樁后壓漿基樁完整性評價與承載力檢測研究

李 佳，肖衡林

(1．湖北工業(yè)大學，武漢 430068; 2．浙江交科工程檢測有限公司，杭州 311215)

引 言

在我國浙江東部沿海地區(qū)，軟土地基較為常見，此類型的地基結構具有摩阻力低、承載力弱、濕陷性等特點，會使橋梁下部基樁產生如樁長過長、樁徑過大和后期承載力不足等問題，這不僅導致施工難度大，而且費用高。有研究發(fā)現(xiàn)采用后壓漿技術能有效提高樁端承載力和側摩阻力，可解決上述問題［1］。近年來部分學者對采用后壓漿工藝對基樁承載力提升的影響進行過研究，如馮曉平等［2］以北京首都機場擴建工程三號航站樓的工程項目為依托，對后壓漿技術提高鉆孔灌注樁承載力的情況進行了論述，王殿紅［3］對石家莊某工程中采用灌注樁后壓漿法提高1.8 倍承載力的實踐進行了介紹。但這些研究樣本較少，且未對基樁完整性檢測結果及其成因進行系統(tǒng)的分析研究。

浙江東部沿海地區(qū)在建某大型高速公路工程( 以下簡稱該工程) 是浙江省內第一個全線采用后壓漿工藝的工程，在我國交通建設行業(yè)中被列為全國“品質工程”示范點，其3942 根橋梁基樁均采用了直管法或U 管法的壓漿工藝。壓漿工藝技術在理論上雖然已經成熟，但相關技術規(guī)范偏少，在實際施工應用過程中可能因操作不當而不能完全達到預期效果，如某高層建筑的1A －1#灌注樁，因壓漿持荷時間不足造成樁底漿液不擴散，經承載力檢測后發(fā)現(xiàn)不滿足設計要求［4］。鑒于此，本文以浙江東部沿海地區(qū)在建某大型高速公路工程為依托，對橋梁基樁后壓漿技術及其檢測技術進行研究，將理論分析和現(xiàn)場試驗檢測相結合，在橋梁樁后壓漿基樁完整性與承載力評價結果的基礎上，剖析其成因和存在的問題，探索應對之策，以期為該工程的后續(xù)建設提供理論及技術指導，并為基樁后壓漿技術及其質量檢測方法提供建議。

1 樁端后壓漿技術

鉆孔灌注樁后壓漿技術是成樁時在樁底或樁側預置壓漿管路和壓漿裝置，待樁身達到一定強度后，通過壓漿管路( 直管法或U 管法) 利用高壓壓漿泵壓注以水泥為主劑的漿液，根據漿液性狀、土層特性和注漿參數(shù)等不同，壓力漿液對樁端沉渣、樁側泥皮及樁周土體起到滲透、填充、置換、劈裂、壓密及固結等不同的作用［5］，對孔底沉渣和樁側泥皮進行固化，通過改變土體的物理力學性能及樁土間邊界條件，達到提高樁的承載力，減少沉降量，并提高樁身質量和樁承載力可靠性的目的［6-7］。樁后壓漿工藝總體布置如圖1 所示。

圖1 樁后壓漿工藝總體布置

2 樁后壓漿基樁完整性檢測

基樁樁身完整性檢測目前普遍采用的是低應變反射波法和聲波透射法，兩種方法各具特點。該工程橋梁樁基進行完整性檢測時所采用的方法、基樁數(shù)量、鉆芯數(shù)量等情況見表1。

表1 橋梁樁基完整性檢測方法選擇及樣本分布情況

從表1 可知，基樁總樣本數(shù)為3942 根，其中選用超聲波透射法進行完整性檢測的有3568 根，占比90.5%，其長度介于55.0 m ～110.0 m 之間，鉆芯數(shù)量為20 根;選用反射波法進行完整性檢測有374 根，占比9.5%，其長度介于21.6 m ～55.0 m 之間，鉆芯數(shù)量為3 根。由此說明該工程實施完整性檢測時已考慮到現(xiàn)場檢測條件和設計的要求［8］，且有一定數(shù)量的鉆芯用于檢測結果的驗證。

