浅议钻芯检测技术在某基桩工程中的应用

　　摘要:本文笔者针对钻芯法在基桩结构完整性检测应用中存在的问题,为了能对混凝土桩基工程质量实施快速有效地大范围检测,结合某工程实例,对比静载试验结果,综合考虑桩身完整性、芯样强度、桩底持力层及其它因素,提出了使用钻芯法进行混凝土基桩质量检测的评价方法,来综合评价桩身完整性,提高判断的准确性。
　　关键词:桩基础；钻芯检测法；芯样；抗压强度
　　前言
　　桩基础是建筑工程中较普遍采用的基础型式之一。我国灌注桩工程于1963年始于河南省，之后随着国家基础建设的快速发展，众多的高楼、桥梁、码头等工程陆续开始采用大直径、大深度钻（冲）孔灌注桩的地基基础形式。
　　桩基工程属地下隐蔽工程，由于桩基施工工艺及复杂的地质条件等，使得灌注桩有时会产生桩身砼离析、峰窝、气孔、粗细骨料分布不均、砼强度偏低、断桩、桩长未达到设计要求或进入持力层、沉渣或虚土厚度不符合设计要求等。而大直径灌注桩一般单桩竖向承载力较高，部分桩不仅受垂直竖向荷载的作用，还受水平力的作用，所以对大直径混凝土灌注桩的精确检验就尤为重要。
　　然而，桩身结构完整性检查一般多采用低应变动力检测法,尤以反射波法为主,应用波动理论分析桩的完整性,但不够直观,对实测波形复杂情况下有时还要采用其他方法进一步确认基桩的可用性。而钻芯检测技术是采用金刚石岩芯钻探技术和施工工艺,对桩基工程中的基桩,钻取混凝土芯样及桩端持力层性状的检测方法[1]。
　　1、抽芯检测方案的制定
　　１）桩基检测桩数的确定方法
　　检测桩数可参照国家标准《建筑地基基础设计规程》（GB5007-2002）、国家标准《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202-2002）、国家行业标准《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）、广东省行业标准《建筑地基基础检测规范》（DBJ15-60-2008）(以下简称《08规范》加以确定，也可结合工程实际情况（如成孔、施工、场地、桩型等）及工程中存在的某些问题，由建设、施工、设计、监理方共同商定所检测的桩基、孔位、桩数。方案确定后，施工方须向检测单位提供工程资料，以指导检测施工。
　　２）对施工人员及设备的要求
　　桩基检测受到检测仪器、设备性能、现场试验条件、人员素质诸多因素的影响，为保证检测结果的权威性，需要聘请具有专业资质的检测单位，配备高素质的检测技术人员。检测仪器设备要按规定定期检验、校正，保持仪器的稳定可靠及精确性。
　　2、芯样钻取
　　在钻芯法检测中,钻取芯样是第一个环节,采取的芯样质量的好坏直接关系到对整个基桩评价的准确性。钻取的混凝土芯样外观大致有两种情况,一种是形状规则,表面平整光滑;另一种取出的芯样表面粗糙,芯样完整性差,粗骨料与水泥胶结差,甚至难于钻取完整的芯样。产生后一种芯样的原因除了由于基桩本身质量较差外,还与钻探设备、操作工艺导致芯样完整性差有关。显然,由后者引起的非原状结构的样品测试结果不能代表该桩的混凝土质量,欲保留原状结构则需要一定的钻探设备、技术。因此,在钻探取样过程中,要力求保证芯样的原状性、代表性。
　　1）钻机的选择和调试
　　根据《08规范》对钻机的选择和调试的要求主要考虑两个方面的因素,一是动力性能,二是防振措施。一般能满足规程提出的具体参数和要求的钻机都能保证有足够的动力,完成取芯任务。对钻机的防振要求,规程规定“钻机立轴的径向跳动不应超过0.1mm”、“钻机设备安装必须水平、周正、稳固,钻机立轴、天轮中心与孔口应在同一条中心线上”等。
