灌注樁超灌監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)定方法的優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用

張曉雙, 張曉鳳, 韓云山, 王元龍, 白 楊

(中北大學(xué)理學(xué)院，太原 030051)

混凝土灌注樁是利用機(jī)械鉆孔或人力挖掘等方式成孔，并在孔中澆筑混凝土而成的樁。該工法施工成本低且操作簡單，目前已被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。但將混凝土灌注樁超灌高度控制在理想范圍是非常困難的?，F(xiàn)場施工中混凝土超灌量一般在2～3 m，多者甚至達(dá)4 m以上。開挖基坑后，坑內(nèi)樁體高低不一，呈現(xiàn)“石林”狀，由超灌過度引起的混凝土浪費(fèi)量十分驚人。除此之外破除多余樁頭，又要損失高額的人工成本和建筑成本。

近年來，一些研究者開發(fā)了不同的控制裝置以實(shí)現(xiàn)對混凝土灌注樁灌注高度的控制。但多數(shù)裝置可靠度不高，且澆筑完之后不方便回收再利用，使用和維護(hù)費(fèi)用較高。灌注樁超灌監(jiān)測智能化系統(tǒng)[1]能較好地解決這個問題，該系統(tǒng)利用電阻法，能在不影響施工場地現(xiàn)有工序的前提下，便捷可靠地解決超灌問題，使得混凝土灌注樁傳統(tǒng)工法得到優(yōu)化和改進(jìn)。

利用電學(xué)性質(zhì)研究巖石和混凝土的工程性狀近年來得到了重視。李化建等[2]總結(jié)了混凝土的電學(xué)理論并分析了影響混凝土電阻率的關(guān)鍵因素；Ghosh等[3]總結(jié)了混凝土電阻率的年代學(xué)發(fā)展規(guī)律并比較了混凝土體積電阻率與表面電阻率的關(guān)系；唐鵬程等[4]利用無電極電阻率測量儀研究了水泥用量和礦物摻和量等對混凝土電阻率的影響規(guī)律；劉松玉等[5]、查甫生等[6]利用低頻交流電阻測試儀，研究了水泥土樣和非飽和膨脹土的電阻率基本特性；底瑛棠等[7]通過測定不同配合比的混凝土、砂漿和水泥的電導(dǎo)率，探究了不同配比混凝土的電阻率隨時間的變化規(guī)律；Gandía-Romero等[8]研究了電極面積和間距對混凝土電阻測量的影響，得出在一個半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，電阻隨間距的變化而變化；桑源[9]提出電阻率法來評估不同負(fù)環(huán)境溫度下早期混凝土的凍結(jié)過程，可預(yù)測混凝土的凍害程度；基于電阻率法，姚蒙[10]開展了控制混凝土超灌量的模型試驗(yàn)研究，獲得了不同介質(zhì)下模擬灌注過程中的電阻率變化規(guī)律；劉韜[1]利用混凝土與泥漿液之間電阻的差異，設(shè)計了一種基于Arduino與LabVIEW的灌注樁超灌智能化監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對灌注過程的實(shí)時監(jiān)測與控制?；陔娮璧墓嘧冻啾O(jiān)測方法中非常重要的一個步驟是標(biāo)定，若標(biāo)定方法不準(zhǔn)確，將直接影響報警值的正確性，從而給混凝土灌注樁灌注高度的控制帶來較大誤差，達(dá)不到防超灌的目的。

現(xiàn)通過多組室內(nèi)試驗(yàn)，探究基于電阻的超灌監(jiān)測方法中探針間距和樁徑對4種介質(zhì)(混凝土、泥漿、水泥漿、水)電阻的影響規(guī)律，并制作一種經(jīng)濟(jì)且操作便捷的新型標(biāo)定器，以期使得標(biāo)定數(shù)值更加準(zhǔn)確，提高工作效率，達(dá)到有效控制超灌高度的目的。

