某山区桥梁桩基孔壁坍塌分析及处理

2020-12-15虞梦泽

山西建筑 2020年24期

虞梦泽

(福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建省绿色建筑技术重点实验室，福建福州 350025)

0 引言

山区的工程地质条件往往较为复杂，岩土工程勘察的资料与实际情况常常有所出入，从而导致桩基成桩质量难以控制，其中桩基础成孔过程中的孔壁坍塌就是施工中经常遇到的问题之一。孔壁坍塌易造成桩身夹泥、缩径甚至断桩，对工程质量造成严重影响。本文通过对某山区桥梁工程桩基检测数据的对比，分析了桩身缺陷的类型和范围并开挖验证，采用接桩方式修复缺陷部分，为因孔壁坍塌导致的桩基质量问题提供了工程经验和处理思路。

1 工程概况

某工程主桥上部结构采用三跨变截面预应力混凝土连续箱梁，桥梁采用单箱双室断面。中墩下设置矩形承台，承台长7.6 m，宽7.6 m，高2.5 m；承台下设置4根直径1.8 m 的钻孔灌注桩基础，桩基设计为摩擦桩，施工工艺为冲击成孔灌注桩，桩长70 m，桩底持力层为④粉质黏土层。

桥址上部多为冲洪积、坡残积层所覆盖，下伏基岩为石炭系林地组(Cl)石英砂岩。据区域地质资料及地质调绘，桥址区附近无大的区域构造分布，桥址区未发现新构造及活动断裂，桥位场地较稳定。2号桥台所处位置工程地质情况如表1所示。

表1 工程地质情况表

场地地表水不发育，地下水主要为赋存于卵石土层、粉质黏土层中的孔隙型潜水及赋存于基岩中的裂隙水，富水性较弱，二者存在一定的水力联系。地下水位埋深8.4 m。

2 声波透射法检测

本工程采用超声波法检测桩身质量情况，抽检比例为100%。声波透射法是对基桩无损检测的一种重要手段，这种方法是在基桩内预埋声测管道，根据声波脉冲波穿越基桩时的参数(声时、声速、频率、能量及PSD值)来反映构件缺陷的存在。超声波的反射情况因缺陷的不同性质与不同大小而异，这种差异在时间域上并不明显，很难辨别出来，但是在频率域上却很明显。因为声波的固有频率不变，所以超声波各波束干扰融合的影响在频率域内较小，通过修正以后，能做到频率域的特征只与混凝土缺陷的性质有关[1]。

桩基施工完成14 d后进行声波透射法试验，其中2号桥台2-3号桩存在严重缺陷，声波检测剖面结果见表2。

表2 声波透射法检测结果

该试桩波形严重畸变的异常声测线在8.60～12.20深度范围内均有分布，桩身完整性应判别为Ⅳ类。根据规范中声波检测剖面的覆盖范围初步分析两个典型剖面见图1，图2[2]，其中阴影部分为可能存在缺陷的范围。

3 钻芯法验证与桩身缺陷的分析

桥梁桩基础的特点是数量少、承载力大，其施工质量的要求远高于建筑桩基。传统的判别分析方法认为，从声波透射法检测结果中桩身在10.20 m～11.90 m附近应存在全截面缺陷范围，属于断桩。对于如此严重的缺陷情况，应在原桩位重新打桩或在对应位置补桩。但又因其长度较长，直径较大，重打和补桩的经济成本和时间成本极大。为验证缺陷的范围和类别进而为设计提供修复或补桩方案，受业主委托采用钻芯法钻取混凝土芯样。本次钻芯法根据规范均在距离桩身中心10 cm～15 cm附近开孔，最深钻芯至26.30 m，均因芯样侧面见钢筋痕迹，确定取芯轨迹偏离桩身，停止钻芯，共钻取3个孔。3个孔取出的芯样均呈长柱状、连续且胶结好，均未见夹泥或离析的情况。已取出芯样的完整性可判为Ⅰ类。芯样如图3所示。

