复杂地质条件下挖孔桩完整性检测及其承载力评价

鞠 珊

(抚顺矿务局职工工学院,辽宁抚顺 113008)

复杂地质条件下挖孔桩完整性检测及其承载力评价

鞠 珊

(抚顺矿务局职工工学院,辽宁抚顺 113008)

以实际工程为背景,利用反射波法检测桩身完整性,结合有限元方法,分析沉渣等缺陷对桩的变形和承载力的影响。结果表明,在复杂的地质条件下,利用反射波法可以检测桩的夹泥,搅短桩头以及桩底沉渣过厚等缺陷,但是也会出现桩端反射幅值变得微弱或几乎没有桩端反射,此时加大了确定桩端位置的难度,从而无法保证桩的承载力。利用有限元方法分析沉渣厚度对承载力的影响,结果发现沉渣厚度小于300 mm时,挖孔桩单桩承载力随沉渣单位厚度变化而显著变化,而当沉渣厚度大于500 mm后,沉渣单位厚度大小的变化对单桩承载力变化的影响不很明显。

挖孔桩;完整性;数值分析;缺陷

人工挖孔桩具有工程造价低廉,质量易保证,机具设备简单,施工操作方便,单桩承载力高,施工无噪音,无泥浆排出,对周围环境及建筑物影响小,占用场地小,可全面展开施工,缩短工期等优点,所以人工挖孔桩作为建筑物基础,在国内外工程建设中得到了广泛应用[1]。但是,目前有关人工挖孔桩的设计理论和计算方法还是建立在经验的基础上,在大量使用的过程中也表现出了许多不足,常见的桩身检测质量问题包括断桩夹泥、浇短桩头、桩底沉渣过厚等缺陷。在桩身的众多缺陷当中,桩底沉渣是常见的一种,沉渣过厚对端承桩、摩擦端承桩有着致命影响,沉渣过厚也会导致桩头或者桩浅部混凝土疏松[2],大大降低桩的承载力,而且影响到桩的沉降量。人工挖孔桩为隐蔽工程其结果很难直接判断其好坏,而且桩基工程的质量又严重影响着上部结构的安全,所以在复杂地质条件下桩基的实施和检测过程中我们必须严格控制桩基的质量,控制沉渣的厚度,以免影响桩的承载力。由此可见,对人工挖孔灌注桩的完整性检测和承载力的分析研究显得尤为重要。

本文结合抚顺某高层建筑工程桩基检测项目中桩身的完整性检测试验和单桩的静载试验在工程的实际应用,通过有限元模拟桩基在不同厚度沉渣的变形特点及承载力分析与静载试验的结果对比,结果几乎吻合,从结果来看用这种方法分析桩基承载力仍是行之有效的。此外,为FLAC3D计算模型在以后类似工程检测中的应用提供参考依据,增加桩基检测的可靠度。

1 桩身完整性检测

1.1 工程概况

该工程位于抚顺市李石开发区,北邻浑河,与抚顺皇家极地海洋馆隔河相望。建筑物长175.7 m,宽66.3 m,主体结构为地上16层框架剪力墙结构。该工程设计采用人工挖孔灌注桩基础,地基基础设计等级为甲级,总桩数为295根。设计单桩竖向承载力特征值为8 700 kN～22 370 kN,桩长≥10.0 m,桩径1.00 m～1.60 m,桩身混凝土强度等级为C40,根据岩土工程勘察报告及现场挖桩揭露情况,场地各土层分布特征如下:

①杂填土:主要由粘性土、砂土和煤矸石等组成,松散～稍密,连续分布,厚度3.9 m～9.0 m。

②粉质粘土:褐色～黄褐色,可塑,饱和,无摇振反应,稍有光滑,韧性中等,干强度中等。层厚0.20 m～3.00 m。

③粗砂:褐黄色,以长石、石英为主,粒径均匀,中密～密实,很湿。层厚0.40 m～6.60 m。该层局部有以下夹层。

④砾砂:褐黄色,以长石、石英为主,混粒结构,中密,很湿,局部呈圆砾状分布。此层整个场区分布较连续,层厚0.50m～9.70 m。该层局部有以下夹层。

⑤圆砾:由结晶岩组成,亚圆形,坚硬粒径2 mm～20 mm,最大100 mm,充填混粒砂,稍密状态,连续分布,厚度0.4 m～4.8 m。

⑤-1粘土:黄褐色,可塑。有光泽,韧性高,干强度高,摇振无反应。仅在40号钻孔遇见。层厚0.70 m。

⑥全风化砂砾岩:褐黄色,矿物成分以长石、石英为主,长石已严重风化,呈乳白色～褐黄色,用手可捏碎,局部呈粘土状。

⑦全风化花岗片麻岩:深灰色,花岗片麻结构基本破坏。主要矿物为石英、斜长石、黑云母和角闪石,局部长石已高岭土化,干钻可钻进,岩芯可掰开。岩石为极软岩,岩体极破碎,岩体基本质量等级为Ⅴ级。层厚1.00 m～3.00 m。

