預(yù)應(yīng)力管樁多種檢測方法判定樁身完整性

楊筆將

（上海匯谷巖土工程技術(shù)有限公司，上海市 201108）

0 引言

基樁作為承擔(dān)建設(shè)工程（工業(yè)與民用建筑工程、橋梁工程等）上部荷載的主要構(gòu)件，其質(zhì)量直接影響到整體的安全和使用功能，故樁身完整性檢測就十分重要。

預(yù)應(yīng)力空心類樁按形狀分類，主要有預(yù)應(yīng)力管樁、預(yù)應(yīng)力空心方樁、預(yù)應(yīng)力混凝土異型預(yù)制樁等。目前檢測樁身完整性常用的方法主要有低應(yīng)變法[1]、高應(yīng)變法[1]，其中低應(yīng)變法檢測簡便快速，運(yùn)用最為廣泛。低應(yīng)變反射波法（lo w s t r a in ref le c t e d w a v e m e t h o d）指在采用低能量瞬態(tài)激振方式對樁頂施加沖擊荷載，實(shí)測樁頂部的加速度（或速度）時程曲線，通過波動理論的時域頻域分析，對樁身完整性進(jìn)行判定的檢測方法[1]。適用于樁徑小于2.0m、長度一般不大于40.0 m、預(yù)應(yīng)力管樁上下截面相同、滿足一維桿件的理論模型。該方法具有儀器設(shè)備相較其他檢測方法小巧輕便、操作簡便快速的特點(diǎn)，適合大范圍、多數(shù)量快速檢測工作的需要。由于樁側(cè)土阻及阻尼耦合等因素影響，故對樁身缺陷只做定性，必要時需采用其他檢測方法驗(yàn)證后綜合判定[2]。樁土耦合的作用也對采集的數(shù)據(jù)存在一定影響，易導(dǎo)致誤判或漏判。

通過工程實(shí)例舉例說明采用多種檢測方法判定此類樁樁身完整性的必要。

1 工程實(shí)例1

1.1 工程概況

上海市某新建住宅樓項(xiàng)目共有13幢單體建筑及地下車庫，住宅樓層數(shù)均為六層。其中一單體設(shè)計采用直徑為 ?400 mm的預(yù)應(yīng)力管樁P H C A B 400（95）16（工程樁 8m+8m，靜載試樁 8m+9m），樁身混凝土強(qiáng)度等級為C80，工程樁樁長16m（靜載試樁樁長17m），樁端持力層為⑤2灰色粉砂，單樁豎向承載力設(shè)計值為400 kN（靜載試樁為430 kN），靜載荷試驗(yàn)最大加載量為860 kN。

1.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果

（1）靜載荷試驗(yàn)前對B4-60#樁進(jìn)行低應(yīng)變檢測，時域曲線指數(shù)放大[2]后，顯示樁身中部約8.0m處（接樁位置）輕微反射，約15.0m處也有輕微反射。低應(yīng)變時域圖如圖1所示。

圖1 B4-60#樁靜載試驗(yàn)前低應(yīng)變時域曲線圖

（2）靜載荷試驗(yàn)時，該樁加載至602 kN，樁頂沉降量急劇上升，讀數(shù)至60min時累計沉降達(dá)到45.38 mm，加載至688 kN（第七級）時出現(xiàn)荷載不能維持，測讀15min累計沉降量已超過135 mm，最終未達(dá)到設(shè)計要求的最大加載量。其Q-s曲線和s-lgt曲線分別如圖2、圖3所示。

圖2 B4-60#樁Q-s曲線

圖3 B4-60#樁 s-l gt曲線

移除靜載荷平臺手觸摸以及觀察外觀，樁頂完整無破損情況，可以排除因樁頂端板附近樁身屈服造成的破壞（見圖4）。

圖4 B4-60#樁樁頂情況照片

（3）再次對B4-60#樁進(jìn)行低應(yīng)變檢測，時域曲線指數(shù)放大[4]后，由于該樁靜載荷試驗(yàn)最大沉降量比較大，樁側(cè)土的摩阻力明顯降低，并致使原樁身中部接樁處8.0m左右處的反射顯化，15.0m左右處的反射也同樣顯化，并疑似為樁底反射。低應(yīng)變時域圖如圖5所示。

