

3 鉆芯法驗證與樁身缺陷的分析

橋梁樁基礎的特點是數量少、承載力大，其施工質量的要求遠高于建筑樁基。傳統的判別分析方法認為，從聲波透射法檢測結果中樁身在10.20 m～11.90 m附近應存在全截面缺陷范圍，屬于斷樁。對于如此嚴重的缺陷情況，應在原樁位重新打樁或在對應位置補樁。但又因其長度較長，直徑較大，重打和補樁的經濟成本和時間成本極大。為驗證缺陷的范圍和類別進而為設計提供修復或補樁方案，受業主委托采用鉆芯法鉆取混凝土芯樣。本次鉆芯法根據規范均在距離樁身中心10 cm～15 cm附近開孔，最深鉆芯至26.30 m，均因芯樣側面見鋼筋痕跡，確定取芯軌跡偏離樁身，停止鉆芯，共鉆取3個孔。3個孔取出的芯樣均呈長柱狀、連續且膠結好，均未見夾泥或離析的情況。已取出芯樣的完整性可判為Ⅰ類。芯樣如圖3所示。

4 開挖驗證

灌注樁常見的完整性缺陷類型有斷樁、夾泥、離析、集中氣孔、裂縫等。試樁的檢測結果中鉆芯法表明樁身中部混凝土連續未存在缺陷，而聲波透射法中卻判定Ⅳ類樁，兩種檢測方法得到的結果南轅北轍。值得慶幸的是本工程樁身的缺陷位置相對較淺，且樁周土質為硬塑粉質黏土，在干燥情況下強度尚可。經專家論證，采用人工挖孔方法開挖至缺陷位置，以明確缺陷的類型并修復。

本工程樁身直徑1 800 mm，為保證操作空間和人員安全，開挖了上部0 m～5 m直徑4.5 m、下部5 m～12 m直徑為3.6 m的孔洞。樁身采用風鎬破除，鋼筋籠采用電焊割除。樁身開挖形成的基坑如圖4所示。

0.0 m～8.7 m的樁身質量均符合設計要求。開挖至8.8 m附近，發現樁身存在部分夾泥情況。泥土范圍覆蓋了1號聲測管周邊位置，導致超聲波在1—1,1—2,1—3剖面嚴重畸變，如圖5所示。隨著開挖的繼續進行，夾泥部分逐步擴大，部分區域鋼筋籠保護層明顯不足，樁身鋼筋直接與樁周土體接觸，部分層面樁身混凝土顏色呈棕黑色，與原樁身淺灰色混凝土差異較大，強度明顯降低，如圖6所示。開挖至10.3 m附近夾泥部分擴大至樁身的一半以上，且其中1號、2號、4號共3根聲測管周邊均為泥質包裹，部分樁身鋼筋籠直接暴露在土體中，樁身夾泥部分面積約52%，導致超聲波在所測6個剖面均無法傳播，如圖7所示。

5 原因分析

針對2-3號樁開挖所發現的樁身質量缺陷情況，主要缺陷表現形式為夾泥，而夾泥的直接原因是孔壁坍塌。綜合地質資料和施工記錄，該樁樁身鋼筋籠連續，缺陷位置上下的混凝土質量均符合設計要求，樁身夾泥部分僅存在于樁身某一段，且連續分布，并隨著深度增加呈逐步增大之勢，12 m左右樁身混凝土恢復正常，可排除成樁過程中的孔壁坍塌因素。樁身施工過程中雖采用護筒，但長度僅為5 m。施工過程中，由于混凝土供應問題，分多次澆筑，澆筑間隔期超過1 h。故綜合分析本次樁身質量問題是因灌注過程中孔壁坍塌導致的。

孔壁坍塌的原因分孔壁內外壓力差、樁側土體遇水軟化和機械物理作用共三類。本次孔壁坍塌的直接原因是土體遇水軟化，樁側第②層可塑～硬塑粉質黏土在長期浸泡下軟化，崩解，導致大量土體崩解坍塌至樁孔中，在鋼筋籠的阻滯下主要分布在樁身某一方向上。一般情況下，大規模的孔壁坍塌會伴隨著孔內水位的突然變化，但本工程樁灌注時由于灌注多次間隔，間隔期間無專人關注孔內情況，未及時發現灌注間隔期的孔壁坍塌現象。而沖孔灌注樁因實際孔徑相對設計較大，特別是對于如此長的樁，充盈系數難以計算，也難以從充盈系數推斷混凝土澆筑情況。

6 處理措施

針對2-3號樁的檢測和開挖驗證結果，根據設計單位的指示，在清理了樁身夾泥和鄰近劣質混凝土后，進行接樁處理。為加強接樁處樁身強度，在樁身中心增加高1 000 mm、直徑為800 mm的芯鋼筋籠，主筋植入原混凝土樁身200 mm，采用10根直徑18 mm的三級鋼，箍筋間距100 mm。中心補強的同時，主鋼筋籠同原設計要求，聲波管采用焊接方式重新接至樁面，接樁部分混凝土強度提高2級[4]。

樁身混凝土達到強度要求后，再次采用聲波透射法對樁身進行檢測，各檢測剖面波列圖均無異常，接樁部位波形正常，無畸變，檢測結果表明接樁效果良好。

7 結語

樁基孔壁坍塌事故易造成樁身夾泥、縮徑甚至斷樁，對工程質量造成嚴重影響。基于工程實例的分析和驗證，得出如下結論：

1)采用聲波透射法能夠快速且有效的檢測出因孔壁坍塌導致的夾泥等樁身缺陷；

2)鉆芯法作為直接法，雖能反映樁心位置芯樣的樁身完整性和缺陷，但對非樁心位置的局部缺陷存在系統性盲區；

3)對于發現的樁身缺陷，應結合多種檢測方法以最終確定樁身存在的問題，進而為補強和修復提供依據。