黄土场地桩基低应变试验及桩基缺陷处理方法应用研究

雒成焱

（甘肃省城乡规划设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

低应变检测技术是一种基于弹性波理论的技术，能够准确全面地评价桩基础的施工质量，且操作方法简单，试验成本较低，因此在实际工程中应用非常广泛。桩基础在施工过程中受地质情况和施工操作方法的影响很大，操作不当时会出现缩颈、断桩、桩端沉渣超过规范限制等严重质量事故，影响主体结构安全。本文结合一实际工程，通过对低应变弹性波反射曲线的波形特征分析，找出桩身存在严重缩颈或断桩缺陷的位置，后采取措施对缺陷进行处理，在确保桩基安全性的前提下采用了造价较低的处理方案，为类似工程质量事故的处理提供一定的借鉴作用。

1 工程概况

该项目位于甘肃省秦安县，为两幢地上6 层地下1 层的钢筋混凝土框架结构，采用桩-承台基础，桩为夯扩成孔灌注桩，桩直径为450mm，单桩承载力特征值1000kN，桩身混凝土强度等级为C35。

建设场地东高西低，北高南低，内部地势高差较大，相邻楼的桩长差异较大。该地貌单元属山前坡积裙，在勘察深度范围内主要以第四世纪全新坡积物为主，场地地层依次向下为：（1）耕填土：以灰黄色粉质黏土为主，稍湿，呈可塑状态，混有大量植物耕系、腐殖质、炭渣、瓦片等，该层土质不均匀，力学性能差，层厚0.3～0.8m；（2）黄土状粉质黏土：灰黄色，干～稍湿，呈干硬～硬塑状态，局部为可塑状态，含白云母碎片、蜗牛贝壳碎片、灰黑色团块、灰白色条纹、浅棕色团块等，虫、根孔发育，该层层厚约10.40～15.00m；（3）粉质黏土层：褐黄色，稍湿～湿，呈硬塑～可塑，局部为坚硬状态，含白云母碎片、蜗牛白云母碎片、棕红色团块、青灰色团块、灰白色菌丝、钙质结构、灰黑色团块等，勘察未揭穿该层，最大揭露厚度7.7m。

2 低应变试验分析

2.1 试验要求及缺陷判断标准

试验时被检测桩均凿去浮浆及破损部分，露出平整密实的桩顶混凝土。每根桩布置4 个检测点，每个测试点记录的有效信号数均大于3。试验时设定的桩长为桩顶传感器位置至桩底的实际桩长，激振位置与传感器位置必须避开钢筋笼，避免钢筋对信号产生影响。

桩身缺陷的位置按下式估算：

x=△tx·c·1/2000

式中：x—缺陷位置至桩顶传感器间的距离（m）；

Δtx—速度波第一峰与缺陷反射波峰之间的时间差（ms）；

c—受检桩的桩身波速（m/s）。

完整性分类划分：Ⅰ类桩：桩身结构完整；Ⅱ类桩：桩身结构基本完整，有轻微缺陷；Ⅲ类桩：介于Ⅱ类和Ⅳ类之间，有明显缺陷；Ⅳ类桩：桩身存在严重缺陷，就完整性而言不能使用。

试验严格按《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）中的规定试验。

2.2 试验结果及分析

因场地地质条件原因，施工时操作不当容易造成塌孔，为保证桩基质量，本次试验检测率为100%。根据现场所测波形，结合桩的混凝土设计等级要求，本工程桩身结构完整性划分为四类，试验结果见表1。

表1 桩身结构完整性试验结果统计表

4# 楼118 号桩为Ⅳ类桩，波形曲线如图1 所示，24# 楼88 号桩为Ⅲ类桩，波形曲线如图2 所示，反射曲线均有明显深部反射信号，缺陷反射非常清晰；其余有轻微缺陷Ⅱ类桩本文不再列出。由反射波曲线可以看出4# 楼严重缺陷桩缺陷位置距桩顶6.2m，24#楼严重缺陷桩缺陷位置距桩顶4.18m。

图1 4# 楼118 号桩（Ⅳ类桩）波形曲线

图2 24# 楼88 号桩（Ⅲ类桩）波形曲线

断桩和严重缩颈桩严重影响建筑安全，必须予以处理。为验证试验结果的准确性和查明产生缺陷的原因，对有严重缺陷的两根桩周边进行开挖验证。开挖后显示，4# 楼118 号桩断桩部位为6.05m处，断裂长度为0.35m，中空无混凝土，该段全部被黄土填充，钢筋完全裸露，如图3 所示；24# 楼88 号桩严重缩颈位置为4.5m 处，缺陷形状为高8cm、深9cm、长度30cm 的弧状缺陷，且局部混凝土中镶嵌沙土，强度很低，如图4 所示。实际缺陷位置及程度与低应变试验误差很小，118 号桩误差为1.25%，88号桩误差为2%。