圖5 B4-60#樁靜載試驗(yàn)后低應(yīng)變時域曲線圖

（4）由于該工程地質(zhì)勘查報告中顯示，區(qū)域存在暗浜，但不在B4#樓位置。為判斷該樁地質(zhì)條件是否有未探明的突變情況，故在樁外側(cè)約1.0m處進(jìn)行靜力觸探，靜探成果曲線如圖6所示，與勘查報告所述基本一致，未見地質(zhì)突變。

圖6 B4-60#樁外側(cè)約1.0 m處靜力觸探曲線圖

圖7 B4-60#樁磁測井法（步距25 cm）曲線圖

（5）為了解該樁15.0m左右處的缺陷性質(zhì)，對該試樁進(jìn)行磁測井法[3]檢測樁長，在樁外緣凈距約為50 cm樁旁成孔25.5m，并埋設(shè)P V C管作為磁測井法的檢測通道，測量采用四種步距，分別為5 cm、10 cm、25 cm、50 cm。綜合四次磁測井法檢測結(jié)果和低應(yīng)變時域曲線以及施工資料，確定實(shí)測樁長為15.0m。列舉磁測井法成果比較清晰的步距25 cm曲線，結(jié)果如圖7所示。

1.3 判定及原因分析

（1）綜上所述，B4-60#樁實(shí)際樁長為15.0m，少于設(shè)計樁長，判斷該樁完整性為不合格（Ⅳ類）。

（2）針對該工程內(nèi)的此種情況，擴(kuò)大低應(yīng)變抽檢數(shù)量（原設(shè)計及檢測規(guī)程要求不少于30%[1]），部分單體擴(kuò)大至100%普測。又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)有個別樁的樁長少于設(shè)計樁長1m或2m，同時也有個別樁長比設(shè)計樁長長1m或2m的情況。

（3）原因是現(xiàn)場管理混亂造成。該批樁并非按照設(shè)計圖紙中的上下節(jié)樁樁長采購，施工班組夜間施工較多，沉樁（靜力壓入法）時未認(rèn)真核對每節(jié)樁樁身上標(biāo)記的型號，也未測量每節(jié)樁的長度，盲目進(jìn)行作業(yè)；另外監(jiān)理管理方面也存在明顯遺漏，最終釀成此次質(zhì)量問題。

1.4 技術(shù)整改措施

（1）對于樁長不足的樁，采用接樁壓入的方法，使樁端進(jìn)入設(shè)計要求的持力層深度。

（2）對于樁長超出設(shè)計樁長的，勘察單位核查地質(zhì)資料及補(bǔ)勘計算下臥層的距離，由設(shè)計單位逐個驗(yàn)算單樁承載力是否滿足原設(shè)計要求，并采用高應(yīng)變[1]補(bǔ)充檢測單樁承載力和完整性。

2 工程實(shí)例2

常州市某新建住宅樓項(xiàng)目共有7幢單體及地下車庫，其中6#樓28層，7#樓33層（其余單體均為單節(jié)樁）?；鶚兑?guī)格采用 P H C A B 600（130）26（13，13）、P H C A B 600（130）25（12，13），樁身混凝土強(qiáng)度等級為C80，樁端持力層為⑥粉砂，單樁豎向抗壓承載力特征值為3 000 kN。靜載試樁樁長與工程樁相同，靜載荷試驗(yàn)樁在基坑開挖后根據(jù)低應(yīng)變檢測結(jié)果挑選。

2.1 任務(wù)起因

該工程由常州市當(dāng)?shù)匾患覚z測公司進(jìn)行檢測，在基坑開挖后進(jìn)行低應(yīng)變檢測，并根據(jù)低應(yīng)變檢測結(jié)果挑選靜載荷試驗(yàn)樁（靜載試驗(yàn)在坑底進(jìn)行）。首先開挖的是6#、7#樓，故先對該兩棟單體進(jìn)行檢測，該檢測公司僅憑低應(yīng)變檢測結(jié)果就判定不合格樁（Ⅲ類）較多（均超過60%），且判定不合格類型均位于接樁處（上下節(jié)樁脫開）。參建方對此產(chǎn)生異議，故對該兩棟進(jìn)行復(fù)測。在查看檢測成果曲線后發(fā)現(xiàn)，反射波波峰較為輕微，認(rèn)為需要補(bǔ)充其他檢測方法驗(yàn)證原判定。

