水利水電工程地基基礎(chǔ)巖土試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)

◎李啟凱 廣州市水務(wù)科學(xué)研究院有限公司

地基基礎(chǔ)巖土試驗(yàn)是水利水電工程質(zhì)量檢測(cè)體系的重要組成部分，通過(guò)檢測(cè)結(jié)果反映地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的使用性能，從中發(fā)現(xiàn)質(zhì)量隱患并及時(shí)處理，這對(duì)保證水利水電工程使用安全、運(yùn)行穩(wěn)定有重要意義。與此同時(shí)，現(xiàn)代水利水電工程基礎(chǔ)型式復(fù)雜、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，原有巖土試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)種類單一，難以滿足實(shí)際檢測(cè)需要。只有加強(qiáng)巖土質(zhì)量的檢測(cè)，明確水利水電工程所在區(qū)域地質(zhì)條件并針對(duì)性的進(jìn)行處理，才可以確保水利水電工程地基基礎(chǔ)施工質(zhì)量。

1.水利水電工程地基基礎(chǔ)巖土試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)特點(diǎn)

在水利水電工程中，地基基礎(chǔ)巖土試驗(yàn)具有施工隱蔽性、工程不確定性、操作區(qū)域性等特點(diǎn)，檢測(cè)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)制定巖土試驗(yàn)方案。第一，施工隱蔽性，巖土地基施工內(nèi)容中的樁基施工、軟基處理等部分具備較強(qiáng)的隱蔽性，如果在地基基礎(chǔ)驗(yàn)收環(huán)節(jié)再組織巖土試驗(yàn)，很難全面反映地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)性能與建設(shè)質(zhì)量，因而需要檢測(cè)人員樹(shù)立跟蹤檢測(cè)意識(shí)，在施工期間同步開(kāi)展檢測(cè)作業(yè)，以此來(lái)動(dòng)態(tài)反映工程建設(shè)質(zhì)量，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。第二，工程不確定性，不同水利水電工程的基礎(chǔ)型式、現(xiàn)場(chǎng)土壤環(huán)境條件、氣候條件存在明顯差異，為保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性與完整性，要求檢測(cè)人員提前做好現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察工作，根據(jù)考察結(jié)果來(lái)掌握工程情況、合理選擇檢測(cè)技術(shù)。第三，操作區(qū)域性，現(xiàn)代水利水電工程建設(shè)規(guī)模大，地基基礎(chǔ)所處區(qū)域的巖土性質(zhì)存在一定差異，檢測(cè)人員需要根據(jù)巖土性質(zhì)在現(xiàn)場(chǎng)布置若干檢測(cè)區(qū)域，制定面向各處區(qū)域的巖土試驗(yàn)方案。