1 基于電阻的超灌監(jiān)測方法

基于電阻的灌注樁超灌監(jiān)測方法是根據(jù)灌注樁內(nèi)泥漿液與混凝土兩種物質(zhì)的電阻有明顯差異的特點(diǎn)，利用軟件設(shè)計，實(shí)現(xiàn)電阻的數(shù)據(jù)采集與保存，從而達(dá)到實(shí)時監(jiān)測的目的。標(biāo)定混凝土電阻，設(shè)定報警值，當(dāng)監(jiān)測電阻穩(wěn)定在標(biāo)定值附近時便發(fā)出報警信號，提醒已達(dá)到灌注高度并及時停灌。這種監(jiān)測方法的關(guān)鍵步驟在于標(biāo)定，標(biāo)定值的準(zhǔn)確與否直接影響到混凝土的灌注量，因此優(yōu)化標(biāo)定方法對于此監(jiān)測方法意義重大?；陔娮璧某啾O(jiān)測方法操作流程如圖1所示。

圖1 超灌監(jiān)測方法操作流程Fig.1 Operation procedure of over-filling monitoring method

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用水泥為太原獅頭牌普通硅酸鹽水泥，水泥物理性能如表1所示。粗集料選用二級配玄武巖碎石，顆粒級配5～20 mm；砂選用中砂，粒徑小于5 mm；水為自來水。泥漿用土選用匯豐新材料有限公司的鈉基膨潤土，性能指標(biāo)如表2所示。試驗(yàn)用混凝土、水泥漿、泥漿配合比如表3所示。

試驗(yàn)采用二電極法，測試電壓為1 V，頻率為1 kHz。電阻測量儀器為常州同惠TH2830型數(shù)字電橋(圖2)。試驗(yàn)所用自制探頭為長5 cm的普通鐵釘，釘于1.5 cm厚的絕緣板上，探針一端通過電導(dǎo)線與數(shù)字電橋相連。

研究探針間距對電阻的影響規(guī)律時，采用直徑60 cm、長150 cm的透明有機(jī)玻璃管模擬灌注樁。探究樁徑對電阻的影響規(guī)律時，用直徑分別為15、20、25、30 cm的有機(jī)玻璃管模擬直徑不同的灌注樁。模擬樁具體尺寸如表4所示。為模擬施工現(xiàn)場探頭固定于鋼筋籠主筋上的情況，測量電阻時將兩探頭相對，綁于直徑12 mm的帶肋鋼筋上，如圖3所示。

表1 水泥物理性能

表2 膨潤土各項(xiàng)性能

表3 混凝土、水泥漿、泥漿配合比

圖2 同惠TH2830型數(shù)字電橋Fig.2 Tonghui TH2830 digital bridge

表4 模擬樁尺寸

圖3 模擬樁內(nèi)電阻測量示意圖Fig.3 Schematic diagram of resistance measurement in simulated pile

為了掌握探針間距對混凝土、水泥漿、泥漿和水4種介質(zhì)電阻的影響規(guī)律，在透明有機(jī)玻璃管中固定好綁有兩探頭的帶肋鋼筋，探針通過電導(dǎo)線與數(shù)字電橋連接。將新拌制的四種介質(zhì)分別灌入1#模擬樁中，保證樁內(nèi)液面完全沒過探頭，改變探針間距，測出4種介質(zhì)在探針間距分別為10、20、30、40、50、60、70 cm情況下的電阻。為探明樁徑對4種介質(zhì)電阻的影響，將拌制均勻的4種介質(zhì)分別灌入直徑不同的2～5#模擬樁，測出4組相同探針間距下4種介質(zhì)在不同直徑樁中的電阻。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 電阻隨探針間距的變化規(guī)律

圖4反映了混凝土、水泥漿、泥漿和自來水4種介質(zhì)的電阻隨探針間距的變化規(guī)律。由圖4可知，4種介質(zhì)呈現(xiàn)的規(guī)律相同，當(dāng)其他外界條件不變時，電阻隨探針間距的增大而線性增大，擬合后直線均呈R=ml+n形式，其中，R為電阻，l為探針間距，m、n分別為直線的斜率和截距，且回歸系數(shù)R2均大于0.92，相關(guān)性較好。

