灌注桩超灌监测系统标定方法的优化设计与应用

2021-05-06张晓双张晓凤韩云山王元龙

科学技术与工程 2021年5期

张晓双, 张晓凤, 韩云山, 王元龙, 白杨

(中北大学理学院，太原 030051)

混凝土灌注桩是利用机械钻孔或人力挖掘等方式成孔，并在孔中浇筑混凝土而成的桩。该工法施工成本低且操作简单，目前已被广泛应用于工程领域。但将混凝土灌注桩超灌高度控制在理想范围是非常困难的。现场施工中混凝土超灌量一般在2～3 m，多者甚至达4 m以上。开挖基坑后，坑内桩体高低不一，呈现“石林”状，由超灌过度引起的混凝土浪费量十分惊人。除此之外破除多余桩头，又要损失高额的人工成本和建筑成本。

近年来，一些研究者开发了不同的控制装置以实现对混凝土灌注桩灌注高度的控制。但多数装置可靠度不高，且浇筑完之后不方便回收再利用，使用和维护费用较高。灌注桩超灌监测智能化系统[1]能较好地解决这个问题，该系统利用电阻法，能在不影响施工场地现有工序的前提下，便捷可靠地解决超灌问题，使得混凝土灌注桩传统工法得到优化和改进。

利用电学性质研究岩石和混凝土的工程性状近年来得到了重视。李化建等[2]总结了混凝土的电学理论并分析了影响混凝土电阻率的关键因素；Ghosh等[3]总结了混凝土电阻率的年代学发展规律并比较了混凝土体积电阻率与表面电阻率的关系；唐鹏程等[4]利用无电极电阻率测量仪研究了水泥用量和矿物掺和量等对混凝土电阻率的影响规律；刘松玉等[5]、查甫生等[6]利用低频交流电阻测试仪，研究了水泥土样和非饱和膨胀土的电阻率基本特性；底瑛棠等[7]通过测定不同配合比的混凝土、砂浆和水泥的电导率，探究了不同配比混凝土的电阻率随时间的变化规律；Gandía-Romero等[8]研究了电极面积和间距对混凝土电阻测量的影响，得出在一个半经验模型中，电阻随间距的变化而变化；桑源[9]提出电阻率法来评估不同负环境温度下早期混凝土的冻结过程，可预测混凝土的冻害程度；基于电阻率法，姚蒙[10]开展了控制混凝土超灌量的模型试验研究，获得了不同介质下模拟灌注过程中的电阻率变化规律；刘韬[1]利用混凝土与泥浆液之间电阻的差异，设计了一种基于Arduino与LabVIEW的灌注桩超灌智能化监测系统，实现了对灌注过程的实时监测与控制。基于电阻的灌注桩超灌监测方法中非常重要的一个步骤是标定，若标定方法不准确，将直接影响报警值的正确性，从而给混凝土灌注桩灌注高度的控制带来较大误差，达不到防超灌的目的。

现通过多组室内试验，探究基于电阻的超灌监测方法中探针间距和桩径对4种介质(混凝土、泥浆、水泥浆、水)电阻的影响规律，并制作一种经济且操作便捷的新型标定器，以期使得标定数值更加准确，提高工作效率，达到有效控制超灌高度的目的。

1 基于电阻的超灌监测方法

基于电阻的灌注桩超灌监测方法是根据灌注桩内泥浆液与混凝土两种物质的电阻有明显差异的特点，利用软件设计，实现电阻的数据采集与保存，从而达到实时监测的目的。标定混凝土电阻，设定报警值，当监测电阻稳定在标定值附近时便发出报警信号，提醒已达到灌注高度并及时停灌。这种监测方法的关键步骤在于标定，标定值的准确与否直接影响到混凝土的灌注量，因此优化标定方法对于此监测方法意义重大。基于电阻的超灌监测方法操作流程如图1所示。

图1 超灌监测方法操作流程Fig.1 Operation procedure of over-filling monitoring method

2 试验方法

试验用水泥为太原狮头牌普通硅酸盐水泥，水泥物理性能如表1所示。粗集料选用二级配玄武岩碎石，颗粒级配5～20 mm；砂选用中砂，粒径小于5 mm；水为自来水。泥浆用土选用汇丰新材料有限公司的钠基膨润土，性能指标如表2所示。试验用混凝土、水泥浆、泥浆配合比如表3所示。

试验采用二电极法，测试电压为1 V，频率为1 kHz。电阻测量仪器为常州同惠TH2830型数字电桥(图2)。试验所用自制探头为长5 cm的普通铁钉，钉于1.5 cm厚的绝缘板上，探针一端通过电导线与数字电桥相连。

研究探针间距对电阻的影响规律时，采用直径60 cm、长150 cm的透明有机玻璃管模拟灌注桩。探究桩径对电阻的影响规律时，用直径分别为15、20、25、30 cm的有机玻璃管模拟直径不同的灌注桩。模拟桩具体尺寸如表4所示。为模拟施工现场探头固定于钢筋笼主筋上的情况，测量电阻时将两探头相对，绑于直径12 mm的带肋钢筋上，如图3所示。

