多種檢測方法在判斷樁身缺陷過程中的綜合應(yīng)用

李鵬，劉勇，劉振發(fā)，許國慶，邵鋮

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266033； 2.青島巖土工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266033；3.青島海泊爾建設(shè)工程檢測有限公司，山東 青島 266033)

1 引 言

在工程建設(shè)中，樁基礎(chǔ)由于具有較好的荷載傳遞性能，適應(yīng)較復(fù)雜地質(zhì)條件及具有較高承載能力的優(yōu)點(diǎn)，近年來得到越來越廣泛的應(yīng)用。而隨之而來的是基樁施工過程中縮頸、斷裂、夾泥、沉渣、擴(kuò)頸等質(zhì)量問題的增多，因此基樁的質(zhì)量檢測對于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取必要的工程措施以確保樁基礎(chǔ)的施工質(zhì)量具有十分重要的意義。

2 檢測原理

2.1 鉆芯法

鉆芯法檢測是采用金剛石巖芯鉆探技術(shù)和操作工藝，對灌注樁樁身和持力層鉆取芯樣，根據(jù)芯樣表觀質(zhì)量以及芯樣試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果來綜合評定成樁質(zhì)量的一種檢測方法。具體檢測以下內(nèi)容：

(1)檢測灌注樁的樁長；

(2)通過鉆進(jìn)速度和提取的芯樣特征，定性檢測基樁成樁質(zhì)量，判定樁身完整性；

(3)檢測樁身砼強(qiáng)度；

(4)檢測樁底沉渣厚度；

(5)判定和鑒別樁端持力層巖土性狀。

2.2 聲波透射法

聲波透射法檢測樁身結(jié)構(gòu)完整性的基本原理是：由超聲脈沖發(fā)射源在砼內(nèi)激發(fā)高頻彈性脈沖波，并用高精度的接收系統(tǒng)記錄該脈沖波在砼內(nèi)傳播過程中表現(xiàn)的波動特征；當(dāng)砼內(nèi)存在不連續(xù)或破損界面時(shí)，缺陷面形成波阻抗界面，波到達(dá)該界面時(shí)，產(chǎn)生波的透射和反射，使接收到的透射能量明顯降低；當(dāng)砼內(nèi)存在松散、蜂窩、孔洞等嚴(yán)重缺陷時(shí)，將產(chǎn)生波的散射和繞射；根據(jù)波的初至到達(dá)時(shí)間和波的能量衰減特征、頻率變化及波形畸變程度等特性，可以獲得測區(qū)范圍內(nèi)砼的密實(shí)度參數(shù)。測試記錄不同側(cè)面、不同高度上的超聲波動特征，經(jīng)過處理分析就能判別測區(qū)內(nèi)砼的參考強(qiáng)度和內(nèi)部存在缺陷的性質(zhì)、大小及空間位置。

在基樁施工前，根據(jù)樁直徑的大小預(yù)埋一定數(shù)量的聲測管，作為換能器的通道。測試時(shí)每兩根聲測管為一組，通過水的耦合，超聲脈沖信號從一根聲測管中的換能器發(fā)射出去，在另一根聲測管中的聲測管接收信號，超聲儀測定有關(guān)參數(shù)并采集記錄儲存。換能器由樁底同時(shí)往上依次檢測，遍及各個(gè)截面。測試原理示意圖如圖1所示：

圖1 聲波透射法原理示意圖

2.3 全孔壁數(shù)字成像

全孔壁數(shù)字成像是一種能直觀顯示地下孔壁圖像的檢測設(shè)備。它以視覺獲取地下信息，具有直觀性、真實(shí)性、便捷性等優(yōu)點(diǎn)，它已應(yīng)用于地質(zhì)勘探和工程檢測中。

用它可以準(zhǔn)確地劃分巖性，查明地質(zhì)構(gòu)造，確定軟弱泥化夾層，檢測斷層、裂隙、破碎帶，觀察地下水活動狀況等。在工程建設(shè)中，全孔壁數(shù)字成像設(shè)備可用于檢查砼澆筑質(zhì)量、檢查灌漿處理效果，協(xié)助地質(zhì)力學(xué)試驗(yàn)及地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測、檢測，指導(dǎo)地下儀器設(shè)備的安裝埋設(shè)，地下管道的檢查探測，隧洞開挖的超前探測等。全孔壁數(shù)字成像設(shè)備以其視頻信號的直觀、真實(shí)、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)間接的檢測方法具有無可比擬的優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。

通常全孔壁數(shù)字成像技術(shù)是采用高清全景魚眼攝像頭凹形反射圖像法拍攝，光學(xué)探頭中的信號源發(fā)射的光信號經(jīng)井壁反射后，被攝像頭接受，并形成一個(gè)像點(diǎn)，攝像頭旋轉(zhuǎn)一周采集到環(huán)狀的井壁圖像。拉升探頭在鉆孔內(nèi)連續(xù)進(jìn)行拍攝，便可拍攝到一系列的圖像環(huán)，系統(tǒng)將這一系列的圖像環(huán)按順序拼接后，得到鉆孔孔壁的連續(xù)圖像。