1.2 試驗(yàn)流程與操作方法

水利水電工程地基基礎(chǔ)巖土試驗(yàn)流程由樣品選擇、現(xiàn)場(chǎng)采樣、樣品存儲(chǔ)運(yùn)輸、實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)四道環(huán)節(jié)組成，各道環(huán)節(jié)的作業(yè)內(nèi)容、操作要點(diǎn)不同，檢測(cè)人員必須掌握全部要點(diǎn)。第一，在樣品選擇環(huán)節(jié)，檢測(cè)人員在工程現(xiàn)場(chǎng)劃設(shè)若干具備代表性的區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)隨機(jī)采集3―5組樣品，要求同區(qū)域內(nèi)各組樣品的采樣地點(diǎn)地基厚度、巖土物理性質(zhì)存在明顯差異，不得在相同地點(diǎn)集中采集多組樣品。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)選擇采樣時(shí)間，禁止在現(xiàn)場(chǎng)巖土過(guò)于干燥、過(guò)于潮濕時(shí)采集樣品，避免后續(xù)樣品檢測(cè)結(jié)果受到巖土含水率影響。第二，在現(xiàn)場(chǎng)采樣環(huán)節(jié)，檢測(cè)人員應(yīng)根據(jù)樣品來(lái)源選擇相應(yīng)的采樣方式。一般情況下，檢測(cè)人員使用鉆機(jī)在各處點(diǎn)位鉆設(shè)孔洞，使用取土器在孔內(nèi)一定深度處采集巖土樣品，并在相同垂直面與水平面內(nèi)均勻采樣。而在所設(shè)定采樣地點(diǎn)受到雨水沖刷、地表水侵蝕影響而出現(xiàn)土壤狀態(tài)改變、形成滑坡與斜波地形等問(wèn)題時(shí)，禁止在這類區(qū)域采集樣品，避免樣品適用性受到影響、檢測(cè)結(jié)果無(wú)法真實(shí)反映巖土的狀態(tài)性質(zhì)[1]。第三，在樣品存儲(chǔ)運(yùn)輸環(huán)節(jié)，檢測(cè)人員在采樣完畢后，立即將所采集樣品裝入密封筒等容器中密封保存，在筒口粘貼膠帶，阻攔外部環(huán)境中的水分、空氣滲入筒內(nèi)，并在容器表面粘貼標(biāo)簽，標(biāo)明樣品編號(hào)、采樣時(shí)間、采樣地點(diǎn)、采樣人等基本信息。隨后，將樣品容器裝車運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)，要求在車廂內(nèi)營(yíng)造恒溫恒濕環(huán)境條件，在車廂內(nèi)擺放箱子，箱內(nèi)放入樣品容器、周邊填充海綿或是軟紙等防護(hù)材料，嚴(yán)格控制運(yùn)輸時(shí)長(zhǎng)。如果在樣品運(yùn)輸期間出現(xiàn)未及時(shí)送至實(shí)驗(yàn)室、樣品泄露、樣品污染等問(wèn)題，則需要重新開(kāi)展采樣作業(yè)，不得將此類樣品進(jìn)行檢驗(yàn)。第四，在實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，檢測(cè)人員要重點(diǎn)檢查樣品保存情況、核對(duì)樣品編號(hào)與采樣時(shí)間等信息，確定一切無(wú)誤后，按照方案內(nèi)容在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開(kāi)展容重測(cè)定、含水量測(cè)定、壓縮固結(jié)試驗(yàn)、粒度分析試驗(yàn)、粘性土塑限測(cè)定等多項(xiàng)試驗(yàn)，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)判斷工程地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的巖土物理力學(xué)性質(zhì)。

2.水利水電工程中的地基基礎(chǔ)巖土試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)

2.1 靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)適用于檢測(cè)工程地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中的灌注樁、預(yù)制樁等樁身，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)反映樁體水平承載性能和豎向承載性能，判斷樁基礎(chǔ)實(shí)際受力條件是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并檢查樁基礎(chǔ)是否存在斷樁、夾泥等質(zhì)量缺陷。從實(shí)操角度來(lái)看，靜載試驗(yàn)技術(shù)是在基礎(chǔ)樁頂部堆放重物，檢測(cè)人員分級(jí)持續(xù)向樁身頂部施加豎向壓力、水平推力或是豎向上拔力，同步記錄樁身頂部的沉降量與位移量，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)判斷樁身的抗壓、抗拔、水平承載力是否達(dá)標(biāo)。

