邵远扬

(福建省建筑科学研究院有限责任公司 福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350108)

0 引言

自1984年天津探矿机械厂首次从美国RDI公司引进车载式旋挖钻机，1999年首台国产的旋挖钻机成功生产下线发展至今，以三一重机、徐工集团、山河智能等为主要代表的国内厂家，逐步生产了几十种型号的旋挖钻机，大大促进了旋挖钻机作为一种较先进的桩基施工设备在我国的推广使用。

旋挖钻机利用短螺旋钻头或旋挖钻斗进行干钻或无循环泥浆钻进的方式成孔成桩，能较好地适用于黏性土、粉质黏土、砂土、永久性冻土、卵砾石、风化基岩等多种地层条件，因此，在我国的公路、铁路、桥梁和大型建筑的桩基础施工中得到广泛应用[1]。因此，具有成孔速度快、环境污染小、机动性能强等特点，同时旋挖钻进工艺具备工作效率高、地层适应性强、机械化程度高及安全性能好等优点[2]。

本文结合厦门地区某工程旋挖嵌岩灌注桩静载试验发现的抗压承载力异常情况，通过低应变法及钻芯法对造成质量异常的原因进行综合分析判定[3]，提出处理措施，为同类桩基工程提供参考。

1 工程概况

某工程位于厦门市思明区，拟建建筑物为1栋30 层公寓(地下2层)，建筑高度87.55m，结构型式为剪力墙结构。场地原始地貌类型为坡残积台地，地势高低起伏变化较大，并大致呈由东往西方向3级台阶状倾斜的变化趋势，整个场地相对高差为2m～5m。该场地各岩土层自上而下分布情况分别为：0m～3m杂填土①(含砾砂、砾石)、3m～6m粉质黏土②、6m～10m残积砂质粘性土③、10m～16m全风化花岗岩④、16m～20m强风化花岗岩⑤、20m～25m中风化花岗岩⑥及≥25m微风化花岗岩⑦。

该项目桩基础设计采用旋挖钻孔灌注桩，设计桩径1200mm，设计桩端持力层为中风化花岗岩，并要求全截面进入持力层不小于0.6m，成桩7d～15d应进行桩端后注浆，桩端注浆压力不小于2.0MPa，其他设计参数如表1所示。

项目施工总桩数49根，本试验选取2根桩进行静载分析(分别为3#桩和48#桩)，经静载检测发现，其中48#桩竖向抗压承载力异常。48#桩有效桩长14.15m，静载试验桩长20.15m。本文针对48#桩质量异常情况进行以下分析处理。

表1 桩基设计参数表

2 检测结果评定

2.1 静载试验

单桩竖向抗压静载试验是指通过在基桩顶部逐级施加竖向压力，观测桩顶部随时间产生的沉降位移，以确定相应的单桩竖向抗压承载力的试验方法。在确定单桩承载力方面，静载试验方法因其接近桩的实际工作条件，是目前公认的直观、可靠的检测方法。

传统静载试验法突出的优点，是技术简单、成果直观，不仅可以实测得到单桩的极限承载力，而且也可以获得在各级荷载作用下的桩顶沉降量。但该方法的缺点也十分明显，主要有：①持续时间长，对工程进度影响大；②试验环境要求高；③经济费用高；④由于前述3个缺点，导致静载法难以作为普查检测方法，对桩基工程整体情况的把握能力较差。

根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2014)第4.1.3条规定，工程桩验收检测时，加载量不应小于设计要求的单桩承载力特征值的2.0倍。此外，48#试桩受现场实际条件限制，未能开挖至设计桩顶标高处进行静载试验，导致试验桩长高于有效桩长6m，经设计、地勘等单位计算复核，建议增加试验荷载1000kN，以抵消因桩长增大引起的额外桩侧摩阻力，故48#试桩最大试验荷载确定为20 200kN。

