铁路路基螺杆桩质量检测技术

2019-10-18周俊磊张智慧

铁道建筑 2019年9期

周俊磊，张智慧

（1.武九铁路客运专线湖北有限责任公司，湖北武汉 430200；2.中土建设（北京）工程检测有限公司，北京 100055）

螺杆桩又称半螺旋钻孔管内泵压混凝土灌注桩，是一种上部为圆柱型，下部为螺丝型的组合式异型桩（如图1所示）。螺杆桩采用全液压桩机施工，不使用泥浆护壁，具有无泥浆污染、无噪音、无振动、无弃土外运、无环境污染、承载力高，且符合国家节能环保的发展战略，因此近年来被广泛应用于软基处理［1-2］。目前TB 10218—2008《铁路工程基桩检测技术规程》中尚无螺杆桩的检测方法［3］，本文将对目前主流的检测方法进行逐一分析，并结合现场试验情况确定合理的检测方式，便于现场质量管理。

图1 螺杆桩示意

1 施工工艺及常见质量问题

1.1 施工工艺

与普通的灌注桩不同，螺杆桩采用专用螺旋式打桩机进行施工。钻孔时靠螺纹钻杆挤压圆周土体形成桩孔，通过提升钻杆然后泵送混凝土形成混凝土桩体。单桩施工顺序为：场地整平→桩位放线→钻机就位→正旋钻孔→钻至桩底标高→反旋提钻并泵送混凝土→混凝土泵至螺旋段顶标高→正旋提钻同步泵送混凝土→混凝土泵至桩顶标高→停泵提钻至孔口→单桩结束，桩身区段施工完毕检桩后开始桩帽施工。

1.2 施工常见质量问题

螺杆桩作为一种新型桩，在铁路建设中的成功应用经验较少，对其施工技术质量控制及工艺的控制还不是特别成熟［4］。受工艺本身及现场施作环节主观与客观因素影响，路基螺杆桩存在一些质量问题，主要有：

1）偏桩，含桩平移偏差和垂直度超标偏差。由于场地平整度差、桩基对位不准、地层变化等原因，易使钻杆跑偏。

2）断桩，夹层。由于提钻太快，混凝土泵送跟不上提钻速度或者是相邻桩太近串孔造成，或者灌注过程中因意外原因，造成灌注停止时间大于混凝土初凝时间造成。

3）桩身混凝土强度不足。各种原因造成桩身混凝土强度低。

4）桩头质量问题。多为夹泥、气泡、混凝土不足、浮浆太厚等，一般由于操作控制不当造成。

5）桩长不足。

2 主要检测方法及存在的问题

作为铁路行业引进的重点新型工艺，螺杆桩质量好坏直接影响高速铁路路基段下沉数量，轻则影响线路寿命，重则影响行车安全。当前对于路基螺杆桩的质量检测，主要参考常规钻孔灌注桩。具体要求为［5］：成桩7 d 后低应变测试，抽检比例10%。成桩28 d 后采用单桩或复合地基载荷试验，抽检率为桩数的0.2%，且每一工点不少于3 根。成桩28 d 后钻孔取芯检测无侧限抗压强度，抽检率为桩数的0.2%，且每一工点不少于3根。

1）钻孔取芯法是桩身完整性检测最直观的方法，不仅可以测定桩身混凝土质量、抗压强度和桩长，还可检查桩底沉渣和持力层性状，具有科学直观、实用等特点。但检测桩长径比大时，钻孔时容易偏离桩身，无法钻取到桩底，且钻芯法检测时间较长，检测成本较高。钻孔取芯法为有损检测、速度慢、造价极高。只能少量使用。

2）无侧限抗压法只能检测桩身混凝土强度，其他无法检测。

3）低应变反射波法（低应变法）是基于一维长杆理论，采用低能量瞬态或稳态激振方式在桩顶激振，实测桩顶部的速度时程曲线或速度导纳曲线，通过波动理论分析或频域分析，对桩身完整性进行判定的检测方法。测试设备轻便简单，检测速度快，成本低。由于螺杆桩螺纹的存在，对于螺纹完整性无法判断，即对螺杆桩完整性无法作出明确判定。但对直杆部分，其长度与完整性可以判定。而螺纹叶片完整是螺杆桩承载力的保障［6］。