在靜載試驗(yàn)期間，要求檢測(cè)人員掌握試驗(yàn)樁挑選、設(shè)備安裝、選擇加載方式、沉降觀測(cè)四方面的操作要點(diǎn)。第一，在試驗(yàn)樁挑選方面，根據(jù)樁體總數(shù)量來(lái)選擇試驗(yàn)樁數(shù)量，一般情況下應(yīng)挑選3根及更多數(shù)量的試驗(yàn)樁，把試驗(yàn)樁總體占比控制在1%以上，在樁體總數(shù)不足50根情況下，試驗(yàn)樁數(shù)量不得少于2根。第二，在設(shè)備安裝方面，在試驗(yàn)樁頂部位置砌筑磚墻，在磚墻上固定安裝工字鋼，由工字鋼搭建組成荷載平臺(tái)，平臺(tái)上鋪設(shè)荷載板、碼砌土袋和擺放液壓千斤頂與百分表作為測(cè)力測(cè)量裝置。第三，在加載方式選擇方面，為準(zhǔn)確反映樁身性能，優(yōu)先采取慢速維持荷載法，分多級(jí)持續(xù)向樁身頂部施壓，到達(dá)各級(jí)荷載后持荷一段時(shí)間，必須在荷載恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)后繼續(xù)施壓。而在對(duì)靜載試驗(yàn)時(shí)間提出嚴(yán)格要求時(shí)，則采取快速維持荷載法，以1h為間隔時(shí)間，迅速提高荷載等級(jí)。第四，在沉降觀測(cè)方面，檢測(cè)人員根據(jù)工程情況來(lái)確定數(shù)值測(cè)讀頻次、沉降穩(wěn)定狀態(tài)判定標(biāo)準(zhǔn)。正常情況下，檢測(cè)人員在各級(jí)加載完畢后每隔15min讀取一遍測(cè)量值、累計(jì)加載1h后每隔30min讀取一遍測(cè)量值；將每小時(shí)0.1mm沉降量作為沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，如果實(shí)際沉降速度超過(guò)這一標(biāo)準(zhǔn)，則表明試驗(yàn)樁存在異常沉降問(wèn)題[2]。

2.2 剪切波速試驗(yàn)

剪切波速試驗(yàn)是檢測(cè)人員使用鐵球反復(fù)撞擊木板，撞擊狀態(tài)下使得木板與現(xiàn)場(chǎng)地面產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，持續(xù)生成剪切波，剪切波通過(guò)鉆孔向下方土層傳播，后續(xù)根據(jù)所接收剪切波的特征值來(lái)獲取檢測(cè)結(jié)果。在水利水電工程中，此項(xiàng)技術(shù)多用于劃分場(chǎng)地類型、判斷現(xiàn)場(chǎng)是否存在地基土液化可能性、反映地基處理效果與評(píng)價(jià)地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)抗震性能。

在剪切波速試驗(yàn)期間，要求檢測(cè)人員合理選擇具體技術(shù)手段，分為單孔法、跨孔法、面波法三種。以單孔檢測(cè)技術(shù)為例，提前在測(cè)點(diǎn)處鉆設(shè)垂直狀測(cè)試孔，各處測(cè)孔間距保持在2.0m左右，在測(cè)孔上方放置木板，要求測(cè)孔中心點(diǎn)與木板長(zhǎng)向中垂線保持對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)，在木板上堆放重量在400kg及以上的重物。隨后，選用錘體作為壓縮波振源，控制錘體反復(fù)錘擊木板，由測(cè)孔內(nèi)安裝的傳感器記錄剪切波波形，后續(xù)根據(jù)波形分析結(jié)果來(lái)獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)，還應(yīng)了解振源使用、地面平整、測(cè)井鉆孔時(shí)間、套管使用等注意事項(xiàng)，如使用8磅或10磅重錘體作為振源、提前將各處測(cè)試孔周邊地面進(jìn)行平整處理[3]。

2.3 探地雷達(dá)檢測(cè)

探地雷達(dá)技術(shù)通過(guò)發(fā)射寬頻帶短脈沖形式電磁波，電磁波在地層與地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中傳播，再將返回地面的電磁波進(jìn)行采集，根據(jù)電磁波傳播速度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)繪制雷達(dá)圖像，以此來(lái)掌握地基基礎(chǔ)厚度、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)狀態(tài)等信息。相比于其他檢測(cè)技術(shù)，探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)有著不破壞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、工作條件寬松、易于操作、抗干擾能力強(qiáng)、檢測(cè)費(fèi)用低廉的優(yōu)勢(shì)，既可用于檢測(cè)地基基礎(chǔ)，也可用于堤壩檢測(cè)等其他場(chǎng)景。