2.1 超聲波法

(1) 原理與方法

當超聲波在被測基樁混凝土中傳播時，它將攜帶有關混凝土材料性質、內部結構與組成的信息，從而改變聲波的各種聲學參數(shù)，如波速、波幅、頻率、波形等;當樁身出現(xiàn)斷裂、離析縮頸、夾泥、蜂窩等缺陷時，實測的聲速、波幅都會出現(xiàn)不同程度的降低，產生PSD 值突變，波形會發(fā)生不同程度的畸變［9］?！豆饭こ袒鶚秳訙y技術規(guī)程》［10］對于超聲波法檢測基樁完整性的判定方法見表2。

(2) 檢測結果與分析

采用超聲波透射法檢測了3568 根橋梁基樁的完整性檢，結果見表3，超聲波波速、波幅、PSD 曲線圖與樁底波列情況如圖2 所示［8］。

表2 超聲波法檢測基樁完整性的判定方法

表3 超聲波法檢測結果

從表3 可知，完整性為Ⅰ類的基樁合計3498 根，占樣本總數(shù)的98.2%;Ⅱ類基樁合計45 根，占1.2%;Ⅲ類基樁合計13 根，占0.4%; Ⅳ類基樁合計13 根，占0.2%。從圖2 可知，除個別基樁的缺陷信號出現(xiàn)在其樁身部位外，完整性為Ⅲ類及Ⅳ類的基樁缺陷信號基本處在樁底位置。

圖2 超聲波波速、波幅、PSD 曲線圖與樁底波列圖

2.2 反射波法

(1) 原理和方法

低應變反射波法是用手錘或力錘、力棒敲擊樁頂，一個加速度傳感器安裝在樁頂平面或樁身側面，負責接收手錘敲擊產生的應力波信號。當樁身阻抗變化時，就會產生早反射波( 2L/C 之前) 信號( 或樁底反射波信號)［9］?！豆饭こ袒鶚秳訙y技術規(guī)程》［10］對于反射波法檢測基樁完整性的判定方法見表4，根據反射波的相位、到達時間和幅值來判定缺陷的性質、位置及程度。

表4 反射波法檢測基樁完整性的判定方法

(2) 檢測結果與分析

用反射波法檢測了374 根橋梁基樁的完整性，結果見表5，典型的反射波法檢測波形圖如圖3 所示［8］。

表5 反射波法檢測結果統(tǒng)計表

從表5 可知，完整性為Ⅰ類的基樁占總樣本數(shù)的96.3%，Ⅱ類基樁占3.7%，表明樁后壓漿基樁的完整性總體情況良好。從圖3 可知，14 根Ⅱ類樁缺陷信號全部出現(xiàn)在樁身中上段，樁底端無缺陷信號［8］，說明樁端壓漿與樁中上部缺陷無必然聯(lián)系。

圖3 典型反射波法檢測波形圖

2.3 完整性檢測結果成因分析

(1) 直管法后壓漿工藝基樁經超聲波法檢測完整性時，發(fā)現(xiàn)完整性為Ⅲ類及Ⅳ類的缺陷信號基本處在樁底位置，經鉆芯法驗證，確定缺陷成因主要是壓漿工藝造成開塞后聲測管( 兼做壓漿管) 周邊混凝土離析，且缺陷部位厚度與出漿口長度一致。直管法后壓漿工藝單向閥布置示意圖如圖4 所示，直管法聲測管( 壓漿管) 開塞引起周邊混凝土局部離析如圖5 所示。

圖4 直管法單向閥布置示意圖

(2) U 管法后壓漿工藝基樁經超聲波法檢測完整性時，經鉆芯法驗證，發(fā)現(xiàn)缺陷信號主要由開塞后水泥漿向開塞口上部溢出形成一定厚度的水泥漿介質而引起，超聲波穿透水泥漿時波速明顯低于穿透混凝土的波速，因此出現(xiàn)樁身局部的波速、波幅明顯低于臨界值，PSD 值畸變［8］，按規(guī)范判為缺陷樁。由此說明，若施工不當采用U 管法后壓漿工藝可能會對樁端承載力的發(fā)揮起負面作用。U 管法單向閥布置示意圖如圖6所示，U 管法聲測管( 壓漿管) 開塞引起介質變化如圖7所示。

