第 4 期福 建 地 质 Geolog y of Fujian 359
低应变法检测PH C 桩身缺陷的新认识
林 健
(福建省建设工程物探试验检测中心, 福州, 350011)
摘 要 通过宁德国际会展中心桩基工程的低应变法检测事例, 提出了反射波形上出现与
入射波反相反射波并不一定仅是土层反应, 断桩也可能导致低应变波形出现明显的反相反射波, 进而对该桩基质量进行全面分析、评价, 对桩基检测结果作出判断。
关键词 PH C 桩 低应变法 贯入度
PH C 桩的低应力法检测伴随着管桩的广泛应用而日益成熟, 尤其是对管桩首节桩缺陷的判断。但是, 由于大部分PH C 桩是由多节桩焊接而成, 低应变动力检测波形因接桩部位反应很难辨别深部缺陷, 同时土阻力作用也会给判别造成干扰, 以致于出现漏判、误判, 给工程建设留下安全隐患。作者从宁德国际会展中心工程桩基础的检测事例中, 研究PH C 桩深部缺陷在低应变动力检测波形上的特性, 并分析评价该工程桩基质量。
1 高强度预应力管桩(PH C) 的特点
高强度预应力管桩(PH C) 是近年我国研究开发的一种新型预制桩。具有桩身混凝土强度高, 耐锤打性好, 贯穿能力强; 单桩承载力高, 对不同地质条件和不同沉桩工艺适应性强; 运输吊装轻便, 施工速度快, 工期短, 质量稳定可靠等优点, 目前高强度预应力管桩的沉桩方式主要有静压法和锤击法。
2 工程概况及地质情况
该工程上部建筑为框架结构, 下部基础采用锤击预应力管桩, 桩径500m m, 桩长15~30m, 设计桩端持力层为卵石层, 桩身材料采用C80混凝土, 单桩极限承载力标准值2700kN 。施工过程因部分桩在接近设计深度时锤击贯入度突然加大, 继续击打, 贯入度又渐渐变小, 疑为断桩。应建设单位和监理单位的要求, 福建省建设工程物探试验检测中心对部分桩进行低应变动力检测。拟建场地土层共有7个地层单元。
素填土:呈松散状, 近期堆填, 厚0 40~2 20m 。
粘土:可 硬塑, 湿, 海积成因, 厚0 40~2 00m 。
! 淤泥:呈流塑状, 饱和, 海积成因, 厚6 50~10 80m, 局部地段在其底部过渡为含泥粉砂, 0 32~0 50m 。
收稿日期:2010 08 13(1955) , , ,
360福 建 地 质 Geology of Fu jian 第 29 卷
∀卵石:主要由砾卵石组成, 卵石成分为凝灰熔岩、花岗岩, 呈次圆状、次棱角状, 卵石粒径60~120mm 为主, 局部含漂石, 泥质充填为主。稍密 中密, 饱和, 下部普遍见通体风化卵石, 冲洪积成因, 厚6 90~14 70m 。
#含卵石粉质粘土:主要由粘粉砂粒组成, 具粘性和砂感, 含25%~30%卵石, 其它卵石通体风化, 稍密 中密, 饱和, 冲洪积成因, 厚2 50~7 70m 。
∃残积砂质粘性土:为花岗岩风化产物, 母岩风化彻底, 结构模糊, 具粘性和砂感, 呈硬塑状, 饱和, 厚3 70~11 90m 。
%强风化花岗岩:为花岗岩风化产物, 母岩风化比较强烈, 结构清晰可辨, 具强砂感, 局部含弱风化碎块, 揭露厚度1 10~2 15m 。
3 低应变动力检测
3 1 低应变(反射波法) 检测基本原理
反射波法动力测桩就是测试桩身阻抗的变化, 应力波在桩身中传播, 当桩身阻抗(Z) 发生变化时, 就会产生波的反射与透射。按平面波考虑, 在垂直入射时, 反射系数为:
1C 1A 1- 2C 2A 2Z 1-Z 2 R v =111=(1) 2C 2A 2C A + Z 1+Z 2
式中:Z &力学阻抗(kN ∋s/m) ; &材料质量密度(kg /m ) ; C &波速(m/s) ; A &桩截面积(m ) 。
当桩身某处存在扩颈时, 取 1C 1= 2C 2, 因A 1A 2, 由(1) 式R v >0, 即入射波(D) 与缺陷反射波R (同相。当桩身某处全断时, Z 2=0, R v =1, D 与R (同相, 将产生全反射。
3 2 低应变法检测
该次共检测了84根, 桩顶均出露于地表。采用武汉岩海公司生产的RS-1616K (p) 基桩动测仪和加速度传感器, 锤击设备采用尼龙手锤, 测试典型波形(图1) 。桩号S1、S2为该工地上平躺实验桩, 桩号204, 279, 311, 319, 342, 469和511桩均为检测桩中比较典型的波形。从波形上分析均没有出现明显的同相反射。根据反射波原理, 桩身并无较大缺陷。但根据施工情况, 其中469#、511#桩在桩身入土深度分别到16 0m 、14 3m 时贯入度突然加大, 另有部分桩在接近设计深度时贯入度突然加大, 而继续施打, 贯入度又渐渐变小(表1) 。而部分桩壁劈裂有混凝土崩落, 桩头有损伤现象。经综合分析认为, 出现这种现象可能存在2种情况, 其一是断桩, 其二是桩基持力层下存在软卧层。但根据勘察单位提供的地质报告, 排除了第二种可能, 即卵石层下并没有软卧层。唯一的可能就是断桩。基于这一特殊情况, 我中心组织有经验的技术人员多次到现场采样、分析。仔细观察波形存在的共同特性, 大部分桩存在入射波与缺陷反射波反相这一较特殊的现象。