在探地雷達(dá)檢測(cè)期間，要求檢測(cè)人員全面掌握天線選型、測(cè)線布置、參數(shù)記錄確認(rèn)、測(cè)試數(shù)據(jù)處理四方面的操作要點(diǎn)。第一，在天線選型方面，檢測(cè)人員綜合分析探測(cè)幅值、探測(cè)時(shí)間等因素來(lái)選擇天線型號(hào)，并保持天線型號(hào)與所選設(shè)備的適配性，多數(shù)情況下配備16MHz-80MHz組合天線即可滿足地基基礎(chǔ)探地雷達(dá)檢測(cè)需要。第二，在測(cè)線布置方面，要求在地基基礎(chǔ)部位上布置一條橫跨基礎(chǔ)長(zhǎng)度的縱斷面線，根據(jù)檢測(cè)要求布置若干條橫斷面測(cè)線，準(zhǔn)確計(jì)算相鄰斷面測(cè)點(diǎn)的最佳間距值。第三，在參數(shù)記錄確認(rèn)方面，檢測(cè)人員提前在設(shè)備中設(shè)定信號(hào)位置、檢測(cè)頻率、檢測(cè)速度等參數(shù)，重復(fù)開(kāi)展多次檢測(cè)作業(yè)，對(duì)比各次檢測(cè)數(shù)據(jù)，從中篩除偏差較大的無(wú)效數(shù)據(jù)，并將所收集信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)主機(jī)中加以整合處理。第四，在測(cè)試數(shù)據(jù)處理方面，檢測(cè)人員使用軟件自帶處理工具，依次對(duì)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、消除直流成分、時(shí)間零校正、消除直達(dá)波、時(shí)間增益、反褶積和數(shù)據(jù)圖像偏移處理，即可獲取雷達(dá)圖像。

2.4 鉆孔取芯檢測(cè)

鉆孔取芯技術(shù)簡(jiǎn)稱為鉆芯法，檢測(cè)人員使用鉆機(jī)在樁類地基基礎(chǔ)中鉆設(shè)孔洞，取出孔內(nèi)芯樣，將芯樣送至實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)或是現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)判斷樁基混凝土強(qiáng)度是否達(dá)標(biāo)，是否存在混凝土膠離析、振搗不實(shí)等質(zhì)量缺陷。根據(jù)應(yīng)用情況來(lái)看，此項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)有著易于操作、直觀反映基礎(chǔ)混凝土結(jié)構(gòu)狀態(tài)的優(yōu)勢(shì)，但會(huì)造成地基基礎(chǔ)破損后果，后續(xù)額外開(kāi)展返工作業(yè)來(lái)修補(bǔ)破損部位。

在鉆孔取芯檢測(cè)期間，要求檢測(cè)人員掌握樁基鉆孔、芯樣取樣、芯樣檢驗(yàn)三方面的操作要點(diǎn)。第一，在樁基鉆孔環(huán)節(jié)，提前在工程現(xiàn)場(chǎng)挑選多根具備代表性的樁體作為測(cè)試樁，在測(cè)試點(diǎn)安放液壓鉆機(jī)、雙管鉆具等配套設(shè)備，做好設(shè)備調(diào)試檢查工作。待準(zhǔn)備工作完成后，檢測(cè)人員操縱鉆機(jī)在測(cè)點(diǎn)中垂直向下鉆進(jìn)成孔，嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度與鉆孔角度，將鉆孔垂直度偏差控制在0.5%以內(nèi)、回次進(jìn)尺保持在1.5m左右，重復(fù)上述操作完成全部測(cè)點(diǎn)的鉆孔作業(yè)。第二，在芯樣取樣方面，檢測(cè)人員根據(jù)具體要求來(lái)選擇芯樣截取方式，共分為等間距截取、代表部位截取兩種。其中，等間距截取是在各處芯樣中按照規(guī)定間距來(lái)截取若干數(shù)量的試件。代表部位截取是在芯樣上設(shè)定若干具備代表性的部位，如在芯樣上部、中部與下部分別設(shè)置取樣部位，后續(xù)從代表部位中截取1組或多組試件。第三，在芯樣檢驗(yàn)方面，檢測(cè)人員清除芯樣表面的毛刺與灰塵污漬，對(duì)破損部位使用水泥砂漿進(jìn)行修補(bǔ)處理。待芯樣的高徑比、平整度、垂直度等各項(xiàng)參數(shù)達(dá)標(biāo)后，放置在20℃-30℃清水內(nèi)浸泡48h，到達(dá)浸泡時(shí)間后取出芯樣開(kāi)展抗壓試驗(yàn)等多項(xiàng)試驗(yàn)[4]。