1.2 检测设备及工作原理

本次动测使用的设备为国产FD-P204型基桩动测仪,其性能符合《基桩低应变动力检测规程》JGJ/T93-95要求,检测方法采用弹性波反射法,加速度传感器用橡皮泥固定在桩头。

基桩反射波法检测桩身结构完整性的基本原理是[3]:通过在桩顶施加激振信号产生应力波,该应力波沿桩身传播过程中,遇到不连续界面(如蜂窝、夹泥、断裂、孔洞等缺陷)和桩底面时,将产生反射波,检测分析反射波的传播时间、幅值和波形特征,就能判断桩的完整性。例如:根据声速可以判定桩身混凝土的质量,混凝土越密实,声速值就越大,相反,如果桩身混凝土中有孔洞或裂缝,声速就会变小。此外,记录的接收波的振幅和波形也可以反映出桩身的完整性,若声波的振幅衰减幅度过大,或接收到的波形发生较大的畸变,这都表明桩身混凝土内部可能有缺陷存在,在施工过程中要充分重视这些桩的承载力问题。用这种方法检测桩身完整性时,可以覆盖到桩身的各个横截面,不会出现漏检,但操作相对也比较复杂,成本较高。

按桩身的完整性,可将基桩划分以下四类,依据实测时域特征曲线进行桩身完整性判定的分类标准见表1。

表1 桩身完整性判定的分类标准

1.3 动测及结果分析

检测时间为2011年6月19日～21日,抽检桩数为295根,检测比例为100%,检测桩龄期为7 d～37 d,动测结果表明,所抽检大部分桩的桩底反射较明显,实测波速一般在 3 525 m/s～4 357 m/s之间,桩身结构完整,为Ⅰ类桩;因桩龄期的差异,实测波速变化较大,个别桩波速偏高是桩长不准确所致,但承载力不受影响。另有32根桩桩身结构基本完整、局部轻微缺陷、波速偏低,为Ⅱ类桩,占检测桩总数的10.8%。Ⅱ类桩波速偏低、局部有轻微缺陷主要是受灌桩、接桩工艺影响,裙房工程桩的接桩部位反射较明显,有轻微离析现象。最后灌注的29根实测波速在2 715 m/s～3 494 m/s之间,波速较低的原因主要是龄期较短,混凝土强度较低,随着强度的增长,其强度能够满足设计要求。Ⅰ、Ⅱ类桩均可使用,但是当出现桩端沉渣较厚或者桩周土土层条件复杂的情况下,有些检测结果就会出现无法判断的情况[4]。11#基桩桩径1200 mm,桩长13.3m,其低应变反射波曲线如图1所示,该波的最大幅值电平值2 288.82mV,可以看到在检测曲线中无桩端反射可以参考来确定桩端位置,波速无法最终确定,并且无法判断桩端性质,所以仅从该曲线无法判断此桩的完整性状况,进而无法保证桩的承载力是否达到要求。

图1 11#基桩低应变时程曲线

2 有限元分析

2.1 模型的建立

根据荷载和结构的对称性,取1/2结构进行计算,模型大小为12 m×24 m×30 m。模型的坐标轴原点位于桩顶,z轴平行于轴线,方向向上。模型的顶部,z=0,是一个自由面;模型的底部,固定z方向,模型侧面上分别对应施加滚支边界条件。桩采用弹性本构模型,土体采用摩尔—库仑模型,桩下面有一层沉渣。桩的轴向承载力是桩身表面摩阻力和桩端承载力的函数,桩侧摩阻力通过在桩与土体之间设置Interface接触面来模拟,用压缩刚度、剪切刚度、摩擦角、粘聚力来描述接触单元的性质。桩侧摩阻力的变化和桩端阻力的变化是不同的,所以在桩端和土层之间单独设置接触面,这样使模拟结果更能反映实际的受力机理。模型参数见表2,网格划分如图2所示。

表2 FLAC3D模型参数

2.2 结果分析[5-7]

为了检验计算模型及参数的选择是否合理,首先用忽略沉渣厚度情况计算值与实测资料进行比较,然后分别模拟沉渣厚度为0 mm,300 mm,500 mm情况下的P～S曲线,如图3、图4所示。