圖4 4種介質(zhì)的電阻隨探針間距的變化規(guī)律Fig.4 Change of resistance values of the four media with the spacing of the probes

材料能夠?qū)щ娭饕且驗(yàn)閷?dǎo)體材料中存在能夠自由移動的載流子。凡是能自由移動的帶電荷粒子都可作為載流子，比如金屬中的自由電子和電解質(zhì)中的陰、陽離子。有大量研究顯示，普通的硅酸鹽水泥混凝土，摻有粉煤灰、硅灰、礦渣等摻合料的混凝土和水泥凈漿、砂漿等不論是干燥狀態(tài)還是潮濕狀態(tài)下都是以陰陽離子作為主要載流子，而其他載流子基本可以忽略[11]。如此單一類型的載流子使得材料導(dǎo)電特性的研究變得相對簡單。4種介質(zhì)都可看作多相復(fù)合材料，研究其導(dǎo)電性質(zhì)時可將其當(dāng)作溶液來分析。

溶液導(dǎo)電的機(jī)理是自由離子在電場作用下的遷移。根據(jù)這一導(dǎo)電機(jī)理，溶液的電導(dǎo)率[12]可表示為

(1)

式(1)中：σp為溶液的電導(dǎo)率，S/m；e為電子電荷量，C；Zi為第i種自由離子的化合價，均考慮為正；γi為第i種離子電遷移率，m2/(s·V)；Ci為第i種離子在溶液中的濃度，mol/m3。

在假設(shè)忽略離子間相互作用的前提下，式(1)表明了溶液的電導(dǎo)率是其中每種離子導(dǎo)電能力的代數(shù)和。溶液的電導(dǎo)率與離子的濃度、所帶電荷量及自由離子在溶液中的電遷移率成正比。式(1)中離子的電遷移率反映了該種離子在單位電場作用下在溶液中的遷移速度[13]，即

(2)

式(2)中：vi為自由離子的遷移速度，m/s；E為電場強(qiáng)度梯度，V/m。

在溶液導(dǎo)電的過程中，自由離子會受到與離子接觸介質(zhì)之間的摩擦力。與周圍介質(zhì)之間產(chǎn)生的摩擦力可根據(jù) Stokes 定律[14]表示為

f=-6πrη0v

(3)

式(3)中：f為離子受到的摩擦力，N；r為離子半徑，m；η0為溶液的黏度，Pa·s；負(fù)號表示摩擦力與自由離子的遷移速度相反。溶液中包含陰、陽兩種離子，并在電場的作用下朝不同的方向移動，這種移動會帶動離子周圍的水分子運(yùn)動。由于兩種離子運(yùn)動方向相反，使得離子與周圍介質(zhì)的相對運(yùn)動速度增大，從而導(dǎo)致離子運(yùn)移的摩擦力增加。

探針間距增大后，混凝土中離子的運(yùn)移帶動周圍更多的水分子運(yùn)動，使得離子與周圍介質(zhì)相對運(yùn)動速度增大，增加了自由離子的摩擦力。由式(3)可知，摩擦力越大，自由離子的遷移速率越小。假設(shè)混凝土是均勻的，其中的離子濃度恒定，離子的電遷移率越小，溶液的電導(dǎo)率就越小，材料的電阻就越大。

相同探針間距時，水泥漿的電阻最小，混凝土次之，二者的電阻明顯低于水和泥漿。由圖5可知，電阻越大的介質(zhì)，其對應(yīng)的直線斜率m和截距n也越大。這與物質(zhì)本身的組成成分和性質(zhì)有關(guān)。

圖5 4種介質(zhì)對應(yīng)的直線斜率和截距Fig.5 Straight line slope and intercept corresponding to four media

3.2 電阻隨樁徑的變化規(guī)律

圖6反映了4組探針間距(5、10、15、20 cm)下混凝土在不同直徑樁中的電阻?？芍?，當(dāng)探針間距一定時，不同樁徑中混凝土電阻最大差值為3 Ω，變化不超過2%。

