紅砂巖地質(zhì)橋梁樁基質(zhì)量缺陷與施工技術(shù)

摘要 闡述聲波透射法進(jìn)行樁基質(zhì)量檢測的基本原理，介紹了進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)處理及樁身質(zhì)量判定的特征指標(biāo)臨界判斷值。對紅砂巖地質(zhì)特殊的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了概括總結(jié)，結(jié)合工程實踐，剖析紅砂巖地質(zhì)條件下常見的樁基質(zhì)量缺陷，對紅砂巖地質(zhì)條件下施工技術(shù)要進(jìn)行了總結(jié)。針對某高速某大橋2#墩3#樁基出現(xiàn)的斷樁質(zhì)量缺陷，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，總結(jié)了預(yù)防斷樁質(zhì)量事故出現(xiàn)的技術(shù)要點。同時，對樁基塌孔質(zhì)量問題出現(xiàn)的原因及如何預(yù)防進(jìn)行了歸納。

關(guān)鍵詞 樁基礎(chǔ);聲波透射法;紅砂巖;斷樁;塌孔

中圖分類號 U445.551 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0135-03

引言

樁基礎(chǔ)是工程建設(shè)中置于土層中的柱型工程構(gòu)件。因承載力高、穩(wěn)定性好、沉降量小且沉降均勻而被廣泛地應(yīng)用于基礎(chǔ)民用建筑、公路橋梁等工程領(lǐng)域中。近年來，我國高速公路建設(shè)發(fā)展迅速，橋梁樁基作為路橋建設(shè)關(guān)鍵工程部位，其工程質(zhì)量直接影響著橋涵工程的安全。

該文基于樁基質(zhì)量超聲波檢測方法，重點分析紅砂巖地段樁基施工易出現(xiàn)的問題，針對相應(yīng)問題提出處理措施及施工技術(shù)要點，為樁基施工質(zhì)量控制提供一定的借鑒。

1 超聲波檢測方法

橋梁樁基屬于隱蔽工程，其質(zhì)量控制和管理存在一定難度。因此，須借助較先進(jìn)的檢測手段，對質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督管理。樁基檢測方法主要有以下幾種：靜載實驗法、動力測樁法、聲波透射法等[1]，同時還有鉆芯取樣、埋設(shè)傳感器等輔助檢測方法。聲波透射法由于操作較為簡便快捷，能較好地反映樁身的完整性，且能夠準(zhǔn)確地判斷樁身缺陷的位置、范圍及程度，因此被廣泛應(yīng)用。

1.1 基本原理

聲波透射法是利用預(yù)埋于樁身中的聲測管，通過聲波發(fā)射和接收換能器來測試樁身各個斷面的波速，從而得到樁身剖面的聲測時程曲線。根據(jù)該聲測時程曲線可以評定樁身完整性、混凝土均勻性及混凝土強度參考值。因此，聲波透射法是一種較理想的測試方法[2]。

聲波透射法適用于樁徑大于0.6 m的樁基。對于計劃采用聲波透射法進(jìn)行樁身質(zhì)量檢測的樁基，施工時應(yīng)在樁身內(nèi)預(yù)埋聲測管，聲測管埋設(shè)數(shù)量根據(jù)樁徑大小不同可埋設(shè)2根、3根或4根。

平測時，聲波發(fā)射與接收聲波換能器始終保持在相同的深度[3]，檢測前，應(yīng)確定儀器系統(tǒng)延遲時間t0，并計算聲測管及耦合水層聲時修正值t '，t '可按下式計算：

式中：D——聲測管外徑;d——聲測管內(nèi)徑;d '——換能器外徑;vt——聲測管壁原方向聲速;vw——水中的聲波速度。

平測時，各檢測剖面聲測線的聲時、聲速可按以下公式計算：

式中：i——聲測線編號，在對應(yīng)檢測剖面上自下而上連續(xù)編號;j——檢測剖面編號;tci（j）——第j剖面第i聲測線聲時（μs）;vi（j）——第j剖面第i聲測線聲速（km/s）;li'（j）——第j剖面第i聲測線位置處，兩聲測管外壁之間的凈距離（mm）;Api（j）——第j剖面第i聲測線的首波波幅（dB）;ai（j）——第j剖面第i聲測線信號首波幅值（V）;a0——零分貝信號幅值（V）。

