水泥粉喷桩检测方法的选择

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摘要：本文系统地对目前国内常用的八种水泥粉喷桩检测方法作了简要介绍，建议根据粉喷桩构成复合地基工程的原理、复杂程度及所用检测仪器设备的实际情况，选择合理、可靠、有效的水泥粉喷桩检测方法，并建议在寻求更好的检测方法的同时，加强检测市场的管理。

关键词：水泥粉喷桩 检测方法 选择

　　粉体喷射搅拌法是采用专用的深层搅拌设备，在设计深度原位将喷出的粉状固化剂与软土充分拌和，使之形成均匀的固化柱状体(俗称粉喷桩)，用来加固软土地基的方法。此法自1971年在瑞典首次应用以来，由于具有加固效果明显，且施工过程中无振动、无污染，对周围环境及建筑物无不良影响，经济廉价，施工简便等优点而很快被工程界接收，在欧美日等国软土地基施工中得到广泛应用。1979年，由铁道部第四勘测设计院引进，并于1984年7月成功地应用于广东铁路涵底软基加固，1985年4月通过铁道部级技术鉴定后，逐步得到推广应用，尤其是以水泥为固化剂、通过水泥与土颗粒间一系列物理化学作用形成的水泥粉喷桩应用最为广泛。水泥粉喷桩与桩间土组成复合地基，改善并提高软土地基土层的物理化学性质，使之成为优良的地基。近几年来不仅在铁路、城建、市政等部门得到广泛应用，交通部门也将该技术应用于高等级公路的软基处理，并取得了良好的加固效果。

　　为了保证喷粉桩的施工质量，不仅要在施工过程中控制好原材料质量，做好室内配比试验、现场工艺试验，加强喷粉施工技术的管理监督，把好桩位测量放样及各道工序的检查关，还须对施工好的现场桩体进行最终检测，以对粉喷桩施工质量进行全面而准确的判断及评定。

1 粉喷桩的检测内容

　　粉喷桩处理软基，其最终质量控制参数是保证复合地基的整体承载力，为此粉喷桩检测包括两方面内容：(1)桩的测量放样检测，即在成桩后7d左右，通过检测桩位、桩数、桩间距来检查桩的放样情况；(2)桩体本身质量的检测，其中包括桩身的完整性、桩身外形尺寸(桩身截面，有效桩长等)、桩身的连续性、均匀性、强度、密实度、单桩承载力等，其中最主要的控制参数为单桩承载力。桩身强度是以90d龄期为其强度标准值，但在实际工程中往往由于工期紧等多种因素影响而难以等到90d，一般取28d左右龄期，特殊情况下也有以更短龄期对桩身测试后推算至90d龄期强度。

　　根据水泥粉喷桩处理软土地基的控制参数及检测内容，检测水泥粉喷桩施工质量常用的检测方法有目测法、截取桩段试压法、轻便动力触探法、静力触探法、钻孔取芯法、应力波反射法、水电效应法和静载试验法等8种。

2 检测方法

2.1 目测法

　　成桩7d后，开挖0.5～1.0m深基坑，测量桩位、桩间距，检查桩数，不符合设计要求时应补桩或采取其它的有效措施；符合要求再检查桩身成形情况，通过目测群桩桩顶是否平齐，桩体是否圆匀，有无缩颈和凹陷现象，桩身有无水泥结块或夹泥层，颜色深浅是否一致，并用手感知桩身松散或硬结程度，来判断桩身水泥土的搅拌均匀程度，对于墙式搭接桩还可通过目测检查桩头部分桩间的搭接情况。

　　目测法是最常用、最基本也是最简便的检测方法，主要根据眼观、手摸等感觉，检查0.5～2.0m桩头质量的大致情况，不能反映有效桩长、桩身的状态信息，不能对桩身质量下完整结论。

2.2 截取桩段试压法

　　在成桩一定龄期后(一般不少于10d)，在现场开挖出的桩体上部、桩顶以下连续截取长度等于桩径的三段桩体，上下截面用水泥砂浆整平，装入压力架后用压力机试压，可测得桩身的抗压强度和变形模量，同时也可以在桩段抗压破坏时进一步观察桩体喷粉搅拌的均匀性。该方法测试出的数据直接可靠，既可积累室内强度与现场强度之间的数据关系，又可避免桩体横断面方向上强度不均匀的影响。但该方法的缺点是挖桩深度过大，试验根数不能太多，而且该方法需要特制的夹板，对试验机精度也有一定的要求。同时在压前必须将上下面修水平，否则在施压时很容易出现偏心受压，产生较大的试验误差。