2.2 復(fù)測成果

2.2.1 低應(yīng)變復(fù)測

7#樓共165根樁，實(shí)際上下節(jié)樁未按設(shè)計長度采購（采購方為開發(fā)商），而采用的是25m（11m+14m）、26m（11m+15m）。另外因部分樁難以壓至設(shè)計標(biāo)高，經(jīng)核定后采取截樁措施。

對比分析普測的曲線基本與原檢測一致，反射波波峰均較為輕微，且經(jīng)過指數(shù)放大后均未見多次等距的反射波。舉例4根樁低應(yīng)變時域曲線（指數(shù)放大[4]）如圖8所示。

2.2.2 孔內(nèi)攝像法驗(yàn)證

為了解7#樓樁身接樁處是否存在明顯或嚴(yán)重缺陷，將樁孔內(nèi)部的土清除至樁頂以下15 m作為通道，選取部分接樁處反射波相對明顯的樁作為驗(yàn)證對象，利用樁孔作為通道進(jìn)行孔內(nèi)攝像法[1]探查，直觀查看接樁情況，以判別缺陷程度。當(dāng)7#樓此項(xiàng)工作做到一半時發(fā)現(xiàn)，已探查的樁均存在接樁處脫開情況，且有個別樁接樁處的端板變形或與樁身斷開，問題比原先判斷要嚴(yán)重得多。經(jīng)緊急會議協(xié)商，對6#、7#樓進(jìn)行孔內(nèi)攝像普查。為區(qū)分接樁處缺陷程度進(jìn)行分類：

（1）貼合（A類）。接樁處環(huán)接樁全周長貼合或基本貼合。

（2）欠貼合（B類）。接樁處環(huán)接樁全周長欠貼合（未見明顯斷口）或局部方向基本貼合、局部欠貼合。

（3）脫開（C類）。接樁處環(huán)接樁局部方向貼合，局部方向斷開，或局部方向欠貼合，局部方向輕度斷開，或者環(huán)接樁全周長斷開輕度斷開（斷開量小于 1.0 cm）。

（4）嚴(yán)重脫開（D類）。接樁處環(huán)接樁全周斷開量1.0 cm及以上。

2.2.2.1 6#樓孔內(nèi)攝像結(jié)果

工程樁共137根進(jìn)行基樁孔內(nèi)攝像普查，普查結(jié)果如下：接樁貼合樁（A類）46根，占33.6%；接樁欠貼合樁（B類）4根，占2.9%；接樁輕度斷開樁（C類）2根，占1.5%；接樁斷開樁（D類）85根，占62.0%。缺陷特征主要表現(xiàn)為上下節(jié)樁接樁處脫開，個別有輕度錯位。

2.2.2.2 7#樓孔內(nèi)攝像結(jié)果

工程樁共165根進(jìn)行孔內(nèi)攝像普查，普查結(jié)果如下：貼合樁（A類）18根，占10.9%；欠貼合樁（B類）8根，占 4.9%；輕度斷開樁（C類）3根，占1.8%；斷開樁（D類）136根，占82.4%。缺陷特征主要表現(xiàn)為上下節(jié)樁接樁處脫開，個別有輕度錯位。

孔內(nèi)攝像工作歷經(jīng)近4個月（期間遇春節(jié)工程停工1個月），列舉部分樁攝像截圖如圖9～圖11所示。

圖9 7-29#樁樁頂下12.0 m接樁處有約1.5 cm整合型水平向間隙（下節(jié)樁端板與上節(jié)樁連接，但與下節(jié)樁樁身斷開。間隙處有夾泥，泥無滲流，無滲水情況。缺陷程度為D類）

圖10 7-34#樁樁頂下11.6 m接樁處有約3 cm整合型水平向間隙（上節(jié)樁端板與下節(jié)樁端板脫開。間隙處有夾泥，泥無滲流，無滲水情況。缺陷程度為D類）