在低应变试验中虽然输入的能量较小, 一般能激发出桩周土的一定摩阻力, 遇到较坚实的土层或桩尖一部分嵌入到基岩中, 土阻力可达到较大值。这样土阻力的出现给缺陷的识别增加了困难。较强的土阻力出现在桩身缺陷处附近, 将会使由缺陷引起的反射脉冲峰值下降, , 23[1]
第 4 期林 健:低应变法检测PH C 桩身缺陷的新认识361
图1 低应变检测实测波形
Fig 1 The actual survey waveshapes detected by the low strain method
桩尖反射波不清晰, 甚至消失。所测的波形在浅上部均可见到比较明显的反相反射波, 经分析系桩身由游离于空气进入土层的临界面, 即阻抗(Z) 变大, 表现为反相; 而部分桩在较深部出现的反相反射波, 原认为可能在桩身下底部遇到比较密实的土层。但对比全部波形, 部分桩并未出现明显的反相反射波, 而场地土层未发生明显变化。这种比较密实的土层可能是由于断裂桩下底部被打碎后的产物(图2) 。
362福 建 地 质 Geology of Fu jian 第 29 卷
表1 各试桩施工情况及测试结果
Table 1 The execution and test results of test piles 桩号
204
279
311
319
342
469
511
S 1
S 2桩长(m) 12+117+11+1010+1010+117+7+1110+1111+5511悬空高度(m) 4 55 51 86 74 52 21 4施工情况未发现异常未发现异常未发现异常未发现异常未发现异常施工至16m 附近贯入度突然加大施工至14 3m 附近贯入度突然加大低应变分析19m 严重损伤19m 严重损伤19m 严重损伤完整17m 严重损伤16m 严重损伤底部严重损伤完整完整测绳深度(m) 17 6720 3013 3321 0016 4214 3415 43平躺桩平躺桩备注 对异常桩进行验证, 采用测绳(下端
系重物) , 在管桩管内测量桩长, 正常桩测得的桩长与打桩记录时的桩长一致, 而异常桩
在管内测得的桩长远小于打桩记录时的桩长,
并于管内遇异物阻挡; 用钻机取出异常桩
管内的异物, 发现大多为桩头铁盖或桩壁混
凝土, 并有大量淤泥; ! 观察管桩中水位的
高低, 正常桩几乎没有或少量水, 异常桩水
位较高。通过部分桩的对比验证, 在桩身较
深处出现的反相反射波系桩身下底部断裂造
成土层被挤压形成具有较大阻抗的土层。根
据这一结论, 仔细分析所测的波形, 分析认
为共有61根桩出现类似情况。后经建设、施
工等单位验证, 与低应变检测基本一致。
4 施工异常原因及处理方案
从场地工程地质特征来看, 桩基设计持
力层为卵石层。卵石层呈稍密 中密状态, 且
图2 204#桩地质剖面示意图 2 Schematic diagram of the geological 中局部存在孤石, 部分孤石直径较大。根据Fig
section for the No 204pile 以上岩土层具有的特点, 在管桩施工时, 桩大部分地段均含漂石。经钻探表明, 卵石层
第 4 期林 健:低应变法检测PH C 桩身缺陷的新认识363尖遇孤石或球状风化体时, 部分被桩挤开, 满足贯入度要求而停锤, 而部分桩无法挤过, 桩在未满足贯入度要求之前, 桩身已损坏。从成桩机理来看, 在桩施工时, 桩顶主要受锤的冲击力, 桩侧受桩周土的摩擦力, 而桩底在成桩时除要克服桩底岩土层的抗剪强度外, 还要克服沉桩时引起的超孔隙水压力和急剧下沉时的动阻力, 其力均为垂直向。桩身截面所受的内力主要为轴力, 当桩尖遇孤石或球状风化体时, 由于孤石表面的不规则, 对桩尖产生水平推向力, 此时桩的截面内力发生改变, 产生剪力和弯矩, 在剪力和弯矩的作用下, 桩身易遭受破坏。
经过分析, 各方统一意见, 认为场区的地质较为复杂, 对施工过程发生问题的管桩采取补强处理, 对后续施工的桩基采用桩端进入持力层的临界深度和最后贯入度为双控条件。5 结论及建议
(1) 低应变法检测PH C 桩时, 对于下底部出现明显的反相反射波, 不应简单地理解为是土阻力引起的, 应对施工及地质情况认真分析是否存在断桩。断桩也可能导致低应变波形出现明显的反相反射波。
