李 佳，肖衡林

(1．湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068; 2．浙江交科工程檢測有限公司，杭州 311215)

引 言

在我國浙江東部沿海地區(qū)，軟土地基較為常見，此類型的地基結(jié)構(gòu)具有摩阻力低、承載力弱、濕陷性等特點(diǎn)，會(huì)使橋梁下部基樁產(chǎn)生如樁長過長、樁徑過大和后期承載力不足等問題，這不僅導(dǎo)致施工難度大，而且費(fèi)用高。有研究發(fā)現(xiàn)采用后壓漿技術(shù)能有效提高樁端承載力和側(cè)摩阻力，可解決上述問題［1］。近年來部分學(xué)者對采用后壓漿工藝對基樁承載力提升的影響進(jìn)行過研究，如馮曉平等［2］以北京首都機(jī)場擴(kuò)建工程三號航站樓的工程項(xiàng)目為依托，對后壓漿技術(shù)提高鉆孔灌注樁承載力的情況進(jìn)行了論述，王殿紅［3］對石家莊某工程中采用灌注樁后壓漿法提高1.8 倍承載力的實(shí)踐進(jìn)行了介紹。但這些研究樣本較少，且未對基樁完整性檢測結(jié)果及其成因進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究。

浙江東部沿海地區(qū)在建某大型高速公路工程( 以下簡稱該工程) 是浙江省內(nèi)第一個(gè)全線采用后壓漿工藝的工程，在我國交通建設(shè)行業(yè)中被列為全國“品質(zhì)工程”示范點(diǎn)，其3942 根橋梁基樁均采用了直管法或U 管法的壓漿工藝。壓漿工藝技術(shù)在理論上雖然已經(jīng)成熟，但相關(guān)技術(shù)規(guī)范偏少，在實(shí)際施工應(yīng)用過程中可能因操作不當(dāng)而不能完全達(dá)到預(yù)期效果，如某高層建筑的1A －1#灌注樁，因壓漿持荷時(shí)間不足造成樁底漿液不擴(kuò)散，經(jīng)承載力檢測后發(fā)現(xiàn)不滿足設(shè)計(jì)要求［4］。鑒于此，本文以浙江東部沿海地區(qū)在建某大型高速公路工程為依托，對橋梁基樁后壓漿技術(shù)及其檢測技術(shù)進(jìn)行研究，將理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)檢測相結(jié)合，在橋梁樁后壓漿基樁完整性與承載力評價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上，剖析其成因和存在的問題，探索應(yīng)對之策，以期為該工程的后續(xù)建設(shè)提供理論及技術(shù)指導(dǎo)，并為基樁后壓漿技術(shù)及其質(zhì)量檢測方法提供建議。

1 樁端后壓漿技術(shù)

鉆孔灌注樁后壓漿技術(shù)是成樁時(shí)在樁底或樁側(cè)預(yù)置壓漿管路和壓漿裝置，待樁身達(dá)到一定強(qiáng)度后，通過壓漿管路( 直管法或U 管法) 利用高壓壓漿泵壓注以水泥為主劑的漿液，根據(jù)漿液性狀、土層特性和注漿參數(shù)等不同，壓力漿液對樁端沉渣、樁側(cè)泥皮及樁周土體起到滲透、填充、置換、劈裂、壓密及固結(jié)等不同的作用［5］，對孔底沉渣和樁側(cè)泥皮進(jìn)行固化，通過改變土體的物理力學(xué)性能及樁土間邊界條件，達(dá)到提高樁的承載力，減少沉降量，并提高樁身質(zhì)量和樁承載力可靠性的目的［6-7］。樁后壓漿工藝總體布置如圖1 所示。

圖1 樁后壓漿工藝總體布置

2 樁后壓漿基樁完整性檢測

基樁樁身完整性檢測目前普遍采用的是低應(yīng)變反射波法和聲波透射法，兩種方法各具特點(diǎn)。該工程橋梁樁基進(jìn)行完整性檢測時(shí)所采用的方法、基樁數(shù)量、鉆芯數(shù)量等情況見表1。

表1 橋梁樁基完整性檢測方法選擇及樣本分布情況

從表1 可知，基樁總樣本數(shù)為3942 根，其中選用超聲波透射法進(jìn)行完整性檢測的有3568 根，占比90.5%，其長度介于55.0 m ～110.0 m 之間，鉆芯數(shù)量為20 根;選用反射波法進(jìn)行完整性檢測有374 根，占比9.5%，其長度介于21.6 m ～55.0 m 之間，鉆芯數(shù)量為3 根。由此說明該工程實(shí)施完整性檢測時(shí)已考慮到現(xiàn)場檢測條件和設(shè)計(jì)的要求［8］，且有一定數(shù)量的鉆芯用于檢測結(jié)果的驗(yàn)證。

