旋挖嵌巖灌注樁質(zhì)量異常分析及防控
——以廈門市思明區(qū)某工程為例

邵遠揚

(福建省建筑科學研究院有限責任公司 福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室 福建福州 350108)

0 引言

自1984年天津探礦機械廠首次從美國RDI公司引進車載式旋挖鉆機，1999年首臺國產(chǎn)的旋挖鉆機成功生產(chǎn)下線發(fā)展至今，以三一重機、徐工集團、山河智能等為主要代表的國內(nèi)廠家，逐步生產(chǎn)了幾十種型號的旋挖鉆機，大大促進了旋挖鉆機作為一種較先進的樁基施工設備在我國的推廣使用。

旋挖鉆機利用短螺旋鉆頭或旋挖鉆斗進行干鉆或無循環(huán)泥漿鉆進的方式成孔成樁，能較好地適用于黏性土、粉質(zhì)黏土、砂土、永久性凍土、卵礫石、風化基巖等多種地層條件，因此，在我國的公路、鐵路、橋梁和大型建筑的樁基礎施工中得到廣泛應用[1]。因此，具有成孔速度快、環(huán)境污染小、機動性能強等特點，同時旋挖鉆進工藝具備工作效率高、地層適應性強、機械化程度高及安全性能好等優(yōu)點[2]。

本文結(jié)合廈門地區(qū)某工程旋挖嵌巖灌注樁靜載試驗發(fā)現(xiàn)的抗壓承載力異常情況，通過低應變法及鉆芯法對造成質(zhì)量異常的原因進行綜合分析判定[3]，提出處理措施，為同類樁基工程提供參考。

1 工程概況

某工程位于廈門市思明區(qū)，擬建建筑物為1棟30 層公寓(地下2層)，建筑高度87.55m，結(jié)構(gòu)型式為剪力墻結(jié)構(gòu)。場地原始地貌類型為坡殘積臺地，地勢高低起伏變化較大，并大致呈由東往西方向3級臺階狀傾斜的變化趨勢，整個場地相對高差為2m～5m。該場地各巖土層自上而下分布情況分別為：0m～3m雜填土①(含礫砂、礫石)、3m～6m粉質(zhì)黏土②、6m～10m殘積砂質(zhì)粘性土③、10m～16m全風化花崗巖④、16m～20m強風化花崗巖⑤、20m～25m中風化花崗巖⑥及≥25m微風化花崗巖⑦。

該項目樁基礎設計采用旋挖鉆孔灌注樁，設計樁徑1200mm，設計樁端持力層為中風化花崗巖，并要求全截面進入持力層不小于0.6m，成樁7d～15d應進行樁端后注漿，樁端注漿壓力不小于2.0MPa，其他設計參數(shù)如表1所示。

項目施工總樁數(shù)49根，本試驗選取2根樁進行靜載分析(分別為3#樁和48#樁)，經(jīng)靜載檢測發(fā)現(xiàn)，其中48#樁豎向抗壓承載力異常。48#樁有效樁長14.15m，靜載試驗樁長20.15m。本文針對48#樁質(zhì)量異常情況進行以下分析處理。

表1 樁基設計參數(shù)表

2 檢測結(jié)果評定

2.1 靜載試驗

單樁豎向抗壓靜載試驗是指通過在基樁頂部逐級施加豎向壓力，觀測樁頂部隨時間產(chǎn)生的沉降位移，以確定相應的單樁豎向抗壓承載力的試驗方法。在確定單樁承載力方面，靜載試驗方法因其接近樁的實際工作條件，是目前公認的直觀、可靠的檢測方法。

傳統(tǒng)靜載試驗法突出的優(yōu)點，是技術(shù)簡單、成果直觀，不僅可以實測得到單樁的極限承載力，而且也可以獲得在各級荷載作用下的樁頂沉降量。但該方法的缺點也十分明顯，主要有：①持續(xù)時間長，對工程進度影響大；②試驗環(huán)境要求高；③經(jīng)濟費用高；④由于前述3個缺點，導致靜載法難以作為普查檢測方法，對樁基工程整體情況的把握能力較差。

根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106-2014)第4.1.3條規(guī)定，工程樁驗收檢測時，加載量不應小于設計要求的單樁承載力特征值的2.0倍。此外，48#試樁受現(xiàn)場實際條件限制，未能開挖至設計樁頂標高處進行靜載試驗，導致試驗樁長高于有效樁長6m，經(jīng)設計、地勘等單位計算復核，建議增加試驗荷載1000kN，以抵消因樁長增大引起的額外樁側(cè)摩阻力，故48#試樁最大試驗荷載確定為20 200kN。

