灌注樁超聲波成孔質(zhì)量檢測(cè)

邱國(guó)陽(yáng)

摘要：對(duì)于橋梁，成孔質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響鉆孔灌注樁的成樁質(zhì)量。一旦出現(xiàn)成孔質(zhì)量問題，在成樁后很難處理，且有可能存在安全隱患。本文詳細(xì)介紹了灌注樁超聲波成孔質(zhì)量檢測(cè)的原理、方法，指出影響檢測(cè)成果的主要因素，并用實(shí)例進(jìn)行分析，最后提出了超聲波成孔檢測(cè)的重要性以及檢測(cè)過程中的注意要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：橋梁；灌注樁；成孔質(zhì)量檢測(cè)

中圖分類號(hào)：U446.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

鉆孔灌注樁是橋梁等結(jié)構(gòu)較為常用的基礎(chǔ)形式，對(duì)應(yīng)的施工有鉆孔、沖擊成孔、沖抓成孔等。由于鉆孔施工時(shí)往往采用泥漿護(hù)壁，如果施工時(shí)泥漿原料不合適、地質(zhì)條件復(fù)雜或施工人員操作不當(dāng)?shù)龋菀讓?dǎo)致泥漿性能指標(biāo)達(dá)不到規(guī)范要求，從而施工過程中出現(xiàn)塌孔、擴(kuò)徑、縮徑、孔底沉渣厚度等缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致樁基出現(xiàn)各種各樣的質(zhì)量問題，因此有必要在成孔后灌注混凝土前對(duì)成孔質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，減少樁基安全隱患。

一、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及內(nèi)容

成孔檢測(cè)的主要規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)包括《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T F50-2011、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ 94-2008、《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50202-2002以及江蘇、天津等地的地方標(biāo)準(zhǔn)，如《鉆孔灌注樁成孔、地下連續(xù)墻成槽檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》。

成孔質(zhì)量檢驗(yàn)內(nèi)容包括孔的中心位置、孔徑、傾斜度、孔深、沉淀厚度、清孔后泥漿指標(biāo)。其中清孔后泥漿指標(biāo)包含相對(duì)密度、黏度、含砂率、膠體率四個(gè)參數(shù)，且僅限大直徑樁或由特定要求的鉆孔樁才進(jìn)行測(cè)試。

二、檢測(cè)方法及原理

由于孔的中心位置、清孔后泥漿指標(biāo)檢測(cè)方法較為簡(jiǎn)單，故不做細(xì)述，本文重點(diǎn)介紹孔徑、傾斜度、孔深、沉淀厚度的檢測(cè)方法及原理。

1.測(cè)試原理及儀器設(shè)備

超聲波孔壁測(cè)試儀，主要包含主機(jī)和絞車兩個(gè)部分。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，利用絞車將探頭放人孔內(nèi)，依靠自重保持測(cè)試探頭處于鉛垂位置。測(cè)試時(shí)，超聲振蕩器產(chǎn)生一定頻率的電脈沖，經(jīng)放大后由發(fā)射換能器轉(zhuǎn)換為聲波，通過泥漿向孔壁方向傳播，由于泥漿與孔壁的聲阻抗有較大差異，聲波到達(dá)孔壁后絕大部分被反射回來，經(jīng)接收換能器接收。聲波從發(fā)送到接收的時(shí)間，即為聲波在孔內(nèi)泥漿中的傳播時(shí)間。由于超聲波在泥漿介質(zhì)中傳播速度V是恒定的，假設(shè)超聲波的探頭至孔壁的距離為L(zhǎng)，實(shí)測(cè)聲波發(fā)射至接收的時(shí)間差為t，則按距離L=V?t／2。

聲波探頭中的四組換能器一般十字交叉布置，故可以探測(cè)孔內(nèi)某高程測(cè)點(diǎn)兩個(gè)方向相反的探頭與孔壁之間的距離，進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，即可得到該鉆孔兩個(gè)方向孔壁的剖面變化圖。如此改變測(cè)點(diǎn)高度，就可獲得整個(gè)鉆孔在該斷面測(cè)點(diǎn)剖面變化圖。當(dāng)絞車在測(cè)試時(shí)始終保持吊點(diǎn)不變且鋼絲繩垂直，即可通過鉆孔孔壁剖面圖得到鉆孔的垂直度。實(shí)際鉆孔孔深減去實(shí)測(cè)孔深值即得到沉淀厚度。超聲波測(cè)試原理圖1所示，聲波法檢測(cè)孔徑和垂直度的實(shí)測(cè)成果如圖2所示。檢測(cè)儀器如圖3、4所示。

