一种大直径桩缺陷的处理技术和方法

赵建铧

（浙江交科工程检测有限公司，浙江杭州 311215）

0 引言

桩基工程是目前应用最为广泛的基础形式，桩基础能否既经济又安全地通过设置在土中的基桩，将外荷载传递到深层土体中，主要取决于基桩桩身质量是否能达到设计要求［1］。

对于大直径缺陷桩，其缺陷具体位置和大小的准确定位、定量检测，缺陷的处理，都比较困难。常用的处理方法一般是钻二到三个孔到缺陷位置，然后用高压水枪进行冲洗后压浆，对于泥质缺陷，问题不大，而对于砂浆等半胶质混凝土缺陷，却很难处理。采用“中心钻孔掏除缺陷法”可完全去除桩身内混凝土缺陷，根除了缺陷介质的不同处理方法的局限性。

1 缺陷检测及分析

用超声波法检测大直径缺陷桩，由于缺陷界面介质的多元性，造成声波的绕射，多界面反射等杂乱无章现象，用检测到的某一参数数据来判断某种缺陷时，往往会不准甚至误判［2］。而缺陷的准确定位是处理效果好坏的前提，本案例先采用超声波检测方法中的多因素概率分析法（简称NSP法），主要确定缺陷的性质、大小和位置，以及处理后用该方法检测周围纵切面侧壁新旧混凝土的粘合情况。该方法使用多因素分析，即声速V，频率E，波幅A，综合考虑了声波的绕射、多界面反射等情况。把几种参数综合在一起，可较全面地反映缺陷的情况［3］。通过对整体的概率分析，获得一个综合判断值NFP来判断缺陷的方法，NFP值按下式计算：

式中：NFP（i）为第i点的判据值；Vi、Ei、Ai分别为第i点的声速、频率、幅值的相对值，即声参数分别除以该桩各测点所对应声参数中最大值所得之商；δ为以上述三个参数相对值之积为样本的标准差；m为概率保证系数，它是根据与样本相拟合的夏里埃（Char Liar）所决定的，当NFP＜1时，表示该处有缺陷，其值越小，混凝土质量越差；NFP＞1时，则无缺陷，其值越大，混凝土质量越好。

另一种方法是采用较高频应力波反射法，该方法针对的是浅部缺陷检测，用超声波法检测不到的盲区情况。处理前主要是验证缺陷，处理后主要是检测下部新旧混凝土交界面的质量。根据一维波动方程可知，存在波阻抗的界面处必将发生波的反射和透射［4］，其函数关系为：

式中：Z为桩的广义波阻抗；EA为桩的弹性模量；ρ为桩的质量密度；Vp为桩的波速。

所处理的桩为某工程中一根大直径缺陷桩，桩的直径为2 m，桩长82 m，根据所检测的波形图1，有五个剖面的波速、波幅均低于临界值，主要缺陷在7.6～8.2 m。其中1-3#剖面、1-4#剖面、3-4#剖面波速、波幅均大幅降低，判断夹泥或未胶结砂，1-2#剖面、2-4#剖面、波速、波幅也有一定程度的降低，判断为胶结不良，以砂为主。根据斜测法及前面超声波检测分析方法，该缺陷面积占到桩截面面积的1/3，缺陷位置主要集中在声测管1、4之间，缺陷介质主要由泥、未胶结砂等组成，低应变检测波形如图2，根据式（2），7.6～8.2 m左右存在同向反射。经综合分析，判断出缺陷桩面积如图3。为验证缺陷介质，先用直径10 cm钻头取芯，1#孔芯样图片如图4，缺陷部位及缺陷情况见表1。

图1 超声波检测波形

图2 低应变检测波形

图3 该桩缺陷图

图4 1#取芯孔图片

从现场实际取芯情况，三个孔缺陷处互不联通，并且缺陷处芯样呈泥、砂状，局部松散，胶结差，若使用高压水枪冲洗缺陷，也仅局限在每个孔，孔周围的缺陷仍然无法处理，即使冲洗后压浆，浆液也难以渗入到周围的未胶结砂质中，所以采用传统的缺陷处理工艺对本桩并不适合。

