水利水電工程地基基礎巖土試驗檢測技術

◎李啟凱 廣州市水務科學研究院有限公司

地基基礎巖土試驗是水利水電工程質量檢測體系的重要組成部分，通過檢測結果反映地基基礎結構的使用性能，從中發現質量隱患并及時處理，這對保證水利水電工程使用安全、運行穩定有重要意義。與此同時，現代水利水電工程基礎型式復雜、建設標準嚴格，原有巖土試驗檢測技術種類單一，難以滿足實際檢測需要。只有加強巖土質量的檢測，明確水利水電工程所在區域地質條件并針對性的進行處理，才可以確保水利水電工程地基基礎施工質量。

1.水利水電工程地基基礎巖土試驗概述

1.1 試驗特點

在水利水電工程中，地基基礎巖土試驗具有施工隱蔽性、工程不確定性、操作區域性等特點，檢測人員應根據實際情況來制定巖土試驗方案。第一，施工隱蔽性，巖土地基施工內容中的樁基施工、軟基處理等部分具備較強的隱蔽性，如果在地基基礎驗收環節再組織巖土試驗，很難全面反映地基基礎結構性能與建設質量，因而需要檢測人員樹立跟蹤檢測意識，在施工期間同步開展檢測作業，以此來動態反映工程建設質量，第一時間發現質量問題。第二，工程不確定性，不同水利水電工程的基礎型式、現場土壤環境條件、氣候條件存在明顯差異，為保證檢測結果準確性與完整性，要求檢測人員提前做好現場實地考察工作，根據考察結果來掌握工程情況、合理選擇檢測技術。第三，操作區域性，現代水利水電工程建設規模大，地基基礎所處區域的巖土性質存在一定差異，檢測人員需要根據巖土性質在現場布置若干檢測區域，制定面向各處區域的巖土試驗方案。

1.2 試驗流程與操作方法

水利水電工程地基基礎巖土試驗流程由樣品選擇、現場采樣、樣品存儲運輸、實驗室檢測四道環節組成，各道環節的作業內容、操作要點不同，檢測人員必須掌握全部要點。第一，在樣品選擇環節，檢測人員在工程現場劃設若干具備代表性的區域，在區域內隨機采集3―5組樣品，要求同區域內各組樣品的采樣地點地基厚度、巖土物理性質存在明顯差異，不得在相同地點集中采集多組樣品。同時，根據現場情況來選擇采樣時間，禁止在現場巖土過于干燥、過于潮濕時采集樣品，避免后續樣品檢測結果受到巖土含水率影響。第二，在現場采樣環節，檢測人員應根據樣品來源選擇相應的采樣方式。一般情況下，檢測人員使用鉆機在各處點位鉆設孔洞，使用取土器在孔內一定深度處采集巖土樣品，并在相同垂直面與水平面內均勻采樣。而在所設定采樣地點受到雨水沖刷、地表水侵蝕影響而出現土壤狀態改變、形成滑坡與斜波地形等問題時，禁止在這類區域采集樣品，避免樣品適用性受到影響、檢測結果無法真實反映巖土的狀態性質[1]。第三，在樣品存儲運輸環節，檢測人員在采樣完畢后，立即將所采集樣品裝入密封筒等容器中密封保存，在筒口粘貼膠帶，阻攔外部環境中的水分、空氣滲入筒內，并在容器表面粘貼標簽，標明樣品編號、采樣時間、采樣地點、采樣人等基本信息。隨后，將樣品容器裝車運輸至實驗室檢驗，要求在車廂內營造恒溫恒濕環境條件，在車廂內擺放箱子，箱內放入樣品容器、周邊填充海綿或是軟紙等防護材料，嚴格控制運輸時長。如果在樣品運輸期間出現未及時送至實驗室、樣品泄露、樣品污染等問題，則需要重新開展采樣作業，不得將此類樣品進行檢驗。第四，在實驗室檢驗環節，檢測人員要重點檢查樣品保存情況、核對樣品編號與采樣時間等信息，確定一切無誤后，按照方案內容在實驗室內開展容重測定、含水量測定、壓縮固結試驗、粒度分析試驗、粘性土塑限測定等多項試驗，根據檢驗結果來判斷工程地基基礎結構的巖土物理力學性質。

