低应变联合孔内摄像判定管桩完整性类别

孙苗,李书波,周宇

(南京市测绘勘察研究院股份有限公司,江苏 南京 210019)

0 引 言

预应力混凝土管桩(下文称预制管桩)作为桩基的一种重要形式,具有桩身强度高、质量可靠、抗震性好、施工快捷且造价较低等特点[1],近年来,在工程建设中得到了越来越广泛的应用,如何保证预制管桩质量也显得尤为重要。

在对预制管桩施工质量检测过程中,一般通过低应变反射波法检测桩身缺陷程度及位置,并判定桩身完整性类别。但低应变反射波法有诸多局限性,譬如:对基桩纵向上存在多个缺陷时,往往只能检测到第一个较严重缺陷,较深缺陷反射波容易被第一个缺陷反射波覆盖;在焊接位置附近缺陷无法分辨等等[2]。本文通过工程实例分析,采用低应变联合孔内摄像检测方法,弥补传统低应变检测不直观、经验性成分居多等技术上的缺陷问题。并提出孔内摄像技术判定预制管桩完整性类别判定依据,对现有规范进行了补充。

1 工程概况及场地工程地质

1.1 项目工程概况

项目位于江苏省南京市,总建筑面积 7 004.85 m2,地上建筑面积为 4 444.65 m2,地下建筑面积 2 560.2 m2,地上建筑为1栋5F业务用房,地下为2层整体地下室,开挖深度约 8.2 m。主体结构采用框架结构,基础采用预制管桩基础。

1.2 场地工程地质特征

场地地貌单元为长江漫滩地貌单元,拟建建筑地基土均为砂土层,土层分布均匀,长江漫滩是南京市地下水最为丰富的地段,本场地基岩面之上的覆盖层均为含水层,场地地下水的水理特征属于潜水性质。含水层由①层人工填土和②-1、②-2、②-3、②-4层粉细砂、④层含卵砾石中粗砂组成。勘察期间量测的潜水初见水位埋深在地面以下3.10～3.30 m之间,高程为2.26～2.48 m(85国家高程系),稳定水位埋深在地面以下2.90～3.10 m之间,高程为2.46～2.68 m,水位与地形起伏基本一致。结合工程地质、场地水文条件、施工意见以及拟建建筑物的性质、荷载、结构等特点,设计拟采用②-3层密实粉细砂为桩端持力层的预制管桩。场地地基土桩基参数如表1所示。

表1 场地地基土桩基参数

2 预制管桩现场检测试验

2.1 试桩参数

本次试验抗压桩3根,编号SZ4#～SZ6#。所有试桩均采用抱压式静压法施工,施工设备参数如表2所示。所有试桩桩身混凝土强度等级均为C80,桩型采用PHC-500(110)AB-C80,设计桩长 35.0 m。多节管桩间采用焊接方式连接,进入持力层②-3粉细砂10.0～13.0 m。设计承载力极限标准值 3 800 kN。试验桩SZ4#实际入土深度 30.0 m,SZ5#、SZ6#实际入土深度 35.0 m。

表2 施工设备参数

2.2 桩身完整性检测

静载试验前,采用基桩动测仪进行低应变检测桩身完整性,判定桩身缺陷的程度及位置。低应变曲线如图1所示。从图1可看出SZ4#～SZ6#桩低应变信号未见缺陷反射波,未见明显桩底反射波。

图1 试桩前低应变曲线

2.3 静载试验

静载试验反力装置利用一套静载试验反力架,抗压静载采用1只630T的千斤顶进行加压。基准梁采用两根长度为 12.0 m槽钢,对称安置在试桩两侧,试验桩桩端部对称安置2个沉降测点,用磁性表座将2个量程为 50 mm位移传感器固定在基准梁中部。静载试验依据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106—2014)[3](下文称检测规范)规定,加载过程按照慢速维持荷载法进行。试桩Q-s、s-lgt曲线如图2所示。

图2 试桩Q-s及s-lgt曲线

SZ4#桩加载到第七级(3 040 kN)时,沉降超过上级沉降5倍,总位移达到 89.03 mm且荷载无法维持停止加载。根据检测规范[3]规定,SZC4桩取陡降型曲线发生明显陡降的起始点对应的荷载值(2 660 kN)为该桩的竖向抗压极限承载力。

SZ5#桩加载到第五级(2 280 kN)时,沉降超过上级沉降5倍,总位移达到 50.66 mm且荷载无法维持停止加载。根据检测规范规定,取陡降型曲线发生明显陡降的起始点对应的荷载值(1 900 kN)为该桩的竖向抗压极限承载力。

SZ6#桩加载到第七级(3 040 kN)时,沉降超过上级沉降5倍,总位移达到 76.16 mm且荷载无法维持停止加载。根据检测规范规定,取陡降型曲线发生明显陡降的起始点对应的荷载值(2 660 kN)为该桩的竖向抗压极限承载力。

2.4 试桩后低应变及孔内摄像

(1)试桩后低应变检测情况

预制管桩抗压静载试验结果均未达到设计预估值,故对静载试验后的3根桩重新进行低应变验证。由于SZ4#桩已采用C30混凝土灌芯,灌芯长度 3.0 m,影响低应变检测结果,低应变检测曲线为震荡曲线无参考性。SZ5#、SZ6#桩低应变信号未见缺陷反射波,未见明显桩底反射波。低应变曲线如图3所示。

