基樁成孔質(zhì)量檢測技術(shù)研究探討

仇道剛，陳江林，李俊啟

（南京銘創(chuàng)測控科技有限公司，江蘇 南京 210032）

0 引言

成孔質(zhì)量檢測，是指在灌注樁施工過程中，在成孔完成后、下放鋼筋籠之前，對樁孔的孔徑、孔深、垂直度以及沉渣厚度等指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)的過程。通常對檢測孔徑、孔深、垂直度指標(biāo)的設(shè)備稱為成孔質(zhì)量檢測儀。從設(shè)備的檢測原理角度可以分為超聲波式和機(jī)械式兩類。超聲波式由于其測試精度更高、設(shè)備集成度更高、技術(shù)更先進(jìn)，已經(jīng)成為市場的主流。沉渣厚度的檢測設(shè)備稱為沉渣厚度檢測儀，主要分探針法和電阻率法兩類。本文主要介紹市場主流的超聲波式成孔質(zhì)量檢測方法。

1 檢測原理

1.1 基本原理

超聲成孔質(zhì)量檢測儀的原理，是利用超聲波反射技術(shù)，將超聲波探頭以一定的速率放入充滿泥漿的孔（干孔）中，當(dāng)發(fā)射電路產(chǎn)生的電脈沖加到發(fā)射換能器上時(shí)，換能器將垂直孔壁發(fā)射出超聲波脈沖，超聲波在泥漿（空氣）中傳播到孔壁后部分被反射，反射回來的超聲波被接收換能器接收，并經(jīng)過放大、濾波等信號處理后，通過預(yù)設(shè)的泥漿（空氣）波速，即可計(jì)算出探頭到孔壁的距離。一般超聲波探頭在水平四個(gè)方向上有發(fā)射、接收的換能器，這樣就能得到探頭在水平四個(gè)方向上到孔壁的距離，然后經(jīng)過計(jì)算，最終得到孔徑、孔深和垂直度等樁孔參數(shù)，檢測原理如圖1 所示。檢測時(shí)探頭懸浮于泥漿（空氣）中，與孔壁不發(fā)生接觸，不會對孔壁造成二次傷害，屬于非接觸式檢測。

圖1 基本原理圖

1.2 孔徑計(jì)算原理

測試時(shí)，超聲波探頭在孔口位置應(yīng)盡量對準(zhǔn)孔的中心，但是無法保證在測試過程中的每一個(gè)測點(diǎn)超聲波探頭都在孔中心，所以探頭到孔壁的距離并非等于孔的半徑，孔徑計(jì)算要以探頭到孔壁四個(gè)方向的距離為依據(jù)，并且假設(shè)孔徑是標(biāo)準(zhǔn)圓形，設(shè)i方向上換能器到孔壁的距離為li，見式（1）。

式中：c為泥漿（空氣）波速，km/s；ti為i方向探頭到孔壁聲波傳播的時(shí)間，μs。

孔徑計(jì)算原理如圖2 所示，計(jì)算公式見式（2）。

圖2 孔徑計(jì)算原理圖

式中：D為孔的實(shí)測直徑、R1、R2為樁孔的半徑。

由勾股定理，可得式（3）、式（4）。

式中：l1為換能器方向 I 至孔壁的水平距離，mm；l2為換能器方向 Ⅱ 至孔壁的水平距離，mm；l3為換能器方向 Ⅲ 至孔壁的水平距離，mm；l4為換能器方向 Ⅳ 至孔壁的水平距離，mm；

1.3 垂直度計(jì)算原理

垂直度定義見式（5）。

式中：E為孔的偏心距，m；L為實(shí)測孔深度，m。

根據(jù)垂直度計(jì)算公式，可以看出，垂直度計(jì)算的關(guān)鍵在于樁孔的偏心距，由于超聲波探頭是由鋼絲懸吊，受重力的影響，在不受其他外力的情況下，探頭在檢測過程中的運(yùn)行軌跡是鉛垂線，如圖1 所示。這樣第一個(gè)測點(diǎn)的探頭位置和第n個(gè)測點(diǎn)的探頭位置俯視看是重合的。這是垂直度計(jì)算的關(guān)鍵。然而，有些成孔檢測設(shè)備，超聲波探頭是固定在鉆桿上的，由于鉆桿是剛性的，探頭在檢測工程中的運(yùn)行軌跡不是鉛垂線，故此垂直度計(jì)算方法不適用。

