岩溶地区桩基检测方法对比分析和综合应用.doc

岩溶地区桩基检测方法对比分析和综合应用吴辉琴，王鹏，王家全（广西工学院土木建筑工程系, 柳州，545006）摘要：岩溶地区冲孔灌注桩设计，由于地质条件复杂，增加了对桩身完整性检测的难度。通过实际工程，分析探讨各种检测方法的特点、适用范围和局限性，提出低应变法、声波透射法和钻芯法综合运用模式，针对不同工况灵活采用不同检测方法组合的模式，提高了检测精度，加快检测进度，降低检测费用，可为类似工程提供参考依据。关键词：岩溶地区；冲孔灌注桩；桩基检测中图分类号：X 705 文献标志码：AComparative Analysis and Comprehensive application of detection method of pile foundation in karst areaWU Hui-qin, WANG Peng,WANG Jia-quan(Department of Civil and Architecture Engineering,Guangxi University of Technology,Liu zhou 545006,China)Abstract：Under the complex geologic conditions，it is difficult to detect the integrality of the punching grout piles in the karst region.Based on the actual projects, the characteristics, applicable scope and limitations of various detection methods are analyzed and explored, and the integrated application mode of low-strain method, ultrasonic projection method and the drilling core method is proposed. The flexible application of the combination of different detection methods in different operating conditions can improve the detection accuracy, speed up the detection progress, and reduce the detection costs, so as to provide a reference for similar projects.Keywords: karst region；punching grout pile；pile foundation inspection0 前言广西地处岩溶区，灰岩类岩层分布广泛，由于其特殊的地质，一般的基础形式不容易满足建筑物对其承载力的要求1-3。冲孔灌注桩桩端坐落于基岩内部，上部荷载可以传递到完整岩层4-7，由于其承载力高、沉降变形小、抗震性能好，适应于各种地质条件等特点，所以岩溶地区普遍使用冲孔灌注桩基础。由于桩基属于地下隐蔽工程，加强桩基质量完整性检测，对确保桩基工程质量和安全有着重要的意义。本文结合柳州地区特殊的地质情况，通过桩基检测的试验资料和经验，分析和探讨岩溶地区桩基检测方法，试验表明检测结果良好，可为同类相关工程提供参考。1 工程概况某项目场地位于柳州市城中区河北半岛东南角。地形较复杂高差较大，总体地势为东南低西北高。现拟建高层住宅，主楼占地面积约900m2,设计总高78.75m,地上26层，框剪结构；商业裙楼占地面积约1800m2，二层，设计总高8m。全部采用冲孔灌注桩，以下伏中微风化白云质石灰岩作桩端持力层。其中主楼单桩竖向承载力特征值为1600032000KN，采用直径1.22.0m的桩基础；裙楼单桩竖向承载力特征值为40006000KN，采用直径0.81.2m的桩基础，其中主楼37根，裙楼及地下室81根，共118根。根据工程地质勘察资料，场区岩土层自上而下可分为：填土、素填土、表层粉质粘土、硬塑状粉质粘土、可塑状粉质粘土、角砾、破碎灰岩、中风化灰岩。由于场区大部分地段岩面起伏大，沟槽、石芽、溶洞比较发育，钻孔118中有42个钻孔揭露溶洞、裂隙，约占35%。溶洞高度在0.87.6m之间变化，局部在14.817.4m之间变化溶蚀破碎带厚度在0.320.1m之间，部分钻孔在垂直方向上揭露多层溶洞及溶蚀破碎带，呈串珠形态，从充填情况看，溶洞多表现为空洞、半充填或全充填溶洞，充填物为粉质粘土夹卵砾石。2 工程桩基质量检测方法的选择质量检测8是工程质量控制的重要环节，是桩基工程质量的验收依据。桩基属于隐蔽工程，是建筑物的基础，其质量优劣直接影响到建筑物的安全使用。因此加强桩基质量检测，对确保整个桩基工程质量具有重要的意义。本工程因其不良的工程地质及复杂的地质条件，严重影响施工质量及桩基安全，桩基检测的准确度显得尤为重要。岩溶区桩型为端承嵌岩桩，岩溶区嵌岩桩检测中最关键的主控项目:桩底下基岩完整性；桩身混凝土质量；桩底沉渣。目前桩基检测普遍采用静载法、低应变、高应变、声波透射法及钻孔取芯等方法。