(2) 对于含漂石或孤石的地层, 不宜采用PH C 桩。
(3) 桩基施工时, 不能简单地以进入持力层的厚度为停锤的必要条件, 应以采用桩端进入持力层的临界深度和最后贯入度为双控条件。
参 考 文 献
1 刘兴录 桩基工程与动测技术200问 北京:中国建筑工业出版社, 2000
A New Opinion of Detecting the Deficiency of PHC
Piles by the Low S train Method
Lin Jian
(Fuj ian Geop hy sical Ex ploration Test and Detecting Center of Construction Proj ects , Fuzhou, 350011)
Abstract
Based o n the applied results of detecting the pile foundation of the Ninde International Co nv entio n Center by the low strain m ethod, it is considered that the reflected w aves of phase o pposition w ith incident w aves are not alw ays at the bottom of the reactivity by soil layers, the broken piles can also result in obvious reflected w aves of the reversed phase in the low strain waveshape, for w hich it can carry o ut ov erall analysis and evaluatio n of the quality of the pile foundation and fo rm a judgement of detecting r esults of the pile fo undation.
Keywords the prestressed high intensity concr ete (PH C) piles, the low strain m ethod,
第 4 期福 建 地 质 Geolog y of Fujian 359
低应变法检测PH C 桩身缺陷的新认识
林 健
(福建省建设工程物探试验检测中心, 福州, 350011)
摘 要 通过宁德国际会展中心桩基工程的低应变法检测事例, 提出了反射波形上出现与
入射波反相反射波并不一定仅是土层反应, 断桩也可能导致低应变波形出现明显的反相反射波, 进而对该桩基质量进行全面分析、评价, 对桩基检测结果作出判断。
关键词 PH C 桩 低应变法 贯入度
PH C 桩的低应力法检测伴随着管桩的广泛应用而日益成熟, 尤其是对管桩首节桩缺陷的判断。但是, 由于大部分PH C 桩是由多节桩焊接而成, 低应变动力检测波形因接桩部位反应很难辨别深部缺陷, 同时土阻力作用也会给判别造成干扰, 以致于出现漏判、误判, 给工程建设留下安全隐患。作者从宁德国际会展中心工程桩基础的检测事例中, 研究PH C 桩深部缺陷在低应变动力检测波形上的特性, 并分析评价该工程桩基质量。
1 高强度预应力管桩(PH C) 的特点
高强度预应力管桩(PH C) 是近年我国研究开发的一种新型预制桩。具有桩身混凝土强度高, 耐锤打性好, 贯穿能力强; 单桩承载力高, 对不同地质条件和不同沉桩工艺适应性强; 运输吊装轻便, 施工速度快, 工期短, 质量稳定可靠等优点, 目前高强度预应力管桩的沉桩方式主要有静压法和锤击法。
2 工程概况及地质情况
该工程上部建筑为框架结构, 下部基础采用锤击预应力管桩, 桩径500m m, 桩长15~30m, 设计桩端持力层为卵石层, 桩身材料采用C80混凝土, 单桩极限承载力标准值2700kN 。施工过程因部分桩在接近设计深度时锤击贯入度突然加大, 继续击打, 贯入度又渐渐变小, 疑为断桩。应建设单位和监理单位的要求, 福建省建设工程物探试验检测中心对部分桩进行低应变动力检测。拟建场地土层共有7个地层单元。
素填土:呈松散状, 近期堆填, 厚0 40~2 20m 。
粘土:可 硬塑, 湿, 海积成因, 厚0 40~2 00m 。
! 淤泥:呈流塑状, 饱和, 海积成因, 厚6 50~10 80m, 局部地段在其底部过渡为含泥粉砂, 0 32~0 50m 。
收稿日期:2010 08 13(1955) , , ,
360福 建 地 质 Geology of Fu jian 第 29 卷
