水利水电工程地基基础岩土试验检测技术

◎李启凯 广州市水务科学研究院有限公司

地基基础岩土试验是水利水电工程质量检测体系的重要组成部分，通过检测结果反映地基基础结构的使用性能，从中发现质量隐患并及时处理，这对保证水利水电工程使用安全、运行稳定有重要意义。与此同时，现代水利水电工程基础型式复杂、建设标准严格，原有岩土试验检测技术种类单一，难以满足实际检测需要。只有加强岩土质量的检测，明确水利水电工程所在区域地质条件并针对性的进行处理，才可以确保水利水电工程地基基础施工质量。

1.水利水电工程地基基础岩土试验概述

1.1 试验特点

在水利水电工程中，地基基础岩土试验具有施工隐蔽性、工程不确定性、操作区域性等特点，检测人员应根据实际情况来制定岩土试验方案。第一，施工隐蔽性，岩土地基施工内容中的桩基施工、软基处理等部分具备较强的隐蔽性，如果在地基基础验收环节再组织岩土试验，很难全面反映地基基础结构性能与建设质量，因而需要检测人员树立跟踪检测意识，在施工期间同步开展检测作业，以此来动态反映工程建设质量，第一时间发现质量问题。第二，工程不确定性，不同水利水电工程的基础型式、现场土壤环境条件、气候条件存在明显差异，为保证检测结果准确性与完整性，要求检测人员提前做好现场实地考察工作，根据考察结果来掌握工程情况、合理选择检测技术。第三，操作区域性，现代水利水电工程建设规模大，地基基础所处区域的岩土性质存在一定差异，检测人员需要根据岩土性质在现场布置若干检测区域，制定面向各处区域的岩土试验方案。

1.2 试验流程与操作方法

水利水电工程地基基础岩土试验流程由样品选择、现场采样、样品存储运输、实验室检测四道环节组成，各道环节的作业内容、操作要点不同，检测人员必须掌握全部要点。第一，在样品选择环节，检测人员在工程现场划设若干具备代表性的区域，在区域内随机采集3―5组样品，要求同区域内各组样品的采样地点地基厚度、岩土物理性质存在明显差异，不得在相同地点集中采集多组样品。同时，根据现场情况来选择采样时间，禁止在现场岩土过于干燥、过于潮湿时采集样品，避免后续样品检测结果受到岩土含水率影响。第二，在现场采样环节，检测人员应根据样品来源选择相应的采样方式。一般情况下，检测人员使用钻机在各处点位钻设孔洞，使用取土器在孔内一定深度处采集岩土样品，并在相同垂直面与水平面内均匀采样。而在所设定采样地点受到雨水冲刷、地表水侵蚀影响而出现土壤状态改变、形成滑坡与斜波地形等问题时，禁止在这类区域采集样品，避免样品适用性受到影响、检测结果无法真实反映岩土的状态性质[1]。第三，在样品存储运输环节，检测人员在采样完毕后，立即将所采集样品装入密封筒等容器中密封保存，在筒口粘贴胶带，阻拦外部环境中的水分、空气渗入筒内，并在容器表面粘贴标签，标明样品编号、采样时间、采样地点、采样人等基本信息。随后，将样品容器装车运输至实验室检验，要求在车厢内营造恒温恒湿环境条件，在车厢内摆放箱子，箱内放入样品容器、周边填充海绵或是软纸等防护材料，严格控制运输时长。如果在样品运输期间出现未及时送至实验室、样品泄露、样品污染等问题，则需要重新开展采样作业，不得将此类样品进行检验。第四，在实验室检验环节，检测人员要重点检查样品保存情况、核对样品编号与采样时间等信息，确定一切无误后，按照方案内容在实验室内开展容重测定、含水量测定、压缩固结试验、粒度分析试验、粘性土塑限测定等多项试验，根据检验结果来判断工程地基基础结构的岩土物理力学性质。

