桩后压浆基桩完整性评价与承载力检测研究

李 佳，肖衡林

(1．湖北工业大学，武汉 430068; 2．浙江交科工程检测有限公司，杭州 311215)

引 言

在我国浙江东部沿海地区，软土地基较为常见，此类型的地基结构具有摩阻力低、承载力弱、湿陷性等特点，会使桥梁下部基桩产生如桩长过长、桩径过大和后期承载力不足等问题，这不仅导致施工难度大，而且费用高。有研究发现采用后压浆技术能有效提高桩端承载力和侧摩阻力，可解决上述问题［1］。近年来部分学者对采用后压浆工艺对基桩承载力提升的影响进行过研究，如冯晓平等［2］以北京首都机场扩建工程三号航站楼的工程项目为依托，对后压浆技术提高钻孔灌注桩承载力的情况进行了论述，王殿红［3］对石家庄某工程中采用灌注桩后压浆法提高1.8 倍承载力的实践进行了介绍。但这些研究样本较少，且未对基桩完整性检测结果及其成因进行系统的分析研究。

浙江东部沿海地区在建某大型高速公路工程( 以下简称该工程) 是浙江省内第一个全线采用后压浆工艺的工程，在我国交通建设行业中被列为全国“品质工程”示范点，其3942 根桥梁基桩均采用了直管法或U 管法的压浆工艺。压浆工艺技术在理论上虽然已经成熟，但相关技术规范偏少，在实际施工应用过程中可能因操作不当而不能完全达到预期效果，如某高层建筑的1A －1#灌注桩，因压浆持荷时间不足造成桩底浆液不扩散，经承载力检测后发现不满足设计要求［4］。鉴于此，本文以浙江东部沿海地区在建某大型高速公路工程为依托，对桥梁基桩后压浆技术及其检测技术进行研究，将理论分析和现场试验检测相结合，在桥梁桩后压浆基桩完整性与承载力评价结果的基础上，剖析其成因和存在的问题，探索应对之策，以期为该工程的后续建设提供理论及技术指导，并为基桩后压浆技术及其质量检测方法提供建议。

1 桩端后压浆技术

钻孔灌注桩后压浆技术是成桩时在桩底或桩侧预置压浆管路和压浆装置，待桩身达到一定强度后，通过压浆管路( 直管法或U 管法) 利用高压压浆泵压注以水泥为主剂的浆液，根据浆液性状、土层特性和注浆参数等不同，压力浆液对桩端沉渣、桩侧泥皮及桩周土体起到渗透、填充、置换、劈裂、压密及固结等不同的作用［5］，对孔底沉渣和桩侧泥皮进行固化，通过改变土体的物理力学性能及桩土间边界条件，达到提高桩的承载力，减少沉降量，并提高桩身质量和桩承载力可靠性的目的［6-7］。桩后压浆工艺总体布置如图1 所示。

图1 桩后压浆工艺总体布置

2 桩后压浆基桩完整性检测

基桩桩身完整性检测目前普遍采用的是低应变反射波法和声波透射法，两种方法各具特点。该工程桥梁桩基进行完整性检测时所采用的方法、基桩数量、钻芯数量等情况见表1。

表1 桥梁桩基完整性检测方法选择及样本分布情况

从表1 可知，基桩总样本数为3942 根，其中选用超声波透射法进行完整性检测的有3568 根，占比90.5%，其长度介于55.0 m ～110.0 m 之间，钻芯数量为20 根;选用反射波法进行完整性检测有374 根，占比9.5%，其长度介于21.6 m ～55.0 m 之间，钻芯数量为3 根。由此说明该工程实施完整性检测时已考虑到现场检测条件和设计的要求［8］，且有一定数量的钻芯用于检测结果的验证。

2.1 超声波法

(1) 原理与方法

当超声波在被测基桩混凝土中传播时，它将携带有关混凝土材料性质、内部结构与组成的信息，从而改变声波的各种声学参数，如波速、波幅、频率、波形等;当桩身出现断裂、离析缩颈、夹泥、蜂窝等缺陷时，实测的声速、波幅都会出现不同程度的降低，产生PSD 值突变，波形会发生不同程度的畸变［9］。《公路工程基桩动测技术规程》［10］对于超声波法检测基桩完整性的判定方法见表2。

(2) 检测结果与分析

采用超声波透射法检测了3568 根桥梁基桩的完整性检，结果见表3，超声波波速、波幅、PSD 曲线图与桩底波列情况如图2 所示［8］。

表2 超声波法检测基桩完整性的判定方法

表3 超声波法检测结果

从表3 可知，完整性为Ⅰ类的基桩合计3498 根，占样本总数的98.2%;Ⅱ类基桩合计45 根，占1.2%;Ⅲ类基桩合计13 根，占0.4%; Ⅳ类基桩合计13 根，占0.2%。从图2 可知，除个别基桩的缺陷信号出现在其桩身部位外，完整性为Ⅲ类及Ⅳ类的基桩缺陷信号基本处在桩底位置。