图3 4# 楼118 号桩断桩情况图

图4 24# 楼88 号桩严重缩颈情况图

经对地质情况和桩基施工全过程分析可知，产生严重缺陷的原因如下：（1）此处黄土局部夹杂其他杂质，自然状态下较松散，粘聚力很小，在浇筑混凝土时，产生的振动导致孔壁易塌落；（2）施工时采用护筒进料分两次灌制混凝土，在护筒在拔管进行第二次进料时，缺陷部位拔管过高，导致护筒下口和混凝土顶面分离，使桩外壁黄土塌孔，土挤入桩身造成露筋、夹泥、缩颈、断桩，形成桩身缺陷。

3 桩身缺陷处理

3.1 处理方案对比选取

方案一：将两根严重缺陷桩完全拔出，原土回填后重新成孔浇筑混凝土。方案优点：可完全不考虑缺陷的影响，彻底解决问题。方案缺点：拔桩及后续成桩均需要大型机械作业，其余工程桩均已施工完毕，无大型机械作业场地，且处理造价很高，耗时也较长；

方案二：开挖至缺陷位置，人工凿除缺陷以上的混凝土，重新浇筑后回填桩周土。方案优点：处理缺陷可靠性高，处理时间也较短。方案缺点：土方开挖量大，开挖支护困难，操作不当时对周边桩会产生不利影响，且处理造价高；

方案三：将两根缺陷桩作废桩处理，就近补桩。方案优点:可完全不考虑缺陷的影响，彻底解决问题。方案缺点：因缺陷桩位于柱下，废除后原设计承台受冲切承载力不足，需加高承台，要对承台下的其他桩凿去约0.5m，且需大型机械作业，耗时较长；

方案四：开挖至缺陷位置，对缺陷进行局部处理。方案优点：处理时间短，造价相对较低，且能保证承载力要求及完整性要求。方案缺点：在狭小空间内人工清理杂质、浇筑振捣混凝土，对施工现场管理及施工技术水平要求较高。

通过综合对比四个方案，兼顾安全性、适用性、经济性，最终选取方案四处理缺陷桩。

3.2 断桩处理

4#楼118 号桩断桩处理步骤如下：（1）自桩顶沿四周开挖至断裂底面以下0.2m 处，原土夯实；（2）清理断桩处黄土，剔除断桩处上下表面含泥量较大的混凝土，现场上下各剔除约5cm 后露出密实混凝土，作表面凿毛处理；（3）清除钢筋表面灰浆，并对钢筋做除锈处理；（4）沿桩周用砖砌直径为0.8m 的砖模，高0.75m，将此范围内的桩身混凝土凿毛；（5）浇筑内掺2%膨胀剂的C40 混凝土，并用钢钎捣实；（6）待混凝土初凝后，用原土分层回填至桩顶标高，回填压实系数不小于0.95。

3.3 严重缩颈处理

24# 楼88 号桩断桩处理步骤如下：（1）开挖及残缺面处理同4# 楼118 号桩；（2）在缺陷部位混凝土表面涂混凝土界面剂，以增强新老混凝土的粘结力；（3）用内掺2%膨胀剂的C40 混凝土修补至原桩径；（4）用直径为550mm，厚为2.5mm，高1200mm的钢管套在缺陷修补位置，钢管应在缺陷正中，用膨胀螺栓将其与桩身固定，再用C40 细石混凝土填实；（5）待混凝土初凝后，用原土分层回填至桩顶标高，回填压实系数不小于0.95。

3.4 缺陷处理效果评价

对处理后的两根桩14d 后再次进行低应变试验，试验结果显示，反射曲线有明显深部反射信号，无缺陷反射信号，满足桩身结构完整的要求，可评定为Ⅰ类桩，处理效果良好，达到了设计要求，且经济性好。

4 结论及建议

（1）通过对黄土地区桩基低应变应用研究可以看出，低应变法在检测桩基完整性时快捷可靠，反射曲线所显示的缺陷位置与实际开挖后的缺陷位置误差很小，118 号桩误差为1.25%，88 号桩误差为2%，对提前预判桩基质量和预选质量事故处理方案有极大的参考价值；

（2）黄土地区由于土质较疏松，产生塌孔的可能性较大，故在设计时应根据地质情况增大桩身完整性抽检比例。建议对柱下承台桩进行100%检测，对桩-筏联合基础在地层情况较差时也采取100%检测；

（3）本文所述的缺陷桩缺陷位置较浅，直接采用开挖的方式验证，对于缺陷显示较深或开挖不便时，建议采用钻芯取样法进行验证缺陷；

（4）对于断桩和严重缩颈的处理，必须加强现场质量控制，避免处理后产生二次缺陷；对处理后的桩，应待混凝土强度达到70%后再进行低应变试验，必要时要进行高应变动力试桩或静载荷试桩。

桩基缺陷的确定是一个理论试验与现场验证相结合的过程，桩基缺陷处理方案的确定是一个兼顾安全性与经济性的过程，本文所选用的工程案例可供类似工程质量事故的处理提供一定的借鉴作用。