2.水利水电工程中的地基基础岩土试验检测技术

2.1 静载试验

静载试验适用于检测工程地基基础结构中的灌注桩、预制桩等桩身，根据试验结果来反映桩体水平承载性能和竖向承载性能，判断桩基础实际受力条件是否达到设计标准，并检查桩基础是否存在断桩、夹泥等质量缺陷。从实操角度来看，静载试验技术是在基础桩顶部堆放重物，检测人员分级持续向桩身顶部施加竖向压力、水平推力或是竖向上拔力，同步记录桩身顶部的沉降量与位移量，根据试验结果来判断桩身的抗压、抗拔、水平承载力是否达标。

在静载试验期间，要求检测人员掌握试验桩挑选、设备安装、选择加载方式、沉降观测四方面的操作要点。第一，在试验桩挑选方面，根据桩体总数量来选择试验桩数量，一般情况下应挑选3根及更多数量的试验桩，把试验桩总体占比控制在1%以上，在桩体总数不足50根情况下，试验桩数量不得少于2根。第二，在设备安装方面，在试验桩顶部位置砌筑砖墙，在砖墙上固定安装工字钢，由工字钢搭建组成荷载平台，平台上铺设荷载板、码砌土袋和摆放液压千斤顶与百分表作为测力测量装置。第三，在加载方式选择方面，为准确反映桩身性能，优先采取慢速维持荷载法，分多级持续向桩身顶部施压，到达各级荷载后持荷一段时间，必须在荷载恢复稳定状态后继续施压。而在对静载试验时间提出严格要求时，则采取快速维持荷载法，以1h为间隔时间，迅速提高荷载等级。第四，在沉降观测方面，检测人员根据工程情况来确定数值测读频次、沉降稳定状态判定标准。正常情况下，检测人员在各级加载完毕后每隔15min读取一遍测量值、累计加载1h后每隔30min读取一遍测量值；将每小时0.1mm沉降量作为沉降稳定标准，如果实际沉降速度超过这一标准，则表明试验桩存在异常沉降问题[2]。

2.2 剪切波速试验

剪切波速试验是检测人员使用铁球反复撞击木板，撞击状态下使得木板与现场地面产生运动，持续生成剪切波，剪切波通过钻孔向下方土层传播，后续根据所接收剪切波的特征值来获取检测结果。在水利水电工程中，此项技术多用于划分场地类型、判断现场是否存在地基土液化可能性、反映地基处理效果与评价地基基础结构抗震性能。

在剪切波速试验期间，要求检测人员合理选择具体技术手段，分为单孔法、跨孔法、面波法三种。以单孔检测技术为例，提前在测点处钻设垂直状测试孔，各处测孔间距保持在2.0m左右，在测孔上方放置木板，要求测孔中心点与木板长向中垂线保持对准状态，在木板上堆放重量在400kg及以上的重物。随后，选用锤体作为压缩波振源，控制锤体反复锤击木板，由测孔内安装的传感器记录剪切波波形，后续根据波形分析结果来获取试验数据。同时，还应了解振源使用、地面平整、测井钻孔时间、套管使用等注意事项，如使用8磅或10磅重锤体作为振源、提前将各处测试孔周边地面进行平整处理[3]。

2.3 探地雷达检测

探地雷达技术通过发射宽频带短脉冲形式电磁波，电磁波在地层与地基基础结构中传播，再将返回地面的电磁波进行采集，根据电磁波传播速度等试验数据来绘制雷达图像，以此来掌握地基基础厚度、基础结构状态等信息。相比于其他检测技术，探地雷达检测技术有着不破坏基础结构、工作条件宽松、易于操作、抗干扰能力强、检测费用低廉的优势，既可用于检测地基基础，也可用于堤坝检测等其他场景。

在探地雷达检测期间，要求检测人员全面掌握天线选型、测线布置、参数记录确认、测试数据处理四方面的操作要点。第一，在天线选型方面，检测人员综合分析探测幅值、探测时间等因素来选择天线型号，并保持天线型号与所选设备的适配性，多数情况下配备16MHz-80MHz组合天线即可满足地基基础探地雷达检测需要。第二，在测线布置方面，要求在地基基础部位上布置一条横跨基础长度的纵断面线，根据检测要求布置若干条横断面测线，准确计算相邻断面测点的最佳间距值。第三，在参数记录确认方面，检测人员提前在设备中设定信号位置、检测频率、检测速度等参数，重复开展多次检测作业，对比各次检测数据，从中筛除偏差较大的无效数据，并将所收集信息数据导入系统主机中加以整合处理。第四，在测试数据处理方面，检测人员使用软件自带处理工具，依次对探地雷达数据进行预处理、消除直流成分、时间零校正、消除直达波、时间增益、反褶积和数据图像偏移处理，即可获取雷达图像。

