建筑工程中水泥土搅拌桩质量检测方法研究

2019-02-27游波

广东土木与建筑 2019年2期

游波

（上海勘察设计研究院（集团）有限公司上海200093）

0 引言

水泥土搅拌桩是利用水泥作为固化剂，通过特制的搅拌机械现场将软土和水泥（干法或湿法）强制搅拌，利用水泥与软土之间所产生的物理化学反应，使软土硬结成具有水稳定性、整体性和一定强度的水泥土的地基加固方法[1]。虽然水泥土搅拌桩复合地基在理论和工程实践方面取得了很大的进展，但其加固效果检测与评价严重落后于工程实践。水泥土搅拌桩与刚性的混凝土桩不同，也与柔性的碎石桩和砂桩不尽相同，其加固体的强度介于混凝土和原状土之间。由于水泥土搅拌桩具有半柔性半刚性的特点，因此对其质量的检测不能简单的套用柔性桩或刚性桩的检测方法[2]。目前还没有一个经济有效的检测手段对搅拌桩进行检测，特别是对全桩质量的检测，相关规范落后于实际工程的需要。随着水泥土搅拌桩在加固、止水等方面的应用日益广泛，其质量检验的重要性非常重要，已成为完善水泥土搅拌法不可缺少的组成部分。本文通过在建筑工程中进行一系列检测试验，对目前常用水泥土搅拌桩检测方法的实用性、有效性和验收指标的确定进行研究，对加强施工管理、提高施工质量有着重要的实际意义。

1 水泥土搅拌桩质量检测方法研究进展

美国在第二次世界大战后成功研制开发原地搅拌桩，1953年日本从美国引进，1977年我国由冶金工业部建筑研究总院和交通部水运规划设计院协作进行水泥搅拌法的研究工作，并于1980年首次获得成功运用[2]。

随着水泥土搅拌桩的大规模应用，广大学者对水泥土搅拌桩质量检测进行了广泛和深入的研究。现阶段对桩体承载力检测的研究已经比较深入，《建筑地基处理技术规范：JGJ 79-2012》[3]和《建筑基桩检测技术规范：JGJ 106-2014》[4]对其承载力检测有了详细的规定。然而全桩质量的检测相关规范落后于实际工程的需要，其他检测方法虽已有研究和应用，但是目前仅出台了《江苏省高速公路水泥土搅拌桩检测工作实施细则》，该细则也仅对钻芯法检测做了相关规定。《建筑地基基础检测规范：广东省标准DBJ 15-60-2008》[5]仅简单介绍水泥土搅拌桩相关检测要求参照混凝土桩检测规定执行。王建华等人对钻芯法在水泥土搅拌桩检测中的应用进行了详细的研究，并建立了一套适合高速公路工程的质量评分标准[6]。丁震等人对发射波法在水泥土搅拌桩检测应用的可行性进行了讨论[7]。傅群和通过工程实例分析了水泥土搅拌桩复合地基承载力的影响因素[8]。孙瑛琳等人以现场标贯试验数据分析与试验体的单轴抗压强度试验为基础，研究了通过标贯击数定量地反映桩身强度的可行性[9]。陈松等人采用轻型动力触探试验、取芯及无侧限抗压强度试验、载荷试验对某工程水泥土搅拌桩的质量检测与加固效果进行了分析[10]。何钦等人对比分析了静载试验、钻芯法及理论计算的结果，讨论各单桩承载力的确定方法的可靠度。周欣等人在连临高速公路工程中开展了关于地震波探测技术在水泥土搅拌桩质量检测中的应用研究，结果表面采用地震波法检测效果良好[11]。

工程应用证明，多项检测方法相结合的搅拌桩检测体系，可以满足水泥土搅拌桩的检测要求。通过对水泥土搅拌桩在工程应用的经验总结，普遍认为水泥土搅拌桩质量检测是一个复杂的问题，依靠单一的方法对水泥土搅拌桩质量检测和评价已经出现明显缺陷，为此近年来广大学者对水泥土搅拌桩系统的检测方法和评价体系进行了深入的研究。徐晓斌对常用的水泥土搅拌桩检测方法进行研究，建立强度检测指标间的相互关系，依据实际工程检测资料构建水泥土搅拌桩检测与评价办法[12]。方海东等人充分考虑了影响桩身质量的多种因素，提出了水泥土搅拌桩质量检测综合评分法[2]。曾庆军等人对珠三角地区公路工程进行了一系列的检测试验，初步建立起水泥土搅拌桩质量检测体系[13]。

2 检测方法的分类与分析

对水泥土搅拌桩的质量进行检测与评价的目的是为了弄清成桩状况，检测桩体质量能否满足设计要求，工程安全是否得以保证。检测与评价的内容主要在三个方面：搅拌桩强度、搅拌均匀性和桩身长度。目前对水泥土搅拌桩检测常用的方法主要有：开挖法、足尺试验法、轻型动力触探试验、静力触探试验、钻孔取芯法、标准贯入试验、抗压强度试验、静载荷试验和动测法等。

