红砂岩地质桥梁桩基质量缺陷与施工技术

摘要 阐述声波透射法进行桩基质量检测的基本原理，介绍了进行检测数据处理及桩身质量判定的特征指标临界判断值。对红砂岩地质特殊的物理力学性质进行了概括总结，结合工程实践，剖析红砂岩地质条件下常见的桩基质量缺陷，对红砂岩地质条件下施工技术要进行了总结。针对某高速某大桥2#墩3#桩基出现的断桩质量缺陷，结合现场施工情况，总结了预防断桩质量事故出现的技术要点。同时，对桩基塌孔质量问题出现的原因及如何预防进行了归纳。

关键词 桩基础;声波透射法;红砂岩;断桩;塌孔

中图分类号 U445.551 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）06-0135-03

引言

桩基础是工程建设中置于土层中的柱型工程构件。因承载力高、稳定性好、沉降量小且沉降均匀而被广泛地应用于基础民用建筑、公路桥梁等工程领域中。近年来，我国高速公路建设发展迅速，桥梁桩基作为路桥建设关键工程部位，其工程质量直接影响着桥涵工程的安全。

该文基于桩基质量超声波检测方法，重点分析红砂岩地段桩基施工易出现的问题，针对相应问题提出处理措施及施工技术要点，为桩基施工质量控制提供一定的借鉴。

1 超声波检测方法

桥梁桩基属于隐蔽工程，其质量控制和管理存在一定难度。因此，须借助较先进的检测手段，对质量进行监督管理。桩基检测方法主要有以下几种：静载实验法、动力测桩法、声波透射法等[1]，同时还有钻芯取样、埋设传感器等辅助检测方法。声波透射法由于操作较为简便快捷，能较好地反映桩身的完整性，且能够准确地判断桩身缺陷的位置、范围及程度，因此被广泛应用。

1.1 基本原理

声波透射法是利用预埋于桩身中的声测管，通过声波发射和接收换能器来测试桩身各个断面的波速，从而得到桩身剖面的声测时程曲线。根据该声测时程曲线可以评定桩身完整性、混凝土均匀性及混凝土强度参考值。因此，声波透射法是一种较理想的测试方法[2]。

声波透射法适用于桩径大于0.6 m的桩基。对于计划采用声波透射法进行桩身质量检测的桩基，施工时应在桩身内预埋声测管，声测管埋设数量根据桩径大小不同可埋设2根、3根或4根。

平测时，声波发射与接收声波换能器始终保持在相同的深度[3]，检测前，应确定仪器系统延迟时间t0，并计算声测管及耦合水层声时修正值t '，t '可按下式计算：

式中：D——声测管外径;d——声测管内径;d '——换能器外径;vt——声测管壁原方向声速;vw——水中的声波速度。

平测时，各检测剖面声测线的声时、声速可按以下公式计算：

式中：i——声测線编号，在对应检测剖面上自下而上连续编号;j——检测剖面编号;tci（j）——第j剖面第i声测线声时（μs）;vi（j）——第j剖面第i声测线声速（km/s）;li'（j）——第j剖面第i声测线位置处，两声测管外壁之间的净距离（mm）;Api（j）——第j剖面第i声测线的首波波幅（dB）;ai（j）——第j剖面第i声测线信号首波幅值（V）;a0——零分贝信号幅值（V）。

1.2 数据处理及判定

当桩身存在质量缺陷时，主要通过波速和波幅反映出来[4]。桩基施工过程中出现断桩、混凝土离析等问题时，混凝土介质的连续性遭到破坏[5]。超声波在混凝土介质中传播，将透过或者绕过缺陷位置进行传播，其实际的传播路径大于桩身连续时的传播路径，因此用时较长，该缺陷位置的声测线波速随之降低。当混凝土桩身存在蜂窝、空洞、裂隙时，由于空气和水的声阻抗远远小于混凝土的声阻抗，存在缺陷位置处的声波会进行反射和散射，声能随之减小，并表现为声测线波幅的衰减[6]。

