作为工程桩的钻孔灌注桩桩顶标高一般位于基坑底部,在基坑深度大,尤其是10.0m以上时,上部出现深空孔,即低标高桩顶钻孔灌注桩。在水下混凝土灌注施工中,基本上都是靠测绳人工测量的方法,不仅很不准确,而且费时、劳动强度大^[1] 。在低标高桩顶水下钻孔灌注桩施工时,有时欠灌会造成严重的质量事故。为确保桩顶混凝土质量,需要进行超灌0.8~1.0m,但由于测量方法和水平的差异,超灌高度有的达到5.0m以上,不仅造成混凝土材料的浪费,而且造成土方开挖困难和桩头破除及外运费用,大大增加了工程成本,引起各方经济利益的纠纷,甚至遭到来自建设单位的费用索赔等事件。这种现象是一直困扰桩基施工单位的难题。解决该难题是建设节约型社会,促进人与社会和谐发展的必然需要。

通过市场调研,结合现场实际,研制了一种低标高桩顶水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置。经现场试验,取得预期效果,并获实用新型专利^[2] 。

为了解决超灌高度无法准确测量的技术难题,从而准确控制桩头合理超灌高度,既保证桩头质量,又可以节约工程成本,主要研究内容如下。

1)钻孔灌注桩水下混凝土灌注过程中泥浆和混凝土的物理测试方法和敏感特性,确定合适的物理性能参数进行测量。

2)测量仪器与现有混凝土灌注施工工艺的结合,测量仪器在钻孔内的定位结构和标高位置的确定。

3)水下混凝土灌注过程中,根据测量仪器采集数据的计算,合理判断混凝土灌注高度数值,以及地面采集仪器的实时显示和报警装置,实现对水下混凝土超灌高度控制的宜操作性。

4)通过现场工程试用,确定混凝土超灌高度控制装置的总体结构,研制简单易用、显示直观的一种控制装置。

灌注桩在混凝土灌注时,经过指定断面的介质依次为泥浆和混凝土,因其变化过程具有不可视的特点^[3] ,如何在不影响正常施工的条件下,准确判断混凝土介质并通过传感技术反映在地面的数据采集器上,采用定量的方法,在混凝土灌注过程中及时判断混凝土灌注高度是否达到设计要求,其主要研究解决的技术关键为:①需要传感技术测定的主要参数;②传感技术和方法的选择;③数据采集仪的显示。

研究技术路线如下:收集资料→分析影响因素→确定敏感因素→确定传感方式→测试灵敏度和精度→改进装置→数据采集报警→应用效果验证。

根据研究内容,选择1种方案:①测定不同介质的摩阻力变化;②测定压应力变化。设计加工了单桥探头、双桥探头和压力传感器探头。

1)单桥探头采用断面积为10cm²、型号为T1-10的产品,额定负荷为20k N,在工作环境-10~40℃,换算系数K=5N。

2)双桥探头采用断面积为10cm²、型号为T2-10的产品,额定负荷Q_C=30k N,F_S=8k N,在工作环境-10~40℃,端阻力换算系数K_c=10N,侧阻力换算系数K_s=2N。

3)压应力探头采用SYGJ-0.2型号,额定负荷为200k Pa,精度为0.02k Pa。

经过多次现场试验^[4] ,结果如下。

1)在灌注桩混凝土灌注过程中,泥浆和混凝土依次经过单桥探头和双桥探头时,测定的端摩阻力和侧摩阻力变化不明显,而且测定的摩阻力数值与灌注混凝土与探头的相对速度有关,无法精准确定。

2)压力探头测定的压应力在混凝土灌注过程中变化明显,在泥浆中压力变化基本保持稳定,随着混凝土面高于压力探头的增大,压力基本成比例直线上升趋势。

3)采用测定压力探头初始应力后,可根据压力值复核设定标高的准确性。

根据试验结果,判断混凝土灌注高度需要测定的主要传感技术参数选定为压应力,主要以测定混凝土灌注过程中压力差值的变化作为技术的核心。

同时,经过现场多次验证,对加工的压力探头不断改进,在保证精度不变的前提下,尽量减小压力探头的端面积,改进探头的外表形状,使之不干扰正常的灌注桩施工工序,增强其可操作性和适用性。

总体结构如图1所示。

控制装置构件如图2所示。控制装置构件主要包括:定位装置、压应力探头和数据采集仪。

如图3所示,压应力探头的信号传输由探头产生的频率经数据线传至数据采集仪,由数据采集仪进行数据转换处理,经数据采集仪内设置的对应关系,将采集到的频率计算出压应力值,显示屏中同时显示探头发出的频率和计算后的压应力信息。

压应力探头由制作的定位杆件准确固定在灌注桩设计桩顶标高位置,该定位杆件的设置与正常灌注桩的施工工序相结合,不会产生多余的工艺,不会降低施工生产效率。

在混凝土灌注之前,需要测定泥浆的重度和混凝土的重度,并对压应力探头采集初始数据,复核测定的泥浆重度参数。最后根据选择的报警测定方式,设置不同的报警参数,超灌高度达到报警值后即可停止灌注。

在工程实例试验的基础上,根据现场采集数据的结果,设定报警参数,报警采用警示灯闪烁方式,便于夜间施工使用。

该数值为压应力探头所在标高位置的总压力应力数值。设定混凝土超灌高度为H,则判定参数的准则为:判定值=初始压应力+(H高度混凝土的压应力-H高度泥浆的压应力),当采集压应力值≥判定值时,采集仪报警灯进行闪烁警示。

该数值为压应力探头所在标高位置的压力变化值。设定混凝土超灌高度为H,则判定参数的准则为:判定值=H高度混凝土的压应力-H高度泥浆的压应力,当采集压应力值≥判定值时,采集仪报警灯进行闪烁警示。

某工程主楼高9层,设2层地下室,基坑开挖深度13.8m,基坑面积5 240m²。该工程基坑采用内支撑支护方式,基坑工程与工程桩同时施工,工程桩设计桩径800mm,有效桩长为17.0m,空孔深度约13.0m,混凝土强度等级C35,坍落度为180~220mm。该工程桩基桩头控制难度较大,若桩头灌注高度过大,对工程材料浪费比率的影响较大,同时造成基坑内部土方开挖难度加大。

使用研发的控制装置,成功地解决了该工程灌注桩桩头控制的难题,通过该工程现场开挖验证,表明装置测量数据可靠,误差能保证在0.2m以内(见表1),完全满足施工要求。

通过对泥浆、混凝土等介质的特性综合分析,针对各类介质具有明显差异的参数,通过试验确定主要测量参数以及测量参数对不同介质的差异程度,通过现场试验、调整改进,再试验、再调整改进的方式,对多个工程的实例试验表明^[4] 。

1)泥浆、混凝土等介质的端摩阻力、侧摩阻力和压应力等物理参数中,压应力参数差异明显,采集数据稳定可靠,且具有较好的敏感性和反应速度,是区分判定混凝土和泥浆不同介质的有效技术参数。

2)压力探头定位装置设计合理,连接构件方便快捷,数据采集仪报警及时,对确定混凝土超灌高度及时响应,通过工程实例开挖验证,控制超灌高度误差均小于0.2m。