2.1 超聲波法

(1) 原理與方法

當(dāng)超聲波在被測基樁混凝土中傳播時(shí)，它將攜帶有關(guān)混凝土材料性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與組成的信息，從而改變聲波的各種聲學(xué)參數(shù)，如波速、波幅、頻率、波形等;當(dāng)樁身出現(xiàn)斷裂、離析縮頸、夾泥、蜂窩等缺陷時(shí)，實(shí)測的聲速、波幅都會(huì)出現(xiàn)不同程度的降低，產(chǎn)生PSD 值突變，波形會(huì)發(fā)生不同程度的畸變［9］?！豆饭こ袒鶚秳?dòng)測技術(shù)規(guī)程》［10］對于超聲波法檢測基樁完整性的判定方法見表2。

(2) 檢測結(jié)果與分析

采用超聲波透射法檢測了3568 根橋梁基樁的完整性檢，結(jié)果見表3，超聲波波速、波幅、PSD 曲線圖與樁底波列情況如圖2 所示［8］。

表2 超聲波法檢測基樁完整性的判定方法

表3 超聲波法檢測結(jié)果

從表3 可知，完整性為Ⅰ類的基樁合計(jì)3498 根，占樣本總數(shù)的98.2%;Ⅱ類基樁合計(jì)45 根，占1.2%;Ⅲ類基樁合計(jì)13 根，占0.4%; Ⅳ類基樁合計(jì)13 根，占0.2%。從圖2 可知，除個(gè)別基樁的缺陷信號出現(xiàn)在其樁身部位外，完整性為Ⅲ類及Ⅳ類的基樁缺陷信號基本處在樁底位置。

圖2 超聲波波速、波幅、PSD 曲線圖與樁底波列圖

2.2 反射波法

(1) 原理和方法

低應(yīng)變反射波法是用手錘或力錘、力棒敲擊樁頂，一個(gè)加速度傳感器安裝在樁頂平面或樁身側(cè)面，負(fù)責(zé)接收手錘敲擊產(chǎn)生的應(yīng)力波信號。當(dāng)樁身阻抗變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生早反射波( 2L/C 之前) 信號( 或樁底反射波信號)［9］?！豆饭こ袒鶚秳?dòng)測技術(shù)規(guī)程》［10］對于反射波法檢測基樁完整性的判定方法見表4，根據(jù)反射波的相位、到達(dá)時(shí)間和幅值來判定缺陷的性質(zhì)、位置及程度。

表4 反射波法檢測基樁完整性的判定方法

(2) 檢測結(jié)果與分析

用反射波法檢測了374 根橋梁基樁的完整性，結(jié)果見表5，典型的反射波法檢測波形圖如圖3 所示［8］。

表5 反射波法檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

從表5 可知，完整性為Ⅰ類的基樁占總樣本數(shù)的96.3%，Ⅱ類基樁占3.7%，表明樁后壓漿基樁的完整性總體情況良好。從圖3 可知，14 根Ⅱ類樁缺陷信號全部出現(xiàn)在樁身中上段，樁底端無缺陷信號［8］，說明樁端壓漿與樁中上部缺陷無必然聯(lián)系。

圖3 典型反射波法檢測波形圖

2.3 完整性檢測結(jié)果成因分析

(1) 直管法后壓漿工藝基樁經(jīng)超聲波法檢測完整性時(shí)，發(fā)現(xiàn)完整性為Ⅲ類及Ⅳ類的缺陷信號基本處在樁底位置，經(jīng)鉆芯法驗(yàn)證，確定缺陷成因主要是壓漿工藝造成開塞后聲測管( 兼做壓漿管) 周邊混凝土離析，且缺陷部位厚度與出漿口長度一致。直管法后壓漿工藝單向閥布置示意圖如圖4 所示，直管法聲測管( 壓漿管) 開塞引起周邊混凝土局部離析如圖5 所示。

圖4 直管法單向閥布置示意圖

(2) U 管法后壓漿工藝基樁經(jīng)超聲波法檢測完整性時(shí)，經(jīng)鉆芯法驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)缺陷信號主要由開塞后水泥漿向開塞口上部溢出形成一定厚度的水泥漿介質(zhì)而引起，超聲波穿透水泥漿時(shí)波速明顯低于穿透混凝土的波速，因此出現(xiàn)樁身局部的波速、波幅明顯低于臨界值，PSD 值畸變［8］，按規(guī)范判為缺陷樁。由此說明，若施工不當(dāng)采用U 管法后壓漿工藝可能會(huì)對樁端承載力的發(fā)揮起負(fù)面作用。U 管法單向閥布置示意圖如圖6所示，U 管法聲測管( 壓漿管) 開塞引起介質(zhì)變化如圖7所示。

