桩周水泥土对静钻根植桩低应变检测影响研究

张升茂

(中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司 上海 200070)

1 前言

静钻根植桩的核心受力部件为组合使用的预制桩，包括静钻根植先张法预应力混凝土竹节桩(PHDC桩)、复合配筋先张法预应力混凝土管桩(PRHC桩)、先张法预应力高强混凝土管桩(PHC桩)。施工时预先钻孔、扩底，并在桩端、桩周注浆，再植入组合桩，对桩身无损伤，且桩与桩连接采用预埋孔工艺进行预拼接，保证了桩接头质量，桩身完整性可得到良好控制[1-2]。

低应变反射波法检测桩身完整性已应用多年，国内外许多专家对基桩完整性检测技术做了大量研究，并取得较为成熟的技术经验[3-4]。在实际工程桩测试中，根据测得的反射曲线信号，利用反射波能量初至、相位和频率特征，来判别桩身质量。目前在实际检测中，会遇到各种复杂情况，如果仅仅从曲线形态上判断，有时难以判别桩身缺陷，如挤扩支盘桩、水泥土复合管桩在检测时受桩径变化、水泥土影响等，容易对缺陷造成误判现象[5]，因此应结合不同桩型的施工工艺和地质条件综合分析判断。对于桩身不同类型的缺陷，低应变测试信号中主要反映出桩身阻抗减小的信息，缺陷性质往往较难区分[6-7]。对缺陷类型及产生的原因进行判定，应结合地质、施工情况综合分析，或采取其它辅助方法综合判定。

本文主要针对静钻根植桩工程检测中遇到的问题，通过足尺模型试验以及现场检测、开挖验证试验[8]，对桩周水泥土以及竹节桩的影响进行研究和分析。

2 足尺模型试验

为了确认完整竹节桩的竹节对低应变信号的影响，以及静钻根植桩的桩周水泥土对缺陷桩的低应变信号的影响，采用足尺模型试验的方法，通过沉桩前至沉桩后一定龄期时低应变曲线的变化，分析其影响的程度。

2.1 完整竹节桩模型试验

试验桩为6根竹节桩，所有试验桩均经确认桩身完整、无裂缝，型号为 PHDC650-500(100)AB-6C80，单节桩长为6 m，采用静钻根植法施工。沉桩前对桩进行一次低应变检测并采集信号，沉桩后立即采集一次低应变信号，以后每日测试一次直至第28 d。以其中一枚桩的低应变曲线为例进行分析，如图1所示。

从低应变曲线图随时间变化过程可知，竹节桩处于自由状态时，低应变曲线呈现有规律的扩缩径现象，符合桩身结构特性。沉桩前和沉桩到标高后曲线有较明显的竹节反射，沉桩后1 d开始无明显竹节反射，曲线同沉桩后相比变化较大，以后总体形态一致但波形幅值变小；14 d后趋于稳定，沉桩后波形曲线均表现为扩径后缩颈的现象。

因桩身在施工前已确认为完整，沉桩时依靠自重沉入桩孔内，施工过程对桩身无损伤，故可推断曲线形态上有类似缩颈的现象为水泥土固化不均匀造成。具体原因为局部水泥浆未搅拌均匀，水泥含量高，水泥硬化后在桩周形成紧密附着于桩身的较高强度的块体，导致该部位波阻抗显著增强，在低应变检测曲线形态上，会表现出在该部位先扩径，后恢复到正常状态时表现出缩颈的现象[9-11]。此外，由曲线形态及其变化可知，水泥土不均匀性的影响大于竹节的影响，随着水泥土强度的逐渐增强，竹节对波阻抗变化的影响减弱。

图1 静钻根植法施工竹节桩低应变跟踪检测曲线

2.2 有缺陷模型桩试验

为验证静钻根植桩在可能因外部因素影响而导致桩身缺陷时低应变法检测桩身完整性的适用性，对一枚8 m的PHC400 AB(95)进行人为处理，使距离桩端1.4～2.5 m位置处桩身部分混凝土剥落。

用静钻根植桩工艺将该枚桩沉入地基土中，在沉桩后1 d、3 d对该枚桩进行低应变检测。低应变曲线如图2所示。

图2 有缺陷桩低应变跟踪检测曲线

通过以上低应变检测曲线可以看出，当桩身存在较明显缺陷时，采用静钻根植法施工后，低应变曲线能够准确反映出人为制造的缺陷的位置，曲线形态上同样表现为较明显缺陷。说明静钻根植法施工基本不影响低应变检测时对存在缺陷桩的完整性判断。

3 工程现场试验

3.1 工程现场跟踪检测试验

某工程项目为一地上20层、地下2层的高层建筑，位于浙江宁波沿海区域，采用静钻根植桩基础。在施工过程中对部分桩体进行了跟踪检测。根据检测桩体所在区域的钻孔资料，得到该桩所在断面的土层分布情况，如图3所示。

