钻芯法在建筑桩基检测中的应用优化研究

文／王均奇、许世琦 山东省鲁建建筑工程检测有限公司 山东济南 250031

引言：

钻芯法是利用专用钻机在混凝土结构中进行取样，利用抗压试验等方式检测混凝土强度，或是观察混凝土内部质量。在检测桩身强度、混凝土抗压强度、桩身缺陷及桩底沉渣厚度方面，都具有直观性优势，同时还能够较为准确的评定桩底持力层岩土性质是否能够满足设计要求。在当前建筑工程、桥梁工程、水利工程等项目质量检测中，钻芯法都具有广泛应用，具有直观性强、检测结果准确等特征，但也存在会对桩身产生一定破坏、无法同时静载试验，缺陷漏判风险较大等方面问题，因此在检测作业时，必须要严格依照规范要求进行操作，确保检测结果精准性，为桩基质量评定提供精准参考。

1.工程概况

某房建工程项目施工中，采用钻芯法检测混凝土桩的桩长、桩身混凝土强度、桩底沉渣厚度及桩身完整性，判定或鉴别桩端持力层岩土性状。前期地质勘查结果显示，地质类型包括杂填土、黄土桩粉质黏土、粉质黏土、碎石、胶结碎石、中风化闪长岩、全风化泥灰岩、强风化泥灰岩、强风化石灰岩、中风化石灰岩等。

为全面检测桩基质量，为后续施工作业提供参考，采用钻芯法进行检测。桩基抽样基数为183 根，抽样数量为19 根。检测结果显示，确定所测19 根受检桩身完整性为：I 类桩13 根，Ⅱ类桩6 根；桩底沉渣厚度满足设计要求；确定所测桩172#的桩端持力层符合设计要求，其余18根桩桩端持力层岩芯破碎～极破碎，采取率低，不符合设计要求。

2.建筑桩基检测中钻芯检测工艺流程

2.1 试桩清理

钻芯检测作业实施前，应当做好试桩清理工作，尽量减少现场环境对取样效果的影响，确保检测结果精准性。根据建筑物类型、施工图纸及现场情况，确定合适的抽样数量及分布位置，确保所选取的桩基具有一定代表性，同时还需要考虑现场施工便利性及安全性要求。在确定钻芯数量后，依照建筑工程质量检测规范，合理确定钻进取芯深度。通常情形下，关键部位和较为容易出现质量问题的部位，应当在考虑材质和设计要求等要素下，合理增加钻芯数量和深度。在确定钻进数量、部位及深度等参数后，将现场清理到位，选择合适的桩体进行试桩，并做好对应的记录，为正式钻进检测提供参考。

2.2 钻孔设备安装

在钻孔作业前，首先应当根据规范要求和现场情况，确定合适的钻进直径，选择合适的钻孔设备。通常情形下，钻孔直径有56mm、75mm 和91mm 等规格，更大的钻孔直径，能够提供更多的岩心材料样本，提升分析结果准确性，但由此也会带来操作难度和成本增加等方面问题[1]。通常是选用转速大、振动小、液压操纵和大扭矩的高速钻机，并在此基础上，依照相关规定选择合适的钻头装置，确保钻芯样品与桩身质量保持一致。钻孔设备安装应当确保垂直轴、天车滑轮中心与孔口中心保持在同一铅锤线线上，确保垂直度和稳定性，保持基面水平。在安装作业时，将底座调平，确保安装稳固性，防止钻具运动而降低寿命。在选择钻孔设备是，还应当确保钻杆刚性，避免由于孔内回转及复杂受压条件影响，导致钻杆发生挠曲运动而出现钻孔弯曲现象。