2.3 轻便动力触探法

　　一般是在成桩7d内，使用轻便触探器取桩身水泥土样，通过观察水泥土样的颜色是否一致、有无结块水泥或未拌匀的土团来检查喷粉桩搅拌均匀程度，同时根据触探击数(N10)来判断桩身强度，对N10贯入10cm击数不能少于10击，少于10击或者每击大于10mm的区段直接可认为所检查段不符合要求，应进行处理。行业标准《软土地基深层搅拌加固法技术规程》(YBJ225-91)提出轻便触探击数(N10)与7d龄期水泥土强度有如表1所示关系。

表1

N10 15 20～25 30～35 ＞40

qn(kPa) 200 300 400 ＞500

　　如同三线宁波段高速公路3K+782通道的某两根桩，轻便触探检测情况：4～16号桩轻便触探2次，平均击数N10为32击，推算水泥土强度约为400kPa；8～19号桩轻便触探2次，平均击数N10为40击，推算水泥土强度约为500kPa。

　　使用轻便动力触探法检测粉喷桩时应注意：(1)探测深度不能超过4m；(2)触探点不能在桩中心位置，以避开桩中心水泥含量少、强度低的喷灰搅拌盲区，使触探具有代表性，一般定在距桩中心2/5桩径处；(3)触探时触探仪的穿心杆一定要保持垂直。

2.4 静力触探法

　　静力触探法是在成桩近期内，通过在桩身及桩周土的不同深度进行静力触探试验，画出桩身及原始地基的触探P-S曲线。对比两者的P-S曲线形态即可直观地反映出水泥土搅拌桩桩身的均匀性，并根据桩身的P-S值提高程度来分析桩身强度。这种方法宜在成桩后近期内进行，否则随着龄期的增长、桩身强度的提高使实施难度加大。该方法有直观、快速的特点，但无论理论上还是实践上还需要作深入探讨，对测试设备也须作进一步改进和完善。因此，有关水泥搅拌桩的各种国家规范中都没有将该法列为水泥搅拌桩的质量检测方法。

2.5 钻孔取芯法

　　钻孔取芯法是在成桩一定龄期后通过钻孔取芯来检查桩长、桩各部位的水泥含量、桩身水泥土的喷粉、搅拌均匀程度及桩身抗压强度的变化情况，同时在取芯过程中可以进行标准贯入试验。

　　通过观察钻孔取出芯样来判断粉喷桩桩身各部位搅拌的均匀性及状态；通过对芯样进行水泥滴定试验来检查桩身各段的水泥含量情况；通过对桩身各段水泥土原状土样的室内无侧限抗压强度试验及取芯过程各段配合用的标准贯入试验的标贯击数，可以可靠准确地判定桩身各段的桩身强度，同时也可测定出桩身土样的变形指标；通过在取芯过程中水泥土样的变化情况，可判定桩体的连续性并可确定桩长。

　　钻孔取芯法是检测水泥粉喷桩直观、可靠、有效的方法，但由于粉喷桩横断面方向有搅拌轴部位的喷灰盲区、水泥土强度不是很高且桩体千层饼状的特点，因此在采用钻孔取芯法做单桩试验时应特别注意：

　　(1)孔位应避开喷灰盲区，宜定在离桩中心2/5桩径处；

　　(2)在整个钻进取芯过程中，钻杆必须始终保持规定的垂直精度；

　　(3)在原状水泥土取样过程中注意尽量避免对水泥土样的扰动，特别小心试样破碎。

　　钻孔取芯法不仅可通过垂直取芯测试单桩情况，也可通过斜杆取芯检查用于防水、支护、围堰等工程的墙式桩、格栅桩等搭接粉喷桩桩间的搭接情况。

2.6 应力波反射法

　　在一定龄期后水泥粉喷桩具有介于弹性体至散体之间的力学性质，但对于桩周土(软粘土、淤泥等)来说，在施加较小外力的情况下，可视为弹性体。由于水泥粉喷桩在形态上其长度远大于桩径，因此可将桩视为一维弹性杆件，同时桩身的强度达到一定程度时其阻抗明显大于桩周土及桩底阻抗，这符合应力波反射动测的理论假设，应力波反射法是以弹性体内的应力波传播理论为依据，在桩顶中心用尼龙棒等垂直施加一冲击力，使桩质点受迫振动并产生弹性波，沿桩身向下传播。当桩身存在松散、夹泥、搅拌不均匀等缺陷时会造成密度、截面或波速变化，这必然引起波阻抗的差异，从而产生波的反射和叠加。该振动信号被置于桩顶的加速度传感器接收，传至桩身完整性检测仪，经检测仪将采集到的信号进行放大、滤波处理和初步分析，数据采集结束后再用专门软件在计算机上作详细分析，综合时域曲线和频谱图形，评价桩身质量(即桩身的完整性、搅拌的均匀性、连续性等和桩身水泥土抗压强度)。

　　其测试系统。同三线宁波段高速公路3K+782处粉喷桩(桩径50cm，桩长9.0m)检测中出现的几种典型波形.