圖6 混凝土的電阻隨樁徑的變化規(guī)律Fig.6 Variation rule of concrete resistance value with pile diameter

由于鋼筋屬于良好的金屬導(dǎo)體，導(dǎo)電性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于混凝土，當(dāng)電流從探針中傳出時，會有一部分從探針附近的鋼筋中通過。因此，需考慮鋼筋在混凝土導(dǎo)電過程中的影響。圖7為鋼筋混凝土的等效電路圖。

Rcon為素混凝土的電阻；Rct為鋼筋和混凝土界面的電化學(xué)電阻；Cdl為鋼筋和混凝土界面的雙電層電容；Rme為鋼筋本身的傳導(dǎo)電阻圖7 鋼筋混凝土的等效電路圖Fig.7 Equivalent circuit diagram of reinforced concrete

電流從探針傳出時，經(jīng)過混凝土和鋼筋，大致分為兩路并聯(lián)：線路①：電流從混凝土中流進(jìn)和流出，不經(jīng)過鋼筋；線路②：流經(jīng)鋼筋混凝土界面和鋼筋。對于線路②，電阻由鋼筋混凝土界面的電化學(xué)電阻和鋼筋本身的傳導(dǎo)電阻組成。其中鋼筋本身的傳導(dǎo)電阻遠(yuǎn)小于鋼筋混凝土界面的電化學(xué)電阻，可以忽略不計，因此線路②的電阻取決于鋼筋混凝土界面的電化學(xué)電阻。當(dāng)混凝土含水率為 100%時，界面電化學(xué)電阻相對于線路②的混凝土電阻很小，因此整個并聯(lián)電路的電阻取決于線路②[15]。由于改變樁徑不影響其內(nèi)部混凝土與鋼筋的接觸，不同樁徑中的混凝土與鋼筋的接觸界面是一樣的，線路②的電阻也應(yīng)該不變，因此不同直徑樁中測得的電阻理論上相差不大。

當(dāng)探針間距同為10 cm時，混凝土、水泥漿、泥漿和自來水4種介質(zhì)的電阻隨樁徑的變化規(guī)律如圖8所示。由圖8可知，4種介質(zhì)中呈現(xiàn)的規(guī)律相同，即在同一探針間距下，隨樁徑變大，電阻變化不超過2%，受影響較小。鋼筋在水泥漿、泥漿和自來水中的導(dǎo)電原理如同鋼筋混凝土，整個電路的電阻取決于樁內(nèi)溶液和鋼筋界面的電化學(xué)電阻。改變樁徑并不影響樁內(nèi)鋼筋與周邊溶液的接觸，不改變界面的電化學(xué)電阻，所以電阻不變。

4 標(biāo)定器的設(shè)計與應(yīng)用

4.1 標(biāo)定器設(shè)計

根據(jù)試驗(yàn)得出的混凝土電阻隨探針間距變化呈R=ml+n形式及混凝土電阻不受樁徑變化影響的結(jié)論，制作了新型標(biāo)定器，如圖9所示。該標(biāo)定器由長110 cm、內(nèi)徑15 cm、壁厚0.3 cm的PVC塑料管制成，兩端用絕緣材料封堵密實(shí)，中間固定一條直徑12 mm的帶肋鋼筋，測量時直接將探頭綁扎于鋼筋上即可，探針間距可按施工現(xiàn)場情況調(diào)整。

圖8 不同介質(zhì)電阻隨樁徑的變化規(guī)律Fig.8 Change of resistance values of different medium with pile diamete

圖9 自制新型標(biāo)定器示意圖Fig.9 Schematic diagram of self-made new calibrator

標(biāo)定器的使用分兩種情況：當(dāng)灌注樁中探針間距小于等于標(biāo)定器長度時，直接固定到該間距，測出的電阻即為標(biāo)定值；當(dāng)探針間距大于標(biāo)定器長度時，測出不少于三個不同間距下的電阻，可通過計算得到對應(yīng)公式R=ml+n中的m和n值，代入施工現(xiàn)場灌注樁中所需探頭間距，即得相應(yīng)的電阻標(biāo)定值。實(shí)際施工現(xiàn)場探針間距無需過長，此標(biāo)定器長度都能滿足使用要求。