2.3 钻探取芯

钻探取芯是影响检测结果准确性的关键因素，在钻进过程中必须要采取有效措施做好钻进控制，确保取芯结果符合规范要求。首先是要合理确定钻进技术参数，根据钻孔直径确定转速、压力及水量等参数，同时还需要合理确定冲洗液类型。通常情形下，在孔壁较为稳定情形下，可以选择清水作为冲洗液。其次是要将钻芯孔倾斜率控制在0.5%以内，确保钻芯部位准确性，并尽量避免对桩体质量产生影响。如在钻进中出现钻孔偏离现象，应当立即停止作业并查找原因，直至问题解决后再继续钻进。再次在钻进作业过程中，应当确保钻孔内保持持续性的水循环，水压设定合理，确保能够将孔内的岩粉彻底排出。在钻进至桩端部位的持力层结构时，应当采取提钻或合适措施，确保能够利用一次钻进作业准确反映桩端接触带的持力层性状，做好回水含砂量、回水颜色及钻进速度等方面记录。最后是在钻进作业中，出现钻具突然下落或其他异常情形时，应当依照实际情况记录问题发生的位置、程度、沉渣厚度等，做好后续分析。

在提钻作业时，应当同时利用均匀的水泥浆进行回灌。提钻完成后，将钻头和扩孔器拆除，但应避免大力敲打方式进行处理，避免造成所取的芯样受损，或是某些性能参数变化，导致检测结果不够精准。

2.4 现场取样

现场取样需要根据实际情况确定取样数量，通常情形下，应当在依据桩基质量检测标准，结合桩长设定合适的取样数量。如桩基长度在10m 以下，可以在上下半部各取两组芯样，每组连续制取三个芯样试件。桩长在10m～30m 之间的，应当在上中下各个部位，分别制取三组代表性芯样。如桩长超过30m，或者是芯样均匀性较差时，应当根据实际情况，适当增加取样数量[2]。将芯样从取样器中推出时，应当保持平稳、作用力均衡，避免造成试样受弯或受拉现象。芯样取出后需要使用符合规范要求的芯样箱进行保存，并使用塑料薄膜进行完整包封，避免由于水分蒸发而对检测结果产生影响。芯样在保存和运输过程中，应当避免出现受压、震动、直晒及受冻现象，避免出现失水或吸水等现象，以此确保检测结果准确性。以本工程项目为例，某桩号钻芯法检测芯样综合柱状图如图1 所示。

图1 某桩号钻芯法检测芯样综合柱状图

2.5 芯样制作

芯样制作的参数设定，对检测结果准确性有较为显著的影响，同时在制作过程中，还由于误差因素存在，导致检测结果不够精准，因此必须要严格依照规范要求进行制作，以实现对建筑桩基质量的精准评估。芯样制作时，首先应当确定平均直径、高径比、垂直度、平整度等方面要求，确保在加工后，芯样试件高度应当大于平均直径的0.95倍，同时还应当将试件端面与轴线形成的角度控制在2°以内，避免由于偏差较大对检测结果产生影响。

结合相关研究及工程实践，在芯样制作中，较为容易出现如下几种误差现象，对芯样抗压试验结果产生影响。一是系统误差，如所选取的取样部位、样本数量较少、钻孔设备本身误差等，都会导致制作的芯样本身存在一定误差。在桩基检测中，系统误差是必然存在的，只能采取一定的措施进行降低误差而无法完全消除。二是随机误差，这是对桩基检测结果精准度影响最大的误差，例如在所钻去的芯样内存在钢筋，在钢筋距端面距离较小时，必然会导致芯样被劈裂破坏。例如在芯样中存在直径较大的粗骨料，或者是有气孔、裂缝等缺陷时，也会导致抗压试验结果与实际情况存在较大偏差[3]。三是钻芯工艺及芯样制作中的误差，例如在钻芯过程中，钻机底座固定不到位，在操作时出现振动过大现象，会导致芯样存在较大缺陷而影响结果准确性。因此在芯样制作时，应当采取合理措施控制误差，在出现误差过大时，必须要在现有取芯位置以上10cm 处重新取样，并重新制作芯样，以确保检测结果准确性。

