成孔檢測對灌注樁樁身質(zhì)量檢測的輔助判定

張海豐,王 忠,李 佳,許 峰

(國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)

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,對基礎(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行了基樁成孔質(zhì)量檢測。該項檢測所提供的數(shù)據(jù)對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。目前成孔檢測僅作為對施工過程的一個監(jiān)控手段,對其與基樁檢測成樁質(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和成樁檢測的經(jīng)驗,就成孔檢測資料對成樁檢測樁身質(zhì)量輔助判定問題進行了比較深入的探討,供相關(guān)技術(shù)人員參考。

1 成孔檢測與樁身質(zhì)量檢測現(xiàn)狀

1.1 成孔檢測

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

傳統(tǒng)的驗孔方法采用吊錘和鋼筋探籠探測,這種方法檢測設(shè)備易于現(xiàn)場制作,使用方便。缺點是只能定性地檢查成孔情況,無法定量給出相關(guān)參數(shù)值,從而也無法評定成孔質(zhì)量是否滿足規(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孔方法已被禁止使用。

目前浙江地區(qū)成孔檢測代表性的儀器有兩種。一種是國內(nèi)自行研發(fā)的傘形架式檢測儀,該儀器主體由4個兩兩相對能夠自動彈開的測量腳組成,測量腳處安裝了傳感器。當儀器放入孔底,測量腳自動彈開由孔底開始自下而上上拉過程中,相對的兩組測量腳得到相應(yīng)的成孔直徑,取兩組數(shù)據(jù)的平均值作為計算孔徑值。另有兩個專用的探頭測量鉆孔的垂直度和沉渣厚度。國產(chǎn)的JJC-1D型孔徑測試系統(tǒng)就是屬于此類。另一種更加先進的儀器為超聲波探壁監(jiān)測儀,它能夠?qū)崿F(xiàn)用一個較小的探頭同時實現(xiàn)四個方向的信號發(fā)射和接收,并且采用信號處理技術(shù)區(qū)分孔壁回聲和噪音,消除震蕩回波?；静僮鞣椒ㄊ菍⒊暡ㄌ筋^沿鉆孔的中心以一定速率由孔頂向下放,在連續(xù)下放過程中探頭收發(fā)信號。當孔壁堅實牢固(或縮徑)時發(fā)收時間短 反射強度大;當孔壁較松散、塌孔(或擴徑)時發(fā)收時間較長、信號較弱甚至接收不到發(fā)射信號。由此,從孔口到孔底根據(jù)信號反射的時間和強度,可以直觀地反映出孔壁的狀況,進而計算出孔徑、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)測儀。這兩類儀器可以得到規(guī)范要求的成孔質(zhì)量參數(shù)。

1.2 基樁檢測

基樁檢測可分為靜力試樁法和動力試樁法兩大類。動力試樁法又可分為高應(yīng)變動力試樁法(包括凱斯法和凱普維普法)、低應(yīng)變動力試樁法(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法三類[3]。目前浙江地區(qū)對在建工程的完整性檢測比例要求基本達到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,能比較準確地確定樁身缺陷位置,定性地分析樁身缺陷類型及程度,評定樁身質(zhì)量等級[3],廣泛應(yīng)用于建筑基樁檢測及公路工程中樁徑樁長相對較小的工程樁檢測中。但低應(yīng)變反射波法易受樁型、樁長、地質(zhì)變化以及周邊環(huán)境中的震動源等因素的影響,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管,以聲波發(fā)收的形式透射所檢測的混凝土界面。該方法具有檢測結(jié)果直觀、對混凝土缺陷敏感度高、準確率高、不受樁長限制等優(yōu)點,是目前基樁常規(guī)檢測中應(yīng)用最廣泛的方法之一。但超聲波檢測無法識別樁型變化,聲波頻率高,在混凝土中衰減快,檢測范圍存在一定的局限性。

2 成孔檢測對基樁檢測的輔助判定

灌注樁成孔過程中產(chǎn)生的擴徑、縮徑等問題將直接影響到成樁后的樁形,對樁的成樁質(zhì)量和承載力也會產(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常易發(fā)生坍孔。護壁泥漿質(zhì)量差、相對密度小也易造成坍孔事故。鉆孔過程遇孤石等地下障礙物使鉆桿偏斜,將造成樁孔垂直度達不到設(shè)計要求,而樁傾斜度對基樁承載力有不同程度的影響[4];另外孔底的沉渣過厚對端承樁、摩擦端承樁有著致命影響[4],沉渣過厚也會導(dǎo)致樁頭或者樁淺部混凝土疏松。若混凝土灌注過程中發(fā)生坍孔則更易引發(fā)斷樁、夾泥、孔徑突變、沉渣過厚等嚴重質(zhì)量事故[4],可見成孔質(zhì)量與樁基樁身質(zhì)量之間存在密切關(guān)系,利用成孔檢測數(shù)據(jù)可以為成樁樁身質(zhì)量檢測提供輔助手段。