圖1超聲波成孔檢測(cè)原理圖圖2成孔傾斜度超標(biāo)圖

圖3超聲波成孔檢測(cè)儀-主機(jī)圖4超聲波成孔檢測(cè)儀-絞車

2.計(jì)算原理

如圖5所示，假設(shè)O為測(cè)試探頭中心點(diǎn)，AB、CD為孔頂截面探頭兩個(gè)測(cè)試方向，LOA、LOB、LOC、LOD為探頭中心至孔頂截面孔壁四個(gè)方向的距離，O＇為孔頂截面中心。A＂B＂、C＂D＂為孔底截面探頭兩個(gè)測(cè)試方向，LOA＂、LOB＂、LOC＂、LOD＂為探頭中心至孔底截面孔壁四個(gè)方向的距離，O＂為孔底截面中心。Hn為孔底至孔底截面高度。

圖5孔徑及傾斜度計(jì)算示意圖

根據(jù)上圖，可以計(jì)算得出孔頂截面的半徑 ，孔頂位置探頭中心偏離 。同樣可以得到孔底截面的半徑R＇、OO＂。

根據(jù)圖5可以看出，孔頂、孔底截面中心的偏位為O＇O＂。首先計(jì)算孔頂截面探頭中心O相對(duì)于截面中心O＇的偏離坐標(biāo)X0、Y0，以及孔底截面探頭中心O相對(duì)于截面中心O＂的偏離坐標(biāo)X0＂、Y0＂。

X0=LOB－（LOB +LOA）/2; Y0= LOC－（LOC +LOD）/2;

X0＂=LOB＂－（LOB＂ +LOA＂）/2; Y0＂= LOC＂－（LOC＂ +LOD＂）/2

孔頂至孔底的傾斜度= O＇O＂/Hn×100%。

三、主要影響因素

超聲波測(cè)孔是個(gè)復(fù)雜的過程，其測(cè)量精度受介質(zhì)條件、儀器性能參數(shù)、測(cè)量方法等多種因素影響。介質(zhì)條件影響主要表現(xiàn)在泥漿參數(shù)變化引起超聲波的衰減。泥漿溫度w、比重E、壓力P變化引起聲速C變化，泥漿湍度升高聲速增高，泥漿比重增大，聲速變慢。波速影響公式C=a1W+a2E+a3P ( 其中：a1，a2，a3。一影響因子系數(shù))

儀器性能參數(shù)的影響，如發(fā)射頻率、電壓、發(fā)射角及接收波前沿誤差等。測(cè)量方法影響主要有儀器對(duì)中、測(cè)量方位、孔徑校正和記錄靈敏度增益控制等誤差。但歸納起來，泥漿比重的控制、距離校正的好壞以及測(cè)量方法的調(diào)整是最主要的影響因素，它直接決定著測(cè)量結(jié)果的精度。另外，如果孔頂護(hù)筒已嚴(yán)重變形或樁孔進(jìn)行多次掃孔，容易導(dǎo)致灌注樁成孔截面變成非圓形，若仍然按照前述公式進(jìn)行計(jì)算，可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的計(jì)算偏差，這點(diǎn)需特別注意。

1.泥漿比重

樁孔施工時(shí)，機(jī)械難免會(huì)刮碰孔壁。由如果于地層松散或泥漿孔壁不好，容易導(dǎo)致塌孔，使得泥漿中懸浮顆粒增多，泥漿比重較大，再加上機(jī)械設(shè)備旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的氣泡，會(huì)對(duì)超聲波能量造成嚴(yán)重的散射和衰減。當(dāng)泥漿比重超過某一限度后，盡管測(cè)試儀器增益已經(jīng)調(diào)試很大，但由于回波信號(hào)太弱而不能接收到，無(wú)法顯示孔壁圖形。但泥漿比重也不能太低，因?yàn)殂@孔隨深度增加，周圍土體的應(yīng)力將進(jìn)行重新調(diào)整，一旦最大主壓應(yīng)力和最小主壓應(yīng)力及垂直主應(yīng)力達(dá)到某一比例關(guān)系時(shí)即超過土體的抗剪強(qiáng)度容易造成塌孔，這不僅對(duì)成孔的質(zhì)量產(chǎn)生影響，而且會(huì)導(dǎo)致儀器探頭因塌孔而埋入孔底，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明泥漿比重控制在1.18～1.22kg/L之間比較好。