静载试验分9级加载，第1级加载量为分级荷载的2倍，即4040kN；之后，每级荷载增量均为20 20kN，最大试验荷载加至20 200kN；卸载分5级完成，每级卸载量为分级荷载的2倍，即 4040kN。加载阶段试验分级与试验结果如表2所示。

表2 试验分级与试验结果汇总

根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2014)4.4.2条规定，48#试桩在第7级荷载16160kN作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载14140kN作用下的沉降量的5倍，Q-s属陡降型曲线，单桩竖向抗压极限承载力应取发生明显陡降的起始点对应的荷载值，即14140kN，小于20200kN，故判定其单桩竖向抗压承载力不满足设计要求。

试验加载至第7级(16160kN)时，本级沉降量陡增为14.91mm，约为上级沉降量14.5倍，Q-s曲线(图1)出现陡降段，

s-lgt曲线(图2)尾部明显向下弯曲；随着持荷时间的增加，变形梯度逐渐变缓，沉降满足稳定标准，能继续加载，并在最大试验荷载20200kN作用下稳定，最终桩顶累计沉降量小于60mm(0.05D，D为桩端直径)。据以上沉降特征分析，可初步判断48#桩桩身存在水平整合型缝隙或桩端有沉渣。为进一步明确造成该桩承载力异常的原因，笔者继续采用低应变法及钻芯法加以验证分析。

图1 竖向荷载-沉降曲线

图2 沉降-时间对数曲线

2.2 低应变法

低应变法是指采用低能量瞬态或稳态方式在桩顶激振，实测桩顶部的速度时程曲线，或在实测桩顶部的速度时程曲线同时，实测桩顶部的力时程曲线，通过波动理论的时域分析或频域分析，对桩身完整性进行判定的检测方法[4]。低应变法的理论基础是一维线弹性杆件模型，当桩顶受到竖向激振时，弹性应力波沿着桩身向下传播，桩身若存在明显的波阻抗差异界面，将产生反射波，以此判断桩身完整性，判定桩身缺陷的程度及位置。

低应变法具有检测设备轻便简单，检测快速高效，费用成本低，对工程施工干扰小，并对受检桩的桩身质量不造成损害等优点，往往可作为一种高效的普查检测方法。但该方法也有其局限性，如：①受激振能量、桩周土阻力等因素影响，导致检测深度有所受限；②对桩身纵向裂缝、细小的水平微裂缝难以识别；③对桩身上下过于靠近的相邻缺陷难以识别；④对检测人员的专业技术水平要求高；⑤通常只能对桩身缺陷作定性判断，难以提供可靠定量结果。

由一维波动方程推导可知，应力波的波速可按以下公式计算。

式中，E——桩身材料弹性模量；ρ——桩身材料密度。

波速C只与桩身材料本身的特性有关，一般情况，对于不同桩型、不同强度的桩，通常波速有一个区间范围，结合工程实测经验，该地区低应变波速如表3所示。

表3 低应变波速 m/s

依据公式(1)及表3波速经验取值范围，48#桩低应变波速C取值为3900m/s。根据实测波形图3分析可知：实测桩长与委托桩长吻合，波速取值合理；在桩长范围内，曲线较为平直光滑，无明显缺陷反射波，可初步判断48#桩桩身完整，排除桩身存在水平整合型缝隙的可能性；相反，在2L/C处的桩底位置附近有轻微的同向反射波，说明桩端岩土层阻抗小于桩身阻抗，可以进一步怀疑桩端有沉渣存在。为避免误判，对于嵌岩桩，当桩底反射信号为单一的同向反射信号时，应采取钻芯法、静载试验等方法核验桩端嵌岩情况[4]。

图3 48#桩低应变波形图

2.3 钻芯法

钻芯法是指利用钻机沿桩轴方向钻取混凝土芯样及桩端岩土层的一种钻探检测技术。分析钻取的芯样，以检测桩长、桩身缺陷、桩底沉渣厚度以及桩身混凝土的强度，判定或鉴别桩端岩土性状[4]。

