钻孔灌注桩因具有“显著提高单桩承载力,减少桩和承台数量,降低成本;使用灵活、受力明确、计算简洁”等优点,在各种建(构)筑物基础中得到了广泛的应用,且桩径、桩长越来越大。钻孔灌注桩中的混凝土拌合物灌注通常采用导管法。灌注时,导管插入到孔底,然后一边灌注混凝土拌合物,一边起拔导管。在灌注过程中,混凝土拌合物由下往上升,且最早灌注的混凝土拌合物位于最上面。在孔中,需要进行泥浆护壁。另外,由于混凝土拌合物的离析,粗骨料下沉,水泥和细骨料上浮,形成浮浆层。也就是说,在灌注混凝土拌合物的过程中,孔内由上到下存在三层不同的物质,即泥浆层、浮浆层及混凝土拌合物层。灌注时,需探测混凝土拌合物面的高度,确保桩顶混凝土拌合物强度达到设计等级。如探测不准确,或造成桩顶高度小于设计要求,此种情况下需要补桩;或造成桩顶高度大于设计要求,此种情况下需要截桩,同时造成混凝土拌合物浪费。

国内外开展混凝土拌合物面高度检测的研究成果较多^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9]},探测方法、工具有测深锤法、钢管取样盒、感应式测深仪、电导式测深仪等。但因为已有桩顶混凝土拌合物面测量仪价格偏高、测量精度低或使用不方便等原因使得实践中,最常见的桩顶混凝土拌合物面测量仪仍是误差较大的测深锤法。对此,规范要求混凝土拌合物超灌0.8~1 m,不仅造成混凝土拌合物浪费,而且增加了截桩头的处理费用。本文提供了一种精准、快速、方便检测混凝土拌合物面是否到达设计高度的装置及判断方法。

水泥熟料主要由四种氧化物组成,氧化钙(CaO)、氧化硅(SiO₂)、氧化铝(AI₂O₃)和氧化铁(Fe₂O₃)。经过高温煅烧,形成硅酸三钙(3CaO·SiO₂),简称为C₃S;硅酸二钙(2CaO·SiO₂),简称为C₂S;铝酸三钙(3CaO·AI₂O₃),简称为C₃A;铁铝酸四钙(4CaO·AI₂O₃·Fe₂O₃),简称为C₄AF。四种氧化物在常温下保持了高温型矿物结构,或者结构产生了畸变,处于较高的能量状态。而混凝土拌合物在硬化过程中,水泥熟料矿物与水发生水化反应生成水化产物时,高能量状态转变为稳定状态,会以热的形式释放能量,即为水化热。由于水化热影响,拌合物的温度将逐渐上升。这样,泥浆层、浮浆层及混凝土拌合物层将出现一个明显的温差。张国强、曹惠宾^[10]研究得出温度测量值在孔中泥浆和混凝土拌合物分界面上下有明显的变化,但其变化突变性不明显,温度只能作为参考方法。陈德强^[11]研究得出在泥浆、浮浆和混凝土拌合物的分界面上,温度测量值有明显变化,但并未就温度提出合理性的精确测量方法。

混凝土拌合物灌注环境用高30 cm、体积20 L的薄壁钢材料桶模拟(图1)。试验前,按试验要求加工多功能反力架一套,将材料桶连接于反力架的法兰盘上,材料桶中心位置处插入不锈钢连杆,连杆表面如图位置布置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个PT100温度传感器,该温度传感器量程0~100 ℃,精度0.01 ℃,分别测量混凝土拌合物层、浮浆层、泥浆层和环境温度。连杆顶部插入多功能反力架顶部预留孔道中,用螺栓固定。

室内试验时在材料桶内等体积设置混凝土拌合物、浮浆、泥浆三种材料。

2.2.1 混凝土拌合物

① 混凝土拌合物强度等级为C30,坍落度35~50 mm,所用材料见表1。

将表1材料按《普通混凝土拌合物配合比设计规程》进行配合比设计,1 m³混凝土拌合物的配合比为 m_水泥:m_砂:m_石:m_水=403.56 kg:582.96 kg:1 242.15 kg:171.34 kg;其中水灰比W/C=0.46,砂率β_s=32%。

