鞠 珊

(撫順礦務(wù)局職工工學(xué)院,遼寧撫順 113008)

復(fù)雜地質(zhì)條件下挖孔樁完整性檢測(cè)及其承載力評(píng)價(jià)

鞠 珊

(撫順礦務(wù)局職工工學(xué)院,遼寧撫順 113008)

以實(shí)際工程為背景,利用反射波法檢測(cè)樁身完整性,結(jié)合有限元方法,分析沉渣等缺陷對(duì)樁的變形和承載力的影響。結(jié)果表明,在復(fù)雜的地質(zhì)條件下,利用反射波法可以檢測(cè)樁的夾泥,攪短樁頭以及樁底沉渣過厚等缺陷,但是也會(huì)出現(xiàn)樁端反射幅值變得微弱或幾乎沒有樁端反射,此時(shí)加大了確定樁端位置的難度,從而無法保證樁的承載力。利用有限元方法分析沉渣厚度對(duì)承載力的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)沉渣厚度小于300 mm時(shí),挖孔樁單樁承載力隨沉渣單位厚度變化而顯著變化,而當(dāng)沉渣厚度大于500 mm后,沉渣單位厚度大小的變化對(duì)單樁承載力變化的影響不很明顯。

挖孔樁;完整性;數(shù)值分析;缺陷

人工挖孔樁具有工程造價(jià)低廉,質(zhì)量易保證,機(jī)具設(shè)備簡(jiǎn)單,施工操作方便,單樁承載力高,施工無噪音,無泥漿排出,對(duì)周圍環(huán)境及建筑物影響小,占用場(chǎng)地小,可全面展開施工,縮短工期等優(yōu)點(diǎn),所以人工挖孔樁作為建筑物基礎(chǔ),在國(guó)內(nèi)外工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。但是,目前有關(guān)人工挖孔樁的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法還是建立在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,在大量使用的過程中也表現(xiàn)出了許多不足,常見的樁身檢測(cè)質(zhì)量問題包括斷樁夾泥、澆短樁頭、樁底沉渣過厚等缺陷。在樁身的眾多缺陷當(dāng)中,樁底沉渣是常見的一種,沉渣過厚對(duì)端承樁、摩擦端承樁有著致命影響,沉渣過厚也會(huì)導(dǎo)致樁頭或者樁淺部混凝土疏松[2],大大降低樁的承載力,而且影響到樁的沉降量。人工挖孔樁為隱蔽工程其結(jié)果很難直接判斷其好壞,而且樁基工程的質(zhì)量又嚴(yán)重影響著上部結(jié)構(gòu)的安全,所以在復(fù)雜地質(zhì)條件下樁基的實(shí)施和檢測(cè)過程中我們必須嚴(yán)格控制樁基的質(zhì)量,控制沉渣的厚度,以免影響樁的承載力。由此可見,對(duì)人工挖孔灌注樁的完整性檢測(cè)和承載力的分析研究顯得尤為重要。

本文結(jié)合撫順某高層建筑工程樁基檢測(cè)項(xiàng)目中樁身的完整性檢測(cè)試驗(yàn)和單樁的靜載試驗(yàn)在工程的實(shí)際應(yīng)用,通過有限元模擬樁基在不同厚度沉渣的變形特點(diǎn)及承載力分析與靜載試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比,結(jié)果幾乎吻合,從結(jié)果來看用這種方法分析樁基承載力仍是行之有效的。此外,為FLAC3D計(jì)算模型在以后類似工程檢測(cè)中的應(yīng)用提供參考依據(jù),增加樁基檢測(cè)的可靠度。

1 樁身完整性檢測(cè)

1.1 工程概況

該工程位于撫順市李石開發(fā)區(qū),北鄰渾河,與撫順皇家極地海洋館隔河相望。建筑物長(zhǎng)175.7 m,寬66.3 m,主體結(jié)構(gòu)為地上16層框架剪力墻結(jié)構(gòu)。該工程設(shè)計(jì)采用人工挖孔灌注樁基礎(chǔ),地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí),總樁數(shù)為295根。設(shè)計(jì)單樁豎向承載力特征值為8 700 kN～22 370 kN,樁長(zhǎng)≥10.0 m,樁徑1.00 m～1.60 m,樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)挖樁揭露情況,場(chǎng)地各土層分布特征如下:

