港口工程中樁基質(zhì)量檢測淺析與比較＊

王大山 李業(yè)勛

20世紀80年代以來,樁基礎成為工程結構所采取的最主要的基礎形式之一,它廣泛應用于高層建筑、交通、水利等工程領域。由于樁基工程屬于地下隱蔽工程,施工工序復雜,工藝流程緊密,主要工序的施工過程都在水下或地下進行,造成其檢測過程中的諸多不便。鑒于樁基礎的特點和施工難度,地基工程對樁基礎質(zhì)量(成孔質(zhì)量、樁身質(zhì)量和承載力等)提出了更高的要求,特別是其質(zhì)量檢測是工程質(zhì)量控制的關鍵。目前,樁基礎檢測主要采用鉆孔取芯法、大應變動測法、小應變動測法、超聲波等方法[1],樁基礎各種檢測方法各有所長、相互補充,保證了樁基礎在建設中的工程質(zhì)量。

1 鉆芯法

鉆芯法是采用鉆探技術和施工工藝[2],在樁身上沿長度方向鉆取混凝土芯樣及樁端巖土芯樣,通過對芯樣的觀看和測試來評價成樁質(zhì)量。鉆芯法是一種有微破損或局部破損的檢測方法,具有科學、直觀、實用的特點。

1.1 鉆芯法的施工要點

1)抽芯檢測設備和操作要求較高,采用普通液壓鉆機、金剛石單動雙管等鉆具,一般采用中等壓力、較高轉(zhuǎn)速及中等泵量鉆進,保持鉆進參數(shù)一致,勻速鉆進,以便觀察鉆進、樁身情況;2)鉆進過程中應經(jīng)常對鉆機立軸進行校正,及時糾正偏差,根據(jù)規(guī)范要求和工程具體情況準確確定鉆孔位置,采用長巖芯管或大直徑鉆桿以減小環(huán)狀間隙,防止孔斜;3)保證采芯率;4)按有關規(guī)范等要求對取出芯樣進行詳細描述記錄;5)鉆進中若出現(xiàn)鉆速變慢、變快、孔口返泥水、帶出大量混凝土拌合用砂等異常現(xiàn)象,應立即起鉆,分析判斷原因并得出結論,采取適當處理措施后方可繼續(xù)鉆進。

1.2 鉆芯法評定內(nèi)容、原則及方法

樁基礎質(zhì)量主要包括成孔質(zhì)量、樁身質(zhì)量與混凝土強度三方面內(nèi)容,成孔質(zhì)量主要有孔徑、孔底沉渣厚度及孔垂直度等,可在成孔施工中監(jiān)測;樁身質(zhì)量主要是指樁的完整性,可通過鉆芯法等來檢測;承載力是通過芯樣試件的抗壓試驗來衡量。樁基評定要嚴格按照規(guī)范等要求進行,其評定按單樁進行,應從樁徑、樁長、樁身完整性、混凝土強度、樁底沉渣或虛土厚度、樁端持力層性狀和存在問題等進行全面、系統(tǒng)、綜合評定,評定中應定量與定性相結合,樁身質(zhì)量與承載力相互制約,并結合工程具體情況給予準確適當評定。

1.3 鉆芯法中芯樣試件截取、制作及試驗要點

1組芯樣。當樁長大于30 m時,宜適當增加試樣組數(shù);2)在芯樣試件加工制作中,要嚴格按照有關規(guī)范等進行,使芯樣試件的平均直徑、高徑比、垂直度、平整度等均滿足要求;3)芯樣試件應在(20±5)℃清水中浸泡40 h～48 h,從水中取出后立即進行抗壓試驗;4)芯樣試件的抗壓強度試驗應按《普通混凝土力學性能試驗法》中有關規(guī)定進行。

樁基檢測評定是一項嚴謹?shù)募夹g工作,受到檢測儀器設備性能、現(xiàn)場試驗條件和檢測人員素質(zhì)等諸多方面的影響,尚應注意以下幾點：1)檢測的樁基應具有代表性;2)施工檢測時,樁身混凝土齡期宜不小于28 d,設計強度應滿足有關規(guī)范等要求;3)若鉆芯等方法檢測評定認為樁基質(zhì)量達不到設計等要求,應按規(guī)范等和工程具體情況加倍復檢,并應由施工單位對不合格樁提出處理方案,經(jīng)設計、建設、監(jiān)理等相關單位同意,并經(jīng)工程所在質(zhì)監(jiān)部門批準后實施;4)芯樣試件抗壓強度的承載力驗算與評定按GBJ 107-87混凝土強度檢驗評定標準,CECS 03-88鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程,JGJ 94-94建筑樁基技術規(guī)范等有關規(guī)定進行。

樁基鉆芯檢測法有自己的獨特優(yōu)勢,但也具有局限性,因此,應將鉆芯法與其他檢測法相結合,互相補充,如實確認樁基的實際情況。

2 動測法

2.1 動測法的大應變法

大應變試樁的基本原理：用重錘沖擊樁頂,使樁—土產(chǎn)生足夠的相對位移,以充分激發(fā)樁周土阻力和樁端支承力。通過安裝在樁頂以下樁身兩側的加速度傳感器和安裝在重錘上的加速度傳感器接收樁和錘的應力波信號,應用應力波理論分析處理力和速度時程曲線,從而判定樁的承載力和評價樁身質(zhì)量完整性[3]。