对获得的检测数据进行处理和判断，主要是对波速和波幅两个特征指标进行判断。用于判断波速异常的临界判断值为vc，当声测线波速满足：

则判定该声测线处声速异常。

用于判断波幅异常的临界判断值为Ac（j），当声测线波幅值满足：

则该声测线处波幅异常。

2 红砂岩地段桩基检测中常见质量问题及技术处理要点

红砂岩属于沉积岩地质，因岩体中富含铁质氧化物，多呈红色或褐色。岩层中多由砂岩、泥岩组成。红砂岩地质条件广泛分布于西南地区及华南等地区[7]。

红砂岩的主要组成成分为砂岩、泥岩等，因此单轴抗压强度较低。且红砂岩中多含有泥质胶结，其主要物理力学性质表现为：未风化及受水害化前为坚硬质;被风化或受水浸化后强度极速变软且无粘结性。红砂岩遇水后易出现软化、崩解、膨胀等不良的工程特性[8]，给工程施工带来极大困扰。因此，在红砂岩地质条件下进行桩基施工，须结合桩基检测，对桩基质量进行严格控制。

依托具体桥梁桩基施工情况，对桩基施工中红砂岩地质条件下常见断桩、塌孔等质量缺陷进行阐述，并总结施工中应注意的技术要点。

2.1 沉渣

2.1.1 工程实例

结合某大桥7-3桩基施工情况，对红砂岩地质条件下易出现的桩基质量问题进行说明。

兴赣高速公路某大桥7#墩3#桩基采用人工挖孔桩，设计桩长43 m，桩径2.00 m，为嵌岩桩。

桩基底部40.45～41.20 m范围内声波数据异常，全断面无波速，存在严重质量问题。结合施工现场地质条件及施工过程，分析桩基底部出现质量问题的原因是桩基底部存在大范围沉渣。

该桩基质量问题主要与红砂岩地质的特殊性有关。由于红砂岩底层较疏松，遇水易软化，且含砂率较高，在桩基开挖成孔后，若未对桩基底部沉渣进行清理，或对底部较疏松部分的岩层清理不彻底，均会对桩基底部质量产生重大影响。

2.1.2 红砂岩地质条件下预防沉渣施工技术要点

针对桩基底部质量问题，红砂岩地质条件下桩基施工应注意：

（1）采用人工挖孔时，桩基开挖成孔后，须彻底清理桩底沉渣后，才能进行混凝土灌注。

（2）采用机械冲击成孔时，对桩基底部进行清理，加水不易过快，否则易造成钻渣沉底，很难再彻底清除。同时，可将泥浆循环沟适当加长，使钻渣在循环过程中快速沉淀，泥浆中钻渣含量减小，可加快施工进度。

（3）清孔后，应及时进行桩身混凝土灌注，特别是水下灌注时，施工速度要快。

红砂岩地质条件较为特殊，在桩基施工过程中，还应关注以下技术要点：

（1）桩基成孔过程中，在地下水位较高的地质条件下采用人工挖孔作业时，红砂岩岩体的崩解加快，孔内作业安全性差。因此，人工开挖需小尺度掘进，且在岩体开挖后及时施作混凝土护壁。混凝土護壁具有一定强度时，再加大掘进尺度。

（2）采用机械冲击成孔，其护壁所采用的泥浆与一般地质条件下的泥浆有所不同，其泥浆浓度、泥皮厚度均偏大，形成高压强模式，以便泥浆可以渗入周边砂性岩体中，形成有粘结力、稳定性较强的岩体。

（3）在桩基开挖成孔过程中，常遇到红砂岩岩体中未风化的石球，其强度较高，易造成孔身偏斜。在钻进过程中，应时刻警惕该情况的发生。一旦发现桩身偏斜，应及时回填比红砂岩强度更高的回填料，压实后重新凿孔。在重新凿孔过程中，宜采用小行程冲击成孔，以免再次出现孔斜。

2.2 断桩

断桩是指桩身局部分离或断裂的现象，桩基施工各个环节均有可能造成桩身断裂[9]。出现断桩质量事故时，须将桩身深凿至断裂面，清理后重新灌注接桩，可能导致工期延误，并带来较大的经济损失。结合兴赣高速某大桥2#墩3#桩基施工及检测情况，对该桩基质量问题进行说明。