常州檢測公司由于靜載荷前期工作已經(jīng)全部到位，于是在孔內(nèi)攝像工作剛剛開展期間，挑選7#樓80#樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，設(shè)計要求最大加載量為6 000 kN，按最大加載量的30%、50%、70%、80%、90%、100%分級加載。當(dāng)加載至3 000 kN時沉降量陡增至53mm，此間荷載不能維持，之后沉降恢復(fù)穩(wěn)定施加下一級直至6 000 kN，最大沉降量為68mm。分析該樁接樁處有4～5 cm脫開，當(dāng)加載至3 000 kN時上節(jié)樁土的側(cè)摩阻力破壞，在相當(dāng)于壓入至下節(jié)樁閉合時承載力恢復(fù)，最終殘余沉降為63mm。靜載荷Q-s曲線如圖12所示，靜載荷試驗(yàn)前低應(yīng)變時域曲線如圖13所示。

圖11 7-127#樁樁頂下約9.0 m接樁處斷開約5.0 cm（有夾泥，上節(jié)樁端板變形，局部與下節(jié)樁端板連接，另外一部分與上節(jié)樁連接。無滲水情況。缺陷程度為D類）

圖12 7#樓80#樁靜載荷Q-s曲線照片

圖13 7#樓80#樁靜載試驗(yàn)前低應(yīng)變時域曲線與指數(shù)放大對比圖

2.3 原因分析

2.3.1 土質(zhì)分析

該工程土質(zhì)自上而下為③（黏土）、④（砂層）、⑤（黏土）、⑥（砂層）。其中砂層的摩擦角 φ值較大，對于上節(jié)樁處于土性較好的黏土與粉砂交互沉積，導(dǎo)致沉樁形成的樁側(cè)擠土應(yīng)力與樁之間的夾角偏大（45°+φ/2）。經(jīng)過力的矢量分解后，擠土應(yīng)力形成上抬力，黏土壓縮性低、透水性弱、超孔隙水壓力消散性差，并產(chǎn)生應(yīng)力疊加效應(yīng)，上層黏土力學(xué)也比較好，作用于樁側(cè)的上抬力值同樣較大。因此在已壓入的樁側(cè)產(chǎn)生上抬的力。

對于下節(jié)樁處于硬層和軟層的交互作用中，當(dāng)樁身穿越硬層進(jìn)入軟層時（涉及土層③1/③2、⑤2/⑤3），將在樁側(cè)產(chǎn)生明顯的向下拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力將對接樁處產(chǎn)生明顯的不利影響。

2.3.2 施工過程分析

工期較短的條件對擠土樁[9]沉樁施工不利，并且未采用樁間砂井釋放孔隙水壓力，沉樁過程中也無第三方進(jìn)行周邊環(huán)境監(jiān)測，未及時發(fā)現(xiàn)擠土隆起的情況。

2.4 處理措施

（1）由于基坑已經(jīng)開挖，大型設(shè)備無法下坑作業(yè)以及工期原因，故未采用靜力復(fù)位、打樁動力監(jiān)測加動力復(fù)位。介于孔內(nèi)攝像證實(shí)無滲水情況以及樁孔較大等因素，決定采用高壓旋噴樁底加固并全樁孔設(shè)置鋼筋籠灌入等強(qiáng)度的混凝土。

（2）采取增加高應(yīng)變和靜載荷測試數(shù)量，共同完成對整改后樁的驗(yàn)收依據(jù)。

3 工程實(shí)例3

國內(nèi)某航空公司上海虹橋機(jī)場基地項(xiàng)目的基地總面積66 210m2，總建筑面積165 315m2，建筑限高48m（吳淞高程），基地分為三個區(qū)塊。其中南區(qū)共總樁數(shù)989根，采用 ?500預(yù)應(yīng)力管樁（壁厚100mm）；抗拔樁580根，低應(yīng)變檢測按100%普測；抗壓樁409根，按總樁數(shù)的30%抽檢。據(jù)悉該工程由業(yè)主采購上海市某一線品牌制樁企業(yè)產(chǎn)品，總包及監(jiān)理進(jìn)場驗(yàn)收時把控嚴(yán)格，遇有瑕疵或不合格產(chǎn)品均已退回不予進(jìn)場。

3.1 個別樁淺部曲線異常

在檢測過程中發(fā)現(xiàn)個別樁淺部（樁頂以下1.5～4.0m）曲線呈現(xiàn)不同程度的異常反射。部分（4根）較典型樁的低應(yīng)變時域曲線如圖14所示。