1.2 數(shù)據(jù)處理及判定

當(dāng)樁身存在質(zhì)量缺陷時，主要通過波速和波幅反映出來[4]。樁基施工過程中出現(xiàn)斷樁、混凝土離析等問題時，混凝土介質(zhì)的連續(xù)性遭到破壞[5]。超聲波在混凝土介質(zhì)中傳播，將透過或者繞過缺陷位置進(jìn)行傳播，其實際的傳播路徑大于樁身連續(xù)時的傳播路徑，因此用時較長，該缺陷位置的聲測線波速隨之降低。當(dāng)混凝土樁身存在蜂窩、空洞、裂隙時，由于空氣和水的聲阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝土的聲阻抗，存在缺陷位置處的聲波會進(jìn)行反射和散射，聲能隨之減小，并表現(xiàn)為聲測線波幅的衰減[6]。

對獲得的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判斷，主要是對波速和波幅兩個特征指標(biāo)進(jìn)行判斷。用于判斷波速異常的臨界判斷值為vc，當(dāng)聲測線波速滿足：

則判定該聲測線處聲速異常。

用于判斷波幅異常的臨界判斷值為Ac（j），當(dāng)聲測線波幅值滿足：

則該聲測線處波幅異常。

2 紅砂巖地段樁基檢測中常見質(zhì)量問題及技術(shù)處理要點

紅砂巖屬于沉積巖地質(zhì)，因巖體中富含鐵質(zhì)氧化物，多呈紅色或褐色。巖層中多由砂巖、泥巖組成。紅砂巖地質(zhì)條件廣泛分布于西南地區(qū)及華南等地區(qū)[7]。

紅砂巖的主要組成成分為砂巖、泥巖等，因此單軸抗壓強度較低。且紅砂巖中多含有泥質(zhì)膠結(jié)，其主要物理力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為：未風(fēng)化及受水害化前為堅硬質(zhì);被風(fēng)化或受水浸化后強度極速變軟且無粘結(jié)性。紅砂巖遇水后易出現(xiàn)軟化、崩解、膨脹等不良的工程特性[8]，給工程施工帶來極大困擾。因此，在紅砂巖地質(zhì)條件下進(jìn)行樁基施工，須結(jié)合樁基檢測，對樁基質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

依托具體橋梁樁基施工情況，對樁基施工中紅砂巖地質(zhì)條件下常見斷樁、塌孔等質(zhì)量缺陷進(jìn)行闡述，并總結(jié)施工中應(yīng)注意的技術(shù)要點。

2.1 沉渣

2.1.1 工程實例

結(jié)合某大橋7-3樁基施工情況，對紅砂巖地質(zhì)條件下易出現(xiàn)的樁基質(zhì)量問題進(jìn)行說明。

興贛高速公路某大橋7#墩3#樁基采用人工挖孔樁，設(shè)計樁長43 m，樁徑2.00 m，為嵌巖樁。

樁基底部40.45～41.20 m范圍內(nèi)聲波數(shù)據(jù)異常，全斷面無波速，存在嚴(yán)重質(zhì)量問題。結(jié)合施工現(xiàn)場地質(zhì)條件及施工過程，分析樁基底部出現(xiàn)質(zhì)量問題的原因是樁基底部存在大范圍沉渣。

該樁基質(zhì)量問題主要與紅砂巖地質(zhì)的特殊性有關(guān)。由于紅砂巖底層較疏松，遇水易軟化，且含砂率較高，在樁基開挖成孔后，若未對樁基底部沉渣進(jìn)行清理，或?qū)Φ撞枯^疏松部分的巖層清理不徹底，均會對樁基底部質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。

2.1.2 紅砂巖地質(zhì)條件下預(yù)防沉渣施工技術(shù)要點

針對樁基底部質(zhì)量問題，紅砂巖地質(zhì)條件下樁基施工應(yīng)注意：

（1）采用人工挖孔時，樁基開挖成孔后，須徹底清理樁底沉渣后，才能進(jìn)行混凝土灌注。

（2）采用機械沖擊成孔時，對樁基底部進(jìn)行清理，加水不易過快，否則易造成鉆渣沉底，很難再徹底清除。同時，可將泥漿循環(huán)溝適當(dāng)加長，使鉆渣在循環(huán)過程中快速沉淀，泥漿中鉆渣含量減小，可加快施工進(jìn)度。