　　由于混凝土的抗剪、抗拉能力很弱,在钻芯过程中,如果钻机安装不平稳,容易发生振动和位移,这样不仅影响钻机和钻头的使用寿命,而且使得孔中芯样要承受水平的剪力,容易造成芯样断裂,甚至破碎。同样当钻机立轴径向跳动过大,也会对芯样造成破坏。因此特别是对于长径比大的桩,更应该注意钻机的稳固性,钻机立轴应经常进行校正,纠正编差,也保证了钻芯孔的垂直度。根据实践经验建议采用150型和300型的钻机设备,对长桩(超过30m)多采用300型,这种大钻机动力性能好,自身重量大,稳定性好,高速旋转中钻具不易摆动,钻芯时平稳,因而对于混凝土扰动较小。
　　2）钻具和钻头的选择
　　除了选择一台好的钻机之外,性能优良的钻具和钻头也是必不可少的,这是因为钻具和钻头在取芯的过程中直接与混凝土的芯样接触。钻具与钻头的选择主要根据芯样的尺寸和芯样的原状性的要求。
　　《08规范》规定:取芯工具宜采用单动性能好,各部件同心度符合要求,管材无伤裂的单动双管钻具。而单管钻具没有内管保护芯样,在钻进过程中芯样随着钻具的转动和振动,造成取出的芯样的平稳,保护芯样。
　　《08规范》还规定:钻取的混凝土芯样直径不宜小于100mm,在任何情况不得小于骨料最大粒径的2倍。福州地区混凝土桩大都采用卵石或花岗岩类粗骨料,粗骨料粒径一般4cm左右,个别可达到5cm以上,因此,芯样直径应不小于80mm,最好为100mm以上。由于混凝土中的花岗岩粗骨料的强度和硬度较高,这就要求采用人造金刚石薄壁钻头时,其钻头的粒度、浓度、胎体硬度都要适合施工的要求,钻头的胎体不得有肉眼可见的裂缝、缺边、少角、倾斜及喇叭口变形或径向跳动过大。这种钻头出刃小,回转钻芯平稳,有利于保护芯样,否则不仅降低钻头的寿命,而且会影响钻芯质量。当由于桩身混凝土存在严重离析时,则应及时更换成带钢丝的合金钻头,以打捞破碎芯样,钻穿严重离析位置后,再更换成金刚石钻头。
　　某花园住宅楼位于江门市港口路,上部为2座29号框架剪力墙结构建筑,设2层地下室,深约9m,基础采用钻孔灌注桩,桩身采用C35混凝土,持力层为中风化岩。为检测基桩质量,抽选2根桩进行钻芯法检测,桩的施工概况及钻芯结果见表1。本次钻芯检测采用XY-2B(300型)油压钻机,配外径129单动双管金刚石钻头。为保证钻芯质量,建议在开挖到基坑底后,砍去桩头9m左右,把钻机安装稳固,再进行取芯。钻进过程中现场对立轴的垂直度不断检查,控制每回次进尺1.5m,用卡簧卡取芯样,最终取到桩底及持力层岩芯。钻取的混凝土芯样表面平整光滑,芯样质量指标＞99%。抗压试件的直径为100mm,高径比为1,石子最大粒径40mm。图1为12#桩的桩身混凝土芯样,其中最后1m为持力层中风化岩样。
　　
　　图112#桩的桩身和持力层芯样
　　表1施工概况及钻芯结果
　　
　　3、抗压试件的选取
　　芯样采取之后,除了通过外观及桩底岩土性状对基桩进行评价外,还要选取芯样制备试件进行抗压试验,以对桩身混凝土强度进行评价。影响混凝土强度的因素很多,包括试件的尺寸及数量方面,因此选择具有代表性的试件是评定桩身混凝土的关键。
　　在实际工程应用中试件的直径一般为59～100mm,不难判别,较大直径混凝土试件所包含的骨料颗粒的组份较接近设计的配合比,而试件越小,则可能造成试验结果离散性越大。根据混凝土抗压试验的尺寸效应,小直径的试件的抗压强度要大于大直径的。根据国内外的一些试验证明,高度与直径均为100mm或150mm试件强度值与同条件的边长为150mm立方体试块强度值是非常接近的,因此试件的直径在实际工程应用中采用100mm。试件的高度对抗压强度也有较大的影响,试件高径比在中国工程建设标准化委员会颁布了《钻芯法检测混凝土强度技术规程》（CECS03:88）中要求1～2,不同高径比的选用不同的换算系数计算混凝土强度。在《08规范》中则明确试件高径比宜为1,经端面补平后不小于0.95,且不大于1.05,这样得到的抗压强度直接进行评价。