静载试验法（静载法），指在桩顶部逐级施加竖向压力、竖向上拔力或水平推力，观测桩顶部随时间产生的沉降、上拔位移或水平位移，以确定相应的单桩竖向抗压承载力、单桩竖向抗拔承载力或单桩水平承载力的试验方法。由于静载需要施工现场提供较宽的工作面以便堆放荷载，很多时候现场条件难以满足要求。此外检测过程中主观臆断的存在或理论的局限性，往往选桩缺乏代表性，而检测周期人为压缩、试验成本的增加，也影响了检测的正确性、客观性。低应变反射波法(低应变法)，采用低能量瞬态或稳态激振方式在桩顶激振，实测桩顶部的速度时程曲线或速度导纳曲线，通过波动理论分析或频域分析，对桩身完整性进行判定的检测方法。测试设备轻便简单，检测速度快，成本低，但存在未能明确判断到底是断桩还是沉渣，沉渣多厚等等，限制了该方法的进一步使用。高应变检测法（高应变法），实际上是用重锤锤击桩顶，使桩产生一个位移，同时测出桩身中锤击应力随时间的变化及桩身质点振动速度随时间的变化，在经过数值拟合计算，确定单桩承载力。在实际操作中，锤击能量选择、原始材料收集、检测时间选择、传感器安装以及桩头处理好坏都会影响高应变检测法的准确性和可靠性，但检测费用偏高，此外现场吊车起吊重锤需要检测现场提供较大的工作平面，很多工地往往难以满足该条件。声波透射法(超声波法)，利用超声波在金属构件中传播和反射的原理，以探测构件内部缺陷的大小、性质、位置以及材质的某些物理性能的方法。检测范围可覆盖全桩长的各个截面，测试精度高，但需要预埋声测管，检测成本也相对较高，且对桩身直径有一定要求。钻孔取芯法（钻芯法），桩身完整性检测最直观的方法，不仅可以测定桩身混凝土质量、抗压强度和桩长，还可检查桩底沉渣和持力层性状，具有科学直观、实用等特点。但检测桩长径比大时，钻芯孔容易偏离桩身，无法钻取到桩底，且钻芯法检测时间较长，检测成本较高。根据以上分析，结合本工程场地环境和地质条件，在桩基检测中，各个检测手段需要配合使用，利用各自的特点和优势，既要保证检测精度，又要降低检测成本，灵活运用各种方法，才能够对桩基进行全面准确的评价。结合柳州地区冲孔灌注桩工程的检测实践，该商住楼桩基检测采用低应变法、超声波法和钻芯法联合的模式。3 桩基检测内容及结果对比3.1检测数量由于该项工程上部荷载较大，承载力特征值高，场地岩溶发育，地质条件复杂，成桩质量把握难度大，为确保桩基质量，对该工程118根所有桩均进行桩身完整性检测。3.2 检测内容基桩检测的内容主要集中在承载力和桩身完整性两个方面。桩基承载力一般采用静载试验或高应变检测等方法，由于本场地为冲孔灌注桩，桩端坐落在基岩内部，且由于场地条件限制，依据建筑基桩检测技术规范(JGJ1062003)亦有相应条文，承载力检测可以使用钻芯法来替代。桩身完整性是桩身截面尺寸相对变化、桩身材料密实性和连续性的综合性反映，一般采用声波透射法、低应变法和钻芯法等，其分类如表1所示:表1 桩身完整性分类桩身完整性类别分类原则桩身完整桩身有轻微缺陷，不会影响桩身结构支撑力的正常发挥桩身有明显的缺陷，对桩身结构承载力有影响桩身存在严重缺陷根据现场实际情况，为降低检测费用成本，钻芯法检测桩基数量只占总桩数的10%，且不少于10根，声波透射法和低应变法检测适用于所有桩基。3.3 检测结果对比3.3.1 低应变法和钻芯法联合检测模式在现场检测中，如果未预埋声测管，则可用低应变法替代声波透射法进行桩身质量检测，若低应变法测试基桩波形异常，可通过钻芯法进一步验证，两种方法各有优缺点，通过联合检测，可加快检测速度，提高检测精度，节省检测费用。现场测试中，发现部分基桩低应变波形异常，取其中一根作具体分析。20#桩径1200mm，桩长15.45m，设计要求桩端持力层为中风化灰岩进行分析，低应变分析可看出其缺陷均表现为桩底处明显的正相反射，表明桩底附近的阻抗明显变小，其实测时域波形如图1所示：图1 20#桩低应变实测时域波形图采用钻芯法检验20#桩，检测仪器采用GY-1型工程钻机（长沙探矿机械厂），取芯采用110的金刚石钻具，孔深20.45m，其中持力层钻进4.5m，钻芯015.52m为桩身混凝土， 15.52 m14.75 m为灰岩，14.75 m17.00 m为含角砾粉质粘土，17.00 m18.45 m为灰岩，18.45 m20.45 m为含角砾粉质粘土。钻芯检测结果表明：20#桩身完整，桩端以下存在充填溶洞，持力层未满足设计要求，判定为III类桩。之后，对该桩进行钻芯洗孔，高压灌浆处理。因此可以看出，尽管低应变法不能确定桩底情况，但可以将嵌岩桩视为桩端固定的杆件，然后根据桩底反射波的方向判断桩端的端承效果，若桩底正相反射强烈，表明桩端下可能有沉渣或溶洞，有必要采用钻芯法进一步验证。 3.3.2 超声波法和低应变法联合检测模式在现场检测中，在破开桩头，以便使超声波管出露过程中，经常发生混凝土碎块或者碎石掉落超声波管，从而造成超声波管某部位堵塞而未能检测到桩底的情况，这时候如果直接采用钻芯法检测桩身完整性，成本过高，检测时间过长，延误工期，可以采取超声波和低应变联合检测的方式。若低应变法检测波形正常，则认为该桩质量合格，若波形异常，则需钻芯进一步验证。18#桩桩径1600mm,桩长11m，在使用声波透射法检测中发现18#桩8.8m处声波管堵塞，未能检测到桩底情况，8.8m以上超声波检测情况如图2所示，桩身混凝土超声波速度均在4000m/s以上，表明桩身质量良好。