2.1 开挖法

开挖法主要采用挖机或人工开挖出桩头查看桩的成型情况，检查桩头的桩径、外观质量、搭接情况、完整性和搅拌的均匀性。由于开挖深度受限，只能检查桩顶部分外观质量，试验根数只能为个别数，若桩体强度很低，开挖后因水分散失，强度变化大。该方法检测龄期为7 d后，开挖深度为1～2 m，费用较低，耗时较少，无法检测桩体中下部，检测结果无代表性。

2.2 足尺试验法

该方法一般是在成桩28 d后对桩身浅部截取三段桩体进行现场足尺桩体无侧限抗压强度试验。该方法可以较直接的得出桩体强度和变形特征。但其缺点是截取、制作试验体较困难，需要特制的夹具，移动试验体施工不便；检测深度有限，常规为桩顶以下2 m，只能代表桩上部的局部强度；开挖比较困难，需要进行围护施工，开挖出的基坑回填困难，且难以压实。

2.3 轻型动力触探试验

轻型动力触探是直接对水泥土搅拌桩顶部0～4 m范围内的桩身进行强度原位测试的方法。该法可检查搅拌均匀性，判断桩身强度，操作简单，耗时较少，测试数量可按一定比例进行。由于水泥土搅拌桩往往上部强度较大，轻型动力触探由于能量有限，难以施工。此外，该方法检测深度一般不超过3～4 m，龄期要求在3～7 d内，无法对深部及中长期强度和桩身完整性进行判断，可考虑作为施工自检手段。

2.4 静力触探试验

静力触探法是利用比贯入阻力或锥尖阻力与侧壁摩阻力估算桩身强度的原位测试方法。该方法能反映桩身水泥搅拌均匀性，能快速、经济、有效地检测桩身早期强度；缺点是检测结果较离散，理论和实际还需做深入探讨，检测龄期仅限于3～7 d内进行。

2.5 钻芯法

钻芯法可以直接检查桩长、水泥土的连续性、桩身成型和搅拌均匀性，能进行强度试验。但其缺点是设备较笨重，功效较低，垂直度难以控制，对桩有一定破损，需经历取芯制作、养护和试验过程，耗时较长，费用相对较高，检测时间为成桩28 d后[6]。该方法可与标贯试验同步进行，应用最为广泛，但是目前规范仅规定参照灌注桩对搅拌桩进行检测，针对性不强，实际运用不够科学规范，相关规范还有待细化明确。

2.6 标准贯入试验

标准贯入试验往往与钻芯法结合使用，能原位测试桩身强度，反映桩体均匀性和桩长，贯入击数不受芯样损坏情况影响。缺点是测试点不连续，设备较笨重，当桩体不均匀时，检测结果可能失真，检测时间一般在成28 d后进行。

2.7 抗压强度试验

通过钻芯法钻取芯样进行无侧限抗压强度试验，可以得到桩体上中下各部位的强度，有相关规范规程作为依据，现场芯样可在室内养护至90 d，能检测长龄期强度；缺点是水泥土试样制作过程中受到不同程度的损坏，费用相对较高。检测时间为成桩28 d后。

2.8 静载荷试验

由于水泥土搅拌桩最关注的是其单桩竖向抗压承载力或作为复合地基的整体承载力，静载试验是在桩体达到28 d后，对单桩或复合地基进行静载荷试验，能准确、直接测出单桩或复合地基承载力，可直接判定单桩或复合地基的承载力和变形[10]。但是静载试验存在以下缺点：试验条件与实际荷载条件存在一定差异，试验机械设备多，历时长，费用高，测试数量较少，且存在载荷板尺寸效应，荷载传递深度有限，必须在桩体强度满足试验荷载条件时才能进行，不能提供桩身质量的完整性、均匀性、连续性的完整信息，往往以单桩复合地基载荷试验结果为依据，忽略了群桩效应。

2.9 动测法

动测法是将桩体简化为一维线弹性杆件模型，利用弹性波在不同介质中传播的规律来判断桩身的质量，主要分为应力波透射法和地震波法[7]。动测法具有投入小，效率高，对桩体无损伤，检测频率高，工期短等优势。由于水泥搅拌动测法主要用于检测混凝土桩之类的刚性桩，对于半柔性半刚性的水泥土搅拌桩，能量衰减较快，桩头处理要求高，桩底反射不明显，桩身的离散性较大，测试效果较差。目前，该方法只能作为静载试验和其他检测方法的一种重要的参考依据，尚不能取代其他方法单独地进行水泥土搅拌桩质量的评定。

3 检测方法的应用研究

建筑工程中水泥土搅拌桩具有数量大，应用广泛，施工强度高的特点，急切需要采用统一的质量检测方法来提高整体的施工质量，为此必须确定合适的检测单元、检测比例、检测方法、检测龄期与检测指标。