　　应力波反射法测水泥粉喷桩较简捷方便，且节约工期，较适用于大数量粉喷桩普查与评价分析。但使用该方法检测和分析时要注意：

　　(1)测试时桩的龄期不宜太短，一般至少要28d，否则因桩身强度太低使桩身与桩周土波阻抗差异不大，无法测得反映桩身实际施工质量的理想波形曲线。

　　(2)在对测试出的曲线结果进行分析时，不能象刚性桩那样把各种缺陷(如断桩、短桩、离析、夹泥等)仔细确定。在实测曲线上，波沿桩身传播出现有界面反射但不能仔细确定时，一般可以判定为搅拌不均匀。

2.7 水电效应法

　　水电效应法也叫电火花振动测桩法，它的基本原理是利用在桩顶水中高压放电，激起水体瞬间热膨胀产生的巨大脉冲力来激励桩的振动，而桩质量的好坏可用瞬态激励所得到的桩～土系统的频响函数来识别。

　　水电效应法的测试系统整体上来讲由激振装置、信号接收、记录装置及信息处理装置等三大部分组成。

　　水电效应法的测试过程由以下几部分组成：

　　(1)现场准备。包括桩头处理、安装水管、管内注水、安装高压电极及传感器等。

　　(2)仪器调试。包括振源调试和传感器、二次仪表调试。

　　(3)正式试验，记录好振动响应信号。

　　(4)信号数据数字化处理并进行分析计算，对桩的完整性进行判断并计算承载力，然后得出结论。

　　水电效应法既可方便地测出桩身的完整性，同时也可快捷地推算出单桩或复合地基的承载力，是检测粉喷桩特别快捷、有效的一种方法，如西宝高速公路的部分粉喷桩就是利用该方法检测的，但目前该方法在国内粉喷桩测试中尚未广泛使用。

2.8 静载试验法

　　由于粉喷桩最终的控制参数是复合地基的整体承载力，静载试验法是在桩体达到一定龄期后，对单桩或复合地基通过具有一定刚度的压板加载来测试地基承载力的方法，是最能贴近地基受力的实际情况，最能准确、直接测出单桩或复合地基承载力的最标准的方法，包括单桩静载试验和复合地基静载试验。其试验要点如下：

　　(1)对于单桩静载试验，压板直径应与桩径相等。对于复合地基静载试验，压板尺寸按面积置换率确定。压板中心必须与试验面中心重合，压板下须用10mm厚的粗砂垫平。

　　(2)试验荷载应按等量分级施加，加载等级可分为8～12级。对于工程桩总加载量接近或等于但不得超过设计值的1.5倍，对于试桩总加载量不宜少于设计值的两倍，加载方式常用堆载法或锚桩作反力支承法等，宁波大学发明的水箱法大气压反力桩基静载试验装置等都是较方便实用的加载方法。

　　(3)测读沉降的间隔时间及稳定标准。根据沉降稳定标准的不同，分慢速法和快速法。

　　在工程桩上进行的单桩静载试验可采用快速法，快速法观测沉降的间隔时间为5、10、15、15、15min，加载满1h即施加下一级荷载。

　　在试验桩上进行的静载试验和在工程上进行的复合地基载荷试验宜采用慢速法，慢速法观测的间隔为10、10、10、15、15min，以后每隔0.5h读一次沉降，当加载量尚未超过设计要求值时，1h内沉降增量小于0.1mm才可加下一级荷载；当加载量大于设计要求值以后，1h内沉降增量小于0.2mm即可加下一级荷载。