圖5 直管法聲測管(壓漿管)開塞引起周邊混凝土局部離析

圖6 U 管法單向閥布置示意圖

圖7 U 管法聲測管(壓漿管)開塞引起介質(zhì)變化

(3) 直管法后壓漿工藝基樁經(jīng)反射波法檢測完整性時(shí)，發(fā)現(xiàn)14 根Ⅱ類樁的缺陷信號全部出現(xiàn)在樁身中上段，樁底端無缺陷信號。其原因可能有以下幾點(diǎn): ①因反射波法本身的局限性［11］而無法檢測到壓漿管周圍的局部缺陷;②所檢樁樁身成孔( 成樁) 施工質(zhì)量較好，自身確實(shí)無缺陷;③所檢樁樁長較短( 深度≤ 25.0 m) ，有利于壓漿工藝實(shí)施，保證了樁端壓漿部位的質(zhì)量。因此建議樁后壓漿的基樁進(jìn)行完整性檢測時(shí)優(yōu)先采用超聲波法，避免因檢測方法自身的局限等造成誤判、漏判，以便更加全面地檢測出包括端部在內(nèi)的整個(gè)樁身的質(zhì)量及其完整性。

3 承載力檢測

該工程橋梁樁基根數(shù)總計(jì)3942 根，主橋基樁采用U 管壓漿工藝，接線工程采用直管法壓漿工藝。經(jīng)現(xiàn)場踏勘，綜合考慮樁長、設(shè)計(jì)樁頂最大豎向荷載、基樁軸向受壓容許承載力設(shè)計(jì)值等因素，選定16 根基樁采用堆載法、10 根基樁采用自平衡法進(jìn)行承載力檢測，共計(jì)26 根。

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》( JTG/TF50 －2011) 附錄B: 對于檢驗(yàn)性試驗(yàn)，基樁承載力測試時(shí)預(yù)估最大荷載可采用設(shè)計(jì)荷載的2. 0 倍，該工程在檢測中的試驗(yàn)要求最大荷載按設(shè)計(jì)軸向容許承載力的2. 0 倍取值。

3.1 堆載法

堆載法是單樁豎向靜載試驗(yàn)提供反力的一種方式，即通過以試樁為中心搭設(shè)試驗(yàn)平臺，碼放砂袋、混凝土配重、鋼錠等，通過千斤頂加壓，給試樁提供豎向壓力，從而檢驗(yàn)試樁的承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求。

選取16 根基樁采用堆載法進(jìn)行承載力檢測，基樁參數(shù)、試驗(yàn)要求最大荷載及檢測結(jié)果見表6，典型基樁( 滿足設(shè)計(jì)要求) 與16 －5#基樁( 不滿足設(shè)計(jì)要求) 的堆載法承載力測試曲線分別如圖8、圖9所示［12］。

表6 堆載法承載力檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從表6 和圖8 可知，除16 －5#基樁外，其他15 根基樁在最大試驗(yàn)荷載作用下，總沉降量均在規(guī)范規(guī)定的允許范圍之內(nèi)［13］，其Q －S 曲線均屬平緩型、S －lgt 曲線均屬平直型，說明絕大多數(shù)基樁的承載力都能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 典型基樁堆載法承載力測試曲線

圖9 16 －5#基樁堆載法承載力測試曲線

從表6 和圖9 可知，16 －5#基樁試驗(yàn)要求的最大荷載為17 302 kN，但實(shí)際檢測到的最大荷載只有13 841 kN。根據(jù)沉降隨時(shí)間變化的特征確定，單樁豎向抗壓極限承載力應(yīng)取S －lgt 曲線尾部出現(xiàn)明顯向下彎曲的前一級荷載值［13］，16 －5#基樁的單樁豎向抗壓極限承載力實(shí)際為13 841 kN，低于試驗(yàn)要求的最大荷載17 302 kN，表明其承載力不滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 自平衡法

自平衡檢測系統(tǒng)組成及受力示意圖如圖10 所示。

圖10 自平衡檢測系統(tǒng)組成及受力示意圖

從圖10 可知，自平衡試樁法的主要裝置由加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、荷載與位移的量測裝置組成。其檢測原理是將特制的加載裝置荷載箱，在混凝土澆筑之前和鋼筋籠一起埋入樁內(nèi)相應(yīng)的位置，將加載箱的加壓管以及所需的其他測試裝置從樁體引到地面，然后灌注成樁。加壓泵在地面向荷載箱加壓加載，使得樁體內(nèi)部產(chǎn)生加載力，通過對加載力與這些參數(shù)之間的關(guān)系的計(jì)算和分析，從而獲得樁基承載力。