钻芯法检测的优点是比较直观、准确，能获得较为丰富的检测信息。其缺点主要是：①钻取芯样对桩身混凝土结构造成一定程度破损；②钻取芯样的面积较小(芯样面积/桩截面面积≈1%)，往往以点代面容易导致“一孔之见”，造成误判或者漏判；③钻芯设备繁琐、检测效率较低、费用成本高昂；④钻芯孔垂直度较难保证，容易产生孔斜，对于大长径比的受检桩较难钻取至桩端。综上考虑，钻芯法无法用作普查检测方法，更适合作为辅助验证检测方法。

土方开挖至基坑底设计标高附近后，对48#桩采用钻芯法验证检测，检测结果表明混凝土芯样连续、完整、胶结好，芯样侧表面光滑、骨料分布均匀，芯样呈长柱状、断口吻合，仅局部芯样侧表面有少量蜂窝麻面、气孔，桩身完整。但桩端存在平均厚度为4cm的沉渣(A孔沉渣厚度约4.5cm、B孔沉渣厚度约3.5cm)，钻芯结果与前文检测分析吻合，桩端持力层为中风化花岗岩，如图4所示。

图4 48#桩混凝土芯样照片(A孔、B孔)

3 原因分析与处理

3.1 施工原因分析

从钻取的芯样发现，沉渣主要成分为黏土、砾石及泥浆三者的混合物。结合施工工况，笔者分析认为：产生此次沉渣的原因主要有3个：

①护壁泥浆质量不佳。一是泥浆携渣能力弱，清孔时不能有效清走沉渣，二是泥浆护壁效果差，桩孔局部存在塌孔现象；

②二次清孔不够彻底。当吊放钢筋笼安放钢导管所需时间较长时，孔底会产生新的沉渣，须进行二次清孔，直至复测沉渣厚度符合设计和规范要求，清孔才能停止，并应立即进行混凝土浇灌；

③桩端后注浆不到位。高压注入的水泥浆液对桩端沉渣具有固化作用，能有效消除沉渣产生的“软垫效应”，同时对桩侧还有挤密凝结作用，从而降低桩基沉降量，提高桩基承载力。

基此，建议后期施工应适当提高注浆压力及注浆量，确保注浆质量。

3.2 加固处理措施

钻芯验证发现，48#桩桩底沉渣厚度较小，桩端持力层为中风化花岗岩；结合荷载-沉降(Q-s)曲线分析，试验加载至第7级出现较大沉降增量，但第8～9级沉降增量明显减小，并能满足沉降稳定标准，说明桩底沉渣在静荷载作用下已基本被挤密压实，沉渣产生的“软垫效应”已基本消除，桩端阻力基本得以恢复，该桩承载力能够满足设计要求。为确保工程质量，彻底消除安全隐患，建议利用钻芯孔进行高压注浆，通过浆液的挤密、渗透、填充作用，将桩端沉渣充分挤密固结，增强桩端持力层的整体性与可靠性，进一步提高桩端阻力[5]。

高压注浆28d后，采用静载试验对48#桩的注浆加固效果进行二次复验，试验结果：荷载-沉降(Q-s)曲线呈缓变形，在最大试验荷载(20200kN)作用下，桩顶累计沉降量为14.36mm，表明桩底沉渣产生的不利影响已经消除，桩端阻力得以恢复，注浆加固效果良好。

4 结论

(1)每种基桩检测方法都有其相应的适用范围，各有优劣性，遇到难以评判时，建议不妨采用多种检测方法相互验证，综合分析评判，避免人为扩大检测能力，以偏概全，造成误判；

(2)旋挖嵌岩灌注桩施工时，应着重控制好护壁泥浆质量、二次清孔质量及桩端后注浆质量，避免造成桩端沉渣过厚，导致基桩抗压承载力不足；

(3)当嵌岩灌注桩桩端沉渣较厚时，可采用钻芯法取孔后通过高压注浆法进行加固处理，利用水泥浆液挤密固化作用提高桩端阻力。