圖5 直管法聲測管(壓漿管)開塞引起周邊混凝土局部離析

圖6 U 管法單向閥布置示意圖

圖7 U 管法聲測管(壓漿管)開塞引起介質變化

(3) 直管法后壓漿工藝基樁經反射波法檢測完整性時，發(fā)現(xiàn)14 根Ⅱ類樁的缺陷信號全部出現(xiàn)在樁身中上段，樁底端無缺陷信號。其原因可能有以下幾點: ①因反射波法本身的局限性［11］而無法檢測到壓漿管周圍的局部缺陷;②所檢樁樁身成孔( 成樁) 施工質量較好，自身確實無缺陷;③所檢樁樁長較短( 深度≤ 25.0 m) ，有利于壓漿工藝實施，保證了樁端壓漿部位的質量。因此建議樁后壓漿的基樁進行完整性檢測時優(yōu)先采用超聲波法，避免因檢測方法自身的局限等造成誤判、漏判，以便更加全面地檢測出包括端部在內的整個樁身的質量及其完整性。

3 承載力檢測

該工程橋梁樁基根數(shù)總計3942 根，主橋基樁采用U 管壓漿工藝，接線工程采用直管法壓漿工藝。經現(xiàn)場踏勘，綜合考慮樁長、設計樁頂最大豎向荷載、基樁軸向受壓容許承載力設計值等因素，選定16 根基樁采用堆載法、10 根基樁采用自平衡法進行承載力檢測，共計26 根。

根據《公路橋涵施工技術規(guī)范》( JTG/TF50 －2011) 附錄B: 對于檢驗性試驗，基樁承載力測試時預估最大荷載可采用設計荷載的2. 0 倍，該工程在檢測中的試驗要求最大荷載按設計軸向容許承載力的2. 0 倍取值。

3.1 堆載法

堆載法是單樁豎向靜載試驗提供反力的一種方式，即通過以試樁為中心搭設試驗平臺，碼放砂袋、混凝土配重、鋼錠等，通過千斤頂加壓，給試樁提供豎向壓力，從而檢驗試樁的承載力是否滿足設計要求。

選取16 根基樁采用堆載法進行承載力檢測，基樁參數(shù)、試驗要求最大荷載及檢測結果見表6，典型基樁( 滿足設計要求) 與16 －5#基樁( 不滿足設計要求) 的堆載法承載力測試曲線分別如圖8、圖9所示［12］。

表6 堆載法承載力檢測結果統(tǒng)計

從表6 和圖8 可知，除16 －5#基樁外，其他15 根基樁在最大試驗荷載作用下，總沉降量均在規(guī)范規(guī)定的允許范圍之內［13］，其Q －S 曲線均屬平緩型、S －lgt 曲線均屬平直型，說明絕大多數(shù)基樁的承載力都能滿足設計要求。

圖8 典型基樁堆載法承載力測試曲線

圖9 16 －5#基樁堆載法承載力測試曲線

從表6 和圖9 可知，16 －5#基樁試驗要求的最大荷載為17 302 kN，但實際檢測到的最大荷載只有13 841 kN。根據沉降隨時間變化的特征確定，單樁豎向抗壓極限承載力應取S －lgt 曲線尾部出現(xiàn)明顯向下彎曲的前一級荷載值［13］，16 －5#基樁的單樁豎向抗壓極限承載力實際為13 841 kN，低于試驗要求的最大荷載17 302 kN，表明其承載力不滿足設計要求。

3.2 自平衡法

自平衡檢測系統(tǒng)組成及受力示意圖如圖10 所示。

圖10 自平衡檢測系統(tǒng)組成及受力示意圖

從圖10 可知，自平衡試樁法的主要裝置由加載系統(tǒng)、數(shù)據采集系統(tǒng)、荷載與位移的量測裝置組成。其檢測原理是將特制的加載裝置荷載箱，在混凝土澆筑之前和鋼筋籠一起埋入樁內相應的位置，將加載箱的加壓管以及所需的其他測試裝置從樁體引到地面，然后灌注成樁。加壓泵在地面向荷載箱加壓加載，使得樁體內部產生加載力，通過對加載力與這些參數(shù)之間的關系的計算和分析，從而獲得樁基承載力。