3 檢測實(shí)例

某工程建筑物結(jié)構(gòu)形式為框架核心筒結(jié)構(gòu)，地下3層，地上35層。采用沖孔灌注樁基礎(chǔ)，第17層變粒巖中等風(fēng)化帶及第18層細(xì)粒花崗巖微風(fēng)化帶為樁端持力層，設(shè)計(jì)單樁豎向承載力特征值 5 500 kN，設(shè)計(jì)樁身直徑 1 200 mm，設(shè)計(jì)樁身混凝土強(qiáng)度等級為C30。由于現(xiàn)場場地條件限制無法進(jìn)行大噸位靜載試驗(yàn)，經(jīng)與建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位溝通，根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》3.3.7要求，驗(yàn)收檢測采用鉆芯法進(jìn)行持力層核驗(yàn)，鉆芯法每根基樁正常情況下鉆2個(gè)孔；同時(shí)采用低應(yīng)變法進(jìn)行樁身完整性檢測。

在現(xiàn)場基樁驗(yàn)收檢測過程中，采用鉆芯法檢測發(fā)現(xiàn)部分基樁存在離析、夾泥等現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題后采用全孔壁數(shù)字成像技術(shù)及聲波透射法檢測對問題樁進(jìn)行驗(yàn)證檢測，多種方法綜合運(yùn)用對問題樁的缺陷位置、程度進(jìn)行進(jìn)一步判定。

3.1 35#樁檢測成果

35#樁進(jìn)行鉆芯法檢測，35-1#孔揭露 5.00 m～ 6.00 m芯樣表面多見連續(xù)溝槽(圖2)。該溝槽多分布在芯樣的一側(cè)，此時(shí)鉆芯法結(jié)果未能確定溝槽在鉆芯法鉆孔內(nèi)的方位，根據(jù)規(guī)范要求在樁中心對稱位置進(jìn)行鉆孔2鉆芯法檢測，該孔在鉆孔1缺陷深度處取芯完整。

圖2 35#樁鉆孔1缺陷芯樣照片

采用全孔壁數(shù)字成像設(shè)備對35-1#鉆孔進(jìn)行測試，該設(shè)備在拍攝孔內(nèi)直觀照片的同時(shí)，采用電子羅盤對照片方位進(jìn)行校準(zhǔn)，從成像照片中可以看出溝槽的表觀缺陷程度以及其在鉆孔中的方位(圖3)，溝槽方位大約為西偏北3.5°。

圖3 35#樁鉆孔1全孔壁數(shù)字成像成果 圖4 35#樁鉆孔3全孔壁數(shù)字成像成果

確定溝槽缺陷在鉆孔中方位后，為驗(yàn)證缺陷程度及分布情況，根據(jù)其方位在距該鉆孔約 50 cm的樁上增加第三個(gè)鉆芯法鉆孔測試，該鉆孔揭露芯樣在 5.00 m～ 6.00 m深度處存在大量溝槽蜂窩，且在樁芯樣橫截面局部呈橫向貫穿狀，缺陷表觀程度較35-1#孔嚴(yán)重，局部約 20 cm芯樣破碎(如圖4、圖5所示)。

圖5 35#樁鉆孔3缺陷芯樣照片

鉆芯法檢測結(jié)束后，為驗(yàn)證該樁的缺陷情況，在鉆孔內(nèi)進(jìn)行聲波透射法測試來檢測每兩個(gè)鉆孔之間的混凝土質(zhì)量。由于《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》JGJ106-2014中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)的聲波透射法測試是在樁基灌注施工時(shí)預(yù)埋的聲測管中進(jìn)行的，而本方案是在兩個(gè)鉆孔中進(jìn)行，比較兩者之間的差異，本方案中孔徑變大且去除了聲測管，變化之后對采集儀零聲時(shí)的修正產(chǎn)生了影響，在聲測管中進(jìn)行聲波透射法時(shí)，聲測管及耦合水層聲時(shí)修正值公式如下：

(1)

其中：d1—聲測管外徑(mm)；

d2—聲測管內(nèi)徑(mm)；

d′—換能器外徑(mm)；

vt—聲測管材料聲速(km/s)；

vw—水的聲速(km/s)；

t′—聲測管及耦合水層聲時(shí)修正值(μs)。

本方案中聲時(shí)修正值采用如下公式：

(2)