2.孔徑校正

孔徑校正是以孔口附近某平而作為參考平面，對(duì)孔壁反射波加以校正，使得參考平面直徑與實(shí)測(cè)孔徑相等。這是保證樁孔檢測(cè)成敗的關(guān)鍵。如果孔口距離校正不準(zhǔn)確，實(shí)測(cè)孔徑就不準(zhǔn)確。嚴(yán)重時(shí)記錄曲線還會(huì)發(fā)生畸變。實(shí)際上，由于孔壁或護(hù)筒不規(guī)則，距離校正為零是不可能的。一般可以根據(jù)護(hù)筒頂?shù)膶?shí)測(cè)直徑進(jìn)行校正，而一般的超聲波成孔檢測(cè)儀均有孔徑修正功能。

四、實(shí)例分析

某工程的設(shè)計(jì)樁孔孔徑2000mm，孔深88.410，護(hù)桶直徑2200mm。實(shí)際鉆孔孔深88.550m。成孔檢測(cè)實(shí)測(cè)曲線及計(jì)算過程如下：

圖6 某工程灌注樁成孔檢測(cè)實(shí)測(cè)曲線圖

1.孔深、沉渣厚度

根據(jù)上述實(shí)測(cè)曲線圖可知，實(shí)測(cè)孔深為88.450m＞88.410mm，沉渣厚度=（88.550-88.450）×1000=100mm＜300mm；孔身、沉渣厚度滿足規(guī)范要求.

2.孔徑

將LOA=1090mm、LOB=1091mm、LOC=1053mm、LOD=1165mm代入公式計(jì)算,孔頂位置R=1100mm；

將LOA＂=1090mm、LOB＂=850mm、LOC＂=900mm、LOD＂=1163mm，代入公式計(jì)算,孔底位置R=1009mm；

經(jīng)類似計(jì)算，孔身各截面半徑均大于1000mm，滿足規(guī)范要求。

3.傾斜度

取孔頂、孔底截面進(jìn)行分析，將LOA、LOB、LOC、LOD及LOA＂、LOB＂、LOC＂、LOD＂代入公式計(jì)算得，孔頂截面OO＇=56mm，孔底截面OO＂=178mm?？孜黄頞＇O＂=142mm＜500mm，故傾斜度= O＇O＂/Hn×100%=142/88450×100%=0.16%,滿足規(guī)范要求。

4.結(jié)果判定

綜合考慮上述計(jì)算結(jié)果，該孔各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，為合格孔。

五、結(jié)論

1.樁徑、垂直度、沉渣厚度是確保基樁承載力的關(guān)鍵因素，成孔質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響鉆孔灌注樁的成樁質(zhì)量。一旦出現(xiàn)成孔質(zhì)量問題，在成樁后很難處理，需要充分重視成孔質(zhì)量檢測(cè)工作。通過成孔質(zhì)量檢測(cè)可以在施工過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)處理。通過測(cè)試還可以對(duì)施工情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最終選取適合實(shí)際場(chǎng)地特點(diǎn)的施工工藝和施工機(jī)具。另外，一般來講如果成孔質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，只要嚴(yán)格控制灌混凝土程序，成樁質(zhì)量是容易保障的。因此，成孔質(zhì)量檢測(cè)既是對(duì)施工過程的監(jiān)測(cè)和指導(dǎo)，也是對(duì)成樁質(zhì)量的有利保證，應(yīng)加大成孔質(zhì)量檢測(cè)的推廣力度。

2.對(duì)于非等截面樁，至今尚沒有有效的方法檢測(cè)樁的完整性，主要原因就是其樁身存在若干個(gè)非等截面。低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)般是在成樁之后進(jìn)行，并且只能分辨出樁頂以下第一個(gè)非等截面。因此，非等截面樁的成孔檢測(cè)就顯得更加重要。

3.應(yīng)用超聲波反射技術(shù)進(jìn)行成孔質(zhì)量檢測(cè)不傷害孔壁，是比較科學(xué)、先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)方法，可以進(jìn)行推廣應(yīng)用。但實(shí)際測(cè)試過程中應(yīng)根據(jù)具體樁型、地層及泥漿特點(diǎn)等，綜合分析影響超聲波傳播的主要因素，并相應(yīng)地加以抑制，才能獲得反映孔壁真實(shí)情況的數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn):

［1］弓天云、田克平等，《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T F50-2011

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。