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1、预制打入桩断桩的检测及其处理赵海生 1，柳锋波 2，何剑 3，雒焕常 4(1 西安理工大学，陕西 西安 710048；2河南省水利科学研究所，河南 郑州 450003；3 核工业工程勘察院，河南 郑州 450003；4 中铁大桥局集团，河南 郑州 450053)关键词：预制打入桩；检测；断桩；处理；监测摘 要：结合某电站排洪沟挡潮闸的预制打入桩工程桩的检测实例，对于预制打入桩进行了低应变、高应变试验和静载试验，三种检测方法的检测结果能够相互验证，结果一致。并利用高应变测试设备对断桩进行了处理，在处理过程中用高应变法实行监测，可有效地避免盲目锤击，确保达到预期的处理目标，取得了较好的效果。预制桩
2、，因其施工方便、承载力高等优点，被广泛应用于松软场地的各类工程基础中。对于多节预制打入桩，桩接头质量好坏直接影响到整个桩身的结构完整性。如果桩身存在缝隙或断桩，必然影响桩的承载力，因此，为确保桩基工程质量，确保上部结构的安全，基桩的检测工作已成为桩基工程中的一个重要环节。对于桩的检测，最直接的方法是传统的静载试验，但由于静载试验具有试验周期长、费用高、数量少等缺点，目前，国内外普遍采用高、低应变动力试验来对工程桩进行大量的抽检。低应变动力检测能够方便、快捷、高效地确定桩身结构完整性；高应变动力检测不仅能够有效地确定桩身结构完整性，而且能快速判定桩的承载力，省工、省时，节约费用。本文以某核电站排
3、洪沟挡潮闸的基桩检测为实例，介绍了三种检测方法在预制桩检测中的应用，以及这三种检测方法对断桩检测结果相互之间取得的验证；同时还介绍了一种采用高应变动力检测设备来处理断桩，并在处理过程中利用高应变动力试验监测处理效果的方法。1 工程及地质概况1.1 工程概况拟建某电站排洪沟挡潮闸，位于该工程场地南侧的排洪沟上，是为了防止海水倒灌而设置的；共设置 8 个平板钢闸门，双排布置，每排 4 个；基础型式为桩基础。基桩为方形钢筋混凝土预制桩，其横截面尺寸为 400 mm400 mm，桩长 18 m(两节 9 m 的桩采用硫磺胶泥接桩)，桩身混凝土设计强度等级为C30，采用 2.5 t 柴油打桩机打入。1.
4、2 地质概况根据工程地质勘察报告，该场地地貌单元属第四系海积平原，地层构成主要以第四系全新统的淤泥、粘性土及砂层、上更新统的粘性土及砂层组成；地质条件较差，地层结构松软，呈流塑、软塑状，饱和。桩端持力层为第四系全新统的粉质粘土。2 检测结果及其验证2.1 试桩及工程桩的检测要求 为检验打桩工艺的可行性及检验桩的承载能力，在工程桩施工前进行了试桩(1 根)。在静载试验前，为了避免试桩由于有缺陷而使静载试验承载力结果失去意义和代表性，对该试桩进行了低应变试验，以检查桩身质量是否完整；同时，为了给工程桩的承载力检测积累动静对比资料，静载试验前也进行了高应变动力试验。为检查工程桩的桩身完整和承载力，根
5、据有关设计规范和设计要求，采用低应变应力波反射法进行质量普查，并用高应变法对工程桩的承载力进行抽检。2.2 低应变动力检测应用低应变法共检测 175 根单桩。检测过程中，对于浅部有裂缝或混凝土碎块的桩，及时处理后又进行了复测。测试结果(包括复测结果)表明，所测桩的低应变测试曲线大致可分为 3 种情况，分别以试桩、93 号桩、132 号桩为代表，其低应变测试曲线见图 1。低应变动力试验的目的是检测桩身结构的完整性，桩底反射信号的存在与否是判断桩身是否完整的一个重要指标。对于整个桩身结构完整而桩周土层性质差别不大的桩，应仅有桩底反射信号而无其他缺陷反射信号存在。图 1a 为典型的低应变完整桩测试曲