設(shè)探頭的位置為 O，第 1 個(gè)測點(diǎn)處孔的圓心位置為 O0，超聲波探頭中心 O 相對于樁孔圓心 O0的偏離坐標(biāo)為X0、Y0。第n個(gè)測點(diǎn)處孔的圓心位置為 On，超聲波探頭中心 O 相對于樁孔圓心On的偏離坐標(biāo)為Xn、Yn，如圖3 所示，則有式（6）～式（9）。

圖3 垂直度計(jì)算原理圖

式中：l10、l20、l30、l40為第 1 測點(diǎn)處探頭中心距離孔壁四個(gè)方向的水平距離，mm；l1n、l2n、l3n、l4n為第n測點(diǎn)處探頭中心距離孔壁四個(gè)方向的水平距離，mm。

同樣，由勾股定理，可以得出，樁孔在第n測點(diǎn)處的偏心距En見式（10）。

樁孔在第n測點(diǎn)處的垂直度Kn，見式（11）。

式中：Hn為第n個(gè)測點(diǎn)處的深度值，m。

2 檢測技術(shù)

2.1 泥漿要求

由于大多數(shù)成孔質(zhì)量檢測在泥漿護(hù)壁的樁孔中，這時(shí)，超聲波探頭在泥漿中工作，泥漿作為超聲波傳播的介質(zhì)，泥漿指標(biāo)對超聲波傳播會產(chǎn)生影響。如果泥漿中懸浮的顆粒越多或泥漿越黏稠，則會增加超聲波傳播過程中的能量消耗，接收信號會變?nèi)酢Ｒ虼耍瑸榱吮ＷC測試效果，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均對測試時(shí)泥漿的參數(shù)進(jìn)行了要求。成孔質(zhì)量檢測一般在一次清孔之后、下鋼筋籠之前，因此一次清孔后泥漿指標(biāo)應(yīng)滿足表1 要求，此時(shí)，一般有良好的測試效果。

表1 成孔質(zhì)量檢測泥漿指標(biāo)要求

2.2 氣泡影響

由于在清孔的過程中，泥漿的擾動可能會產(chǎn)生大量的氣泡。由于泥漿的懸浮作用，氣泡的上浮直到消散，需要一個(gè)過程。當(dāng)泥漿中懸浮大量氣泡時(shí)，氣泡會對超聲波的傳播產(chǎn)生影響，超聲波在泥漿與氣泡的表面產(chǎn)生折射、反射、衍射等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響接收換能器信號的接收。圖4 為典型氣泡數(shù)據(jù)對比，圖4（a）為氣泡沒有消散時(shí)的檢測數(shù)據(jù)，圖4（b）為靜置半個(gè)小時(shí)后的數(shù)據(jù)，可以明顯看出，靜置一段時(shí)間后，由于部分氣泡已經(jīng)消散，反射聲波信號更加清晰。因此，如果發(fā)現(xiàn)清孔以后，孔口泥漿表面有氣泡，應(yīng)靜置一段時(shí)間，等氣泡消散完以后再進(jìn)行檢測。

圖4 受氣泡影響的檢測數(shù)據(jù)對比

3 工程案例

3.1 案例 1

南京某橋是江蘇省內(nèi)的重點(diǎn)項(xiàng)目，總投資約 60 億元，于 2017 年 4 月開工，采用北橋南隧的過江方式，由于樁徑大、樁身長，所有橋梁灌注樁均做成孔質(zhì)量檢測。在此，以 N4-6 和 26-3 兩個(gè)樁孔的數(shù)據(jù)作為分析對象，現(xiàn)場檢測如圖5 所示，檢測孔形圖如圖6、圖7 所示。其中 N4-6 孔徑 1 800 mm、鉆孔深度 72.15 m；26-3 孔徑 1 500 mm、鉆孔深度 84.7 m。由圖6 可以清楚地看出：N4-6 護(hù)筒深度約 14 m，深度 50 m 位置有傾斜，孔壁反射信號清晰，通過數(shù)據(jù)計(jì)算得知，平均孔徑 1 836 mm，垂直度 0.43 %；由圖7 同樣也能看出，26-3 護(hù)筒深度約 32 m，護(hù)筒較 N4-6 更加傾斜，孔壁反射信號清晰，通過數(shù)據(jù)計(jì)算得知，平均孔徑 1 626 mm，垂直度 0.27 %。