2.2.1 工程实例

某大桥2#墩3#桩基采用人工挖孔桩，设计桩长32 m，桩径2.20 m，为摩擦桩。

桩身多处声波波速突然下降，远小于波速临界判断值。且波速衰减表现为桩身全断面衰减。因此，判定该桩基桩身多处断裂。

结合现场地质条件及施工情况，在灌注前，该地区连续多日降雨，造成部分红砂岩岩体软化崩解，形成软弱结构体。在浇筑时，由于桩径较大，须尽量减小对周围岩体扰动，因此，桩身灌注速度较慢，持续时间较长，导致混凝土流动性及和易性变差，引起断桩[10]。

2.2.2 预防断桩施工技术要点

红砂岩地区桩基施工过程中，桩基施工与其他地质条件基础施工相比较为特殊，红砂岩岩体遇水易崩解，受干湿循环影响大，因此，红砂岩桩基灌注过程中须对已开挖岩体进行保护，避免干湿循环;同时，安排好现场施工时间，严格控制浇筑混凝土的质量，主要从以下几个方面进行控制：

（1）施工过程中，抽动导管时力度适中，使导管匀速缓慢上升，保证拔管与灌注有序连续进行。避免因导管拔出幅度过大，对周围软弱红砂岩岩体造成扰动，导致桩身夹泥甚至断桩。

（2）严格管理施工现场，做到有序调度，保证灌注过程中混凝土及时运送，施工现场能够连续作业。

（3）混凝土灌注过程中，应控制导管埋置深度不易过小（最小埋深应不小于2 m），防止导管堤漏、进水，进而造成断桩。

2.3 塌孔

2.3.1 塌孔质量缺陷原因分析

红砂岩地质条件下，极易出现塌孔事故。红砂岩一经开挖，经历干湿循环后，强度大大折减，往往形成软弱夹层，成为施工事故的潜在隐患。在红砂岩地质条件下进行桩基施工，造成塌孔的原因主要为：

（1）护筒埋置深度较浅，导致护筒内漏水，孔壁附近红砂岩岩体浸泡后崩解，丧失整体性而坍落。

（2）在砂层地质条件下钻孔时，泥浆浓度、相对密度不够，起不到应有的护壁功能。

（3）机电安装离孔口过近，红砂岩遇水后易崩解，强度较低，在震动作用造成塌孔。

2.3.2 预防塌孔施工技术要点

应对塌孔质量缺陷，以预防为主，主要做到以下几点：

（1）桩基施工前对现场地质情况进行全面了解，认真分析地质环境、岩体性质、地下水位等因素，选择适宜的成孔方法。

（2）采用冲击成孔时，针对不同的地质条件，应对进尺速度、泥浆浓度适当调整。若在松散砂层中冲击成孔时，应采用小行程冲孔机械，控制掘进速度;同时，造浆时应适当加大泥浆粘度及浓度，在孔内形成高压强模式，泥浆渗入孔壁与砂性土质粘结，防止砂层浸水坍落[11]。

（3）发现塌孔后，应及时探明坍塌位置，结合现场施工情况，分析坍塌原因，采取相应的可行措施。若轻度坍落，可回填粘土至坍落高度以上1～2 m后，继续小尺度钻进。若塌孔严重，则须将钻孔全部用砂性土回填，待稳定后重新钻孔。

3 结语

基于声波透射桩基质量检测方法，结合桩基检测工程实例，对高速公路桩基施工中常见的质量缺陷进行分析，主要得出以下结论：

（1）红砂岩地质条件较为特殊，受风化及水害后，岩体力学性质严重劣化。红砂岩地质条件下桩基施工，须对桩基底部彻底清理，桩身施工进尺进行严格控制。采用冲击成孔时，泥浆浓度适当放大，满足砂性岩体地质条件下泥浆护壁需求[12]。

（2）防止断桩质量缺陷出现，在桩身浇筑前，合理安排现场调度，使浇筑工作能够连续快速进行。同时，对浇筑所用混凝土质量严格控制，具备较好的和易性及流动性。

（3）塌孔质量事故的出现，主要问题在于孔壁防护存在缺陷。冲击成孔时，对泥浆浓度加大控制，使其满足不同地质条件下的护壁要求。同时，进行机电设备安装、钢筋笼吊入等，注意对孔壁不造成扰动，预防塌孔。

参考文献

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[12]陈虎， 闫连军， 桑贤克. 桩基施工中常见问题的分析及处理[J]. 中国新技术新产品， 2009（2）： 80.

收稿日期：2022-01-24

作者简介：王娟（1970—），女，本科，高级工程师，研究方向：公路建设监理与监测。