2 缺陷处理

该缺陷已影响到桩身的正常承载力，必须进行处理使之满足规范要求，处理方法采用“中心钻孔掏除缺陷法”，如图5。

图5 缺陷处理图

具体处理方法是利用旋挖钻在缺陷桩中心部位钻出一直径为110 cm的竖井，先用A钻头旋切出芯体，将芯体周圈与桩身砼之间旋切出环形分隔缝，芯体高度一般控制在50～70 cm，然后换用B型钻头，将芯体进行切割破碎成小块并运出孔外，如此重复上述步骤进行成孔作业，直至旋挖至缺陷部位以下1 m左右。竖井成孔后抽干井内积水，检查人员下至井内确定缺陷部位，然后派一名操作工人至井内凿除清理缺陷部位，清理完毕后再由检查人员下至井内复查缺陷清理情况并拍照。经检测人员确认清理结果满足要求后对竖井进行清孔，用高压水冲洗掉井壁上粘附的钻渣及松散的砼碎屑。清孔完成后用泥浆泵抽除井内积水，并派人下至井底清除干净沉渣，然后采用干浇法往竖井内灌注混凝土，采用插入式振捣棒振捣分层浇筑至桩顶，混凝土标号比桩身设计标号高半个等级。竖井内安设通长声测管，沿井壁均匀布设三根，并保护好桩身原来的声测管。

1）工艺流程

钻机定位→旋挖竖井→井内外降水→缺陷部位凿除→缺陷部位清理检查验收→竖井洗孔→抽除井内积水→清理井底沉渣→浇筑混凝土→桩身复检→桩身质量判定

2）成孔工艺说明

①钻机类型：钻机采用YTR280型旋挖钻机。

②钻头类型：钻头按使用功能分为两类，A型钻头和B型钻头，A型钻头用于旋切，将芯体周圈与桩身砼切割分离；B型钻头用于切除芯体并运出孔外。

③成孔周期：本方法成孔周期受桩身混凝土强度控制，A型钻头对于C30混凝土旋切进度一般在50 cm/h左右。

④成孔作业对桩身砼之影响：因成孔采用旋切方法作业，避免了冲击型钻头产生的震动，不会对桩身砼产生不良影响，并且孔壁周边很粗糙，可以保证新老混凝土结合良好。由于成孔直径仅为110 cm，而桩身钢筋笼直径为180 cm，孔壁与钢筋笼之间有35 cm的距离，成孔时不会造成钢筋笼损伤（如图6）。

图6 现场桩身砼处理过程图

3）机械设备的配备（见表2）。

表2 机械设备配备

4）安全措施

井内作业主要保证好以下安全事项：

①防止高处人员坠落或坠物；

②防止井内作业人员窒息；

③防止井内周边土体坍方。

对于第①项，可在竖井四周设置防护栏杆，栏杆下部设置50 cm高的踢脚防止地面硬物滚落进井内伤人；井下作业人员必须配戴安全帽。

对于第②项，一是要采用空压机不间断输送新鲜空气至井下，保持竖井内外气体交换，排除井内有害气体；二是井下作业人员必须腰系安全绳，安全绳另一端引至井外并临时拴在一固定木桩上，井下作业过程中井上始终专设一人进行监视井下作业情况，一有异常情况及时将井下作业人员吊出井外。

对于第③项，根据井内具体情况灵活采用适宜的支护措施，防止土体坍方，特别是竖井外降水必须保持持续降水，若遇停电，必须立即停止作业，井下作业人员迅速返回地面。

3 处理后质量检测

15天后对该桩进行质量检测，通过测点间距5 cm加密超声波法，7.6～8.2 m处波速、波幅、波形正常，无缺陷信号出现（见图7），说明原来的空洞型缺陷已被处理。对桩头处理后采用高频低应变法，检测波形在7.6～8.2 m处无同向反射波出现（见图8），说明上下新旧混凝土胶结良好。再通过钻心验证（芯样直径10 cm，见图9），7.5～8.3 m处，混凝土胶结良好。

图7 处理后超声波检测波形

图8 处理后低应变检测波形

图9 处理后取芯照片

4 结论

从对该缺陷桩的处理情况看，本缺陷处理方法具有以下优点：

1）质量可靠

成孔采用旋切法，不会对桩身砼造成震动损伤；缺陷部位直接当面凿除，能够保证缺陷部位清理彻底，从处理前后的超声波法和高频低应变法可得到验证。混凝土采用干浇法，能够保证混凝土浇筑质量。

2）安全性高

竖井孔壁为桩身砼，不会出现塌方现象；成孔作业全部由旋挖钻完成，不需人工辅助。

3）施工周期短

因成孔作业全部由旋挖钻完成，施工速度较快，处理一个缺陷桩总的施工周期基本在一周时间之内。

收稿日期：2018-05-02