∀卵石:主要由砾卵石组成, 卵石成分为凝灰熔岩、花岗岩, 呈次圆状、次棱角状, 卵石粒径60~120mm 为主, 局部含漂石, 泥质充填为主。稍密 中密, 饱和, 下部普遍见通体风化卵石, 冲洪积成因, 厚6 90~14 70m 。
#含卵石粉质粘土:主要由粘粉砂粒组成, 具粘性和砂感, 含25%~30%卵石, 其它卵石通体风化, 稍密 中密, 饱和, 冲洪积成因, 厚2 50~7 70m 。
∃残积砂质粘性土:为花岗岩风化产物, 母岩风化彻底, 结构模糊, 具粘性和砂感, 呈硬塑状, 饱和, 厚3 70~11 90m 。
%强风化花岗岩:为花岗岩风化产物, 母岩风化比较强烈, 结构清晰可辨, 具强砂感, 局部含弱风化碎块, 揭露厚度1 10~2 15m 。
3 低应变动力检测
3 1 低应变(反射波法) 检测基本原理
反射波法动力测桩就是测试桩身阻抗的变化, 应力波在桩身中传播, 当桩身阻抗(Z) 发生变化时, 就会产生波的反射与透射。按平面波考虑, 在垂直入射时, 反射系数为:
1C 1A 1- 2C 2A 2Z 1-Z 2 R v =111=(1) 2C 2A 2C A + Z 1+Z 2
式中:Z &力学阻抗(kN ∋s/m) ; &材料质量密度(kg /m ) ; C &波速(m/s) ; A &桩截面积(m ) 。
当桩身某处存在扩颈时, 取 1C 1= 2C 2, 因A 1A 2, 由(1) 式R v >0, 即入射波(D) 与缺陷反射波R (同相。当桩身某处全断时, Z 2=0, R v =1, D 与R (同相, 将产生全反射。
3 2 低应变法检测
该次共检测了84根, 桩顶均出露于地表。采用武汉岩海公司生产的RS-1616K (p) 基桩动测仪和加速度传感器, 锤击设备采用尼龙手锤, 测试典型波形(图1) 。桩号S1、S2为该工地上平躺实验桩, 桩号204, 279, 311, 319, 342, 469和511桩均为检测桩中比较典型的波形。从波形上分析均没有出现明显的同相反射。根据反射波原理, 桩身并无较大缺陷。但根据施工情况, 其中469#、511#桩在桩身入土深度分别到16 0m 、14 3m 时贯入度突然加大, 另有部分桩在接近设计深度时贯入度突然加大, 而继续施打, 贯入度又渐渐变小(表1) 。而部分桩壁劈裂有混凝土崩落, 桩头有损伤现象。经综合分析认为, 出现这种现象可能存在2种情况, 其一是断桩, 其二是桩基持力层下存在软卧层。但根据勘察单位提供的地质报告, 排除了第二种可能, 即卵石层下并没有软卧层。唯一的可能就是断桩。基于这一特殊情况, 我中心组织有经验的技术人员多次到现场采样、分析。仔细观察波形存在的共同特性, 大部分桩存在入射波与缺陷反射波反相这一较特殊的现象。
在低应变试验中虽然输入的能量较小, 一般能激发出桩周土的一定摩阻力, 遇到较坚实的土层或桩尖一部分嵌入到基岩中, 土阻力可达到较大值。这样土阻力的出现给缺陷的识别增加了困难。较强的土阻力出现在桩身缺陷处附近, 将会使由缺陷引起的反射脉冲峰值下降, , 23[1]
第 4 期林 健:低应变法检测PH C 桩身缺陷的新认识361
图1 低应变检测实测波形
Fig 1 The actual survey waveshapes detected by the low strain method
桩尖反射波不清晰, 甚至消失。所测的波形在浅上部均可见到比较明显的反相反射波, 经分析系桩身由游离于空气进入土层的临界面, 即阻抗(Z) 变大, 表现为反相; 而部分桩在较深部出现的反相反射波, 原认为可能在桩身下底部遇到比较密实的土层。但对比全部波形, 部分桩并未出现明显的反相反射波, 而场地土层未发生明显变化。这种比较密实的土层可能是由于断裂桩下底部被打碎后的产物(图2) 。
362福 建 地 质 Geology of Fu jian 第 29 卷
表1 各试桩施工情况及测试结果
Table 1 The execution and test results of test piles 桩号
204
279
311
319
342
469
511
S 1
S 2桩长(m) 12+117+11+1010+1010+117+7+1110+1111+5511悬空高度(m) 4 55 51 86 74 52 21 4施工情况未发现异常未发现异常未发现异常未发现异常未发现异常施工至16m 附近贯入度突然加大施工至14 3m 附近贯入度突然加大低应变分析19m 严重损伤19m 严重损伤19m 严重损伤完整17m 严重损伤16m 严重损伤底部严重损伤完整完整测绳深度(m) 17 6720 3013 3321 0016 4214 3415 43平躺桩平躺桩备注 对异常桩进行验证, 采用测绳(下端