（3）清孔后，應(yīng)及時進(jìn)行樁身混凝土灌注，特別是水下灌注時，施工速度要快。

紅砂巖地質(zhì)條件較為特殊，在樁基施工過程中，還應(yīng)關(guān)注以下技術(shù)要點：

（1）樁基成孔過程中，在地下水位較高的地質(zhì)條件下采用人工挖孔作業(yè)時，紅砂巖巖體的崩解加快，孔內(nèi)作業(yè)安全性差。因此，人工開挖需小尺度掘進(jìn)，且在巖體開挖后及時施作混凝土護(hù)壁。混凝土護(hù)壁具有一定強度時，再加大掘進(jìn)尺度。

（2）采用機械沖擊成孔，其護(hù)壁所采用的泥漿與一般地質(zhì)條件下的泥漿有所不同，其泥漿濃度、泥皮厚度均偏大，形成高壓強模式，以便泥漿可以滲入周邊砂性巖體中，形成有粘結(jié)力、穩(wěn)定性較強的巖體。

（3）在樁基開挖成孔過程中，常遇到紅砂巖巖體中未風(fēng)化的石球，其強度較高，易造成孔身偏斜。在鉆進(jìn)過程中，應(yīng)時刻警惕該情況的發(fā)生。一旦發(fā)現(xiàn)樁身偏斜，應(yīng)及時回填比紅砂巖強度更高的回填料，壓實后重新鑿孔。在重新鑿孔過程中，宜采用小行程沖擊成孔，以免再次出現(xiàn)孔斜。

2.2 斷樁

斷樁是指樁身局部分離或斷裂的現(xiàn)象，樁基施工各個環(huán)節(jié)均有可能造成樁身斷裂[9]。出現(xiàn)斷樁質(zhì)量事故時，須將樁身深鑿至斷裂面，清理后重新灌注接樁，可能導(dǎo)致工期延誤，并帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。結(jié)合興贛高速某大橋2#墩3#樁基施工及檢測情況，對該樁基質(zhì)量問題進(jìn)行說明。

2.2.1 工程實例

某大橋2#墩3#樁基采用人工挖孔樁，設(shè)計樁長32 m，樁徑2.20 m，為摩擦樁。

樁身多處聲波波速突然下降，遠(yuǎn)小于波速臨界判斷值。且波速衰減表現(xiàn)為樁身全斷面衰減。因此，判定該樁基樁身多處斷裂。

結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件及施工情況，在灌注前，該地區(qū)連續(xù)多日降雨，造成部分紅砂巖巖體軟化崩解，形成軟弱結(jié)構(gòu)體。在澆筑時，由于樁徑較大，須盡量減小對周圍巖體擾動，因此，樁身灌注速度較慢，持續(xù)時間較長，導(dǎo)致混凝土流動性及和易性變差，引起斷樁[10]。

2.2.2 預(yù)防斷樁施工技術(shù)要點

紅砂巖地區(qū)樁基施工過程中，樁基施工與其他地質(zhì)條件基礎(chǔ)施工相比較為特殊，紅砂巖巖體遇水易崩解，受干濕循環(huán)影響大，因此，紅砂巖樁基灌注過程中須對已開挖巖體進(jìn)行保護(hù)，避免干濕循環(huán);同時，安排好現(xiàn)場施工時間，嚴(yán)格控制澆筑混凝土的質(zhì)量，主要從以下幾個方面進(jìn)行控制：

（1）施工過程中，抽動導(dǎo)管時力度適中，使導(dǎo)管勻速緩慢上升，保證拔管與灌注有序連續(xù)進(jìn)行。避免因?qū)Ч馨纬龇冗^大，對周圍軟弱紅砂巖巖體造成擾動，導(dǎo)致樁身夾泥甚至斷樁。