①雜填土:主要由粘性土、砂土和煤矸石等組成,松散～稍密,連續(xù)分布,厚度3.9 m～9.0 m。

②粉質(zhì)粘土:褐色～黃褐色,可塑,飽和,無搖振反應(yīng),稍有光滑,韌性中等,干強(qiáng)度中等。層厚0.20 m～3.00 m。

③粗砂:褐黃色,以長(zhǎng)石、石英為主,粒徑均勻,中密～密實(shí),很濕。層厚0.40 m～6.60 m。該層局部有以下夾層。

④礫砂:褐黃色,以長(zhǎng)石、石英為主,混粒結(jié)構(gòu),中密,很濕,局部呈圓礫狀分布。此層整個(gè)場(chǎng)區(qū)分布較連續(xù),層厚0.50m～9.70 m。該層局部有以下夾層。

⑤圓礫:由結(jié)晶巖組成,亞圓形,堅(jiān)硬粒徑2 mm～20 mm,最大100 mm,充填混粒砂,稍密狀態(tài),連續(xù)分布,厚度0.4 m～4.8 m。

⑤-1粘土:黃褐色,可塑。有光澤,韌性高,干強(qiáng)度高,搖振無反應(yīng)。僅在40號(hào)鉆孔遇見。層厚0.70 m。

⑥全風(fēng)化砂礫巖:褐黃色,礦物成分以長(zhǎng)石、石英為主,長(zhǎng)石已嚴(yán)重風(fēng)化,呈乳白色～褐黃色,用手可捏碎,局部呈粘土狀。

⑦全風(fēng)化花崗片麻巖:深灰色,花崗片麻結(jié)構(gòu)基本破壞。主要礦物為石英、斜長(zhǎng)石、黑云母和角閃石,局部長(zhǎng)石已高嶺土化,干鉆可鉆進(jìn),巖芯可掰開。巖石為極軟巖,巖體極破碎,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。層厚1.00 m～3.00 m。

1.2 檢測(cè)設(shè)備及工作原理

本次動(dòng)測(cè)使用的設(shè)備為國(guó)產(chǎn)FD-P204型基樁動(dòng)測(cè)儀,其性能符合《基樁低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)規(guī)程》JGJ/T93-95要求,檢測(cè)方法采用彈性波反射法,加速度傳感器用橡皮泥固定在樁頭。

基樁反射波法檢測(cè)樁身結(jié)構(gòu)完整性的基本原理是[3]:通過在樁頂施加激振信號(hào)產(chǎn)生應(yīng)力波,該應(yīng)力波沿樁身傳播過程中,遇到不連續(xù)界面(如蜂窩、夾泥、斷裂、孔洞等缺陷)和樁底面時(shí),將產(chǎn)生反射波,檢測(cè)分析反射波的傳播時(shí)間、幅值和波形特征,就能判斷樁的完整性。例如:根據(jù)聲速可以判定樁身混凝土的質(zhì)量,混凝土越密實(shí),聲速值就越大,相反,如果樁身混凝土中有孔洞或裂縫,聲速就會(huì)變小。此外,記錄的接收波的振幅和波形也可以反映出樁身的完整性,若聲波的振幅衰減幅度過大,或接收到的波形發(fā)生較大的畸變,這都表明樁身混凝土內(nèi)部可能有缺陷存在,在施工過程中要充分重視這些樁的承載力問題。用這種方法檢測(cè)樁身完整性時(shí),可以覆蓋到樁身的各個(gè)橫截面,不會(huì)出現(xiàn)漏檢,但操作相對(duì)也比較復(fù)雜,成本較高。

按樁身的完整性,可將基樁劃分以下四類,依據(jù)實(shí)測(cè)時(shí)域特征曲線進(jìn)行樁身完整性判定的分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 樁身完整性判定的分類標(biāo)準(zhǔn)