2.2 動測法的小應變法

1)芯樣試件截取主要有2種模式：a.從檢測樁芯樣等間截取不小于1個試件;b.在檢測樁芯樣上中下有代表性的部位各截取

小應變測樁身結構完整性的基本原理是：在樁頂施加激振信號產(chǎn)生應力波,該應力波沿樁身傳播過程中,遇到不連續(xù)界面(如蜂窩、夾泥、斷裂、孔洞等缺陷)和樁底面時,將產(chǎn)生反射波,檢測分析反射波的傳播時間、幅值和波形特征,就能判斷樁的完整性[4]。

2.2.1 小應變法基本假設與公式

樁的典型彈性體振動模型是直桿的縱向振動。在推導直桿的縱向振動方程時,作以下基本假設：

1)材料均勻;2)直桿等截面;3)直桿變形中橫截面保持為平面,且彼此平行;4)直桿橫截面上應力分布均勻;5)忽略直桿的橫向慣性效應。

直桿的縱向振動方程的推導公式為：Z=ρcA=EA/c。其中,Z為廣義波阻抗,Ns/m;ρ為樁身混凝土密度,kg/m3;c為縱波在樁身混凝土中的傳播速度,m/s;A為樁身橫截面面積,m2;E為樁身混凝土彈性模量,N/m2。

當樁身幾何尺寸或材料物理性質(zhì)發(fā)生變化時,相應的ρ,c,A發(fā)生變化,其變化發(fā)生處成為波阻抗界面。將波阻抗的比值表示為：

其中,n為波阻抗比。

在樁頂激振后,將產(chǎn)生縮波,以波速c沿樁身向下傳播。當遇到波阻抗界面時,產(chǎn)生反射波和透射波。根據(jù)應力傳播理論,只要這兩種介質(zhì)在界面處始終保持接觸(既能承壓又能承拉而不分離),則根據(jù)連續(xù)條件和牛頓第三定律,界面上兩側質(zhì)點速度,應力均相等。

故有：

其中,R為反射系數(shù);T為透射系數(shù)。

2.2.2 小應變反射波形簡析

1)當n=1,Z1=Z2,R=0時,說明界面不存在抗阻不同或截面不同的材料,無反射波存在;2)當n＜1,Z1＞Z2,R＞0時,反射波和入射波同號,說明界面是由高阻抗硬材料進入低阻抗軟材料或大截面進入小截面;3)當n＞1,Z1＜Z2,R＜0時,反射波和入射波反號,說明界面是由低阻抗軟材料進入高阻抗硬材料或小截面進入大截面。

離析和夾泥等缺陷樁(見圖1),其ρ,c,A全部減小,導致Z2變小,Z1＜Z2,n＜1,R＞0,第一反射子波與入射波位相同,幅值與缺陷程度相關。當ρ2c2A2=0.75ρ1c1A1時,n=0.75,R=1/7。

樁長及缺陷位置的確定,樁身缺陷至傳感器安裝點的距離可按下式計算：

其中,X為樁身缺陷至傳感器安裝點的距離;Δtx為速度波第一峰與缺陷反射波峰的時間差,ms;c為受檢樁的樁身波速,m/s;Δf為頻譜信號曲線上缺陷相鄰諧振峰間的頻差,Hz。

3 超聲波檢測法

超聲波透射法是在樁內(nèi)預埋縱向聲測管道,將超聲脈沖發(fā)射和接收探頭置于聲測管中,管中充滿清水作耦合劑,儀器發(fā)出周期性電脈沖,通過發(fā)射探頭發(fā)射穿透混凝土,被接收探頭接收并轉(zhuǎn)換成電信號。儀器中的測量系統(tǒng)測出超聲脈沖穿過樁體所需時間、接收波幅值、接收脈沖主頻率、接收波形及頻譜等參數(shù)。由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)按判斷軟件對接收信號的各種參數(shù)進行綜合判斷和分析,即可對混凝土各種內(nèi)部缺陷的性質(zhì)、大小、位置做出判斷,并給出混凝土總體均勻性和強度等級的評價指標。

4 結語

鉆芯檢測可直觀地觀察樁身完整性,但費用高,周期長,且屬于有損檢測。大應變法可直接判定樁的承載力和評價樁身質(zhì)量完整性,但是設備復雜繁重,有時在工程上難以滿足。小應變動測法可較準確測得樁身的完整性及夾泥層或縮頸,樁底持力層,且設備簡單輕巧,在實際工程中運用最為廣泛,但對局部離析,縮頸等很難區(qū)別,只能做大致判斷。超聲波法可直接測得樁身的完整性,樁基混凝土的勻稱性,但是設備繁重,施工不方便,歷時較長,實測面積小,無法檢測到樁身整體縮頸和樁底沉渣情況。

樁基工程的隱蔽性很強,影響施工質(zhì)量的因素又很多,難以預見,這就要求對樁基的測試工作中做到實事求是,一絲不茍,綜合分析運用各種檢測方法,以免給工程造成事故隱患。

[1]伍 鵬,徐 云.工程樁基不同檢測方法的檢測結果比較[J].山西建筑,2006,32(11)：70-71.

[2]韓永昌,石永泉,方煜華.樁基檢測和加固處理措施[J].四川地震,2009(1)：29-32.

[3]王懷元,李德新.動力測樁法在樁基檢測中的技術探討[J].地質(zhì)與勘探,1999(35)：91-93.

[4]劉中濤.采用低應變動測技術檢測橋梁鉆孔灌注樁[J].交通世界,2008(2)：145.

[5]鄒貴誠.樁基的質(zhì)量缺陷處理[J].山西建筑,2008,34(31)：130-131.