鞠 珊

(撫順礦務局職工工學院,遼寧撫順 113008)

復雜地質條件下挖孔樁完整性檢測及其承載力評價

鞠 珊

(撫順礦務局職工工學院,遼寧撫順 113008)

以實際工程為背景,利用反射波法檢測樁身完整性,結合有限元方法,分析沉渣等缺陷對樁的變形和承載力的影響。結果表明,在復雜的地質條件下,利用反射波法可以檢測樁的夾泥,攪短樁頭以及樁底沉渣過厚等缺陷,但是也會出現(xiàn)樁端反射幅值變得微弱或幾乎沒有樁端反射,此時加大了確定樁端位置的難度,從而無法保證樁的承載力。利用有限元方法分析沉渣厚度對承載力的影響,結果發(fā)現(xiàn)沉渣厚度小于300 mm時,挖孔樁單樁承載力隨沉渣單位厚度變化而顯著變化,而當沉渣厚度大于500 mm后,沉渣單位厚度大小的變化對單樁承載力變化的影響不很明顯。

挖孔樁;完整性;數(shù)值分析;缺陷

人工挖孔樁具有工程造價低廉,質量易保證,機具設備簡單,施工操作方便,單樁承載力高,施工無噪音,無泥漿排出,對周圍環(huán)境及建筑物影響小,占用場地小,可全面展開施工,縮短工期等優(yōu)點,所以人工挖孔樁作為建筑物基礎,在國內外工程建設中得到了廣泛應用[1]。但是,目前有關人工挖孔樁的設計理論和計算方法還是建立在經驗的基礎上,在大量使用的過程中也表現(xiàn)出了許多不足,常見的樁身檢測質量問題包括斷樁夾泥、澆短樁頭、樁底沉渣過厚等缺陷。在樁身的眾多缺陷當中,樁底沉渣是常見的一種,沉渣過厚對端承樁、摩擦端承樁有著致命影響,沉渣過厚也會導致樁頭或者樁淺部混凝土疏松[2],大大降低樁的承載力,而且影響到樁的沉降量。人工挖孔樁為隱蔽工程其結果很難直接判斷其好壞,而且樁基工程的質量又嚴重影響著上部結構的安全,所以在復雜地質條件下樁基的實施和檢測過程中我們必須嚴格控制樁基的質量,控制沉渣的厚度,以免影響樁的承載力。由此可見,對人工挖孔灌注樁的完整性檢測和承載力的分析研究顯得尤為重要。

本文結合撫順某高層建筑工程樁基檢測項目中樁身的完整性檢測試驗和單樁的靜載試驗在工程的實際應用,通過有限元模擬樁基在不同厚度沉渣的變形特點及承載力分析與靜載試驗的結果對比,結果幾乎吻合,從結果來看用這種方法分析樁基承載力仍是行之有效的。此外,為FLAC3D計算模型在以后類似工程檢測中的應用提供參考依據(jù),增加樁基檢測的可靠度。

1 樁身完整性檢測

1.1 工程概況

該工程位于撫順市李石開發(fā)區(qū),北鄰渾河,與撫順皇家極地海洋館隔河相望。建筑物長175.7 m,寬66.3 m,主體結構為地上16層框架剪力墻結構。該工程設計采用人工挖孔灌注樁基礎,地基基礎設計等級為甲級,總樁數(shù)為295根。設計單樁豎向承載力特征值為8 700 kN～22 370 kN,樁長≥10.0 m,樁徑1.00 m～1.60 m,樁身混凝土強度等級為C40,根據(jù)巖土工程勘察報告及現(xiàn)場挖樁揭露情況,場地各土層分布特征如下:

①雜填土:主要由粘性土、砂土和煤矸石等組成,松散～稍密,連續(xù)分布,厚度3.9 m～9.0 m。

②粉質粘土:褐色～黃褐色,可塑,飽和,無搖振反應,稍有光滑,韌性中等,干強度中等。層厚0.20 m～3.00 m。

③粗砂:褐黃色,以長石、石英為主,粒徑均勻,中密～密實,很濕。層厚0.40 m～6.60 m。該層局部有以下夾層。

④礫砂:褐黃色,以長石、石英為主,混粒結構,中密,很濕,局部呈圓礫狀分布。此層整個場區(qū)分布較連續(xù),層厚0.50m～9.70 m。該層局部有以下夾層。