芯样制作完成后，还应当依照规范要求做好养护，并进行编号，避免由于养护处理与现场情况存在偏差，或是编号混乱导致检测结果错误。

2.6 抗压试验

抗压试验应当依照规范要求选择合适的试验设备，在圆柱体芯样类型的构件进行抗压强度试验时，需先使用游标卡尺测量芯样高度和直径，确保高径比在0.95～1.05之间，平整度公差应当能够控制在芯样直径0.00005 倍以内，同时将承压面擦拭干净，以此才能够有效规避检测误差。在各项准备工作完成后，将芯样放置在试验机前，将上下垫板清理干净，将芯样放置在试验机下点板的圆心部位，确保轴心保持对齐。试验机开启后，芯样与试验机垫板逐渐接触，开始时可以采用较大的加载速度，在观测到显示曲线有显著上升时，应当及时减缓加载速度，直至达到破坏状态为止[4]。在初始加载过程中，加载速度无波动现象，在加载到一定力值时，芯样会由于细微裂缝出现而出现声响。在后续加载过程中，两侧裂缝会逐渐向中间延伸，至整个裂缝完全贯通，有材料脱落情形下，试验结束。

3.钻芯检测标准及结果分析

3.1 检测标准

在建筑桩基检测中，应当采用单根受检桩检测结果进行成桩质量评价，如有下列任一情况发生时，则判定该受检桩质量不满足设计要求：

（1）混凝土芯样试件抗压强度值达不到设计强度等级；

（2）桩长或桩底沉渣厚度达不到设计要求；

（3）桩底持力层岩土性状（强度）或厚度达不到设计要求。依照相关检测标准，根据检测结果将桩身完整性划分为四个级别，Ⅰ类桩桩身完整；Ⅱ类桩桩身有轻微缺陷，不会影响桩身结构承载力的正常发挥；Ⅲ类桩桩身有明显缺陷，对桩身结构承载力有影响；Ⅳ类桩桩身存在严重缺陷。

3.2 结果分析

以本工程项目为例，受检桩施工桩长介于19.88m～至24.56m 之间，钻孔深度介于24.8～29.5m 之间，检测桩长介于19.8～24.5m之间，沉渣厚度介于1～3cm之间。检测结果中桩身完整性为Ⅱ类的受检桩持力层，主要存在岩心呈块状、较破碎、采取率低、下部呈短柱状等问题。

4.钻芯法在建筑桩基检测中的应用要点

4.1 钻芯法应用中的问题

4.1.1 芯样受损

钻芯法作业过程中，受多方面因素影响，会导致芯样受损而对检测结果产生影响。例如钻进施工技术不合理，没有做好施工方案设计，在施工中出现操作不当，导致芯样无法满足检测要求。例如钻机设备安装质量控制不到位，底座部位没有完全固定或水平度不足，在钻进作业时出现水平振动现象，或是离心力偏大，进而导致芯样无法满足检测要求。例如所选用的钻头硬度不足或钻杆刚度不足时，也会导致研磨性较差，甚至是无法钻进现象，芯样受损严重。

4.1.2 钻进遇阻或倾斜

在钻进作业中，还会出现不同程度的阻力或倾斜现象，也会导致芯样无法满足检测要求，或者是检测结果不够精准等现象。例如在钻进作业过程中，会伴随有跳震或金属切割的声音，这种情况通常是遇到钢筋，应当根据实际情况采取合适的处理措施。在钻进过程中，如遇到骨料粒径发生显著变化，或是较为松散，有较大孔洞现象时，也会导致钻头压力明显波动，进而出现较大偏离现象。

4.1.3 穿孔及孔内事故

在钻芯法作业过程中，如在钻孔中出现2 个或以上孔位，则有可能会出现多孔钻通现象，导致芯样呈半侧半月桩，无法满足后续检测要求[5]。同时在钻进作业过程中，由于钻进工艺设计不合理，还会出现烧钻、卡钻、或者是埋钻等现象，在处理不到位情形下，会导致孔内落入金属块、芯样破碎片等现象，导致芯样受损，无法满足后续检测取样要求。对于这些方面问题，应当根据实际情况做好及时调整，确保芯样能够符合检测规范要求，确保检测结果精准性。