與傳統(tǒng)的堆載法試驗(yàn)比較，自平衡法有獨(dú)特的優(yōu)勢，例如裝置較簡單，占用場地空間小，不需要運(yùn)入數(shù)百噸或數(shù)千噸物料，不需構(gòu)筑笨重的反力架，可多根樁同時(shí)測試，試驗(yàn)準(zhǔn)備工作省時(shí)、省力、安全。當(dāng)遇到水上試樁、超長樁、坡地或狹窄場地試樁、斜樁、嵌巖樁等，或當(dāng)設(shè)置傳統(tǒng)的堆載平臺或錨樁反力架特別困難或檢測費(fèi)用巨大等情況時(shí)，自平衡法更具優(yōu)勢。

根據(jù)樁自平衡靜載試驗(yàn)極限承載力QU 計(jì)算公式計(jì)算，單樁極限承載力為單樁設(shè)計(jì)容許承載力的2.01 ～2.17 倍之間，該工程按設(shè)計(jì)軸向容許承載力的2.0 倍加載。按檢測計(jì)劃，綜合考慮樁長、試驗(yàn)要求最大荷載及因水上試樁檢測不便等原因，選取10 根基樁采用自平衡法進(jìn)行承載力檢測，基樁參數(shù)、試驗(yàn)要求最大荷載及檢測結(jié)果見表7，基樁自平衡法承載力測試曲線如圖11所示［14］。

表7 自平衡法承載力檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

從表7 和圖11 可知，各樁加載到試驗(yàn)要求最大荷載時(shí)，向上、向下總位移量均在規(guī)定的允許范圍內(nèi)［14］，Q上－ S上、Q下－ S下曲線呈緩慢變化，無明顯陡降段，S ～lgt曲線呈平緩規(guī)則排列，且在各級荷載下樁變形能較快穩(wěn)定。

圖11 基樁自平衡法承載力測試曲線

4 結(jié)束語

以浙江東部沿海地區(qū)某大型高速公路工程的3942根橋梁基樁完整性及承載力的檢測成果為依托，結(jié)合現(xiàn)有樁后壓漿工藝的利弊分析，對基樁完整性及承載力的檢測方法和基樁壓漿工藝的選擇及應(yīng)用方面的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)如下:

(1) 與直管法相比，采用U 型管法的壓漿工藝更能提高漿液均布在樁身底端的機(jī)率，但若成孔深度未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，則會(huì)造成設(shè)計(jì)樁長不足，不能達(dá)到設(shè)計(jì)驗(yàn)算過的理論單樁軸向設(shè)計(jì)承載力，從而引起結(jié)構(gòu)安全隱患［15］。

(2)采用直管法的壓漿工藝在壓漿過程中可能造成壓漿管(兼做聲測管)出漿口周邊混凝土離析，采用超聲波法完整性檢測時(shí)會(huì)將其判為缺陷部位，且缺陷厚度即出漿口高度，此時(shí)需要結(jié)合其他方法綜合判定。

(3)因不同的工程地質(zhì)條件有差異，不可能有相同的壓漿參數(shù)，采用后壓漿工藝時(shí)一定要按照適用于該工程的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)對水泥漿強(qiáng)度、壓漿壓力、壓漿總量及持續(xù)時(shí)間進(jìn)行質(zhì)量控制，并要保證各壓漿管暢通。

(4)由于反射波法自身檢測原理的局限性及對樁身材質(zhì)變化的不靈敏性［16］，加之檢測人員水平的參差不齊，建議在對樁后壓漿的基樁進(jìn)行完整性檢測時(shí)不首選該方法。

(5)由于自平衡法檢測基樁承載力的原理決定，采用該方法加載完成后，往往不能將加載結(jié)果直接套用傳統(tǒng)試驗(yàn)規(guī)程來進(jìn)行類比，得出安全性結(jié)論，而是將加載結(jié)果轉(zhuǎn)換以后，才能套用傳統(tǒng)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行類比，得到的承載力往往偏大，得出安全性結(jié)論的過程也較為間接。堆載法相對于自平衡法來說，在檢測基樁承載力時(shí)更為直觀準(zhǔn)確，建議在現(xiàn)場具備檢測條件時(shí)用堆載法或錨樁法來實(shí)施檢測。

總之，鉆孔灌注樁后壓漿技術(shù)具有提高單樁承載力、提高生產(chǎn)率、節(jié)約建設(shè)資金等優(yōu)點(diǎn)，在具備施工、地質(zhì)等條件的工程中推廣有著重要的意義和廣闊的前景，但若與具體工程配套的壓漿工藝不成熟，勢必造成樁身質(zhì)量缺陷，而檢測人員在檢測基樁完整性及承載力時(shí)應(yīng)綜合考慮多方面因素［17］，才能得到最正確有效的數(shù)據(jù)，從而保證工程的質(zhì)量與安全。