图3 试桩后低应变曲线

(2)试桩后孔内摄像检测情况

为了查明情况决定采用孔内摄像技术再次对桩身完整性进行验证。对于满足条件的SZ5#、SZ6#桩进行了孔内摄像检测。情况如图4～图6所示。

图4 接桩处孔内摄像图

图5 桩身孔内摄像图

图6 桩端孔内摄像图

通过图4～图6可看出,SZ5#、SZ6#桩在接桩位置环状接缝、焊缝饱满、密实;在桩身其他部位存在竖向裂缝并延伸至桩端处,且在桩端处有泥浆析出。桩身完整性存在严重缺陷。

3 桩身完整性检测分析及建议

3.1 低应变检测结果的局限性分析

静载试验前后进行了低应变检测结果均显示无缺陷反射波,且未见明显桩底反射波。其原因如下:

(1)本次检测的预制管桩为多节预制管桩且桩长30.0～35.0 m,桩长过长;

(2)低应变对空心桩进行检测时,其实际截面很小,长径比超过一定的数值反射波能量损失严重[2];

(3)本次检测的预制管桩桩端在②-3中密(局部密实)粉细砂,持力层阻抗同桩身阻抗接近。

(4)对于竖向裂缝低应变无法检测。

3.2 对孔内摄像技术判定完整性类别的补充

《建筑地基基础检测规程》(DB32/T3916—2020)[4]以及《基桩孔内摄像检测技术规程》(CECS:2009)[2]中关于孔内摄像技术部分均缺少缺陷判据分析的描述,无法判定桩身完整性类别。依据《混凝土结构设计规范(2015年版)》(GB50010-2010)[5]中混凝土结构的环境类别表以及结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度的限值表可知,南京地区环境类别属于二b类,二b类环境类别的预应力混凝土结构裂缝控制等级为二级,即不允许出现裂缝。现根据本次孔内摄像技术现场试验结果并结合《混凝土结构设计规范(2015年版)》(GB50010—2010)[5]中相关规定,对预制管桩桩身完整性评判分类建议如表3所示。

表3 采用孔内摄像技术对预制管桩桩身完整性评判

依据上述分类标准,结合低应变检测结果,综合判定SZ5#、SZ6#桩均为Ⅳ类桩。

4 静载试验结果分析

4.1 单桩承载力极限标准值估算

(1)根据《预应力混凝土管桩》(苏G03—2012)[6]计算桩身材料极限抗压值QuK3。

(2)根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[7]估算单桩竖向极限承载力标准值QuK4。

Quk4=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAP

式中,qsik为桩周第i层土的极限侧阻力;qpk为极限端阻力标准值;li为桩周第i层土的厚度;u为桩身周长;AP为桩端面积。

(3)结合施工压桩力参数,桩身材料确定单桩承载力极限值、经验参数法估算单桩承载力标准值如表4所示。

表4 管桩抗压承载力实测值与计算值比较表

4.2 设计单桩承载力无法满足的原因分析

根据抗压静载试验结果分析,检测结果无法达到设计要求,破坏类型为“刺入型”。在排除②-3层以及桩端影响范围内土质软弱、桩身质量因素外,重点考虑方向为沉桩过程中,因局部密实砂性土难以贯入、压力值偏大或压桩速度过快使桩端受到极大的冲击力。

(1)依据表1中双桥静探曲线,在②-3层顶部分布密实砂土(qc>10 MPa),地质资料未对该层细分。经了解施工过程,在该处压桩力达约 5 200 kN,沉桩困难。

(2)第三节桩施工时采用中位主副压缸同时工作,最大压桩速度达 1.1 m/min,高于正常压桩速度0.8～1.0 m/min。抱压值12.0～15.0 MPa,偏高于经验值8.0～10.0 MPa。

(3)在施工过程中,相同压桩力,桩长相差5.0 m,说明存在持力层不均匀、密实砂层倾斜的可能性。

(4)由表4中可看出,压桩力超过桩身材料破坏极限承载力1.18倍,压桩力过大,可能造成桩身材料出现破坏。

(5)桩端为砂性土,在压桩过程中因采用开口管桩,在过快压桩力下,管桩内部产生瞬时超静孔隙水,因土塞效应孔隙水压力不能及时释放,对管桩侧壁产生冲击荷载,可能造成管桩端部产生裂缝甚至破坏。

(6)对于厚层砂性土且分布有难以穿越的坚硬层,不适宜采用预制管桩施工工法。

5 结 论

(1)对于灌芯后的预制管桩进行低应变检测,检测数据不稳定,无参考性。

(2)对于预制管桩桩长较长,且持力层阻抗和桩身阻抗接近的桩进行低应变检测时,会出现无明显桩底反射信号现象。

(3)低应变反射波法对于预制管桩竖向裂缝无法检测、在焊接位置附近缺陷无法分辨等局限性,建议通过孔内摄像技术进行验证。

(4)提出孔内摄像技术检测预制管桩完整性评判分类建议表,对现有规范进行了一定程度的补充。

(5)地质资料应深化对沉桩可行性分析深度,并注意优化桩基设计参数,细分层位划分;设计应根据地质资料、现场检测结果合理调整桩长;施工依据设计提出的要求进行施工,控制压桩力。