图2 超声波波速、波幅、PSD 曲线图与桩底波列图

2.2 反射波法

(1) 原理和方法

低应变反射波法是用手锤或力锤、力棒敲击桩顶，一个加速度传感器安装在桩顶平面或桩身侧面，负责接收手锤敲击产生的应力波信号。当桩身阻抗变化时，就会产生早反射波( 2L/C 之前) 信号( 或桩底反射波信号)［9］。《公路工程基桩动测技术规程》［10］对于反射波法检测基桩完整性的判定方法见表4，根据反射波的相位、到达时间和幅值来判定缺陷的性质、位置及程度。

表4 反射波法检测基桩完整性的判定方法

(2) 检测结果与分析

用反射波法检测了374 根桥梁基桩的完整性，结果见表5，典型的反射波法检测波形图如图3 所示［8］。

表5 反射波法检测结果统计表

从表5 可知，完整性为Ⅰ类的基桩占总样本数的96.3%，Ⅱ类基桩占3.7%，表明桩后压浆基桩的完整性总体情况良好。从图3 可知，14 根Ⅱ类桩缺陷信号全部出现在桩身中上段，桩底端无缺陷信号［8］，说明桩端压浆与桩中上部缺陷无必然联系。

图3 典型反射波法检测波形图

2.3 完整性检测结果成因分析

(1) 直管法后压浆工艺基桩经超声波法检测完整性时，发现完整性为Ⅲ类及Ⅳ类的缺陷信号基本处在桩底位置，经钻芯法验证，确定缺陷成因主要是压浆工艺造成开塞后声测管( 兼做压浆管) 周边混凝土离析，且缺陷部位厚度与出浆口长度一致。直管法后压浆工艺单向阀布置示意图如图4 所示，直管法声测管( 压浆管) 开塞引起周边混凝土局部离析如图5 所示。

图4 直管法单向阀布置示意图

(2) U 管法后压浆工艺基桩经超声波法检测完整性时，经钻芯法验证，发现缺陷信号主要由开塞后水泥浆向开塞口上部溢出形成一定厚度的水泥浆介质而引起，超声波穿透水泥浆时波速明显低于穿透混凝土的波速，因此出现桩身局部的波速、波幅明显低于临界值，PSD 值畸变［8］，按规范判为缺陷桩。由此说明，若施工不当采用U 管法后压浆工艺可能会对桩端承载力的发挥起负面作用。U 管法单向阀布置示意图如图6所示，U 管法声测管( 压浆管) 开塞引起介质变化如图7所示。

图5 直管法声测管(压浆管)开塞引起周边混凝土局部离析

图6 U 管法单向阀布置示意图

图7 U 管法声测管(压浆管)开塞引起介质变化

(3) 直管法后压浆工艺基桩经反射波法检测完整性时，发现14 根Ⅱ类桩的缺陷信号全部出现在桩身中上段，桩底端无缺陷信号。其原因可能有以下几点: ①因反射波法本身的局限性［11］而无法检测到压浆管周围的局部缺陷;②所检桩桩身成孔( 成桩) 施工质量较好，自身确实无缺陷;③所检桩桩长较短( 深度≤ 25.0 m) ，有利于压浆工艺实施，保证了桩端压浆部位的质量。因此建议桩后压浆的基桩进行完整性检测时优先采用超声波法，避免因检测方法自身的局限等造成误判、漏判，以便更加全面地检测出包括端部在内的整个桩身的质量及其完整性。

3 承载力检测

该工程桥梁桩基根数总计3942 根，主桥基桩采用U 管压浆工艺，接线工程采用直管法压浆工艺。经现场踏勘，综合考虑桩长、设计桩顶最大竖向荷载、基桩轴向受压容许承载力设计值等因素，选定16 根基桩采用堆载法、10 根基桩采用自平衡法进行承载力检测，共计26 根。

根据《公路桥涵施工技术规范》( JTG/TF50 －2011) 附录B: 对于检验性试验，基桩承载力测试时预估最大荷载可采用设计荷载的2. 0 倍，该工程在检测中的试验要求最大荷载按设计轴向容许承载力的2. 0 倍取值。

3.1 堆载法

堆载法是单桩竖向静载试验提供反力的一种方式，即通过以试桩为中心搭设试验平台，码放砂袋、混凝土配重、钢锭等，通过千斤顶加压，给试桩提供竖向压力，从而检验试桩的承载力是否满足设计要求。

选取16 根基桩采用堆载法进行承载力检测，基桩参数、试验要求最大荷载及检测结果见表6，典型基桩( 满足设计要求) 与16 －5#基桩( 不满足设计要求) 的堆载法承载力测试曲线分别如图8、图9所示［12］。

表6 堆载法承载力检测结果统计

从表6 和图8 可知，除16 －5#基桩外，其他15 根基桩在最大试验荷载作用下，总沉降量均在规范规定的允许范围之内［13］，其Q －S 曲线均属平缓型、S －lgt 曲线均属平直型，说明绝大多数基桩的承载力都能满足设计要求。