为判断桩底情况，采用了低应变法进行补充，波形情况如图3所示，桩底出现正相发射，波形异常，桩底基桩混凝土质量问题较大，判为III类桩，经钻芯取证，如图4所示，桩底10.5m-11.1m为桩底沉渣，钻进较快。因此，从该实例可以看出，声波透射法和低应变法作为联合检测模式，相互补充。图2 18#桩超声波声速-桩长曲线图3 18#低应变检测分析图图4 18#桩桩底沉渣钻芯样品3.3.3 超声波法和低应变法检测精度比较对桩103#进行超声波检测，其中103#桩径1500mm，桩长35m，桩身混凝土强度C40，持力层为中风化灰岩，完整性检测采用超声波法,判断评定为类桩，实测波形图5所示；此外，对该桩进行低应变法检测，发现在29.3 m附近有明显的正相反射，且桩底反射不明显，实测波形图6所示。若仅从低应变波形分析，该桩可判定为类桩，应采取钻芯法验证。图5 103#桩超声波检测分析图图6 103#桩低应变检测分析图针对出现不同的检测结果，通过查证103#桩的施工情况9-10得知，该桩成孔后，在下放钢筋笼时，由于孔位的倾斜，致使钢筋笼无法继续下放，经回填修孔，灌注混凝土成桩后，充盈系数1.22。由钻探勘察资料可知，该桩23 m附近为粘土层与灰岩的交界面，岩面倾斜较大。103#桩在29.3 m处反映出正相反射的现象，是由于回填修孔施工过程中，致使桩径截面出现先扩后缩的变化引起。低应变法检测可以反映出这种截面变化，而超声波法的检测范围是2根声测管之间的区域，只要混凝土标号合格、声测管基本平行，其波形图不能反映出这种截面变化。经过综合分析对比，103#桩的桩身完整性检测仍以超声波法的结果为准。实例表明，低应变法与超声波法作为桩身质量无损检测的方法，超声波法比低应变法更加全面、细致，且检测范围不受桩径、桩长的限制，涵盖桩的各个剖面，检测结果更加准确、可靠。4 结语（1）岩溶区冲孔桩多为端承桩，由于地质情况复杂，岩溶发育，尽管有一桩一孔的勘察资料，但所揭露的岩土特征并不代表整个桩断面的地质情况，所以在桩基冲孔施工时应根据勘察资料、岩层进尺速度等确定终孔位置，对桩身完整性检测做到普查，并加强桩端持力层性状的分析。（2）岩溶区冲孔桩完整性的检测宜采用低应变法、超声波法和钻芯法联合的模式，不仅可以综合反映出单根桩的质量及承载力，而且最重要的是可以评估整个场地所有基桩承载力状况，对整个工程桩质量进行了全检，解决了静载试验选样过少的缺点，且检测费用大幅降低。（3）桩基检测作为桩身完整性检测的动态工具，为基桩工程的设计、施工等各个环节提供相关的数据和技术咨询服务，对优化施工方案、排除安全隐患及控制工期具有积极的意义。参考文献(References)1 Von Terzaghi K,Peck R.B.and Mesri G.,Soil mechanics in engineering practiceM.3rd Ed.New York:John Wiley Sons Inc.1996.2 岩土工程勘察规范GB50021-2001S.北京:中国建筑工业出版社,2002.（Code for investigation of geotechnical engineering GB50021-2001S.Beijing: China Architecture and Building Press,2002.3 王凯,郑颖人,周小亮.钻孔灌注桩边坡支护变形规律研究J。地下空间与工程学报,2007(4）:642-646. (Wang Kai,Zheng,Ying-ren,Zhou Xiao-liang Research on Deformation Rule of Slope Protection for the Bored Pile. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2007(4）:642-646.4 俞茂宏,统一强度理论及其应用M.Springer,Berlin,2004.(Yu Mao-Hong,Unified strength theory and its ApplicationsM.Springer,Berlin,2004.5 郑颖人，沈珠江，龚晓南，岩土塑性力学原理M中国建筑工业出版社，2002，5256.(Zheng Ying-ren Shen Zhu-jiang，Gong Xiao-nan，Principle of geotechnical plastic mechanics，China Building Industry Press，2002，5256. 6 刘铁雄,彭振斌.岩溶地区岩体特征分析与桩基处理方法初探J.探矿工程,2005:60-62.(Liu Tie-xiong ,Peng Zhen-bin. Analyses on Rock Characteristic and Research on Piles Foundation Treatment in KarstJ.Exploration Engineering, 2005:60-62.7 蔡登山，王邦楣.岩溶地区钻孔桩受力机理研究J.桥梁建设,2002（6）：16-19.( Cai deng-shan,Wang Bang-mei.Study of Mechanism o