　　(4)当出现下列情况之一时可终止试验，确定极限承载力：

　　①承压板周围的土明显地侧向挤出或压板周围出现明显的裂缝；

　　②沉降S骤增大，荷载与沉降(Q～S)曲线出现陡降段；

　　③累计的沉降量已大于压板宽度B或直径D的10%；

　　④总加载量已达到预定的要求；

　　⑤对于慢速法，在某一级荷载下，24h内沉降速率不能达到稳定标准。

　　当出现终止加载条件1、5两种情况时，极限承载力取该级荷载的前一级荷载；当出现终止加荷条件第2种情况时，极限承载力取相应于陡降段的起点即第二拐点的荷载值。

　　(5)卸载观测。每级卸载为加载的两倍，如为奇数，第一级可分3倍。每级卸载后，隔15min测读一次；读两次后，隔0.5h再读一次，即可卸下一级荷载。全部荷载卸完后，当测读到0.5h回弹量小于0.1mm即认为稳定。

　　(6)地基承载力的确定：

　　①对于单桩当极限承载力能确定时，取极限承载力的1/2；未能确定极限承载力时，可取S/D=0.01～0.012所对应的荷载值。

　　②对于复合地基：

　　a)当Q-S曲线上有明显的比例界限时，可取该比例界限所对应的荷载；

　　b)当极限承载力能确定时，取极限承载力的一半，并与按比例界限所对应的荷载相比，取两者中的小值；

　　c)如总加载量已为设计要求值的两倍以上，取总加载量的一半；

　　d)按相对变形确定。根据设计对沉降的要求和桩端土层的软硬，可取S/D=0.004～0.010所对应的荷载值。

　　静载试验法是在现场直接通过加载检测单桩及复合地基承载力的方法，最接近单桩或复合地基在工程实际中的受力状况，用该法检测的结果最能反映单桩和复合地基的实际承载力，但静载试验法得到的是维持荷载作用下，最薄弱破坏模式相应的桩土体系丧失承载刚度的外荷，尽管它能全面获得承载刚度的变化情况，描述最弱的破坏模式，并得到与之相应的承载力，但它不能提供桩身质量的完整性、均匀性、连续性的完整信息，更不能定量定位，加之水泥粉喷桩具有桩体压碎破坏发生在浅层的特点，也就不能对粉喷桩的施工质量作出全面的评价。仅对承载力有怀疑的单桩或复合地基而言，目前静载试验法是最权威的检测方法，但要对粉喷桩的施工质量作出全面评价，还须用其它的检测方法与之配合和补充。

　　尽管水泥粉喷桩的检测方法已有这么多种，但每一种检测方法都有其局限性，没有一种方法是对桩身质量的全面评价。在没有一种更完美方法的情况下，为了保证水泥粉喷桩的桩身质量，确保软基处理的成功，应根据经粉喷桩复合地基处理工程的重要性、复杂程度及所具有的检测仪器设备的实际条件与现场的实际情况，从中选择合理、可靠、有效的检测方法。可以用一种，也可以用多种方法联合检测，如常用组合有：用应力波反射法普查，用静载试验法对个别单桩或复合地基的承载力进行检验，还有用钻孔取芯法与动力触探法标准贯入试验配合进行等等。

3 结束语

　　随着水泥粉喷桩在软土地基处理中越来越广泛的应用，水泥粉喷桩所构成的柔性复合地基的设计、施工技术不断得到发展，对于水泥粉喷桩质量检测技术的要求也越来越高。通过科学合理的检测方法对试桩进行检测，能为水泥粉喷桩的设计、施工提供可靠的试验数据，以便设计人员确定正确的设计参数及施工人员确定合理的工艺参数；通过便捷、有效的检测方法及对施工好的水泥粉喷桩进行检测，并提出准确可靠的检测数据，以便监理及施工人员对粉喷桩施工质量作出正确的判断和评价，对合格的桩及时认可其质量；对不合格的桩及时采取有效措施，既要保证工程质量又不影响工程进度，这就迫切要求质量检测人员尽快创造出一种可以全面检测水泥粉喷桩的完美的检测方法。不仅如此，对试验检测操作进行规范化管理以及加强对检测试验的管理亦刻不容缓。在实际工程建设中，由于建设单位、监理单位、施工单位等过分强调工期及经济效益，有关单桩或复合地基试验普遍存在测试龄期太短、试验点少等问题，加上目前检测市场激烈的竞争，不平等竞争时有发生，导致测试结果带有很大偶然性，测试质量低劣，甚至个别测试单位在检测中弄虚作假等，因此为了保证水泥粉喷桩检测结果的准确、可靠，确保水泥粉喷桩复合地基工程质量，必须采取相应的措施，加强水泥粉喷桩及其复合地基的检测管理、监督，制定必要的规范、规程，以保证检测结果的科学性、公证性和可靠性，减少工程质量事故，确保工程质量。