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(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100082；2.甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)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(jiàn)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(jì)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(guò)大、樁徑較大等情況時(shí),應(yīng)適當(dāng)提高其超灌的高度;超灌的多余部分在承臺(tái)施工前或接樁前應(yīng)鑿除鑿除后的樁頭應(yīng)密實(shí)、無(wú)松散層。

然而，在實(shí)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(zhǎng)度大等復(fù)雜地質(zhì)或地層時(shí)，常常會(huì)導(dǎo)致混凝土實(shí)際灌注量與設(shè)計(jì)量差異較大，此時(shí)無(wú)法利用混凝土方量準(zhǔn)確復(fù)核實(shí)際灌注高度，只能通過(guò)“測(cè)繩懸吊重錘法”，憑借手感來(lái)掌握灌注尺度，但這種傳統(tǒng)的方法面臨以下諸多問(wèn)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(kāi)挖后高低不一，影響工程進(jìn)度還可能面臨罰款；(4)廢料運(yùn)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(mén)處罰。以上問(wèn)題導(dǎo)致的結(jié)果大致分三類：(1)少灌：后期補(bǔ)樁，成本極高，影響質(zhì)量和進(jìn)度；(2)超灌：后期截樁，浪費(fèi)材料和人工，成本高，影響進(jìn)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(duì)工程技術(shù)人員業(yè)務(wù)素質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)挑戰(zhàn)，也是項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)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(shí)無(wú)法直接觀測(cè)，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(lái)判定混凝土灌注是否達(dá)到設(shè)計(jì)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(yàn)得出傳感技術(shù)辨識(shí)的有效介質(zhì)參數(shù)；(3)數(shù)據(jù)采集、分析及顯示表達(dá)方式。

通過(guò)對(duì)混凝土和泥漿兩種不同介質(zhì)進(jìn)行物理化學(xué)性能分析與試驗(yàn)辨識(shí)，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(huì)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(shí)泥漿和混凝土的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)壓應(yīng)力傳感器進(jìn)行不斷改進(jìn)，來(lái)降低灌注樁混凝土施工的干擾，提高檢測(cè)精度和傳感器體積，提升現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(cè)定裝置、傳感設(shè)備固定裝置)；模塊二：感應(yīng)信號(hào)裝置(壓力感應(yīng)器、脈沖信號(hào)發(fā)生器)；模塊三：數(shù)據(jù)采集及報(bào)警裝置(數(shù)據(jù)采集器、脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換器、報(bào)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(jī)理：如圖二所示，壓應(yīng)力傳感器進(jìn)行識(shí)別后，將應(yīng)力轉(zhuǎn)換為頻率脈沖信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸至數(shù)據(jù)采集器，由數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將頻率脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓力值數(shù)據(jù)。壓應(yīng)力傳感器通過(guò)定位桿準(zhǔn)確固定在灌注樁設(shè)計(jì)標(biāo)高處。

樁基混凝土灌注前，預(yù)先用比重計(jì)進(jìn)行孔內(nèi)泥漿重度和混凝土重度的測(cè)定，并根據(jù)其測(cè)定的數(shù)值進(jìn)行報(bào)警參數(shù)設(shè)置，當(dāng)超灌高度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)報(bào)警器報(bào)警后即可停止灌注混凝土。

1.4 數(shù)據(jù)采集器報(bào)警設(shè)定

以工程試驗(yàn)為依托，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)先采集的數(shù)據(jù)設(shè)定報(bào)警參數(shù)，并加以報(bào)警燈閃爍的方式進(jìn)行告知，便于人機(jī)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(shí)的混凝土壓應(yīng)力-h高度時(shí)泥漿壓應(yīng)力，灌注過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)得的壓應(yīng)力數(shù)值>預(yù)判參數(shù)時(shí)，采集器報(bào)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(xiǎn)，制定方案為先進(jìn)行水中圍巖提供臨時(shí)作業(yè)平臺(tái)，待樁基灌注完畢后，再進(jìn)行基坑開(kāi)挖承臺(tái)作業(yè)。工程樁數(shù)量100根，設(shè)計(jì)樁徑2.0 m，有效樁長(zhǎng)30 m，虛樁長(zhǎng)約6 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35。該工程樁樁頭超灌控制難度較大，若樁頭超灌高度過(guò)大，不僅材料浪費(fèi)嚴(yán)重，而且環(huán)切樁頭成本過(guò)高。

2.1 技術(shù)效果驗(yàn)證

使用該技術(shù)裝置，有效解決了灌注樁頭控制難的問(wèn)題，經(jīng)開(kāi)挖基坑驗(yàn)證，測(cè)量數(shù)據(jù)(見(jiàn)統(tǒng)計(jì)表1)偏差較小且穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期的效果。

表1 實(shí)際超灌高度統(tǒng)計(jì)表(單位：m)

2.2 經(jīng)濟(jì)效果驗(yàn)證

(1)材料費(fèi)：C35混凝土市場(chǎng)價(jià)約300～400元/立方，取350元/立方計(jì)算，樁深平均6米計(jì)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(fèi)21.98萬(wàn)元。

(2)敲樁截樁費(fèi)：?jiǎn)胃?50元計(jì)，每百根灌注樁節(jié)約1.50萬(wàn)元。

(3)廢料處置費(fèi)：廢混凝土運(yùn)輸費(fèi)5.0元/立方計(jì)，每百根灌注樁節(jié)約0.31萬(wàn)元。

(4)以上合計(jì)每百根灌注樁可直接節(jié)約23.79萬(wàn)元，單根節(jié)約0.24萬(wàn)元。

3 技術(shù)拓展

3.1 改進(jìn)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(gè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并傳輸數(shù)據(jù)，多級(jí)權(quán)限可視管理(管理者實(shí)時(shí)了解灌注樁情況)，管理效率大幅提升。

3.2 改進(jìn)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(bào)警→回收傳感器→平臺(tái)自動(dòng)匯報(bào)

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(kāi)始工作。

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

綠色報(bào)警模式：混凝土到達(dá)標(biāo)高位置，綠燈閃爍發(fā)聲報(bào)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(guò)在工程實(shí)踐中的具體應(yīng)用、試驗(yàn)和不斷改進(jìn)，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(guò)傳感技術(shù)與工程技術(shù)相結(jié)合的方式，用先進(jìn)的技術(shù)手段和設(shè)備，克服了以往人員經(jīng)驗(yàn)判斷不準(zhǔn)的弊端，填補(bǔ)了現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理漏洞，有效地解決了工程樁基灌注過(guò)程中超灌控制難的問(wèn)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(shì)，通過(guò)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(jìn)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。