（2）嚴(yán)格管理施工現(xiàn)場，做到有序調(diào)度，保證灌注過程中混凝土及時運送，施工現(xiàn)場能夠連續(xù)作業(yè)。

（3）混凝土灌注過程中，應(yīng)控制導(dǎo)管埋置深度不易過?。ㄗ钚÷裆顟?yīng)不小于2 m），防止導(dǎo)管堤漏、進(jìn)水，進(jìn)而造成斷樁。

2.3 塌孔

2.3.1 塌孔質(zhì)量缺陷原因分析

紅砂巖地質(zhì)條件下，極易出現(xiàn)塌孔事故。紅砂巖一經(jīng)開挖，經(jīng)歷干濕循環(huán)后，強度大大折減，往往形成軟弱夾層，成為施工事故的潛在隱患。在紅砂巖地質(zhì)條件下進(jìn)行樁基施工，造成塌孔的原因主要為：

（1）護(hù)筒埋置深度較淺，導(dǎo)致護(hù)筒內(nèi)漏水，孔壁附近紅砂巖巖體浸泡后崩解，喪失整體性而坍落。

（2）在砂層地質(zhì)條件下鉆孔時，泥漿濃度、相對密度不夠，起不到應(yīng)有的護(hù)壁功能。

（3）機電安裝離孔口過近，紅砂巖遇水后易崩解，強度較低，在震動作用造成塌孔。

2.3.2 預(yù)防塌孔施工技術(shù)要點

應(yīng)對塌孔質(zhì)量缺陷，以預(yù)防為主，主要做到以下幾點：

（1）樁基施工前對現(xiàn)場地質(zhì)情況進(jìn)行全面了解，認(rèn)真分析地質(zhì)環(huán)境、巖體性質(zhì)、地下水位等因素，選擇適宜的成孔方法。

（2）采用沖擊成孔時，針對不同的地質(zhì)條件，應(yīng)對進(jìn)尺速度、泥漿濃度適當(dāng)調(diào)整。若在松散砂層中沖擊成孔時，應(yīng)采用小行程沖孔機械，控制掘進(jìn)速度;同時，造漿時應(yīng)適當(dāng)加大泥漿粘度及濃度，在孔內(nèi)形成高壓強模式，泥漿滲入孔壁與砂性土質(zhì)粘結(jié)，防止砂層浸水坍落[11]。

（3）發(fā)現(xiàn)塌孔后，應(yīng)及時探明坍塌位置，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，分析坍塌原因，采取相應(yīng)的可行措施。若輕度坍落，可回填粘土至坍落高度以上1～2 m后，繼續(xù)小尺度鉆進(jìn)。若塌孔嚴(yán)重，則須將鉆孔全部用砂性土回填，待穩(wěn)定后重新鉆孔。

3 結(jié)語

基于聲波透射樁基質(zhì)量檢測方法，結(jié)合樁基檢測工程實例，對高速公路樁基施工中常見的質(zhì)量缺陷進(jìn)行分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）紅砂巖地質(zhì)條件較為特殊，受風(fēng)化及水害后，巖體力學(xué)性質(zhì)嚴(yán)重劣化。紅砂巖地質(zhì)條件下樁基施工，須對樁基底部徹底清理，樁身施工進(jìn)尺進(jìn)行嚴(yán)格控制。采用沖擊成孔時，泥漿濃度適當(dāng)放大，滿足砂性巖體地質(zhì)條件下泥漿護(hù)壁需求[12]。

（2）防止斷樁質(zhì)量缺陷出現(xiàn)，在樁身澆筑前，合理安排現(xiàn)場調(diào)度，使?jié)仓ぷ髂軌蜻B續(xù)快速進(jìn)行。同時，對澆筑所用混凝土質(zhì)量嚴(yán)格控制，具備較好的和易性及流動性。

（3）塌孔質(zhì)量事故的出現(xiàn)，主要問題在于孔壁防護(hù)存在缺陷。沖擊成孔時，對泥漿濃度加大控制，使其滿足不同地質(zhì)條件下的護(hù)壁要求。同時，進(jìn)行機電設(shè)備安裝、鋼筋籠吊入等，注意對孔壁不造成擾動，預(yù)防塌孔。

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收稿日期：2022-01-24

作者簡介：王娟（1970—），女，本科，高級工程師，研究方向：公路建設(shè)監(jiān)理與監(jiān)測。