表1 水泥物理性能

表2 膨润土各项性能

表3 混凝土、水泥浆、泥浆配合比

图2 同惠TH2830型数字电桥Fig.2 Tonghui TH2830 digital bridge

表4 模拟桩尺寸

图3 模拟桩内电阻测量示意图Fig.3 Schematic diagram of resistance measurement in simulated pile

为了掌握探针间距对混凝土、水泥浆、泥浆和水4种介质电阻的影响规律，在透明有机玻璃管中固定好绑有两探头的带肋钢筋，探针通过电导线与数字电桥连接。将新拌制的四种介质分别灌入1#模拟桩中，保证桩内液面完全没过探头，改变探针间距，测出4种介质在探针间距分别为10、20、30、40、50、60、70 cm情况下的电阻。为探明桩径对4种介质电阻的影响，将拌制均匀的4种介质分别灌入直径不同的2～5#模拟桩，测出4组相同探针间距下4种介质在不同直径桩中的电阻。

3 试验结果和分析

3.1 电阻随探针间距的变化规律

图4反映了混凝土、水泥浆、泥浆和自来水4种介质的电阻随探针间距的变化规律。由图4可知，4种介质呈现的规律相同，当其他外界条件不变时，电阻随探针间距的增大而线性增大，拟合后直线均呈R=ml+n形式，其中，R为电阻，l为探针间距，m、n分别为直线的斜率和截距，且回归系数R2均大于0.92，相关性较好。

图4 4种介质的电阻随探针间距的变化规律Fig.4 Change of resistance values of the four media with the spacing of the probes

材料能够导电主要是因为导体材料中存在能够自由移动的载流子。凡是能自由移动的带电荷粒子都可作为载流子，比如金属中的自由电子和电解质中的阴、阳离子。有大量研究显示，普通的硅酸盐水泥混凝土，掺有粉煤灰、硅灰、矿渣等掺合料的混凝土和水泥净浆、砂浆等不论是干燥状态还是潮湿状态下都是以阴阳离子作为主要载流子，而其他载流子基本可以忽略[11]。如此单一类型的载流子使得材料导电特性的研究变得相对简单。4种介质都可看作多相复合材料，研究其导电性质时可将其当作溶液来分析。

溶液导电的机理是自由离子在电场作用下的迁移。根据这一导电机理，溶液的电导率[12]可表示为

(1)

式(1)中：σp为溶液的电导率，S/m；e为电子电荷量，C；Zi为第i种自由离子的化合价，均考虑为正；γi为第i种离子电迁移率，m2/(s·V)；Ci为第i种离子在溶液中的浓度，mol/m3。

在假设忽略离子间相互作用的前提下，式(1)表明了溶液的电导率是其中每种离子导电能力的代数和。溶液的电导率与离子的浓度、所带电荷量及自由离子在溶液中的电迁移率成正比。式(1)中离子的电迁移率反映了该种离子在单位电场作用下在溶液中的迁移速度[13]，即

(2)

式(2)中：vi为自由离子的迁移速度，m/s；E为电场强度梯度，V/m。

在溶液导电的过程中，自由离子会受到与离子接触介质之间的摩擦力。与周围介质之间产生的摩擦力可根据 Stokes 定律[14]表示为

f=-6πrη0v

(3)

式(3)中：f为离子受到的摩擦力，N；r为离子半径，m；η0为溶液的黏度，Pa·s；负号表示摩擦力与自由离子的迁移速度相反。溶液中包含阴、阳两种离子，并在电场的作用下朝不同的方向移动，这种移动会带动离子周围的水分子运动。由于两种离子运动方向相反，使得离子与周围介质的相对运动速度增大，从而导致离子运移的摩擦力增加。

探针间距增大后，混凝土中离子的运移带动周围更多的水分子运动，使得离子与周围介质相对运动速度增大，增加了自由离子的摩擦力。由式(3)可知，摩擦力越大，自由离子的迁移速率越小。假设混凝土是均匀的，其中的离子浓度恒定，离子的电迁移率越小，溶液的电导率就越小，材料的电阻就越大。

相同探针间距时，水泥浆的电阻最小，混凝土次之，二者的电阻明显低于水和泥浆。由图5可知，电阻越大的介质，其对应的直线斜率m和截距n也越大。这与物质本身的组成成分和性质有关。

图5 4种介质对应的直线斜率和截距Fig.5 Straight line slope and intercept corresponding to four media

3.2 电阻随桩径的变化规律

图6反映了4组探针间距(5、10、15、20 cm)下混凝土在不同直径桩中的电阻。可知，当探针间距一定时，不同桩径中混凝土电阻最大差值为3 Ω，变化不超过2%。

图6 混凝土的电阻随桩径的变化规律Fig.6 Variation rule of concrete resistance value with pile diameter