2.水利水電工程中的地基基礎巖土試驗檢測技術

2.1 靜載試驗

靜載試驗適用于檢測工程地基基礎結構中的灌注樁、預制樁等樁身，根據試驗結果來反映樁體水平承載性能和豎向承載性能，判斷樁基礎實際受力條件是否達到設計標準，并檢查樁基礎是否存在斷樁、夾泥等質量缺陷。從實操角度來看，靜載試驗技術是在基礎樁頂部堆放重物，檢測人員分級持續向樁身頂部施加豎向壓力、水平推力或是豎向上拔力，同步記錄樁身頂部的沉降量與位移量，根據試驗結果來判斷樁身的抗壓、抗拔、水平承載力是否達標。

在靜載試驗期間，要求檢測人員掌握試驗樁挑選、設備安裝、選擇加載方式、沉降觀測四方面的操作要點。第一，在試驗樁挑選方面，根據樁體總數量來選擇試驗樁數量，一般情況下應挑選3根及更多數量的試驗樁，把試驗樁總體占比控制在1%以上，在樁體總數不足50根情況下，試驗樁數量不得少于2根。第二，在設備安裝方面，在試驗樁頂部位置砌筑磚墻，在磚墻上固定安裝工字鋼，由工字鋼搭建組成荷載平臺，平臺上鋪設荷載板、碼砌土袋和擺放液壓千斤頂與百分表作為測力測量裝置。第三，在加載方式選擇方面，為準確反映樁身性能，優先采取慢速維持荷載法，分多級持續向樁身頂部施壓，到達各級荷載后持荷一段時間，必須在荷載恢復穩定狀態后繼續施壓。而在對靜載試驗時間提出嚴格要求時，則采取快速維持荷載法，以1h為間隔時間，迅速提高荷載等級。第四，在沉降觀測方面，檢測人員根據工程情況來確定數值測讀頻次、沉降穩定狀態判定標準。正常情況下，檢測人員在各級加載完畢后每隔15min讀取一遍測量值、累計加載1h后每隔30min讀取一遍測量值；將每小時0.1mm沉降量作為沉降穩定標準，如果實際沉降速度超過這一標準，則表明試驗樁存在異常沉降問題[2]。

2.2 剪切波速試驗

剪切波速試驗是檢測人員使用鐵球反復撞擊木板，撞擊狀態下使得木板與現場地面產生運動，持續生成剪切波，剪切波通過鉆孔向下方土層傳播，后續根據所接收剪切波的特征值來獲取檢測結果。在水利水電工程中，此項技術多用于劃分場地類型、判斷現場是否存在地基土液化可能性、反映地基處理效果與評價地基基礎結構抗震性能。

在剪切波速試驗期間，要求檢測人員合理選擇具體技術手段，分為單孔法、跨孔法、面波法三種。以單孔檢測技術為例，提前在測點處鉆設垂直狀測試孔，各處測孔間距保持在2.0m左右，在測孔上方放置木板，要求測孔中心點與木板長向中垂線保持對準狀態，在木板上堆放重量在400kg及以上的重物。隨后，選用錘體作為壓縮波振源，控制錘體反復錘擊木板，由測孔內安裝的傳感器記錄剪切波波形，后續根據波形分析結果來獲取試驗數據。同時，還應了解振源使用、地面平整、測井鉆孔時間、套管使用等注意事項，如使用8磅或10磅重錘體作為振源、提前將各處測試孔周邊地面進行平整處理[3]。

2.3 探地雷達檢測

探地雷達技術通過發射寬頻帶短脈沖形式電磁波，電磁波在地層與地基基礎結構中傳播，再將返回地面的電磁波進行采集，根據電磁波傳播速度等試驗數據來繪制雷達圖像，以此來掌握地基基礎厚度、基礎結構狀態等信息。相比于其他檢測技術，探地雷達檢測技術有著不破壞基礎結構、工作條件寬松、易于操作、抗干擾能力強、檢測費用低廉的優勢，既可用于檢測地基基礎，也可用于堤壩檢測等其他場景。

在探地雷達檢測期間，要求檢測人員全面掌握天線選型、測線布置、參數記錄確認、測試數據處理四方面的操作要點。第一，在天線選型方面，檢測人員綜合分析探測幅值、探測時間等因素來選擇天線型號，并保持天線型號與所選設備的適配性，多數情況下配備16MHz-80MHz組合天線即可滿足地基基礎探地雷達檢測需要。第二，在測線布置方面，要求在地基基礎部位上布置一條橫跨基礎長度的縱斷面線，根據檢測要求布置若干條橫斷面測線，準確計算相鄰斷面測點的最佳間距值。第三，在參數記錄確認方面，檢測人員提前在設備中設定信號位置、檢測頻率、檢測速度等參數，重復開展多次檢測作業，對比各次檢測數據，從中篩除偏差較大的無效數據，并將所收集信息數據導入系統主機中加以整合處理。第四，在測試數據處理方面，檢測人員使用軟件自帶處理工具，依次對探地雷達數據進行預處理、消除直流成分、時間零校正、消除直達波、時間增益、反褶積和數據圖像偏移處理，即可獲取雷達圖像。