4）超声波透射法（超声波法）是利用超声波在金属构件中传播和反射的原理以探测构件内部缺陷的大小、性质、位置以及材质的物理性能的方法。检测范围可覆盖全桩长的各个截面，测试精度高，但需要预埋声测管，检测成本也相对较高，且对桩身直径有一定要求。但螺杆桩无法预埋声测管。

5）静载试验法（静载法）是在桩顶部逐级施加竖向压力、竖向上拔力或水平推力，观测桩顶随时间产生的沉降、上拔位移或水平位移，以确定相应的单桩竖向抗压承载力、单桩竖向抗拔承载力或单桩水平承载力的试验方法。由于静载试验需要施工现场提供较宽的工作面以便堆放荷载，很多时候现场条件难以满足要求。此外检测过程中主观臆断或理论的局限性使选桩缺乏代表性，而检测周期人为压缩，试验成本的增加，也影响了检测的正确性、客观性［7-8］。

3 螺杆桩低应变检测试验分析

为确认低应变法对路基螺杆桩的检测效果，在现场做了试验测试。现场制作试验桩3根，直径500 mm，采用C20混凝土，桩长6～7 m。其中无缺陷桩2根，浅部桩头含泥桩1根。拟测试变截面位置与桩底反射明显程度以及桩身、螺纹叶片破坏时小应变的波形反应特征。

图2为低应变法测试的螺杆桩变截面部分与桩底反射波形图。图2（a）中桩长3.5 m处可见清晰缩径现象，这是由于桩体从直杆部分进入螺纹部分造成，0～3.5 m 为直杆部分；图2（b）中桩长4 m 处亦可见清晰缩径现象，即0～4 m 为直杆部分；2 个波形在7 m 位置桩底反射明显。图2（b）与图2（a）在直杆部分的波形形态有所差别，其中图2（a）直杆部分波形平顺，无明显波动；图2（b）直杆部分虽有轻微波动，但并未出现明显的扩径、缩径反应，可能是由于杆体的平直性相对较差造成。图2（b）与图2（a）的螺杆部分都未见明显的反射波特征。

图2 螺杆桩变截面部分与桩底反射波形

由此可见，低应变法能够反映路基螺杆桩的桩长与变截面位置。

图3 无缺陷与浅部桩头夹泥螺杆桩波形与现场揭露情况

图3为低应变法测试路基螺杆桩浅部病害所做的对比测试。可知，在浅部存在明显大桩头反射特征，开挖揭露显示桩头部分存在明显混凝土夹泥特征。至于螺杆桩浅部断桩，因其本身为均匀直杆设计，满足低应变法的一维长杆理论设定，因此低应变法能够探测浅部端桩。由此可见，低应变法可以解决路基螺杆桩直杆段缺陷检测问题。

为确认低应变法对螺杆桩螺纹段缺陷的检测效果，进行了现场试验及检测，结果见图4。对比图4（a）和图4（b）可知，虽然在2.4 m处螺纹叶片破坏，但测试波形上反应特征并不明显。由图4（c）和图4（d）可知，破坏位置在2.6 m深度处；从测试波形上看，图4（c）与图4（d）有轻微缩径现象，在无对比或先验信息时，仅从波形上无法判识螺纹叶片损坏。

图4 螺杆桩破坏性试验实测波形及现场揭露情况

综上所述，用低应变法无法对螺杆桩螺杆段裂损、缺陷作出判定。

4 静载测试与钻孔取芯

钻孔取芯作为桩基质量的必备手段，能够直观明确地检定桩基长度，并获取混凝土试件，以对桩基混凝土强度进行测试。尽管在路基螺杆桩的检测上，尤其是其长度检测上，由于桩基直径较小，受场地平整度影响，钻孔时容易偏出桩身，从而造成误判，随机抽查易对结果进行放大。因此，即便该方法成本较高，但该方法对螺杆桩质量检测必不可少。为了弥补低应变法检测的不足，应该在当前0.2%抽检比例的基础上进行加强，比如增加到1%或以上，以增强抽检结果的代表性。

静载测试结果直观反映路基承载力，因此其结果合格与否具有决定性［9-10］。然而，由于测试所需条件高、施作时间长、成本不低，因此当前路基螺杆桩质量检测方法中其检测频率依然偏低。为提高检测结果的代表性、可靠性，应在当前0.2%抽检比例的基础上适当提高抽检比例。高铁路基沉降对路基承载力的要求高，建议抽检比例提高到1%或以上。