2.4 钻孔取芯检测

钻孔取芯技术简称为钻芯法，检测人员使用钻机在桩类地基基础中钻设孔洞，取出孔内芯样，将芯样送至实验室检验或是现场检验，根据检验结果来判断桩基混凝土强度是否达标，是否存在混凝土胶离析、振捣不实等质量缺陷。根据应用情况来看，此项检测技术有着易于操作、直观反映基础混凝土结构状态的优势，但会造成地基基础破损后果，后续额外开展返工作业来修补破损部位。

在钻孔取芯检测期间，要求检测人员掌握桩基钻孔、芯样取样、芯样检验三方面的操作要点。第一，在桩基钻孔环节，提前在工程现场挑选多根具备代表性的桩体作为测试桩，在测试点安放液压钻机、双管钻具等配套设备，做好设备调试检查工作。待准备工作完成后，检测人员操纵钻机在测点中垂直向下钻进成孔，严格控制钻进速度与钻孔角度，将钻孔垂直度偏差控制在0.5%以内、回次进尺保持在1.5m左右，重复上述操作完成全部测点的钻孔作业。第二，在芯样取样方面，检测人员根据具体要求来选择芯样截取方式，共分为等间距截取、代表部位截取两种。其中，等间距截取是在各处芯样中按照规定间距来截取若干数量的试件。代表部位截取是在芯样上设定若干具备代表性的部位，如在芯样上部、中部与下部分别设置取样部位，后续从代表部位中截取1组或多组试件。第三，在芯样检验方面，检测人员清除芯样表面的毛刺与灰尘污渍，对破损部位使用水泥砂浆进行修补处理。待芯样的高径比、平整度、垂直度等各项参数达标后，放置在20℃-30℃清水内浸泡48h，到达浸泡时间后取出芯样开展抗压试验等多项试验[4]。

2.5 瑞利波法

瑞利波法是对地基基础部分开展瞬态瑞利波测试，根据测试结果中的波速传播速度、频散性等特性来判断结构填筑材料干密度的一项检测技术。在水利水电工程中，相比于其他检测技术，瑞利波法的核心优势在于，可以单次完成大范围地基基础结构的检测作业，操作流程简单、检测成本低廉，检测结果全面反映地基基础结构特性。

在应用瑞利波法时，检测人员需要根据检测项目种类来明确检测要求、制定检测方案与掌握操作要点，具体可用于地基土特性检测、地基强夯检测、地基抗剪强度检测等项目当中。例如，在地基强夯检测项目中，通过瑞利波在被测地层中的频散特性、波长、传播速度来判断地层物理力学性质。检测人员提前在工程现场测区内安装增强型高分辨率地震仪、Hz检波器、记录器等装置，通过震源持续向地基地层发射表面波，表面波穿过地基基础结构后被接收器接收，将接收信号提交至系统后台进行处理，处理结果即为实测频散曲线，进而判断地基强夯处理效果、地基结构性能是否达到预期要求[5]。此外，考虑到瑞利波试验准确性较差，受到频率、介质等多项因素影响，虽然可以在短时间内完成地基基础检测任务，但很难通过检测报告来真实、全面反映地基基础情况。因此，检测人员应搭配采取瑞利波法和静载试验法两项技术手段，对照瑞利波试验结果与静载荷试验结果，以此来克服单一的技术局限性。

3.结语

综上所述，为切实满足水利水电工程地基基础岩土试验需要，更为清晰、直观的反映出工期建设期间存在的质量隐患、工艺问题。工程参建单位必须提高对地基基础岩土试验工作的重视程度，根据工程情况与试验要求选择恰当种类的检测技术，并要求检测人员全面掌握静载试验、剪切波速试验、瑞利波法等检测技术的实操要点，为岩土试验质量、工程建设质量提供有力技术保障。