⑤圓礫:由結晶巖組成,亞圓形,堅硬粒徑2 mm～20 mm,最大100 mm,充填混粒砂,稍密狀態(tài),連續(xù)分布,厚度0.4 m～4.8 m。

⑤-1粘土:黃褐色,可塑。有光澤,韌性高,干強度高,搖振無反應。僅在40號鉆孔遇見。層厚0.70 m。

⑥全風化砂礫巖:褐黃色,礦物成分以長石、石英為主,長石已嚴重風化,呈乳白色～褐黃色,用手可捏碎,局部呈粘土狀。

⑦全風化花崗片麻巖:深灰色,花崗片麻結構基本破壞。主要礦物為石英、斜長石、黑云母和角閃石,局部長石已高嶺土化,干鉆可鉆進,巖芯可掰開。巖石為極軟巖,巖體極破碎,巖體基本質量等級為Ⅴ級。層厚1.00 m～3.00 m。

1.2 檢測設備及工作原理

本次動測使用的設備為國產FD-P204型基樁動測儀,其性能符合《基樁低應變動力檢測規(guī)程》JGJ/T93-95要求,檢測方法采用彈性波反射法,加速度傳感器用橡皮泥固定在樁頭。

基樁反射波法檢測樁身結構完整性的基本原理是[3]:通過在樁頂施加激振信號產生應力波,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。例如:根據(jù)聲速可以判定樁身混凝土的質量,混凝土越密實,聲速值就越大,相反,如果樁身混凝土中有孔洞或裂縫,聲速就會變小。此外,記錄的接收波的振幅和波形也可以反映出樁身的完整性,若聲波的振幅衰減幅度過大,或接收到的波形發(fā)生較大的畸變,這都表明樁身混凝土內部可能有缺陷存在,在施工過程中要充分重視這些樁的承載力問題。用這種方法檢測樁身完整性時,可以覆蓋到樁身的各個橫截面,不會出現(xiàn)漏檢,但操作相對也比較復雜,成本較高。

按樁身的完整性,可將基樁劃分以下四類,依據(jù)實測時域特征曲線進行樁身完整性判定的分類標準見表1。

表1 樁身完整性判定的分類標準

1.3 動測及結果分析

檢測時間為2011年6月19日～21日,抽檢樁數(shù)為295根,檢測比例為100%,檢測樁齡期為7 d～37 d,動測結果表明,所抽檢大部分樁的樁底反射較明顯,實測波速一般在 3 525 m/s～4 357 m/s之間,樁身結構完整,為Ⅰ類樁;因樁齡期的差異,實測波速變化較大,個別樁波速偏高是樁長不準確所致,但承載力不受影響。另有32根樁樁身結構基本完整、局部輕微缺陷、波速偏低,為Ⅱ類樁,占檢測樁總數(shù)的10.8%。Ⅱ類樁波速偏低、局部有輕微缺陷主要是受灌樁、接樁工藝影響,裙房工程樁的接樁部位反射較明顯,有輕微離析現(xiàn)象。最后灌注的29根實測波速在2 715 m/s～3 494 m/s之間,波速較低的原因主要是齡期較短,混凝土強度較低,隨著強度的增長,其強度能夠滿足設計要求。Ⅰ、Ⅱ類樁均可使用,但是當出現(xiàn)樁端沉渣較厚或者樁周土土層條件復雜的情況下,有些檢測結果就會出現(xiàn)無法判斷的情況[4]。11#基樁樁徑1200 mm,樁長13.3m,其低應變反射波曲線如圖1所示,該波的最大幅值電平值2 288.82mV,可以看到在檢測曲線中無樁端反射可以參考來確定樁端位置,波速無法最終確定,并且無法判斷樁端性質,所以僅從該曲線無法判斷此樁的完整性狀況,進而無法保證樁的承載力是否達到要求。

圖1 11#基樁低應變時程曲線

2 有限元分析

2.1 模型的建立

根據(jù)荷載和結構的對稱性,取1/2結構進行計算,模型大小為12 m×24 m×30 m。模型的坐標軸原點位于樁頂,z軸平行于軸線,方向向上。模型的頂部,z=0,是一個自由面;模型的底部,固定z方向,模型側面上分別對應施加滾支邊界條件。樁采用彈性本構模型,土體采用摩爾—庫侖模型,樁下面有一層沉渣。樁的軸向承載力是樁身表面摩阻力和樁端承載力的函數(shù),樁側摩阻力通過在樁與土體之間設置Interface接觸面來模擬,用壓縮剛度、剪切剛度、摩擦角、粘聚力來描述接觸單元的性質。樁側摩阻力的變化和樁端阻力的變化是不同的,所以在樁端和土層之間單獨設置接觸面,這樣使模擬結果更能反映實際的受力機理。模型參數(shù)見表2,網格劃分如圖2所示。

表2 FLAC3D模型參數(shù)

2.2 結果分析[5-7]

為了檢驗計算模型及參數(shù)的選擇是否合理,首先用忽略沉渣厚度情況計算值與實測資料進行比較,然后分別模擬沉渣厚度為0 mm,300 mm,500 mm情況下的P～S曲線,如圖3、圖4所示。