1.3 動(dòng)測(cè)及結(jié)果分析

檢測(cè)時(shí)間為2011年6月19日～21日,抽檢樁數(shù)為295根,檢測(cè)比例為100%,檢測(cè)樁齡期為7 d～37 d,動(dòng)測(cè)結(jié)果表明,所抽檢大部分樁的樁底反射較明顯,實(shí)測(cè)波速一般在 3 525 m/s～4 357 m/s之間,樁身結(jié)構(gòu)完整,為Ⅰ類樁;因樁齡期的差異,實(shí)測(cè)波速變化較大,個(gè)別樁波速偏高是樁長(zhǎng)不準(zhǔn)確所致,但承載力不受影響。另有32根樁樁身結(jié)構(gòu)基本完整、局部輕微缺陷、波速偏低,為Ⅱ類樁,占檢測(cè)樁總數(shù)的10.8%。Ⅱ類樁波速偏低、局部有輕微缺陷主要是受灌樁、接樁工藝影響,裙房工程樁的接樁部位反射較明顯,有輕微離析現(xiàn)象。最后灌注的29根實(shí)測(cè)波速在2 715 m/s～3 494 m/s之間,波速較低的原因主要是齡期較短,混凝土強(qiáng)度較低,隨著強(qiáng)度的增長(zhǎng),其強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。Ⅰ、Ⅱ類樁均可使用,但是當(dāng)出現(xiàn)樁端沉渣較厚或者樁周土土層條件復(fù)雜的情況下,有些檢測(cè)結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)無法判斷的情況[4]。11#基樁樁徑1200 mm,樁長(zhǎng)13.3m,其低應(yīng)變反射波曲線如圖1所示,該波的最大幅值電平值2 288.82mV,可以看到在檢測(cè)曲線中無樁端反射可以參考來確定樁端位置,波速無法最終確定,并且無法判斷樁端性質(zhì),所以僅從該曲線無法判斷此樁的完整性狀況,進(jìn)而無法保證樁的承載力是否達(dá)到要求。

圖1 11#基樁低應(yīng)變時(shí)程曲線

2 有限元分析

2.1 模型的建立

根據(jù)荷載和結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,取1/2結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,模型大小為12 m×24 m×30 m。模型的坐標(biāo)軸原點(diǎn)位于樁頂,z軸平行于軸線,方向向上。模型的頂部,z=0,是一個(gè)自由面;模型的底部,固定z方向,模型側(cè)面上分別對(duì)應(yīng)施加滾支邊界條件。樁采用彈性本構(gòu)模型,土體采用摩爾—庫(kù)侖模型,樁下面有一層沉渣。樁的軸向承載力是樁身表面摩阻力和樁端承載力的函數(shù),樁側(cè)摩阻力通過在樁與土體之間設(shè)置Interface接觸面來模擬,用壓縮剛度、剪切剛度、摩擦角、粘聚力來描述接觸單元的性質(zhì)。樁側(cè)摩阻力的變化和樁端阻力的變化是不同的,所以在樁端和土層之間單獨(dú)設(shè)置接觸面,這樣使模擬結(jié)果更能反映實(shí)際的受力機(jī)理。模型參數(shù)見表2,網(wǎng)格劃分如圖2所示。

表2 FLAC3D模型參數(shù)

2.2 結(jié)果分析[5-7]

為了檢驗(yàn)計(jì)算模型及參數(shù)的選擇是否合理,首先用忽略沉渣厚度情況計(jì)算值與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行比較,然后分別模擬沉渣厚度為0 mm,300 mm,500 mm情況下的P～S曲線,如圖3、圖4所示。