6、线，由图 1a 可以看出，在对应桩底位置有一比较明显的反射存在，之前没有大的反射信号存在，由桩底反射时间和桩长推算的整桩波速为 4 000 ms。但在对应接桩位置仍有极弱的反射信号存在，这是由于接桩处硫磺胶泥的阻抗与桩身阻抗有一定的差别所致，由图 1a 类信号可判定桩身结构完整。由于整个桩是由相同长度的两节桩组成，对于类似图 1b、c 的信号来说，判断其桩身结构的完整性就显得复杂。在对应桩底位置处，其都有一明显的反射信号存在。另外，对应接桩位置处也都有一明显的反射信号存在。我们知道，如果整个桩仅有 9 m 长，对于该场地的土层而言，桩底的第二次乃至多次反射仍然会清晰可见，而其第二次反射恰恰对应
7、设计桩长 18 m 处的桩底反射。因此，正确识别桩底反射信号是判断该两类信号的桩桩身是否完整的关键。 比较图 1b 和图 1c 的测试曲线可以发现，两者均在对应接桩处有一明显的反射信号，说明两者接桩处质量都不会好，但 93 号桩在接桩处的反射信号较132 号桩的弱，且 93 号桩在桩底位置的反射信号与接桩处的反射信号相比较大，分别对应的二次反射也是这样，由此可判断该类信号的桩在接桩处有缝隙，不过其仍有桩底反射信号的存在，说明接头处还没有完全脱开，但对承载力的具体影响并不易确定，初步分析影响可能不会太大。132 号桩的测试曲线与 93 号桩有些差别。时域曲线中对应桩底处的反射信号和接桩处的反射信
8、号相比逐渐衰减，对应的二次反射也是如此，且通过对其进行频域分析也发现，其频谱曲线也呈逐渐衰减状，相邻频差均等且对应于接桩位置的长度，初步判断接桩处已经完全脱开(断桩)，桩身结构极差，严重影响桩的承载能力。全部基桩的低应变检测结果表明，类似 93、132 号这样的桩占有相当的比例，必须引起一定的重视。2.3 高应变动力检测为了进一步确定诸如 93、132 号桩的桩身完整性以及接头裂缝对承载力的影响情况，对包括 93、132 号桩在内共 12 根桩进行了高应变动力试验。高应变检测仪器为美国 PDI 公司研制的 PAK 型 PDA 打桩分析仪，所采用的重锤质量为 1 200 kg，落距在 80110
9、cm 之间。93、132 号桩的典型高应变测试曲线分别见图 2b、c。为了与试桩相比较，也将试桩的高应变测试曲线绘于图 2 中(见图 2a) 。仅从上述 3 根典型桩的高应变测试曲线来分析桩身结构完整性，高应变的测试结果与低应变测试结果非常符合。132 号桩其单击贯入度达 10 mm 之多，在桩的中部明显断开。对所测试的信号采用美国 PDI 公司的 CAPWAP 软件进行拟合分析的结果也是如此。拟合分析结果表明：试桩桩身质量完好(在接桩位置有极其微小缝隙，拟合时可以忽略)，拟合分析得到的极限承载力为 710.8 kN；93 号桩的波速值比试桩略低，在接桩位置存在有一定的缝隙但并不大，可以认为接
10、头质量尚可，拟合分析得到的承载力为 570.2 kN；132 号桩拟合分析时，如果按设计桩长 18 m进行拟合，由于桩端模型与桩侧摩阻力模型不同及数值计算问题，设置 9 m 以下阻抗为零(即断桩)拟合质量并不高。但假设桩仅有 9 m 长，即认为桩在 9 m接头处完全脱开，则拟合质量大大改善，分析得到的承载力为 127.9 kN。2.4 单桩竖向抗压静载试验上述高应变法的测试结果验证了低应变测试分析结果，进一步证实了断桩判断结果的正确性。但高应变试验对桩施加的仍然是动力冲击荷载，能量毕竟有限，特别是对于 132 号这样的桩，得到的桩顶沉降与静荷载作用下的沉降还有一定的差距。经研究确定，为了确定
11、93、132 号这样的桩在静荷载作用下的沉降情况，对典型的 93、132 号桩进行静载试验。由于该场地桩上部主要为淤泥等软土，桩侧摩阻力不大，且桩的承载力并不大，考虑场地及桩位的原因，本次试验加载装置只能采用压重平台反力装置。试验按照 JGJ9494 规范的有关规定进行，加载方式为慢速维持荷载法，第一级荷载为每级加载增量的两倍。两个典型桩的试验参数及试验过程描述如下(为了比较，对试桩也进行了描述)，图 3 为试桩和 93、132 号桩的静载试验 Q-s 曲线。(1)试桩。每级加载增量为 100 kN，在试验加载至 700 kN 以前，整个试验过程正常；在 700 kN 级荷载稳定后，加载至 8