3.1 检测单元

水泥土搅拌桩检测宜将同一同一标段、同一施工单位、强度相同的桩作为一个检测单元。

3.2 检测比例

建筑工程由于具有等级和规模，因此检测比例的确定应既能达到检查施工质量的目的，又不至于费用过高和时间过长，检测比例宜在一定范围内变动。因此，建议按搅拌桩总延米数进行分类，适当考虑工程的重要性。检测比例的建议值如表1所示。

表1 检测比例Tab.1 Detection Ratio

3.3 检测方法

对水泥土搅拌桩的检测以检查施工记录为主，施工单位可采用轻型动力触探自检，对早期龄期的检测还可采用开挖桩头和足尺试验的方法进行选择性检测，主要查看桩径、桩间距、搅拌均匀性等。

对28 d中期龄期水泥土搅拌桩主要采用钻芯法、标准贯入试验和无侧限抗压强度试验，辅以静载荷试验进行验收检测。

3.4 检测龄期

轻型动力触探和静力触探法宜在成桩3～7 d内进行，开挖检查法和足尺试验法应在成桩7 d后进行，其他试验检测龄期为不小于28 d。如果有长龄期的检测要求，可以采用留取28 d芯样室内养护至90 d龄期进行抗压强度试验，以节约检测时间。

3.5 检测指标

建筑工程中水泥搅拌桩质量验收检测的主要指标为水泥土芯样、标准贯入击数、无侧限抗压强值、单桩抗压承载力和复合地基抗压承载力。

3.6 各种检测方法的优缺点

目前水泥土搅拌桩的检测方法较多，由于各种方法有其的特点，往往在检测过程中选用多种方法的组合，下面对各种常用的检测方法的检测目的和优缺点进行总结分析，如表2所示。

4 多种方法检测水泥土搅拌桩质量的典型案例

4.1 工程概况

新建户外220 kV变电站工程位于广东省佛山市南海区，本项目场地内部道路及其附属挡土墙基础采用了水泥土搅拌桩进行了地基加固。搅拌桩设计要求如下：桩径为φ500 mm，桩长7～9 m，梅花型布置，28 d龄期单桩竖向抗压承载力特征值为60 kN，单桩复合地基承载力为110 kPa，桩身水泥土设计强度等级≥1.2MPa，搅拌桩水泥含量应大于18%，喷灰量为75kg/m。搅拌桩施工采用三喷四搅工艺，桩基持力层为细砂，垂直度不得超过1%，桩位的偏差不得大于50 mm。

4.2 检测方法

本项目采用了开挖法、钻芯法、单桩和复合地基静载荷试验法、抗压强度试验等多种方法对搅拌桩的成桩质量进行了检测。

4.2.1 钻芯法与抗压强度试验的应用

为了检测桩身水泥土质量、桩身水泥土强度是否满足设计要求；持力层是否符合要求；施工记录桩长是否属实，本项目采用了钻芯法与抗压强度试验相结合的方法。检测仪器采用北京探矿厂生产的XY-1A型油压钻机、φ101 mm单动双管金刚石钻具。本项目桩总数为2 734根，检测比例取0.5%时，需检测14根，但是前期检测时，有2根桩不满足设计要求，故进行了扩大检测，总共检测了18根，典型桩检测情况如表3和图1所示。

4.2.2 开挖法的应用

在钻芯检测过程中发现部分桩浅部搅拌较不均匀，强度不满足要求，为了更直观的反映搅拌桩浅部性状，本项目部分桩采取了开挖出桩头的方法。图2为开挖出的桩头照片，可以直观的看出此桩浅部水泥搅拌局部不匀，整体较完整，并可以检验桩头直径是否满足设计要求。

表2 各种检测方法的检测目的和优缺点Tab.2 Detection Purposes and Advantages and Disadvantages of Various Detection Methods

表3 典型桩钻芯检测情况一览Tab.3 List of Typical Pile Core Inspection

图1 桩芯样照片Fig.1 Pile Core Sample Photo

图2 桩头开挖照片Fig.2 Pile Head Excavation Photos

4.2.3 静载荷试验的应用

为了检测水泥搅拌桩的单桩竖向抗压承载力特征值、复合地基承载力特征值是否满足设计要求，可以采用静载荷试验方法。本项目桩总数为2 734根，静载检测比例取0.5%时，需检测14根，但是前期检测时有1根桩复合地基承载力不满足设计要求，进行了扩大检测，总共单桩静载检测了14根，复合地基静载检测了16根。由于静载试验需要开挖出桩头，往往这两种方法可以结合起来施工。本次试验采用压重平台反力装置，试验时用油压千斤项分级加载，压板采用方形钢板或圆形钢板，压板面积为1.440 m2。典型桩检测情况如表4、图3所示。