圖3 不同沉渣厚度對(duì)應(yīng)的P～S曲線

圖4 不同沉渣厚度單樁承載力變化曲線

根據(jù)工程資料顯示,實(shí)際工程中極限承載力大約9 000 kN,圖中忽略沉渣厚度情況曲線中承載力也是在9 000 kN附近緩慢下降,所以可以認(rèn)為實(shí)際測(cè)量曲線與忽略沉渣厚度情況大致相同,即該樁承載力滿足承載力條件。另外可以看出沉渣厚度H從0增加到200 mm時(shí)樁承載力隨沉渣單位厚度的增加急速下降,單樁承載力減少24.58%,H小于300 mm時(shí),單樁承載力隨沉渣單位厚度顯著變化,而當(dāng)H大于500 mm后,沉渣單位厚度大小的變化對(duì)單樁承載力變化的影響并不很明顯。此外根據(jù)實(shí)際測(cè)量的工程資料顯示11#樁的P～S曲線與忽略沉渣厚度的曲線幾乎吻合,所以進(jìn)一步驗(yàn)證了11#樁可以使用。

3 結(jié) 論

本文基于樁完整性測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,建立了樁的有限元模型,探討了不同缺陷厚度對(duì)樁承載力的影響程度,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)基樁反射波法較其它的檢測(cè)方法有其優(yōu)越性,檢測(cè)挖孔樁,提供工程信息方便可靠。不但能檢測(cè)基樁身的完整性,還可評(píng)價(jià)其承載力。能夠早期發(fā)現(xiàn)灌注樁的施工質(zhì)量問題,采取有效處理措施,保證基樁質(zhì)量。

(2)對(duì)于鉆孔灌注樁樁底沉渣厚度從0增加到200 mm時(shí)單樁承載力隨沉渣單位厚度的增加損失最大,沉渣厚度小于300 mm時(shí),單樁承載力隨沉渣單位厚度變化而顯著變化,而當(dāng)沉渣厚度大于500 mm后,沉渣單位厚度大小的變化對(duì)單樁承載力變化的影響不是很明顯,此時(shí)沉渣的強(qiáng)度對(duì)單樁承載力的影響更大。

(3)樁底沉渣過厚不僅影響單樁極限承載力,同時(shí)樁底沉渣的存在不但影響樁端阻力的發(fā)揮,對(duì)樁身軸向力、樁側(cè)摩阻力也有較大的影響,所以在工程中一定采用工程措施減少沉渣。

[1]商文浩.人工挖孔樁在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用[J].科技致富向?qū)?2010,(36):305-307.

[2]張海豐,王 忠,李 佳,等.成孔檢測(cè)對(duì)灌注樁樁身質(zhì)量檢測(cè)的輔助判定[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2012,10(1):109-113.

[3]王述紅,張 鑫,趙振東,等.聲波透射法檢測(cè)大直徑灌注樁試驗(yàn)研究[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào),2011,(6):867-870.

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Integrity Testing and Bearing Capacity Evaluation of Digging Pile under Complex Geological Conditions

JU Shan
(Staff Engineering College of Fushun Mining Bureau,Fushun,Liaoning113008,China)

The integrity of pile is investigated by reflected wave method,and combined with finite element analysis approach,the influence of defects,such as sediment,on the deformation and bearing capacity of pile is analyzed in accordance with practical projects.As an interpretation of the results,one can infer that the reflectedwave method is capable of detecting the defects such as infiltrated mud,diameter-shrinkage,and excessive sediment in the bottom of pile under complex geological conditions.However,the amplitude of reflected wave in the bottom of pile may become weak or even negligible,which would result in the difficulty to determine the location of pile end,as a consequence,the bearing capacity of pile cannot be guaranteed.The finite element method isemployed to analyze the effect of the sediment thickness on the bearing capacity of pile.It can be concluded that the single pile bearing capacity would change dramatically with the variation of the sediment thicknesswhen the sediment thickness iswithin the limit of 300 mm.On the other hand,the sediment thickness changes would exert almost negligible effect on the single pile bearing capacity under the circumstances of larger sediment thickness beyond 500 mm.

digging pile;integrity;numerical analysis;defect

U45

A

1672—1144(2012)05—0096—04

2012-03-29

2012-04-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51074042;51179031)

鞠 珊(1963—),女(漢族),遼寧撫順人,講師,主要從事土木工程的管理和研究工作。