② 实验用混凝土拌合物体积V=20/3 L,考虑过程中损失,实配V=9 L,各种材料所需质量为:m_水泥:m_砂:m_石:m_水=3.632 kg:5.247 kg:11.179 kg:1.542 kg,称量,用混凝土拌合物搅拌机搅拌均匀备用。

2.2.2 浮浆

现场浮浆在灌注过程中经一定时间形成,粘稠状,比重(ρ)为1.8 g/cm³,厚度一般0.5~1 m。室内模拟试验中将其简化为一层人造浮浆层。

① 实际配比:m_水:m_水泥:m_膨润土:m_砂=50 kg:10 kg:20 kg:20 kg,ρ=1.45 g/cm³。

② 实验用浮浆V=20/3 L,考虑过程中损失,实配V=8 L,则各种材料所需质量为: m_水:m_水泥:m_膨润土:m_砂=5.8 kg:1.16 kg:2.32 kg:2.32 kg,称量,用砂浆搅拌机搅拌均匀备用。

2.2.3 泥浆

施工现场为膨胀土或高塑性黏土现场加水搅拌,比重1.1~1.15 g/cm³,粘度10~25 Pa·s,含砂率小于6%,胶体率大于95%。

工程建议水与膨润土比例为5:1,试配后测得其比重为1.1 g/cm³,按试验所需体积V=20/3 L计算得到:m_{膨润土+水}=1.1×20/3×1000=7.33 kg,则实称m_水=6.11 kg,m_膨润土=1.22 kg,用砂浆搅拌机搅拌均匀备用。

材料制备完成后,依次分层将混凝土拌合物、浮浆和泥浆装入材料桶中,用刻度尺测量各材料层的高度,各层高度均为10 cm。材料装入完成后,数据采集系统开始采集数据,时间持续50 h。整理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号温度传感器记录的结果,得到混凝土拌合物层、浮浆层、泥浆层和环境温度随时间的变化规律(图2)。

从图2可知,不同材料温度变化过程可概括为3个阶段:第一阶段为上升阶段,时间为开始到10 h;第二阶段为稳定阶段,时间为10~16 h;第三阶段为下降阶段,时间为16~36 h。随着时间的增长,混凝土拌合物层和浮浆层温度具有显著变化,峰值点处混凝土拌合物温度相较于室温升高约5℃,浮浆层温度升高约4 ℃,而泥浆层温度变化不明显,温度升高1 ℃以内。全过程中混凝土拌合物层温度均高于浮浆层,且保持0.2~1 ℃的温差。

选择长春—深圳国家级高速公路浙江省湖州段扩容工程第1合同段钻孔灌注桩工程,开展了混凝土拌合物顶测量的研究。该工程含基桩711根,平均桩长40.03 m,桩径1.0~1.6 m。

现场试验装置由3部分组成:安装支座、顶杆和横梁(图3)。安装支座与钢护筒装配时,只需要将底槽钢卡入钢护筒侧壁并用第一压紧螺栓压紧即可,且装配后两个部件连接牢固;另外,方套管与中槽钢之间依靠锁紧螺栓连接的设计,可以在需要时旋松螺栓,将方套管水平向转动,以调整横梁的水平摆角,而紧固时螺栓完全容置在T型孔内,不会干扰到横梁在方套管内的正常安装。

横梁由多个梁单体构成,每个梁单体的两端均设有一个法兰盘,每两个相邻的梁单体通过法兰盘螺接;外端的一个梁单体滑动插接在方套管内,且方套管的顶板上设有螺纹孔,螺纹孔内设有第二压紧螺栓,第二压紧螺栓将该梁单体压紧在方套管的底壁上,该结构可实现横梁长度和顶杆横向位置的双重调节。

顶杆由多根杆件单体构成,每根杆件单体两端均设有外螺纹,每两根相邻的杆件单体经一个内螺纹套筒连接;横梁中间设有一个通孔,最上方的一个杆件单体设有全螺纹,全螺纹上旋有两个锁紧螺帽,最上方的一个杆件单体插入横梁的通孔内,两个锁紧螺帽分别位于通孔的上下两端,可实现顶杆长度的调节。