2.5 瑞利波法

瑞利波法是對(duì)地基基礎(chǔ)部分開(kāi)展瞬態(tài)瑞利波測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果中的波速傳播速度、頻散性等特性來(lái)判斷結(jié)構(gòu)填筑材料干密度的一項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)。在水利水電工程中，相比于其他檢測(cè)技術(shù)，瑞利波法的核心優(yōu)勢(shì)在于，可以單次完成大范圍地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)作業(yè)，操作流程簡(jiǎn)單、檢測(cè)成本低廉，檢測(cè)結(jié)果全面反映地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特性。

在應(yīng)用瑞利波法時(shí)，檢測(cè)人員需要根據(jù)檢測(cè)項(xiàng)目種類來(lái)明確檢測(cè)要求、制定檢測(cè)方案與掌握操作要點(diǎn)，具體可用于地基土特性檢測(cè)、地基強(qiáng)夯檢測(cè)、地基抗剪強(qiáng)度檢測(cè)等項(xiàng)目當(dāng)中。例如，在地基強(qiáng)夯檢測(cè)項(xiàng)目中，通過(guò)瑞利波在被測(cè)地層中的頻散特性、波長(zhǎng)、傳播速度來(lái)判斷地層物理力學(xué)性質(zhì)。檢測(cè)人員提前在工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)區(qū)內(nèi)安裝增強(qiáng)型高分辨率地震儀、Hz檢波器、記錄器等裝置，通過(guò)震源持續(xù)向地基地層發(fā)射表面波，表面波穿過(guò)地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)后被接收器接收，將接收信號(hào)提交至系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行處理，處理結(jié)果即為實(shí)測(cè)頻散曲線，進(jìn)而判斷地基強(qiáng)夯處理效果、地基結(jié)構(gòu)性能是否達(dá)到預(yù)期要求[5]。此外，考慮到瑞利波試驗(yàn)準(zhǔn)確性較差，受到頻率、介質(zhì)等多項(xiàng)因素影響，雖然可以在短時(shí)間內(nèi)完成地基基礎(chǔ)檢測(cè)任務(wù)，但很難通過(guò)檢測(cè)報(bào)告來(lái)真實(shí)、全面反映地基基礎(chǔ)情況。因此，檢測(cè)人員應(yīng)搭配采取瑞利波法和靜載試驗(yàn)法兩項(xiàng)技術(shù)手段，對(duì)照瑞利波試驗(yàn)結(jié)果與靜載荷試驗(yàn)結(jié)果，以此來(lái)克服單一的技術(shù)局限性。

3.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為切實(shí)滿足水利水電工程地基基礎(chǔ)巖土試驗(yàn)需要，更為清晰、直觀的反映出工期建設(shè)期間存在的質(zhì)量隱患、工藝問(wèn)題。工程參建單位必須提高對(duì)地基基礎(chǔ)巖土試驗(yàn)工作的重視程度，根據(jù)工程情況與試驗(yàn)要求選擇恰當(dāng)種類的檢測(cè)技術(shù)，并要求檢測(cè)人員全面掌握靜載試驗(yàn)、剪切波速試驗(yàn)、瑞利波法等檢測(cè)技術(shù)的實(shí)操要點(diǎn)，為巖土試驗(yàn)質(zhì)量、工程建設(shè)質(zhì)量提供有力技術(shù)保障。