4.2 現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)所在地為山西省太原市漪汾街吾悅廣場項(xiàng)目，兩根試樁直徑800 mm、樁長22 m，樁頂標(biāo)高位于地面水平標(biāo)高下10.2 m。

將兩探頭綁于樁內(nèi)鋼筋籠主筋上，如圖10所示。1號樁內(nèi)兩探頭間距80 cm，2號樁內(nèi)兩探頭間距1 m，上方探頭的位置即為樁頂標(biāo)高處，如圖11所示。標(biāo)定時，取現(xiàn)場灌車內(nèi)適量混凝土倒入標(biāo)定器，連接電阻測量儀，測得探針間距在80 cm和1 m時混凝土電阻分別為202 Ω和211 Ω，在超灌監(jiān)測軟件中輸入1號樁和2號樁的報警值分別為202 Ω和211 Ω。

圖10 綁扎探頭實(shí)物圖Fig.10 Physical picture of the banding probes

圖11 探頭位置示意圖Fig.11 Schematic diagram of probe position

兩根試樁內(nèi)電阻隨時間變化的散點(diǎn)圖如圖12所示?；炷凉嘧⑶?，探針置于泥漿中，1號樁所測電阻穩(wěn)定在680 Ω左右，2號樁測得電阻穩(wěn)定值710 Ω左右。開始灌注后，樁內(nèi)混凝土液面逐漸上升，在0～13 min內(nèi)，兩根樁測得電阻都略有下降趨勢，但始終大于600 Ω?；炷烈来螞]過兩個探針后，在14～15 min內(nèi)，1號樁電阻陡降到150 Ω附近，2號樁陡降到140 Ω附近，此時即將到達(dá)灌注高度。探頭剛接觸到混凝土?xí)r，所測的應(yīng)是混凝土上層較稀的部分，粗骨料較少，所以電阻小于標(biāo)定值。繼續(xù)灌注，標(biāo)高處混凝土逐漸均勻，在17 min時電阻上升至接近標(biāo)定值，監(jiān)測系統(tǒng)報警，用測錘試探表示混凝土已到樁頂標(biāo)高。18 min時停止灌注混凝土，直到20 min結(jié)束拔管，1號樁電阻穩(wěn)定在204 Ω，2號樁穩(wěn)定在212 Ω。

圖12 電阻隨時間變化散點(diǎn)圖Fig.12 Scatter plot of resistance value over time

后期基坑開挖后測得，1號樁超灌0.5 m，2號樁超灌0.6 m，均符合灌注樁施工規(guī)范[16]，證明自制新型標(biāo)定器測得的標(biāo)定值較準(zhǔn)確，配合超灌監(jiān)測系統(tǒng)，有效地控制了混凝土灌注高度，達(dá)到了較好的施工效果。

5 結(jié)論

通過多組室內(nèi)試驗(yàn)，研究了探針間距和樁徑對混凝土、水泥漿、泥漿和自來水4種介質(zhì)的電阻影響規(guī)律，得出了標(biāo)定環(huán)節(jié)中混凝土電阻與樁徑和探針間距的關(guān)系，并為新型標(biāo)定器的設(shè)計和應(yīng)用提供了依據(jù)。

(1)混凝土、水泥漿、泥漿和自來水的電阻隨探針間距的增大而線性增大，擬合后直線均呈R=ml+n形式，且電阻越大的介質(zhì)，m和n值越大。

(2)在同一探針間距下，隨樁徑變大，混凝土、水泥漿、泥漿和自來水的電阻變化較小，樁內(nèi)電阻基本不受樁徑影響。

(3)自制了簡易便捷的新型標(biāo)定器并通過現(xiàn)場灌注樁試驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置的可行性與準(zhǔn)確性，配合超灌監(jiān)測系統(tǒng)，能有效控制混凝土灌注高度，具有一定的可靠性和工程實(shí)用性。