龚拼,陈秋南,衣利伟

(湖南科技大学 土木工程学院,湖南 湘潭,411201)

深厚填土区钻孔灌注桩质量检测及问题处理

龚拼,陈秋南,衣利伟

(湖南科技大学 土木工程学院,湖南 湘潭,411201)

结合丘陵地带深厚填土地区高速公路钻孔灌注桩实例,根据现场超声波透射法检测数据,采用临界判据法和PSD判据法判定深厚填土区钻孔灌注桩身缺陷类型,并分析了出现缺陷问题的原因。根据深厚填土区地质特性,提出如何综合运用冲击与旋挖 2种方式协调成孔,并调整泥浆护壁方案保证桩孔质量,以避免钻孔灌注桩各类桩身质量问题的出现。对采用新施工方案完成的钻孔灌注桩进行超声波透射法检测结果显示,桩身质量改善效果比较理想。

深厚填土;钻孔灌注桩;质量检测;协调成孔

位于南方丘陵地带的建筑工程常无法避免存在深厚填土地基的问题。与天然土层地基不同,深厚填土地基具有压实沉降量大、沉降固结时间长等特性。填土层不均匀沉降的特性容易导致灌注桩成孔施工后孔壁坍塌、成桩质量差,对桩身结构和桩基础承载力都有较大影响。近年来,针对钻孔灌注桩孔壁稳定性影响因素[1]、泥浆护壁对桩基承载性能的影响[2]及施工质量控制[3]等的研究取得了一定成果,但专门针对深厚填土场地钻孔灌注桩质量问题及处理的研究很少,且对深厚填土场地灌注桩质量问题的研究仅限于水文、地质条件等方面,而忽略了施工方式对钻孔灌注桩质量的影响。

本文结合湖南某高速公路段深厚填土区桩基工程,对桩基质量进行了现场超声波检测。结合厚填土特性综合分析超声波透射法检测数据,研究了深厚填土地质条件下钻孔灌注桩缺陷特点及产生的原因。从成孔方式出发,提出了针对深厚填土场地钻孔灌注桩缺陷处理的具体方案,为处于此类地质的桩基工程提供参考。

1 工程概况

益阳市某高速桥头路基工程项目位于丘陵地区,该路段大部分桩基处于深厚填土地基区域。桩顶以下约15 m为填土,控制填土压实度在95%以上。场地地质层由上至下分别为杂填土、红黏土填土、板岩及微风化板岩。

该桩基工程桩径分布范围为 1.8～2.0 m,桩长分布范围为28～36 m。桩类型分为摩擦桩、端承桩及嵌岩桩3种。设计单独采用旋挖钻机成孔、冲击钻机成孔方式形成灌注混凝土桩。该场地主要堆填红黏土,分层回填压实再进行桩基施工,堆填后地貌情况如图1所示。由于该填土场地含上层滞水和岩层裂隙水2种,其自重固结尚未完全完成,因此,后期地基较大变形将会导致桩基成孔施工时出现土体坍塌。据施工现场已成钻孔情况反映,部分未下放钢筋笼的桩孔存在严重的孔壁泥块掉落的现象,故对一部分成桩采用了超声波透射法[4]进行桩基质量检测。

图1 压实后地基地貌

2 桩基质量检测及缺陷类型分析

2.1 桩基质量初步评价

选取场地填土厚度超过 10 m的桩基进行超声波透射法检测,其中钻孔灌注桩10根,冲孔灌注桩12根。所选检测桩预留有4条声测管道,首先对桩进行平测扫描,现场模糊分析实测波形曲线图,找到问题剖面;再对问题剖面进行扇形扫测法[5]检测;最后通过分析加密斜测曲线图完成桩基质量初步评价。表1为所测桩桩身完整性[6]结果。表1显示,工程中Ⅲ类桩4根,Ⅱ类桩8根,表明在该深厚填土地区成桩质量普片存在问题,需进一步分析所测数据判断其缺陷类型。