2.1 對低應(yīng)變法的輔助判定

2.1.1 對常規(guī)問題的驗證

低應(yīng)變反射波法是基于一維彈性桿原理的檢測方法,應(yīng)力波傳播過程對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徑、縮徑等問題,低應(yīng)變反射波波形與樁身形狀存在較好的對應(yīng)關(guān)系。

實例1 某工程樁樁長44.0 m,混凝土C25級配,設(shè)計樁徑1.2 m。用JJC-1D型孔徑檢測系統(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徑,擴徑最大處達到1.55 m,孔徑突變明顯。

圖1 JJC-1D型灌注樁檢測系統(tǒng)孔徑曲線圖

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

對比分析發(fā)現(xiàn),設(shè)計孔頂標高與設(shè)計樁頂標高的落差為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樁身完整性檢測儀測得的時域波形圖

2.1.2 為復(fù)雜樁基問題提供“導(dǎo)診”

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

實例2 某工程樁樁長48.5 m,混凝土C25級配,用低應(yīng)變反射波法測得波形如圖3,從波形圖中可見距樁頂19 m左右有明顯的同向信號,對時域圖分析可得此缺陷信號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類樁[5-6],應(yīng)當作廢樁處理。

圖3 PIT樁身完整性檢測儀測得的時域波形圖

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

從圖4可見,該孔的直徑呈漸變狀,逐漸擴徑至距離孔頂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。樁徑漸擴然后在某處突然縮小,但并未產(chǎn)生縮徑。此樁設(shè)計孔頂標高與設(shè)計樁頂標高落差5.50 m,低應(yīng)變?nèi)毕菟旧疃日脼槌煽讬z測波形圖中的突變位置。應(yīng)力波從大截面樁段進入小截面樁段時阻抗發(fā)生變化會造成類似缺陷信號,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)測儀測得的成孔波形圖

為了確保準確,對該樁進行取芯法驗證,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左右并未見缺陷芯樣,為Ⅰ類樁[5]。取芯芯樣見圖5。取芯結(jié)果與之前所做推斷完全相符,該樁并無缺陷。

圖5 取芯芯樣照片

具體分析該樁“假缺陷”信號的形成原因。根據(jù)低應(yīng)變反射波的直桿一維波動理論,樁頂受一瞬時錘擊力,壓力波在下行傳播過程中遇樁身阻抗發(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入相對小截面低阻抗界面時,反射波與入射波同號[4]。也即產(chǎn)生了圖3所示的反射波實測波形。

2.2 對超聲波法的輔助判定

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

實例3 某工程樁樁長55.0 m,混凝土C25級配,樁基超聲波檢測結(jié)果顯示其在25.0 m左右存在著嚴重缺陷,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;對其進行取芯驗證,結(jié)果顯示在距樁頂24.5 m～25.3 m處芯樣嚴重離析(圖8箭頭所指為為缺陷部位)。

根據(jù)規(guī)范判定,該樁為Ⅳ類樁[5-6]。針對這一缺陷產(chǎn)生的原因進行分析,調(diào)出了該樁的成孔檢測數(shù)據(jù)(圖9)。

圖6 RS-ST01D非金屬聲波檢測儀測得的波形數(shù)據(jù)圖

圖7 PIT樁身完整性檢測儀測得的時域波形圖

從波形圖中可見兩條實線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。施工過程中,該孔的泥漿比重過低,孔壁護壁不力,造成混凝土灌注過程中發(fā)生坍塌。此后施工方據(jù)此優(yōu)化了施工方案,適當加大了護壁泥漿比重,混凝土澆筑過程加強控制,有效地杜絕了此類質(zhì)量事故再次發(fā)生。

圖8 取芯芯樣照片(箭頭標注為缺陷部位)

圖9 DM-604超聲探壁監(jiān)測儀測得的成孔波形圖

3 結(jié) 語

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

[1]中交第一公路工程局有限公司.JTG/TF50-2011.公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2011:46-48.

[2]交通部公路科學(xué)研究所.JTG F80/2-2004.公路工程質(zhì)量檢驗評定標準[S].北京:人民交通出版社,2004:50-52.

[3]張樹鵬.基樁檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].鐵道標準設(shè)計,2000,20(6):79-82.

[4]劉屠梅,趙竹占,吳慧明.基樁檢測技術(shù)與實例[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006:10-13.

[5]中國建筑科學(xué)研究院.JGJ106-2003.建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003:32-36.

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[7]楊志廣,李海新.鉆孔監(jiān)測儀在基樁成孔檢測中的應(yīng)用[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報,2005,18(Z1):37-39.