靜載試驗分9級加載，第1級加載量為分級荷載的2倍，即4040kN；之后，每級荷載增量均為20 20kN，最大試驗荷載加至20 200kN；卸載分5級完成，每級卸載量為分級荷載的2倍，即 4040kN。加載階段試驗分級與試驗結(jié)果如表2所示。

表2 試驗分級與試驗結(jié)果匯總

根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106-2014)4.4.2條規(guī)定，48#試樁在第7級荷載16160kN作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載14140kN作用下的沉降量的5倍，Q-s屬陡降型曲線，單樁豎向抗壓極限承載力應取發(fā)生明顯陡降的起始點對應的荷載值，即14140kN，小于20200kN，故判定其單樁豎向抗壓承載力不滿足設計要求。

試驗加載至第7級(16160kN)時，本級沉降量陡增為14.91mm，約為上級沉降量14.5倍，Q-s曲線(圖1)出現(xiàn)陡降段，

s-lgt曲線(圖2)尾部明顯向下彎曲；隨著持荷時間的增加，變形梯度逐漸變緩，沉降滿足穩(wěn)定標準，能繼續(xù)加載，并在最大試驗荷載20200kN作用下穩(wěn)定，最終樁頂累計沉降量小于60mm(0.05D，D為樁端直徑)。據(jù)以上沉降特征分析，可初步判斷48#樁樁身存在水平整合型縫隙或樁端有沉渣。為進一步明確造成該樁承載力異常的原因，筆者繼續(xù)采用低應變法及鉆芯法加以驗證分析。

圖1 豎向荷載-沉降曲線

圖2 沉降-時間對數(shù)曲線

2.2 低應變法

低應變法是指采用低能量瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)方式在樁頂激振，實測樁頂部的速度時程曲線，或在實測樁頂部的速度時程曲線同時，實測樁頂部的力時程曲線，通過波動理論的時域分析或頻域分析，對樁身完整性進行判定的檢測方法[4]。低應變法的理論基礎是一維線彈性桿件模型，當樁頂受到豎向激振時，彈性應力波沿著樁身向下傳播，樁身若存在明顯的波阻抗差異界面，將產(chǎn)生反射波，以此判斷樁身完整性，判定樁身缺陷的程度及位置。

低應變法具有檢測設備輕便簡單，檢測快速高效，費用成本低，對工程施工干擾小，并對受檢樁的樁身質(zhì)量不造成損害等優(yōu)點，往往可作為一種高效的普查檢測方法。但該方法也有其局限性，如：①受激振能量、樁周土阻力等因素影響，導致檢測深度有所受限；②對樁身縱向裂縫、細小的水平微裂縫難以識別；③對樁身上下過于靠近的相鄰缺陷難以識別；④對檢測人員的專業(yè)技術(shù)水平要求高；⑤通常只能對樁身缺陷作定性判斷，難以提供可靠定量結(jié)果。

由一維波動方程推導可知，應力波的波速可按以下公式計算。

式中，E——樁身材料彈性模量；ρ——樁身材料密度。

波速C只與樁身材料本身的特性有關，一般情況，對于不同樁型、不同強度的樁，通常波速有一個區(qū)間范圍，結(jié)合工程實測經(jīng)驗，該地區(qū)低應變波速如表3所示。

表3 低應變波速 m/s

依據(jù)公式(1)及表3波速經(jīng)驗取值范圍，48#樁低應變波速C取值為3900m/s。根據(jù)實測波形圖3分析可知：實測樁長與委托樁長吻合，波速取值合理；在樁長范圍內(nèi)，曲線較為平直光滑，無明顯缺陷反射波，可初步判斷48#樁樁身完整，排除樁身存在水平整合型縫隙的可能性；相反，在2L/C處的樁底位置附近有輕微的同向反射波，說明樁端巖土層阻抗小于樁身阻抗，可以進一步懷疑樁端有沉渣存在。為避免誤判，對于嵌巖樁，當樁底反射信號為單一的同向反射信號時，應采取鉆芯法、靜載試驗等方法核驗樁端嵌巖情況[4]。

圖3 48#樁低應變波形圖

2.3 鉆芯法

鉆芯法是指利用鉆機沿樁軸方向鉆取混凝土芯樣及樁端巖土層的一種鉆探檢測技術(shù)。分析鉆取的芯樣，以檢測樁長、樁身缺陷、樁底沉渣厚度以及樁身混凝土的強度，判定或鑒別樁端巖土性狀[4]。