表1 桩身完整性检测结果 /根

2.2 桩身缺陷类型判定

图2 P1桩1-2、1-3、2-3剖面波形图

超声波透射法检测桩身质量一般采用临界值判据法[7]。在波速和波幅的平均值与标准差基础上计算出界限值,波速与波幅若低于这一低限值,则视为可疑缺陷区域。临界值判据法一般只能作为辅助判据,准确地判断桩身存在的问题,还需依靠波幅与波速的具体数值以及利用声学参数与深度曲线上两相邻测点之间的斜率与声时差的乘积[7](PSD判据法)确定缺陷可疑点。

由于桩数量较多,故选取1根(P1)具有代表性的问题桩做分析。P1桩剖面波形如图2所示。从图2可知:P1桩身26.2 m处,剖面1-2、2-3的声幅和声速较低,可能存在局部夹泥或混凝土离析问题;在桩底28.6 m处,剖面1-2、2-3的声幅和声速都远低于临界声幅和临界声速,初步判断存在一定厚度(0.4 m厚加上声测管距桩底的长度)的桩底沉渣或者桩底混凝土质量差。

为进一步确定缺陷类型,整理出初步诊断为混凝土离析、桩身断面局部夹泥、桩底沉渣的声学参数,参考文献[8]的方法将各参数整理后如表2所示。由于声波在红黏土与混凝土的界面上发生反射与折射,而红黏土的声阻抗率低于混凝土的声阻抗率,声波会在遇到红黏土时发生绕射,路程变长使声时延长。由于声波的绕射、反射以及折射的原因,使测得的波形发生畸变,PSD值较大且波动明显。28.6 m处位于桩底部位,钻孔结束后清孔不规范、不彻底或者下放钢筋笼碰撞孔壁都容易造成桩底沉渣。沉渣主要是岩屑、泥浆混合物,超声波在此类介质中传播慢,故此处桩基质量判定为桩底沉渣。钻入红黏土填土层深度的剖面,由于采用旋挖成孔工艺,填土层中泥浆护壁能力弱,极易发生孔壁剥落坍塌,结合现场成孔勘测及 PSD值的对比,此处桩基质量问题判定为桩身断面局部夹泥和桩底沉渣。

经综合分析判定该深厚填土区的2种灌注桩主要存在局部夹泥和桩底沉渣的问题。为确认判断结果是否准确,对所有Ⅲ类桩进行钻孔抽芯取样(图3)。图3显示,所分析桩确实存在桩底沉渣及局部夹泥的情况,且沉渣厚度超过设计要求的最大值[9]50 mm。该超声波检测实例反映了仅凭借临界判据法并不能完全准确地判定桩身缺陷类型,结合PSD判据法综合分析桩身缺陷可大大提高准确度。

表2 模型实验问题断面声学参数检测平均值及实测剖面参数

图3 缺陷桩钻芯样品

3 问题成因及处理

虽然现场检查冲孔灌注桩和旋挖灌注桩成桩过程中没有发现成桩过程的施工方案方面问题,但是成孔清除沉渣后仍然出现了孔壁坍塌的现象。故判断该类缺陷出现的主要原因是在深厚填土场地单一使用冲击成孔或旋挖成孔而造成孔壁坍塌,从而导致局部夹泥和桩底沉渣的问题。

在此厚填土区桩基工程中,由于红黏土填土具有网状裂隙、土层易胀缩及地表水易下渗等特性,在成桩过程中雨水的下渗及机械施工时的加载将导致厚填土地基发生不均匀变形。上部填土层较为松软易产生塌孔,若采用旋挖成孔则需加长护筒或增大泥浆浓度以避免塌孔,将使单桩造价变高、作业耗时增长[10]。冲击成孔方式可采用泥浆动态循环施工,采用泥浆护壁,且在合理范围内加大泥浆使用量可有效防止孔壁坍塌,所以成孔质量较好。孔壁泥浆较厚产生泥皮效应,在成桩后大大减弱了上部桩侧负摩阻力[11]对桩承载力产生的时间效应。下层地基由于地质条件较好,且含有岩层、硬夹层等,可选用合适的旋挖钻头进行钻进施工。虽然下层地基成桩时也会发生孔壁坍塌等问题,但可以通过改善泥浆成分使用优质泥浆或者高分子聚合物泥浆,增强凝浆作用,提高泥浆抗剪程度,从而使得成孔后孔壁稳定,必要时还可以加长护筒护壁。