2.4 鉆孔取芯檢測

鉆孔取芯技術簡稱為鉆芯法，檢測人員使用鉆機在樁類地基基礎中鉆設孔洞，取出孔內芯樣，將芯樣送至實驗室檢驗或是現場檢驗，根據檢驗結果來判斷樁基混凝土強度是否達標，是否存在混凝土膠離析、振搗不實等質量缺陷。根據應用情況來看，此項檢測技術有著易于操作、直觀反映基礎混凝土結構狀態的優勢，但會造成地基基礎破損后果，后續額外開展返工作業來修補破損部位。

在鉆孔取芯檢測期間，要求檢測人員掌握樁基鉆孔、芯樣取樣、芯樣檢驗三方面的操作要點。第一，在樁基鉆孔環節，提前在工程現場挑選多根具備代表性的樁體作為測試樁，在測試點安放液壓鉆機、雙管鉆具等配套設備，做好設備調試檢查工作。待準備工作完成后，檢測人員操縱鉆機在測點中垂直向下鉆進成孔，嚴格控制鉆進速度與鉆孔角度，將鉆孔垂直度偏差控制在0.5%以內、回次進尺保持在1.5m左右，重復上述操作完成全部測點的鉆孔作業。第二，在芯樣取樣方面，檢測人員根據具體要求來選擇芯樣截取方式，共分為等間距截取、代表部位截取兩種。其中，等間距截取是在各處芯樣中按照規定間距來截取若干數量的試件。代表部位截取是在芯樣上設定若干具備代表性的部位，如在芯樣上部、中部與下部分別設置取樣部位，后續從代表部位中截取1組或多組試件。第三，在芯樣檢驗方面，檢測人員清除芯樣表面的毛刺與灰塵污漬，對破損部位使用水泥砂漿進行修補處理。待芯樣的高徑比、平整度、垂直度等各項參數達標后，放置在20℃-30℃清水內浸泡48h，到達浸泡時間后取出芯樣開展抗壓試驗等多項試驗[4]。

2.5 瑞利波法

瑞利波法是對地基基礎部分開展瞬態瑞利波測試，根據測試結果中的波速傳播速度、頻散性等特性來判斷結構填筑材料干密度的一項檢測技術。在水利水電工程中，相比于其他檢測技術，瑞利波法的核心優勢在于，可以單次完成大范圍地基基礎結構的檢測作業，操作流程簡單、檢測成本低廉，檢測結果全面反映地基基礎結構特性。

在應用瑞利波法時，檢測人員需要根據檢測項目種類來明確檢測要求、制定檢測方案與掌握操作要點，具體可用于地基土特性檢測、地基強夯檢測、地基抗剪強度檢測等項目當中。例如，在地基強夯檢測項目中，通過瑞利波在被測地層中的頻散特性、波長、傳播速度來判斷地層物理力學性質。檢測人員提前在工程現場測區內安裝增強型高分辨率地震儀、Hz檢波器、記錄器等裝置，通過震源持續向地基地層發射表面波，表面波穿過地基基礎結構后被接收器接收，將接收信號提交至系統后臺進行處理，處理結果即為實測頻散曲線，進而判斷地基強夯處理效果、地基結構性能是否達到預期要求[5]。此外，考慮到瑞利波試驗準確性較差，受到頻率、介質等多項因素影響，雖然可以在短時間內完成地基基礎檢測任務，但很難通過檢測報告來真實、全面反映地基基礎情況。因此，檢測人員應搭配采取瑞利波法和靜載試驗法兩項技術手段，對照瑞利波試驗結果與靜載荷試驗結果，以此來克服單一的技術局限性。

3.結語

綜上所述，為切實滿足水利水電工程地基基礎巖土試驗需要，更為清晰、直觀的反映出工期建設期間存在的質量隱患、工藝問題。工程參建單位必須提高對地基基礎巖土試驗工作的重視程度，根據工程情況與試驗要求選擇恰當種類的檢測技術，并要求檢測人員全面掌握靜載試驗、剪切波速試驗、瑞利波法等檢測技術的實操要點，為巖土試驗質量、工程建設質量提供有力技術保障。