圖14 部分樁低應(yīng)變時域曲線圖

3.2 復(fù)測成果

（1）僅對曲線分析疑似樁頂附近存在缺陷，因反射峰距離樁頂較近，可從樁孔內(nèi)部觀察以及孔內(nèi)攝像探查是否真實(shí)存在缺陷，但未發(fā)現(xiàn)有缺陷存在（攝像至接樁處）（見圖15、圖16）。

圖15 從樁頂向孔內(nèi)觀察

圖16 采用孔內(nèi)攝像第一節(jié)與第二節(jié)接樁處（11 m）未見缺陷存在

（2）又懷疑管樁端板下存在混凝土欠密實(shí)對曲線淺部形成干擾，故去除端板后再次復(fù)測，復(fù)測與此前低應(yīng)變成果一致（見圖17）。

圖17 去除端板后復(fù)測

3.3 查明原因及判斷

3.3.1 查明原因

經(jīng)過上述幾種方法均未找出淺部曲線反射原因。查閱勘察、施工資料，發(fā)現(xiàn)有該種情況的樁均距離高壓旋噴較近（2m范圍之內(nèi)），旋噴深度為工程樁以下約4m，加固土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土。此時有一個假設(shè)：由于高壓旋噴壓力較高，其實(shí)際土中加固平面范圍已經(jīng)超過設(shè)計平面區(qū)域，已達(dá)到樁身側(cè)面且包圍樁身，當(dāng)其固結(jié)后附著在樁側(cè)面，低應(yīng)變的彈性波實(shí)際上是在管樁和高壓旋噴固結(jié)物中傳遞，所以曲線呈現(xiàn)出類似樁頂附近不規(guī)則擴(kuò)徑的反射波現(xiàn)象。

為求證該假設(shè)是否成立，北區(qū)開挖的基坑同樣有高壓旋噴加固，選取距離高壓旋噴位置較近樁的區(qū)域進(jìn)行局部開挖直接觀察。發(fā)現(xiàn)經(jīng)高壓旋噴過的部位土體已經(jīng)形成強(qiáng)度很高的固結(jié)物體，且超出設(shè)計范圍并將樁身側(cè)面包圍，低應(yīng)變時域曲線在樁頂以下約4m處類似擴(kuò)縮徑的反射波是受此影響，從而證實(shí)了該觀點(diǎn)的現(xiàn)實(shí)性。北區(qū)基坑內(nèi)高壓旋噴坑底加固如圖18所示。

圖18 北區(qū)基坑內(nèi)高壓旋噴樁施工坑底加固處開挖照片

3.3.2 驗(yàn)證判斷

鑒于上述復(fù)測及其他探查方法驗(yàn)證判斷，該種情況下的樁身完整性為合格（Ⅰ類）。

3.4 檢測措施

因高壓旋噴固結(jié)物附著造成低應(yīng)變曲線異常反射的樁，通過基坑施工方法匯總，并采用孔內(nèi)攝像輔助判斷其完整性，以補(bǔ)充低應(yīng)變的不足。

4 結(jié)語

低應(yīng)變反射波法檢測建立理論的一維波動方程模型，對樁身完整性只能定性，遇樁土耦合作用下往往會影響到曲線，在以上三個工程實(shí)例中都有體現(xiàn)。低應(yīng)變反射波法具有儀器設(shè)備相較其他檢測方法小巧輕便、操作簡便快速的特點(diǎn)，適合大范圍、多數(shù)量快速檢測工作的需要。在工程實(shí)際運(yùn)用中采用該方法檢測時，作為檢測人員需要仔細(xì)研究數(shù)據(jù)并及時分析原因，必要時需采取多種檢測手段及驗(yàn)證方法來判別被測樁的完整性。對于預(yù)應(yīng)力管樁、預(yù)應(yīng)力空心方樁、預(yù)應(yīng)力混凝土異型預(yù)制樁等具有樁孔的特點(diǎn)，利用樁孔進(jìn)行孔內(nèi)攝像法也可作為樁身完整性判定的依據(jù)之一。綜上所述，切勿僅僅依靠低應(yīng)變反射波法的成果進(jìn)行判定，避免誤判或漏判。