综上所述,若合理利用2种钻孔方式的优点,采用2种钻孔方式协调成孔替代单一钻孔方式成孔,则可避免深厚填土区的桩身质量问题。填土层采用冲击成孔法,配合泥浆动态循环施工,泥浆相对密度增加至原来的 1.2倍;下端板岩基底层采用旋挖成孔法,配合高分子聚合物泥浆护壁。协调成孔实施流程如图4所示。

图4 协调成孔实施流程

4 效果检验

对后期采用2种成孔方式协调成孔的6根灌注桩进行了超声波透射法检测,表 3为所测桩桩底断面1-3、2-4剖面超声检测数据。由表 3可知,出声时均在 230 μs左右,波辐稳定在 100 dB左右,PSD值基本趋于0,皆接近正常断面参数。整桩波形图首波振幅明显,波形无畸变,桩身完整性基本上都能达到Ⅰ类。因此,协调成孔有效地避免了单一成孔方式成桩所造成的桩身缺陷问题。

表3 桩底断面1-3、2-4剖面4超声检测数据

5 结论

深厚填土地区地质的特殊性使得对灌注桩的检测及桩身缺陷类型判定更为困难,采用临界判据法结合PSD判据法可更为准确地判定桩身完整性及其所存在缺陷的类型。

声波会在遇到红黏土时发生绕射,路程变长使声时延长。由于声波的绕射、反射以及折射的现象,使测得的波形发生畸变,所以在桩身局部夹泥和桩底沉渣的断面,PSD值较大且波动明显。改变成孔方式后超声波透射法检测出的正常桩波形稳定,无畸变,且PSD值趋于0。

单一的成孔方式在深厚填土地区虽然也可以采取针对性措施来保证成桩质量,但所需时间长,耗资多。采用冲击和旋挖协调钻孔,并采用动态循环泥浆护壁可以有效避免由孔壁坍塌引起的桩身局部夹泥及桩底沉渣问题。

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[2]吴鹏,龚维明,任伟新,等.钻孔灌注桩护壁泥浆对桩基承载性能的影响[J].岩土工程学报,2008,30(9):1 327-1 322.

[3]张萍.桥梁钻孔灌注桩断桩事故处理方案[J].煤炭工程,2014,46(12):50-52.

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[7]吴新旋.混凝土无损检测技术手册[M].北京:人民交通出版社,2003:207-239.

[8]彭春梅.基于超声渡透射法的灌注桩桩身缺陷分析与判定[D].成都:成都理工大学,2015.

[9]戴君杨.钻孔灌注桩质量评价及事故处理技术[D].上海:同济大学,2006.

[10]李成芳,熊启东,孔凡林.旋挖成孔灌注桩在松散高填方地基中的应用[J].地下空间与工程学报,2010,6(6):1 266-1 269.

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(责任编校:江河)

Quality test and defect treatment of bored pile in deep filling soil area

Gong Pin,Chen Qiunan,Yi Liwei
(School of Civil Engineering,Hunan University of Science And Technology,Xiangtan 411201,China)

As an example of bored piles for motorways in deep filling soil area of hilly,According to the detecting data of ultrasonic transmission method,the defect of bored pile is judged by the critical criterion wave method and PSD criterion method,it was carried out analysis of the reason.According to the geological characteristics of deep filling soil area,put forward how to comprehensively use two different way to drill,by adjusting the mud protection scheme to guarantee the quality of the pile holes.The ultrasonic transmission method is used to detect the bored pile with the new construction scheme and the improvement of pile quality is ideal.

deep filling soil;bored pile;quality test;coordinated drilling method

TV 753.3

A

1672-6146(2017)02-0058-04

龚拼,812252829@qq.com。

2016-12-30

2016年湖南省研究生科研创新项目(CX2016B608)。

10.3969/j.issn.1672-6146.2017.02.014