圖3 不同沉渣厚度對應的P～S曲線

圖4 不同沉渣厚度單樁承載力變化曲線

根據(jù)工程資料顯示,實際工程中極限承載力大約9 000 kN,圖中忽略沉渣厚度情況曲線中承載力也是在9 000 kN附近緩慢下降,所以可以認為實際測量曲線與忽略沉渣厚度情況大致相同,即該樁承載力滿足承載力條件。另外可以看出沉渣厚度H從0增加到200 mm時樁承載力隨沉渣單位厚度的增加急速下降,單樁承載力減少24.58%,H小于300 mm時,單樁承載力隨沉渣單位厚度顯著變化,而當H大于500 mm后,沉渣單位厚度大小的變化對單樁承載力變化的影響并不很明顯。此外根據(jù)實際測量的工程資料顯示11#樁的P～S曲線與忽略沉渣厚度的曲線幾乎吻合,所以進一步驗證了11#樁可以使用。

3 結 論

本文基于樁完整性測試數(shù)據(jù)的基礎上,建立了樁的有限元模型,探討了不同缺陷厚度對樁承載力的影響程度,得出以下幾點結論:

(1)基樁反射波法較其它的檢測方法有其優(yōu)越性,檢測挖孔樁,提供工程信息方便可靠。不但能檢測基樁身的完整性,還可評價其承載力。能夠早期發(fā)現(xiàn)灌注樁的施工質量問題,采取有效處理措施,保證基樁質量。

(2)對于鉆孔灌注樁樁底沉渣厚度從0增加到200 mm時單樁承載力隨沉渣單位厚度的增加損失最大,沉渣厚度小于300 mm時,單樁承載力隨沉渣單位厚度變化而顯著變化,而當沉渣厚度大于500 mm后,沉渣單位厚度大小的變化對單樁承載力變化的影響不是很明顯,此時沉渣的強度對單樁承載力的影響更大。

(3)樁底沉渣過厚不僅影響單樁極限承載力,同時樁底沉渣的存在不但影響樁端阻力的發(fā)揮,對樁身軸向力、樁側摩阻力也有較大的影響,所以在工程中一定采用工程措施減少沉渣。

[1]商文浩.人工挖孔樁在復雜地質條件下的應用[J].科技致富向導,2010,(36):305-307.

[2]張海豐,王 忠,李 佳,等.成孔檢測對灌注樁樁身質量檢測的輔助判定[J].水利與建筑工程學報,2012,10(1):109-113.

[3]王述紅,張 鑫,趙振東,等.聲波透射法檢測大直徑灌注樁試驗研究[J].東北大學學報,2011,(6):867-870.

[4]陳樂求,彭振斌,徐力生,等.樁基工程質量檢測中測量不確定度評定[J].礦冶工程,2008,(2):10-13.

[5]張忠苗,辛公鋒.軟土地基超長樁受力性狀分析[J].工程勘察,2003,(3):10-13.

[6]羅惟德.單樁承載機理分析與載荷-沉降曲線的理論推導[J].巖土工程學報,1990,(12):35-44.

[7]許 敬,楊蘭勇.樁底沉渣對摩擦端承樁豎向承載力的影響[J].四川建筑,2004,(1):57-58.

Integrity Testing and Bearing Capacity Evaluation of Digging Pile under Complex Geological Conditions

JU Shan
(Staff Engineering College of Fushun Mining Bureau,Fushun,Liaoning113008,China)

The integrity of pile is investigated by reflected wave method,and combined with finite element analysis approach,the influence of defects,such as sediment,on the deformation and bearing capacity of pile is analyzed in accordance with practical projects.As an interpretation of the results,one can infer that the reflectedwave method is capable of detecting the defects such as infiltrated mud,diameter-shrinkage,and excessive sediment in the bottom of pile under complex geological conditions.However,the amplitude of reflected wave in the bottom of pile may become weak or even negligible,which would result in the difficulty to determine the location of pile end,as a consequence,the bearing capacity of pile cannot be guaranteed.The finite element method isemployed to analyze the effect of the sediment thickness on the bearing capacity of pile.It can be concluded that the single pile bearing capacity would change dramatically with the variation of the sediment thicknesswhen the sediment thickness iswithin the limit of 300 mm.On the other hand,the sediment thickness changes would exert almost negligible effect on the single pile bearing capacity under the circumstances of larger sediment thickness beyond 500 mm.

digging pile;integrity;numerical analysis;defect

U45

A

1672—1144(2012)05—0096—04

2012-03-29

2012-04-26

國家自然科學基金資助項目(51074042;51179031)

鞠 珊(1963—),女(漢族),遼寧撫順人,講師,主要從事土木工程的管理和研究工作。