系重物) , 在管桩管内测量桩长, 正常桩测得的桩长与打桩记录时的桩长一致, 而异常桩
在管内测得的桩长远小于打桩记录时的桩长,
并于管内遇异物阻挡; 用钻机取出异常桩
管内的异物, 发现大多为桩头铁盖或桩壁混
凝土, 并有大量淤泥; ! 观察管桩中水位的
高低, 正常桩几乎没有或少量水, 异常桩水
位较高。通过部分桩的对比验证, 在桩身较
深处出现的反相反射波系桩身下底部断裂造
成土层被挤压形成具有较大阻抗的土层。根
据这一结论, 仔细分析所测的波形, 分析认
为共有61根桩出现类似情况。后经建设、施
工等单位验证, 与低应变检测基本一致。
4 施工异常原因及处理方案
从场地工程地质特征来看, 桩基设计持
力层为卵石层。卵石层呈稍密 中密状态, 且
图2 204#桩地质剖面示意图 2 Schematic diagram of the geological 中局部存在孤石, 部分孤石直径较大。根据Fig
section for the No 204pile 以上岩土层具有的特点, 在管桩施工时, 桩大部分地段均含漂石。经钻探表明, 卵石层
第 4 期林 健:低应变法检测PH C 桩身缺陷的新认识363尖遇孤石或球状风化体时, 部分被桩挤开, 满足贯入度要求而停锤, 而部分桩无法挤过, 桩在未满足贯入度要求之前, 桩身已损坏。从成桩机理来看, 在桩施工时, 桩顶主要受锤的冲击力, 桩侧受桩周土的摩擦力, 而桩底在成桩时除要克服桩底岩土层的抗剪强度外, 还要克服沉桩时引起的超孔隙水压力和急剧下沉时的动阻力, 其力均为垂直向。桩身截面所受的内力主要为轴力, 当桩尖遇孤石或球状风化体时, 由于孤石表面的不规则, 对桩尖产生水平推向力, 此时桩的截面内力发生改变, 产生剪力和弯矩, 在剪力和弯矩的作用下, 桩身易遭受破坏。
经过分析, 各方统一意见, 认为场区的地质较为复杂, 对施工过程发生问题的管桩采取补强处理, 对后续施工的桩基采用桩端进入持力层的临界深度和最后贯入度为双控条件。5 结论及建议
(1) 低应变法检测PH C 桩时, 对于下底部出现明显的反相反射波, 不应简单地理解为是土阻力引起的, 应对施工及地质情况认真分析是否存在断桩。断桩也可能导致低应变波形出现明显的反相反射波。
(2) 对于含漂石或孤石的地层, 不宜采用PH C 桩。
(3) 桩基施工时, 不能简单地以进入持力层的厚度为停锤的必要条件, 应以采用桩端进入持力层的临界深度和最后贯入度为双控条件。
参 考 文 献
1 刘兴录 桩基工程与动测技术200问 北京:中国建筑工业出版社, 2000
A New Opinion of Detecting the Deficiency of PHC
Piles by the Low S train Method
Lin Jian
(Fuj ian Geop hy sical Ex ploration Test and Detecting Center of Construction Proj ects , Fuzhou, 350011)
Abstract
Based o n the applied results of detecting the pile foundation of the Ninde International Co nv entio n Center by the low strain m ethod, it is considered that the reflected w aves of phase o pposition w ith incident w aves are not alw ays at the bottom of the reactivity by soil layers, the broken piles can also result in obvious reflected w aves of the reversed phase in the low strain waveshape, for w hich it can carry o ut ov erall analysis and evaluatio n of the quality of the pile foundation and fo rm a judgement of detecting r esults of the pile fo undation.
Keywords the prestressed high intensity concr ete (PH C) piles, the low strain m ethod,