4 开挖验证

灌注桩常见的完整性缺陷类型有断桩、夹泥、离析、集中气孔、裂缝等。试桩的检测结果中钻芯法表明桩身中部混凝土连续未存在缺陷，而声波透射法中却判定Ⅳ类桩，两种检测方法得到的结果南辕北辙。值得庆幸的是本工程桩身的缺陷位置相对较浅，且桩周土质为硬塑粉质黏土，在干燥情况下强度尚可。经专家论证，采用人工挖孔方法开挖至缺陷位置，以明确缺陷的类型并修复。

本工程桩身直径1 800 mm，为保证操作空间和人员安全，开挖了上部0 m～5 m直径4.5 m、下部5 m～12 m直径为3.6 m的孔洞。桩身采用风镐破除，钢筋笼采用电焊割除。桩身开挖形成的基坑如图4所示。

0.0 m～8.7 m的桩身质量均符合设计要求。开挖至8.8 m附近，发现桩身存在部分夹泥情况。泥土范围覆盖了1号声测管周边位置，导致超声波在1—1,1—2,1—3剖面严重畸变，如图5所示。随着开挖的继续进行，夹泥部分逐步扩大，部分区域钢筋笼保护层明显不足，桩身钢筋直接与桩周土体接触，部分层面桩身混凝土颜色呈棕黑色，与原桩身浅灰色混凝土差异较大，强度明显降低，如图6所示。开挖至10.3 m附近夹泥部分扩大至桩身的一半以上，且其中1号、2号、4号共3根声测管周边均为泥质包裹，部分桩身钢筋笼直接暴露在土体中，桩身夹泥部分面积约52%，导致超声波在所测6个剖面均无法传播，如图7所示。

5 原因分析

针对2-3号桩开挖所发现的桩身质量缺陷情况，主要缺陷表现形式为夹泥，而夹泥的直接原因是孔壁坍塌。综合地质资料和施工记录，该桩桩身钢筋笼连续，缺陷位置上下的混凝土质量均符合设计要求，桩身夹泥部分仅存在于桩身某一段，且连续分布，并随着深度增加呈逐步增大之势，12 m左右桩身混凝土恢复正常，可排除成桩过程中的孔壁坍塌因素。桩身施工过程中虽采用护筒，但长度仅为5 m。施工过程中，由于混凝土供应问题，分多次浇筑，浇筑间隔期超过1 h。故综合分析本次桩身质量问题是因灌注过程中孔壁坍塌导致的。

孔壁坍塌的原因分孔壁内外压力差、桩侧土体遇水软化和机械物理作用共三类。本次孔壁坍塌的直接原因是土体遇水软化，桩侧第②层可塑～硬塑粉质黏土在长期浸泡下软化，崩解，导致大量土体崩解坍塌至桩孔中，在钢筋笼的阻滞下主要分布在桩身某一方向上。一般情况下，大规模的孔壁坍塌会伴随着孔内水位的突然变化，但本工程桩灌注时由于灌注多次间隔，间隔期间无专人关注孔内情况，未及时发现灌注间隔期的孔壁坍塌现象。而冲孔灌注桩因实际孔径相对设计较大，特别是对于如此长的桩，充盈系数难以计算，也难以从充盈系数推断混凝土浇筑情况。

6 处理措施

针对2-3号桩的检测和开挖验证结果，根据设计单位的指示，在清理了桩身夹泥和邻近劣质混凝土后，进行接桩处理。为加强接桩处桩身强度，在桩身中心增加高1 000 mm、直径为800 mm的芯钢筋笼，主筋植入原混凝土桩身200 mm，采用10根直径18 mm的三级钢，箍筋间距100 mm。中心补强的同时，主钢筋笼同原设计要求，声波管采用焊接方式重新接至桩面，接桩部分混凝土强度提高2级[4]。

桩身混凝土达到强度要求后，再次采用声波透射法对桩身进行检测，各检测剖面波列图均无异常，接桩部位波形正常，无畸变，检测结果表明接桩效果良好。