图3 不同沉渣厚度对应的P～S曲线

图4 不同沉渣厚度单桩承载力变化曲线

根据工程资料显示,实际工程中极限承载力大约9 000 kN,图中忽略沉渣厚度情况曲线中承载力也是在9 000 kN附近缓慢下降,所以可以认为实际测量曲线与忽略沉渣厚度情况大致相同,即该桩承载力满足承载力条件。另外可以看出沉渣厚度H从0增加到200 mm时桩承载力随沉渣单位厚度的增加急速下降,单桩承载力减少24.58%,H小于300 mm时,单桩承载力随沉渣单位厚度显著变化,而当H大于500 mm后,沉渣单位厚度大小的变化对单桩承载力变化的影响并不很明显。此外根据实际测量的工程资料显示11#桩的P～S曲线与忽略沉渣厚度的曲线几乎吻合,所以进一步验证了11#桩可以使用。

3 结 论

本文基于桩完整性测试数据的基础上,建立了桩的有限元模型,探讨了不同缺陷厚度对桩承载力的影响程度,得出以下几点结论:

(1)基桩反射波法较其它的检测方法有其优越性,检测挖孔桩,提供工程信息方便可靠。不但能检测基桩身的完整性,还可评价其承载力。能够早期发现灌注桩的施工质量问题,采取有效处理措施,保证基桩质量。

(2)对于钻孔灌注桩桩底沉渣厚度从0增加到200 mm时单桩承载力随沉渣单位厚度的增加损失最大,沉渣厚度小于300 mm时,单桩承载力随沉渣单位厚度变化而显著变化,而当沉渣厚度大于500 mm后,沉渣单位厚度大小的变化对单桩承载力变化的影响不是很明显,此时沉渣的强度对单桩承载力的影响更大。

(3)桩底沉渣过厚不仅影响单桩极限承载力,同时桩底沉渣的存在不但影响桩端阻力的发挥,对桩身轴向力、桩侧摩阻力也有较大的影响,所以在工程中一定采用工程措施减少沉渣。

[1]商文浩.人工挖孔桩在复杂地质条件下的应用[J].科技致富向导,2010,(36):305-307.

[2]张海丰,王 忠,李 佳,等.成孔检测对灌注桩桩身质量检测的辅助判定[J].水利与建筑工程学报,2012,10(1):109-113.

[3]王述红,张 鑫,赵振东,等.声波透射法检测大直径灌注桩试验研究[J].东北大学学报,2011,(6):867-870.

[4]陈乐求,彭振斌,徐力生,等.桩基工程质量检测中测量不确定度评定[J].矿冶工程,2008,(2):10-13.

[5]张忠苗,辛公锋.软土地基超长桩受力性状分析[J].工程勘察,2003,(3):10-13.

[6]罗惟德.单桩承载机理分析与载荷-沉降曲线的理论推导[J].岩土工程学报,1990,(12):35-44.

[7]许 敬,杨兰勇.桩底沉渣对摩擦端承桩竖向承载力的影响[J].四川建筑,2004,(1):57-58.

Integrity Testing and Bearing Capacity Evaluation of Digging Pile under Complex Geological Conditions

JU Shan
(Staff Engineering College of Fushun Mining Bureau,Fushun,Liaoning113008,China)

The integrity of pile is investigated by reflected wave method,and combined with finite element analysis approach,the influence of defects,such as sediment,on the deformation and bearing capacity of pile is analyzed in accordance with practical projects.As an interpretation of the results,one can infer that the reflectedwave method is capable of detecting the defects such as infiltrated mud,diameter-shrinkage,and excessive sediment in the bottom of pile under complex geological conditions.However,the amplitude of reflected wave in the bottom of pile may become weak or even negligible,which would result in the difficulty to determine the location of pile end,as a consequence,the bearing capacity of pile cannot be guaranteed.The finite element method isemployed to analyze the effect of the sediment thickness on the bearing capacity of pile.It can be concluded that the single pile bearing capacity would change dramatically with the variation of the sediment thicknesswhen the sediment thickness iswithin the limit of 300 mm.On the other hand,the sediment thickness changes would exert almost negligible effect on the single pile bearing capacity under the circumstances of larger sediment thickness beyond 500 mm.

digging pile;integrity;numerical analysis;defect

U45

A

1672—1144(2012)05—0096—04

2012-03-29

2012-04-26

国家自然科学基金资助项目(51074042;51179031)

鞠 珊(1963—),女(汉族),辽宁抚顺人,讲师,主要从事土木工程的管理和研究工作。