其中：d3—鉆孔直徑(mm)；

d′—換能器外徑(mm)；

vw—水的聲速(km/s)；

t′—聲測管及耦合水層聲時(shí)修正值(μs)。

根據(jù)式(2)對聲波透射法成果進(jìn)行修正，測試成果表如表1所示，從表中可以看出在 4.9 m～6.1 m深度范圍內(nèi)，35-1～35-3鉆孔之間測得的波幅和聲速值明顯偏低，表明 4.9 m～6.1 m深度范圍內(nèi)兩個(gè)鉆孔之間的混凝土質(zhì)量較差；35-1～35-2鉆孔之間測得的波幅和聲速值正常，表明兩個(gè)鉆孔之間混凝土質(zhì)量正常；35-2～35-3鉆孔之間測得的波幅和聲速值稍差，表明兩個(gè)鉆孔之間混凝土大部分正常，根據(jù)鉆芯法結(jié)果推測靠近35-3鉆孔附近局部混凝土質(zhì)量較差(圖6)。

35#樁聲波透射法測試成果表 表1

圖6 35#樁平面鉆孔位置、推測缺陷范圍示意圖

在該樁三個(gè)鉆孔缺陷深度位置取芯樣試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測，抗壓強(qiáng)度檢測值為 31.0 MPa(表2)，滿足設(shè)計(jì)砼強(qiáng)度C30。

35#樁缺陷處芯樣試件抗壓強(qiáng)度檢測成果表 表2

3.2 39#樁檢測成果

39#樁進(jìn)行鉆芯法檢測，鉆孔39-1鉆至 6.9 m～7.3 m處時(shí)，進(jìn)尺速度增快，取芯呈碎塊狀，夾泥沙。鉆探結(jié)束后對該孔采用清水洗孔后進(jìn)行全孔壁數(shù)字成像測試。從測試成果照片(圖7)來看，在 6.9 m～7.3 m處有一明顯空洞，推測該處樁身夾泥，在測試前洗孔時(shí)泥沙被沖走形成了空洞。該空洞方位為北偏東20.2°～東偏南42.7°，在鉆孔內(nèi)呈扇形展布。推測夾泥缺陷范圍如圖8所示。在鉆孔39-1樁中心對稱位置進(jìn)行鉆孔39-2鉆芯法檢測時(shí)，在該深度處樁身完整，未發(fā)現(xiàn)夾泥等缺陷。對兩鉆孔之間進(jìn)行聲波透射法檢測，波幅和聲速值均在正常值范圍內(nèi)，表明鉆孔39-1空洞缺陷深度范圍內(nèi)鉆孔39-1、39-2之間混凝土質(zhì)量良好。由此推測該樁夾泥缺陷的范圍如圖8所示。

圖7 39#樁鉆孔全孔壁數(shù)字成像成果

圖8 39#樁平面鉆孔位置、推測缺陷范圍示意圖

3.3 檢測結(jié)論

通過以上兩個(gè)工程實(shí)例的檢測成果對兩根基樁作出如下檢測結(jié)論：

(1)35#樁結(jié)合鉆芯法、全孔壁數(shù)字成像、聲波透射法成果及試件抗壓強(qiáng)度檢測成果綜合分析，根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》JGJ106-2014表7.6.3，判定該樁為Ⅲ類樁；

(2)39#樁樁身夾泥，根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》JGJ106-2014表7.6.3，判定該樁為Ⅳ類樁。

發(fā)現(xiàn)以上不合格基樁后，我方與建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位等相關(guān)方進(jìn)行溝通，為驗(yàn)證其余未檢測基樁是否存在施工質(zhì)量問題，確認(rèn)繼續(xù)采用鉆芯法進(jìn)行擴(kuò)大檢測，檢測數(shù)量為原正常抽檢數(shù)量的2倍。經(jīng)檢測，擴(kuò)大檢測所測基樁樁身完整，混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，均為Ⅰ類樁。

4 結(jié) 論

通過上述的工程實(shí)例可初步得出如下結(jié)論：

(1)在鉆芯法檢測發(fā)現(xiàn)樁身缺陷之后，如缺陷分布在柱體芯樣的一側(cè)，根據(jù)芯樣無法判斷缺陷方位，可以采用全孔壁數(shù)字成像技術(shù)對缺陷方位進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)，為后續(xù)檢測工作提供依據(jù)。否則如上述35#樁僅根據(jù)35-1、35-2鉆孔取芯情況判別該樁Ⅱ類樁，將造成誤判；

(2)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，進(jìn)行聲波透射法檢測時(shí)，需在樁基施工時(shí)預(yù)埋聲測管，測試在聲測管中進(jìn)行。本文對該方法進(jìn)行引申，鉆芯法兩個(gè)鉆孔之間也可采用聲波透射法檢測，判定兩個(gè)鉆孔之間的混凝土質(zhì)量，聲波透射法可測出兩個(gè)鉆孔間鉆孔內(nèi)未揭露的樁身缺陷，為樁身完整性判定提供進(jìn)一步的依據(jù)。需要注意此時(shí)應(yīng)根據(jù)鉆孔直徑對零聲時(shí)進(jìn)行修正；

(3)采用全孔壁數(shù)字成像技術(shù)結(jié)合鉆芯法對缺陷方位進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)后，可對缺陷范圍進(jìn)行推測，為下一步缺陷樁的工程處理方案提供指導(dǎo)。