图3 监测桩区域土层分布

该次检测基桩为304＃桩，桩长为36 m，检测波形如图4所示。

图4 304＃桩低应变连续监测曲线

由上述波形可知，该枚静钻根植桩桩身完整性良好，为I类桩。说明在正常施工条件下，保证好水泥土的均匀性后，静钻根植桩的低应变曲线形态与传统桩型完整桩一致。为了更直观地观察较深部位反射波的情况，以上图形为经过数据的指数放大处理后的效果。从连续地检测可知，随着时间的推移，反射波的波幅整体趋势上有较明显减小。表明水泥土固化后，与桩身连结完好，并且桩周介质(水泥土)刚度逐渐增大，逐渐趋向于均一，且对波的阻尼逐渐增大。主要原理为桩周介质的刚度增大，导致桩土刚度比降低，从而使得反射波更容易传播到土体中，反射回来被仪器所接收的波的能量减小；而更重要的是水泥土的固化使得其对波的阻尼增大，同样使得波的能量减小，波能量的减小直观地显示即为波的幅值减小[12]。

3.2 水泥土清除前后对比试验

对该项目3根静钻根植桩设计试桩(S5、S6、S7)进行低应变检测。总桩长53 m，从上到下第1～3节为PHC管桩(共38 m)，第4节为PHDC竹节桩(15 m)。

第一次低应变检测时S5的检测曲线在5 m左右位置出现明显先扩径后缩径的变化，其余2枚桩曲线形态正常，按常规判定方法均可判为Ⅰ类桩，在此不再赘述。

根据静钻根植桩施工技术的特点，初步分析试桩S5低应变检测曲线在5 m左右位置出现的先扩径后缩径现象系由于水泥土的不均匀分布影响造成，并对该试桩进行了开挖确认。设计试桩S5初测曲线如图5所示。

图5 S5桩初测低应变曲线

为了验证水泥土局部分布不均匀性对静钻根植桩低应变检测结果的影响，对S5进行了开挖，现场开挖后发现桩顶以下4～5 m处水泥土分布不均匀，局部水泥土强度远高于周边水泥土及土体的强度，形成紧密附着在桩身的水泥土块。将该部位坚硬的水泥土清除后再次进行低应变检测，曲线发生变化。

清除开挖范围内桩周坚硬的水泥土块后，S5桩经某检测单位进行了低应变复测，检测结果表明桩身质量完整，为Ⅰ类桩。检测报告提供的实测曲线如图6所示。

图6 检测单位出具的S5桩低应变曲线

从现场确认结果可知，桩身内外局部水泥土的相对不均匀性对静钻根植桩低应变检测结果具有一定的影响，沿桩身方向局部水泥土波阻抗会发生变化，在曲线上表现为扩径、缩颈现象，对桩身完整性检测结果容易产生干扰和误判。对于上述情况，应结合静钻根植桩施工工艺的特殊性进行分析和判断。

3.3 高应变现场验证试验

为了对静钻根植桩桩身完整性做进一步的探讨，针对具有浅部震荡波特点的低应变曲线的桩进行了高应变测试，检测锤重为2 t，验证桩身完整性情况。在做高应变测试时，桩已经开挖至桩顶下1.5 m左右，浅部桩身完整性良好。

图7曲线形态呈低频振荡现象，对完整性判断造成一定的干扰。本试验通过高应变方法对该枚桩的完整性进行检测和验证。高应变检测曲线如图8所示。

图7 某工程桩低应变曲线

图8 某工程桩高应变检测曲线

由高应变曲线可知，该枚静钻根植桩桩身完整性良好。通过低应变和高应变测试曲线对比可知，静钻根植桩的水泥土对低应变测试有一定影响。高应变由于能量较大，水泥土对波形的影响有所降低，验证了具有低频振荡波曲线的桩身完整性良好。

4 结束语

考虑到静钻根植桩所采用的预制桩身的质量稳定性以及施工过程中对桩身的无损性，在静钻根植桩低应变检测过程中出现曲线较复杂的情况应考虑为桩周水泥土的影响并慎重判定。结合模型试验以及现场检测、开挖等试验结果，可以得到以下结论:

(1)静钻根植桩桩周水泥土的均匀与否在一定程度上影响了低应变曲线的形态。

(2)由于桩身竹节长度较短，加上桩周水泥土和土的衰减作用，深部竹节所导致的波反射较弱，对低应变曲线形态的影响一般较小；且随着水泥土强度的提高，竹节对低应变曲线形态的影响亦逐渐减小。因此竹节桩的存在对静钻根植桩低应变曲线的判断影响较小，这种影响可以忽略。

(3)桩身内外局部水泥土的相对不均匀性会在低应变测试曲线上产生异常反射，往往会先出现反向反射紧接着出现低幅值同向反射，此时桩身完整，可判定为Ⅰ类桩。