　　由于影响混凝土灌注桩质量的因素较多,评定混凝土抗压强度可靠性与试件数量的多少有关,试件数量越多,越能真实反应混凝土的强度特性,但考虑到经济情况,以往一般每根桩选取3～6个试件,数量少,代表性差,特别是当桩长较长时,对工程质量造成误判的可能性较大,因而失去评定的意义。在《99规程》颁布之后,对于桩长小于30m的取9块,当桩长增加时,就要增加试件数量。
　　限于篇幅,表2列举7根桩的试件抗压结果,包括不同试件数量、直径、高径比的情况。从表中可以表明,试件的数量越多,离散性越小,试件直径越大,高径比越接近1,离散性也越小。上述结果说明,芯样直径大、数量多,虽然成本提高,但能获得有较好的成果。也说明《08规范》对混凝土芯样直径、高径比和数量要求更趋合理。
　　表2试件抗压结果
　　
　　4、钻芯法和反射波法动测的配合
　　钻芯法和反射波法是目前检测桩身完整性比较常用的两种方法,各有优缺点,将两种方法结果配合使用,可以取长补短,互相验证,提高检测结果的准确性。钻芯法和反射波法相比存在时间长,费用高等不足,钻芯法检测桩的数量也不宜过多。反射波法检测周期短,可以进行普测,但对检测人员的技术要求较高。也正因为钻芯法具有直观性,因此如果在动测基础上对有疑议的桩采用钻芯法复检,则能做到准确判断,也可以积累对比资料,提高动测的分析能力。对于超长桩的检则,二者则都有一定的难度。
　　5、钻芯法检测的局限性
　　钻芯法检测通过钻取基桩的混凝土芯样以及桩端岩土芯样、钻芯过程的现象、以及芯样的抗压试验能比较全面、直观地反映桩身完整性、桩端持力层性状、沉渣或虚土厚度、桩长以及混凝土强度等级,但也有其局限性,主要存在以下几个方面。
　　1）取芯法检测的基桩的桩径一般≥800mm,而钻取的芯样直径一般为100mm,因此检测的面积与桩身截面积之比≤1/64。对于桩身缩径、局部离析或局部夹泥的情况,当钻芯未钻到该缺陷位置时,无法进行判定。当钻芯过程造成芯样破碎对桩身离析程度的准确判定也会有影响。
　　2）对于桩底沉渣或虚土的厚度和准确判定有一定的误差,一般情况下,根据丈量钻杆余尺计算的沉渣或虚土的厚度比实际厚度要小。
　　3）对于超长桩,由于桩身和钻孔的倾斜,可能造成钻到桩底前偏出桩身,对基桩的评定就不完整。
　　4）根据抗压强度试验对试件要求:试件有裂缝或其它较大缺陷的不可采用,因此采集的混凝土芯样试件一般为钻取出芯样中较好的芯样,且选取芯样块数有限,代表性不够理想。
　　6、结论和建议
　　1）钻机、钻具的选择及钻探技术对芯样质量的影响很大,一定要选择动力性能好的钻机,并采取严格的防振措施。
　　2）混凝土芯样直径不宜小于100mm,抗压强度试验的芯样的高径比宜在0.95～1.05之间。
　　3）钻芯法检测具有直观的特点,但也有局限性,和其他检测手段如低应变动力检测方法配合使用,能提高检测的准确性。
　　4）对抗压试验的结果,可能存在有的数据比其余的测定值明显地偏大或偏小,应采用统计的方法判断是否为异常值而进行舍弃。而《99规程》中尚未建立数据异常的检验方法,建议进行进一步的研究,完善混凝土芯样抗压强度的评定部份的内容。
　　参考文献
　　[1]广东省行业标准《建筑地基基础检测规范》（DBJ15-60-2008）
　　[2]王海东,李龙泉,李剑,雷梭辉,在工程检测中钻芯法应引起重视,岩土工程界,2000,3(12):48～49。
　　[3]中国工程建设标准化委员会标准CECS03:88,钻芯检测混凝土强度技术规程及条文说明。

《浅议钻芯检测技术在某基桩工程中的应用》

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