4.2 钻芯法的应用要点

4.2.1 钻孔过程控制

对于芯样受损现象，应当采取如下处理措施：根据混凝土强度合理调整钻头压力，合理控制初次转速，在正常钻进时再保持高转速钻进。同时还需要做好钻机固定，避免出现较大摆动现象，选择合适的钻头、钻具，根据钻头大小合理控制清水量，以有效避免芯样受损。对于钻进过程中出现的遇阻现象，首先要及时停止钻进，更换原有钻头。同时判断钢筋所处位置，如是在桩体上部位置，则应当及时进行回灌，并重新定位开孔位置进行检测。如钢筋分布于桩体下部位置，则需要及时调整钻机垂直度，将钢筋避开。如钢筋分布于桩体底部位置，则需要采用多节钻管拼接方式，钻进底部位置，才能将芯样提出。对于钻进过程中出现的垂直度偏差较大现象，同样应当先采取停机方式进行处理，确定偏斜度是否在允许范围内，如超出允许范围，则应当采取重新定位进行取样方式进行处理。针对钻进过程中出现的穿孔现象，应当先停止钻进作业，检查钻杆垂直度、平稳度等是否符合要求，如出现偏差较大情形，应当将半月芯样部位用混凝土回填，重新调整孔位并确保垂直度等达到设计要求[6]。针对卡钻、烧钻等现象，应当先使用轮滑组+升降机等方式，将钻具强力提升出来，或者是使用卡管器等将脱落的钻具捞取出来。如孔内还遗落有其他设备或是杂物，则应当利用油压钻机将设备顶拔出来，使用磁铁将杂物捞取出来，之后再采取合适方式进行处理。

4.2.2 安全操作规范

在钻芯操作过程中，为确保作业安全有序推进，还应当做好现场安全管理，避免出现不必要的安全事故。首先是在作业活动开展前，要做好安全教育，确保所有参与人员都能够明确钻进过程中可能存在的安全隐患，提升安全意识，所有操作人员都应当佩戴合适的劳动防护用品，严格依照流程要求进行操作，无关人员不得进入作业现场。。其次是在钻进作业开展前，应当做好设备安全检查，确保设备性能保持良好运行，避免由于设备运行隐患带来安全事故。再次是在钻进过程中，根据现场情况随时调整钻速，如出现钻进遇阻或钻具突然滑落等现象，应当立即停止钻进，并在做好记录后，及时采取下一步处理措施。最后是在钻进作业中产生的废水及废气等，应当经过处理后才能进行排放，减少对周边环境的污染，确保生产作业符合建筑现场管理要求。

4.2.3 异常取样处理

在桩基施工过程中，由于设计及施工等各个环节影响因素差异，由于检测时所需要的桩基资料不同，在进行检验时，也会出现不完全取样现象，对最终取芯质量产生影响。例如在桩基前期施工作业中出现施工质量控制不到位，或是在浇筑作业中出现夹渣、断桩等现象，也会导致芯样不完整，无法实现对桩基质量的精准检测。针对这种情况，应当对不完全样本进行分析，如样本数量与质量控制目标存在较大偏差，就需要在此基础上增加抽样次数，以有效确保评估结果准确性，为整体质量评估提供参考[7]。同时在钻芯取样过程中，还要求操作人员具备良好的技术操作水平，能够严格依照规范要求进行操作，依照现场取芯条件，适当增加钻孔孔数，精准定位钻孔位置，以此才能够准确反映桩体质量，准确判断桩体完整性。在钻芯作业开始前，应当全面检查设备性能和状态，确保设备保持良好运行状态。

结语：

钻芯法能够较为直观、准确的判断桩基质量，为后续工程施工组织提供参考依据，在钻进作业过程中，必须要严格依照流程进行操作，及时准确做好现场记录，有针对性处理现场作业问题。在确保取芯质量基础上，采用合理方式进行检测，以此才能够更为全面精准的做好试件检测，准确评估桩基质量，为建筑工程项目质量管理提供参考依据。