與傳統(tǒng)的堆載法試驗比較，自平衡法有獨特的優(yōu)勢，例如裝置較簡單，占用場地空間小，不需要運入數(shù)百噸或數(shù)千噸物料，不需構筑笨重的反力架，可多根樁同時測試，試驗準備工作省時、省力、安全。當遇到水上試樁、超長樁、坡地或狹窄場地試樁、斜樁、嵌巖樁等，或當設置傳統(tǒng)的堆載平臺或錨樁反力架特別困難或檢測費用巨大等情況時，自平衡法更具優(yōu)勢。

根據樁自平衡靜載試驗極限承載力QU 計算公式計算，單樁極限承載力為單樁設計容許承載力的2.01 ～2.17 倍之間，該工程按設計軸向容許承載力的2.0 倍加載。按檢測計劃，綜合考慮樁長、試驗要求最大荷載及因水上試樁檢測不便等原因，選取10 根基樁采用自平衡法進行承載力檢測，基樁參數(shù)、試驗要求最大荷載及檢測結果見表7，基樁自平衡法承載力測試曲線如圖11所示［14］。

表7 自平衡法承載力檢測結果統(tǒng)計表

從表7 和圖11 可知，各樁加載到試驗要求最大荷載時，向上、向下總位移量均在規(guī)定的允許范圍內［14］，Q上－ S上、Q下－ S下曲線呈緩慢變化，無明顯陡降段，S ～lgt曲線呈平緩規(guī)則排列，且在各級荷載下樁變形能較快穩(wěn)定。

圖11 基樁自平衡法承載力測試曲線

4 結束語

以浙江東部沿海地區(qū)某大型高速公路工程的3942根橋梁基樁完整性及承載力的檢測成果為依托，結合現(xiàn)有樁后壓漿工藝的利弊分析，對基樁完整性及承載力的檢測方法和基樁壓漿工藝的選擇及應用方面的經驗進行總結如下:

(1) 與直管法相比，采用U 型管法的壓漿工藝更能提高漿液均布在樁身底端的機率，但若成孔深度未達到設計標高，則會造成設計樁長不足，不能達到設計驗算過的理論單樁軸向設計承載力，從而引起結構安全隱患［15］。

(2)采用直管法的壓漿工藝在壓漿過程中可能造成壓漿管(兼做聲測管)出漿口周邊混凝土離析，采用超聲波法完整性檢測時會將其判為缺陷部位，且缺陷厚度即出漿口高度，此時需要結合其他方法綜合判定。

(3)因不同的工程地質條件有差異，不可能有相同的壓漿參數(shù)，采用后壓漿工藝時一定要按照適用于該工程的規(guī)范、標準對水泥漿強度、壓漿壓力、壓漿總量及持續(xù)時間進行質量控制，并要保證各壓漿管暢通。

(4)由于反射波法自身檢測原理的局限性及對樁身材質變化的不靈敏性［16］，加之檢測人員水平的參差不齊，建議在對樁后壓漿的基樁進行完整性檢測時不首選該方法。

(5)由于自平衡法檢測基樁承載力的原理決定，采用該方法加載完成后，往往不能將加載結果直接套用傳統(tǒng)試驗規(guī)程來進行類比，得出安全性結論，而是將加載結果轉換以后，才能套用傳統(tǒng)試驗規(guī)程進行類比，得到的承載力往往偏大，得出安全性結論的過程也較為間接。堆載法相對于自平衡法來說，在檢測基樁承載力時更為直觀準確，建議在現(xiàn)場具備檢測條件時用堆載法或錨樁法來實施檢測。

總之，鉆孔灌注樁后壓漿技術具有提高單樁承載力、提高生產率、節(jié)約建設資金等優(yōu)點，在具備施工、地質等條件的工程中推廣有著重要的意義和廣闊的前景，但若與具體工程配套的壓漿工藝不成熟，勢必造成樁身質量缺陷，而檢測人員在檢測基樁完整性及承載力時應綜合考慮多方面因素［17］，才能得到最正確有效的數(shù)據，從而保證工程的質量與安全。