一种精准控制钻孔灌注桩混凝土灌注高度的技术

2020-05-18陈学明郝显伟

黑龙江交通科技 2020年4期

陈学明，郝显伟

(1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100082；2.甘肃路桥建设集团有限公司，甘肃兰州 730050)

0 引言

桩基础是桥梁基础中很常见的结构形式之一，百年工程基础结构质量控制尤为重要。为确保桩基灌注质量，《公路桥涵施工技术规范》中明确规定：灌注的桩顶高程应比设计高程高出不小于0.5 m,当存在地质较差孔内泥浆密度过大、桩径较大等情况时,应适当提高其超灌的高度;超灌的多余部分在承台施工前或接桩前应凿除凿除后的桩头应密实、无松散层。

然而，在实际工程操作中，桩基超灌高度控制是摆在工程技术人员面前的一大难题。尤其在遇到岩溶、淤泥质、砂质、虚桩长度大等复杂地质或地层时，常常会导致混凝土实际灌注量与设计量差异较大，此时无法利用混凝土方量准确复核实际灌注高度，只能通过“测绳悬吊重锤法”，凭借手感来掌握灌注尺度，但这种传统的方法面临以下诸多问题：(1)孔里都是泥浆，不知道混凝土浇灌是否到了标高位置；(2)灌灌停停，效率很低；而且超灌了还要截桩敲桩，成本太高；(3)如果开挖后高低不一，影响工程进度还可能面临罚款；(4)废料运输处理成本不低、关键在于不环保、不低碳、易被环保部门处罚。以上问题导致的结果大致分三类：(1)少灌：后期补桩，成本极高，影响质量和进度；(2)超灌：后期截桩，浪费材料和人工，成本高，影响进度；(3)环保：不节能、垃圾处理成本高、废料处置影响环境。

总而言之，桩基超灌高度控制既是对工程技术人员业务素质和经验挑战，也是项目现场技术精细化管理的一大漏洞。

1 技术探究

1.1 技术原理

钻孔灌注桩桩顶面的介质主要有混凝土和泥浆，因两者界面变化时无法直接观测，考虑采用传感技术，并将采集到的数据加以分析，将不可视转换为可视，来判定混凝土灌注是否达到设计高度。其主要解决核心技术是：(1)传感技术类型选择；(2)试验得出传感技术辨识的有效介质参数；(3)数据采集、分析及显示表达方式。

通过对混凝土和泥浆两种不同介质进行物理化学性能分析与试验辨识，发现其在比重、电阻抗、电容抗等特性存在差异，比重差异性尤其明显(泥浆比重约为1.01～1.5 g/cm3，混凝土比重约为2.3～2.6 g/cm3)，比重的差异性会使处在两介质中的传感器压应力也变化很大，故选择压应力参数作为传感器辨识泥浆和混凝土的关键指标参数。

经过现场试验对压应力传感器进行不断改进，来降低灌注桩混凝土施工的干扰，提高检测精度和传感器体积，提升现场检测的方便适用性。

1.2 装置概念模型

装置概念模型分为以下三部分模块：模块一：定位装置(标高测定装置、传感设备固定装置)；模块二：感应信号装置(压力感应器、脉冲信号发生器)；模块三：数据采集及报警装置(数据采集器、脉冲信号转换器、报警提示器)。

1.3 装置具体构件组成

利用上述技术原理和概念模型，将理论转化为具体装置。装置构件主要有定位装置、压应力传感器和数据采集分析设备等部件组成。

控制装置工作机理：如图二所示，压应力传感器进行识别后，将应力转换为频率脉冲信号，通过数据线传输至数据采集器，由数据采集器进行数据转换，将频率脉冲信号转换为压力值数据。压应力传感器通过定位杆准确固定在灌注桩设计标高处。

桩基混凝土灌注前，预先用比重计进行孔内泥浆重度和混凝土重度的测定，并根据其测定的数值进行报警参数设置，当超灌高度达到设计标高时报警器报警后即可停止灌注混凝土。

1.4 数据采集器报警设定

以工程试验为依托，根据现场预先采集的数据设定报警参数，并加以报警灯闪烁的方式进行告知，便于人机沟通。具体参数设定方法为：混凝土超灌高度为h,预判参数=h高度时的混凝土压应力-h高度时泥浆压应力，灌注过程中实时测得的压应力数值>预判参数时，采集器报警提示。

2 工程应用案例

某高速公路特大桥水中桩基作业，为便于施工和降低安全风险，制定方案为先进行水中围岩提供临时作业平台，待桩基灌注完毕后，再进行基坑开挖承台作业。工程桩数量100根，设计桩径2.0 m，有效桩长30 m，虚桩长约6 m，混凝土强度等级C35。该工程桩桩头超灌控制难度较大，若桩头超灌高度过大，不仅材料浪费严重，而且环切桩头成本过高。