12、00 kN 级荷载 45 min 时，桩的沉降急剧增大，荷载无法维持在 800 kN 并降至 750 kN。该级沉降量为前一级荷载作用下沉降量的 10 倍之多，表明桩已达到破坏状态。(2)93 号桩。每级加载增量根据设计承载力确定为 62 kN，在试验加至 558 kN 以前，整个试验过程正常；加载至 620 kN 后，桩的沉降急剧增大，本级沉降量为上一级荷载作用下沉降量的 6 倍多，根据 JGJ9494 规范规定，终止加载。(3)132 号桩。该桩的每级加载增量也为 62 kN，在加上起始荷载 124 kN 后，经 510 min 沉降为 12.45 mm 时基本稳定，施加第二级荷载 186
13、 kN 后，桩的沉降急剧增大，经 180 min 后试桩达到相对稳定，累计沉降量达 43.35 mm。以后各级荷载作用下桩的沉降基本正常，在最后一级荷载 620 kN 稳定后，累计沉降达 54.25 mm。由图 3 可以看出，试桩及 93 号桩具有明显的第二拐点，可以判断出其极限承载力分别为 700 kN 和 558 kN，但动力检测被判断为断桩的 132 号桩，较难判断其极限承载力。该桩的 Q-s 曲线明显与其他两根桩不同，在前期荷载作用下沉降相对大得多，但在经过一定的沉降以后的各级荷载作用下，每级沉降并不大。如果仅考虑 186 kN 级以前荷载作用下的沉降，根据 Q-s 曲线拐点及对应的沉
14、降量，可取 124 kN 为桩的极限承载力。但根据该桩的整个 Q-s 及其他两根桩的极限承载力结果来看，如果取 124 kN 作为桩的极限承载力显然不尽合理。实际上，由于上、下两节桩完全脱开，124 kN 对应的正是上节桩的摩阻力。在上节桩沉降一定数值后，上节桩与下节桩相接触，裂缝闭合，下节桩的承载力开始发挥，如果抛开 186 kN 前的数据仅仅考虑 186 kN 后的 Q-s 曲线，则可判断该桩的承载力620 kN。2.5 检测结果的比较表 1 为 3 种检测方法对 3 根典型桩的检测结果汇总表。由表 1 可以看出，3 种方法检测结果是非常一致的。基桩高应变动力检测结果，在桩身结构完整性方面
15、验证了低应变的检测结果，如接头不良、桩身断裂等；单桩竖向抗压静载试验，验证了高应变的判定结果，如单桩竖向极限承载力及桩身缺陷等。3种方法检测结果表明了该工程检测中低应变检测基桩结构完整性的准确性及高应变检测基桩承载力的可靠性。3 断桩的处理与监测3.1 处理方案的选择全部基桩的低应变检测结果表明，类似 132 号这样的桩有 15 根，为总桩数的 8.6，而且这类桩有一部分集中在一个区域，为消除工程隐患，必须对这类断桩集中区的 5 根桩进行处理。由于场地条件的限制(基坑已开挖)及桩位布置的原因，补桩方案已不可行。根据 132 号桩静载试验数据，在桩接头缝隙闭合后，桩仍能提供竖向承载力(该工程桩以
16、提供竖向承载力为主)，因此，对于断桩的处理，主要的问题是如何将断桩的缝隙闭合。对于断桩接头处缝隙的闭合，最直接的办法是采用静荷载预压的办法即所谓的跑桩法，通过静压使上节桩产生足够大的位移后与下节桩顶面相接触，从而消除断桩接头处的缝隙，以提高桩的竖向承载能力；还有一种办法是通过重锤锤击使上节桩产生位移来使缝隙闭合。静压的方法费时费力，加上场地条件的限制，实际中该方案不可行。同样，由于场地的原因利用打桩机来进行锤击也不可行。而高应变试验重锤锤击设备相对简便，比较适合该场地断桩的处理，且在锤击的过程中可利用高应变测试仪器来监测锤击后桩的情况，避免锤击处理的盲目性，确保处理达到预期效果。3.2 锤击处理及监测结果如上所述，锤击的目的是为了使裂缝闭合，为此将锤重从原来的 1.2 t 提高到 1.8 t，锤击落距也有所提高。根据 PDA 监控的实测曲线，在桩身裂缝闭合之前，各桩的每击最大贯入度 Dmax均在 2040 mm 之间，根据高应变的监测曲线，一般经过 67 击裂