由于钢筋属于良好的金属导体，导电性远远强于混凝土，当电流从探针中传出时，会有一部分从探针附近的钢筋中通过。因此，需考虑钢筋在混凝土导电过程中的影响。图7为钢筋混凝土的等效电路图。

Rcon为素混凝土的电阻；Rct为钢筋和混凝土界面的电化学电阻；Cdl为钢筋和混凝土界面的双电层电容；Rme为钢筋本身的传导电阻图7 钢筋混凝土的等效电路图Fig.7 Equivalent circuit diagram of reinforced concrete

电流从探针传出时，经过混凝土和钢筋，大致分为两路并联：线路①：电流从混凝土中流进和流出，不经过钢筋；线路②：流经钢筋混凝土界面和钢筋。对于线路②，电阻由钢筋混凝土界面的电化学电阻和钢筋本身的传导电阻组成。其中钢筋本身的传导电阻远小于钢筋混凝土界面的电化学电阻，可以忽略不计，因此线路②的电阻取决于钢筋混凝土界面的电化学电阻。当混凝土含水率为 100%时，界面电化学电阻相对于线路②的混凝土电阻很小，因此整个并联电路的电阻取决于线路②[15]。由于改变桩径不影响其内部混凝土与钢筋的接触，不同桩径中的混凝土与钢筋的接触界面是一样的，线路②的电阻也应该不变，因此不同直径桩中测得的电阻理论上相差不大。

当探针间距同为10 cm时，混凝土、水泥浆、泥浆和自来水4种介质的电阻随桩径的变化规律如图8所示。由图8可知，4种介质中呈现的规律相同，即在同一探针间距下，随桩径变大，电阻变化不超过2%，受影响较小。钢筋在水泥浆、泥浆和自来水中的导电原理如同钢筋混凝土，整个电路的电阻取决于桩内溶液和钢筋界面的电化学电阻。改变桩径并不影响桩内钢筋与周边溶液的接触，不改变界面的电化学电阻，所以电阻不变。

4 标定器的设计与应用

4.1 标定器设计

根据试验得出的混凝土电阻随探针间距变化呈R=ml+n形式及混凝土电阻不受桩径变化影响的结论，制作了新型标定器，如图9所示。该标定器由长110 cm、内径15 cm、壁厚0.3 cm的PVC塑料管制成，两端用绝缘材料封堵密实，中间固定一条直径12 mm的带肋钢筋，测量时直接将探头绑扎于钢筋上即可，探针间距可按施工现场情况调整。

图8 不同介质电阻随桩径的变化规律Fig.8 Change of resistance values of different medium with pile diamete

图9 自制新型标定器示意图Fig.9 Schematic diagram of self-made new calibrator

标定器的使用分两种情况：当灌注桩中探针间距小于等于标定器长度时，直接固定到该间距，测出的电阻即为标定值；当探针间距大于标定器长度时，测出不少于三个不同间距下的电阻，可通过计算得到对应公式R=ml+n中的m和n值，代入施工现场灌注桩中所需探头间距，即得相应的电阻标定值。实际施工现场探针间距无需过长，此标定器长度都能满足使用要求。

4.2 现场试验验证

试验所在地为山西省太原市漪汾街吾悦广场项目，两根试桩直径800 mm、桩长22 m，桩顶标高位于地面水平标高下10.2 m。

将两探头绑于桩内钢筋笼主筋上，如图10所示。1号桩内两探头间距80 cm，2号桩内两探头间距1 m，上方探头的位置即为桩顶标高处，如图11所示。标定时，取现场灌车内适量混凝土倒入标定器，连接电阻测量仪，测得探针间距在80 cm和1 m时混凝土电阻分别为202 Ω和211 Ω，在超灌监测软件中输入1号桩和2号桩的报警值分别为202 Ω和211 Ω。

图10 绑扎探头实物图Fig.10 Physical picture of the banding probes

图11 探头位置示意图Fig.11 Schematic diagram of probe position

两根试桩内电阻随时间变化的散点图如图12所示。混凝土灌注前，探针置于泥浆中，1号桩所测电阻稳定在680 Ω左右，2号桩测得电阻稳定值710 Ω左右。开始灌注后，桩内混凝土液面逐渐上升，在0～13 min内，两根桩测得电阻都略有下降趋势，但始终大于600 Ω。混凝土依次没过两个探针后，在14～15 min内，1号桩电阻陡降到150 Ω附近，2号桩陡降到140 Ω附近，此时即将到达灌注高度。探头刚接触到混凝土时，所测的应是混凝土上层较稀的部分，粗骨料较少，所以电阻小于标定值。继续灌注，标高处混凝土逐渐均匀，在17 min时电阻上升至接近标定值，监测系统报警，用测锤试探表示混凝土已到桩顶标高。18 min时停止灌注混凝土，直到20 min结束拔管，1号桩电阻稳定在204 Ω，2号桩稳定在212 Ω。