图8 典型基桩堆载法承载力测试曲线

图9 16 －5#基桩堆载法承载力测试曲线

从表6 和图9 可知，16 －5#基桩试验要求的最大荷载为17 302 kN，但实际检测到的最大荷载只有13 841 kN。根据沉降随时间变化的特征确定，单桩竖向抗压极限承载力应取S －lgt 曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值［13］，16 －5#基桩的单桩竖向抗压极限承载力实际为13 841 kN，低于试验要求的最大荷载17 302 kN，表明其承载力不满足设计要求。

3.2 自平衡法

自平衡检测系统组成及受力示意图如图10 所示。

图10 自平衡检测系统组成及受力示意图

从图10 可知，自平衡试桩法的主要装置由加载系统、数据采集系统、荷载与位移的量测装置组成。其检测原理是将特制的加载装置荷载箱，在混凝土浇筑之前和钢筋笼一起埋入桩内相应的位置，将加载箱的加压管以及所需的其他测试装置从桩体引到地面，然后灌注成桩。加压泵在地面向荷载箱加压加载，使得桩体内部产生加载力，通过对加载力与这些参数之间的关系的计算和分析，从而获得桩基承载力。

与传统的堆载法试验比较，自平衡法有独特的优势，例如装置较简单，占用场地空间小，不需要运入数百吨或数千吨物料，不需构筑笨重的反力架，可多根桩同时测试，试验准备工作省时、省力、安全。当遇到水上试桩、超长桩、坡地或狭窄场地试桩、斜桩、嵌岩桩等，或当设置传统的堆载平台或锚桩反力架特别困难或检测费用巨大等情况时，自平衡法更具优势。

根据桩自平衡静载试验极限承载力QU 计算公式计算，单桩极限承载力为单桩设计容许承载力的2.01 ～2.17 倍之间，该工程按设计轴向容许承载力的2.0 倍加载。按检测计划，综合考虑桩长、试验要求最大荷载及因水上试桩检测不便等原因，选取10 根基桩采用自平衡法进行承载力检测，基桩参数、试验要求最大荷载及检测结果见表7，基桩自平衡法承载力测试曲线如图11所示［14］。

表7 自平衡法承载力检测结果统计表

从表7 和图11 可知，各桩加载到试验要求最大荷载时，向上、向下总位移量均在规定的允许范围内［14］，Q上－ S上、Q下－ S下曲线呈缓慢变化，无明显陡降段，S ～lgt曲线呈平缓规则排列，且在各级荷载下桩变形能较快稳定。

图11 基桩自平衡法承载力测试曲线

4 结束语

以浙江东部沿海地区某大型高速公路工程的3942根桥梁基桩完整性及承载力的检测成果为依托，结合现有桩后压浆工艺的利弊分析，对基桩完整性及承载力的检测方法和基桩压浆工艺的选择及应用方面的经验进行总结如下:

(1) 与直管法相比，采用U 型管法的压浆工艺更能提高浆液均布在桩身底端的机率，但若成孔深度未达到设计标高，则会造成设计桩长不足，不能达到设计验算过的理论单桩轴向设计承载力，从而引起结构安全隐患［15］。

(2)采用直管法的压浆工艺在压浆过程中可能造成压浆管(兼做声测管)出浆口周边混凝土离析，采用超声波法完整性检测时会将其判为缺陷部位，且缺陷厚度即出浆口高度，此时需要结合其他方法综合判定。

(3)因不同的工程地质条件有差异，不可能有相同的压浆参数，采用后压浆工艺时一定要按照适用于该工程的规范、标准对水泥浆强度、压浆压力、压浆总量及持续时间进行质量控制，并要保证各压浆管畅通。

(4)由于反射波法自身检测原理的局限性及对桩身材质变化的不灵敏性［16］，加之检测人员水平的参差不齐，建议在对桩后压浆的基桩进行完整性检测时不首选该方法。

(5)由于自平衡法检测基桩承载力的原理决定，采用该方法加载完成后，往往不能将加载结果直接套用传统试验规程来进行类比，得出安全性结论，而是将加载结果转换以后，才能套用传统试验规程进行类比，得到的承载力往往偏大，得出安全性结论的过程也较为间接。堆载法相对于自平衡法来说，在检测基桩承载力时更为直观准确，建议在现场具备检测条件时用堆载法或锚桩法来实施检测。

总之，钻孔灌注桩后压浆技术具有提高单桩承载力、提高生产率、节约建设资金等优点，在具备施工、地质等条件的工程中推广有着重要的意义和广阔的前景，但若与具体工程配套的压浆工艺不成熟，势必造成桩身质量缺陷，而检测人员在检测基桩完整性及承载力时应综合考虑多方面因素［17］，才能得到最正确有效的数据，从而保证工程的质量与安全。