鉆芯法檢測的優(yōu)點是比較直觀、準確，能獲得較為豐富的檢測信息。其缺點主要是：①鉆取芯樣對樁身混凝土結(jié)構(gòu)造成一定程度破損；②鉆取芯樣的面積較小(芯樣面積/樁截面面積≈1%)，往往以點代面容易導致“一孔之見”，造成誤判或者漏判；③鉆芯設備繁瑣、檢測效率較低、費用成本高昂；④鉆芯孔垂直度較難保證，容易產(chǎn)生孔斜，對于大長徑比的受檢樁較難鉆取至樁端。綜上考慮，鉆芯法無法用作普查檢測方法，更適合作為輔助驗證檢測方法。

土方開挖至基坑底設計標高附近后，對48#樁采用鉆芯法驗證檢測，檢測結(jié)果表明混凝土芯樣連續(xù)、完整、膠結(jié)好，芯樣側(cè)表面光滑、骨料分布均勻，芯樣呈長柱狀、斷口吻合，僅局部芯樣側(cè)表面有少量蜂窩麻面、氣孔，樁身完整。但樁端存在平均厚度為4cm的沉渣(A孔沉渣厚度約4.5cm、B孔沉渣厚度約3.5cm)，鉆芯結(jié)果與前文檢測分析吻合，樁端持力層為中風化花崗巖，如圖4所示。

圖4 48#樁混凝土芯樣照片(A孔、B孔)

3 原因分析與處理

3.1 施工原因分析

從鉆取的芯樣發(fā)現(xiàn)，沉渣主要成分為黏土、礫石及泥漿三者的混合物。結(jié)合施工工況，筆者分析認為：產(chǎn)生此次沉渣的原因主要有3個：

①護壁泥漿質(zhì)量不佳。一是泥漿攜渣能力弱，清孔時不能有效清走沉渣，二是泥漿護壁效果差，樁孔局部存在塌孔現(xiàn)象；

②二次清孔不夠徹底。當?shù)醴配摻罨\安放鋼導管所需時間較長時，孔底會產(chǎn)生新的沉渣，須進行二次清孔，直至復測沉渣厚度符合設計和規(guī)范要求，清孔才能停止，并應立即進行混凝土澆灌；

③樁端后注漿不到位。高壓注入的水泥漿液對樁端沉渣具有固化作用，能有效消除沉渣產(chǎn)生的“軟墊效應”，同時對樁側(cè)還有擠密凝結(jié)作用，從而降低樁基沉降量，提高樁基承載力。

基此，建議后期施工應適當提高注漿壓力及注漿量，確保注漿質(zhì)量。

3.2 加固處理措施

鉆芯驗證發(fā)現(xiàn)，48#樁樁底沉渣厚度較小，樁端持力層為中風化花崗巖；結(jié)合荷載-沉降(Q-s)曲線分析，試驗加載至第7級出現(xiàn)較大沉降增量，但第8～9級沉降增量明顯減小，并能滿足沉降穩(wěn)定標準，說明樁底沉渣在靜荷載作用下已基本被擠密壓實，沉渣產(chǎn)生的“軟墊效應”已基本消除，樁端阻力基本得以恢復，該樁承載力能夠滿足設計要求。為確保工程質(zhì)量，徹底消除安全隱患，建議利用鉆芯孔進行高壓注漿，通過漿液的擠密、滲透、填充作用，將樁端沉渣充分擠密固結(jié)，增強樁端持力層的整體性與可靠性，進一步提高樁端阻力[5]。

高壓注漿28d后，采用靜載試驗對48#樁的注漿加固效果進行二次復驗，試驗結(jié)果：荷載-沉降(Q-s)曲線呈緩變形，在最大試驗荷載(20200kN)作用下，樁頂累計沉降量為14.36mm，表明樁底沉渣產(chǎn)生的不利影響已經(jīng)消除，樁端阻力得以恢復，注漿加固效果良好。

4 結(jié)論

(1)每種基樁檢測方法都有其相應的適用范圍，各有優(yōu)劣性，遇到難以評判時，建議不妨采用多種檢測方法相互驗證，綜合分析評判，避免人為擴大檢測能力，以偏概全，造成誤判；

(2)旋挖嵌巖灌注樁施工時，應著重控制好護壁泥漿質(zhì)量、二次清孔質(zhì)量及樁端后注漿質(zhì)量，避免造成樁端沉渣過厚，導致基樁抗壓承載力不足；

(3)當嵌巖灌注樁樁端沉渣較厚時，可采用鉆芯法取孔后通過高壓注漿法進行加固處理，利用水泥漿液擠密固化作用提高樁端阻力。