温度传感器分别布置在顶杆底部及其上方50 cm处,为保证试验结果的准确性,在同一高度布置2个温度传感器。

选择了桩径1.6 m的基桩开展现场试验,设计孔深36.707 m,护筒顶标高2.707 m,桩顶标高0.5 m,桩底标高-34 m,混凝土拌合物C30,泥浆比重 1.1~1.15 g/cm³,累计灌注混凝土拌合物约75 m³,灌注时间约4 h。下面以灌注最后一车混凝土拌合物时的监测结果(图4、图5)为例进行分析。

由图4可知:在灌注过程中温度有显著变化,由于该基桩总灌注时间短,故现场温度变化相当于室内试验时第一阶段的开始阶段,且不同高度的温度传感器其温度变化不同,可将其变化过程概括为3个阶段——初始水平段、曲线上升段、稳定水平段(图5):在初始水平段,因为灌注开始,环境和泥浆温度相差不大,因此无论泥浆是否淹没温度传感器,其温度波动较小,基本上处于恒定值;在曲线上升段:当温度传感器接触到新的介质——浮浆时,由于水化热的存在,温度值开始急速上升;随着灌注过程的继续,浮浆高度逐渐上升,温度传感器完全埋入浮浆层并逐渐下探,此时温度继续上升但是上升速度逐步下降,当温度传感器触碰到混凝土拌合物时,温度值达到峰值;在稳定水平段,由于传感器始终埋置混凝土拌合物中,温度值趋于稳定。

浮浆和混凝土拌合物层因水化热均具有使温度传感器变化的特性,从图4可以看出,1号、2号温度传感器温度平均峰值为30.5 ℃,3号、4号温度传感器温度平均峰值29.5 ℃。根据温度的传递特性,说明3号、4号温度传感器始终没有到达混凝土拌合物面,因此1号、2号温度传感器是浮浆和混凝土拌合物共同作用的结果,而3号、4号温度传感器仅是浮浆的作用结果,浮浆层和混凝土拌合物层存在1 ℃左右的温差。通过现场竹竿和测深锤进一步验证了灌注高度的正确性。

浮浆和混凝土拌合物层有明显的温差,是开展混凝土拌合物灌注高度研究的前提条件,如何利用温度的差异变化开展混凝土拌合物面检测的研究?混凝土拌合物的水化热除了受水泥型号、矿物成分、水泥用量等自身因素的影响外,还与灌注时间等现场施工环境有关,因此对于每一个工地,甚至每一根基桩,其温度都存在差异,不能用恒定的标准来判定混凝土拌合物灌注高度,而应该根据现场实际而定(图6):在设计桩顶高度位置及其下方50 cm处分别埋置一个温度传感器,利用设计桩顶高度下方50 cm的温度传感器获得该基桩混凝土拌合物的温度峰值,再利用设计桩顶高度位置的温度传感器的温度峰值作为混凝土拌合物顶的判定点。

随着混凝土拌合物灌注的进行,最早灌注的混凝土拌合物位于最上面,会先接触到位置低的第一个温度传感器,使第一个温度传感器升温到达峰值,故可通过观测该温度传感器获取到峰值。而当第二个温度传感器也到达峰值,可以判断,混凝土拌合物面到达第二个温度传感器的高度,即为实际灌注混凝土拌合物顶到达了桩顶设计高度。为了确保桩顶高度达到设计要求,混凝土拌合物超灌在设计桩顶高度位置即第2个温度传感器上方0.5 m。

1) 通过对泥浆、浮浆和混凝土拌合物的温度变化室内试验可知,随着时间的增长,混凝土拌合物层和浮浆层温度有显著变化,混凝土拌合物层温度高于浮浆层,两者有明显的温差。泥浆层温度最低且变化不明显。

2) 在设计桩顶高度位置及其下方50 cm处分别埋置一个温度传感器,利用设计桩顶高度下方50 cm的温度传感器获得混凝土拌合物的温度峰值,再利用设计桩顶高度位置的温度传感器的温度峰值判定混凝土拌合物顶。

3) 为了确保桩顶高度达到设计要求,混凝土拌合物超灌在设计桩顶高度位置即第2个温度传感器上方50 cm。