圖5 南京某橋成孔質(zhì)量檢測現(xiàn)場

圖6 南京某橋 N4-6 孔形圖

圖7 南京某橋 26-3 孔形圖

3.2 案例 2

南京某過江通道，北主塔采用 6 6 根樁徑 2 800 mm，樁長 110 m 的超大超深鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。NT4-12 號樁孔，設(shè)計(jì)孔深 125 m，樁徑 2 800 mm，圖8 為 NT4-12 號樁孔檢測現(xiàn)場。從圖9 孔形圖上同樣可以清晰看出樁孔的形態(tài)。護(hù)筒深度達(dá)到 52 m 左右，輕微傾斜，鉆孔施工時(shí)需穿過 39 m 厚粉砂、粉細(xì)砂及圓礫層，鉆孔過程的塌孔風(fēng)險(xiǎn)高，通過成孔質(zhì)量監(jiān)測，可以隨時(shí)了解孔壁的穩(wěn)定性，還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)樁孔的傾斜情況，以便盡早糾正。

圖8 南京過江通道現(xiàn)場檢測圖

圖9 南京過江通道 NT4-12 孔形圖

4 典型數(shù)據(jù)

4.1 假縮頸

由于成孔質(zhì)量檢測設(shè)備，早期只用于地下連續(xù)墻成槽的檢測，地下連續(xù)墻的槽壁是兩個(gè)平面，因此圖形上兩個(gè)槽壁之間的距離就是槽寬，可以從槽壁圖上直觀看出槽寬的變化。此檢測技術(shù)后期逐漸延伸到成孔質(zhì)量檢測，因?yàn)闃犊资菆A形，孔形圖上兩個(gè)孔壁之間的距離并不一定等于孔徑，但是由于長期的使用習(xí)慣，容易在樁孔傾斜時(shí)，誤判為縮頸。如圖10 所示，從孔形圖上看，容易得出 X-X′ 在 55～65 m 深度存在縮頸現(xiàn)象，這是因?yàn)楫?dāng)樁孔傾斜時(shí)，探頭不在孔中心，此時(shí)至少存在一對方向上探頭到孔壁的距離是變小的。如圖11 所示，當(dāng)探頭向Y方向偏移時(shí)，則X-X′ 距離就會減小，而孔形圖顯示的縮頸就是這個(gè)弦距變小了。

圖10 假縮頸數(shù)據(jù)圖

圖11 假縮頸原理圖

4.2 支盤樁檢測

在相同地質(zhì)條件下，支盤樁與相同樁長和樁徑的普通鉆孔灌注樁相比，工后沉降量減小 30 %～70 %，混凝土用量增加 10 %～20 %，承載力則可增加 50 % ～80 %。因此支盤樁可以節(jié)約工程造價(jià)，提高樁身承載能力，有廣闊的發(fā)展空間［3］。但是支盤樁澆筑完成后的成品質(zhì)量檢測已經(jīng)成為該項(xiàng)技術(shù)大范圍推廣的一個(gè)制約因素。成孔階段支盤盤腔形狀是否能到達(dá)設(shè)計(jì)要求，是支盤樁施工的關(guān)鍵。由于在實(shí)際成孔過程中，很難確認(rèn)是否真正形成有效盆腔、以及盆腔位置是否存在塌孔。所以現(xiàn)場需要可靠的驗(yàn)收手段保證在混凝土澆筑前支盤盤腔的形狀滿足設(shè)計(jì)要求。

超聲成孔質(zhì)量檢測可以有效解決這個(gè)問題，但是由于在支盤位置超聲波入射角度與孔壁不垂直，導(dǎo)致此處反射信號明顯弱于垂直入射孔壁的反射信號。因此，支盤樁的成孔質(zhì)量檢測要求成孔質(zhì)量檢測儀有更高的性能。圖12 為某支盤樁模型，圖13 為某支盤擴(kuò)底樁成孔質(zhì)量檢測孔形圖。從圖形上能看出支盤盆腔的形狀，為成孔的驗(yàn)收提供了重要依據(jù)。

圖12 某支盤樁模型

圖13 某支盤擴(kuò)底樁成孔質(zhì)量檢測孔形圖

5 測試效果影響因素

超聲波成孔質(zhì)量測試效果主要受四方面因素影響，分別是儀器設(shè)備、泥漿參數(shù)、地層以及反射角度。

1）儀器設(shè)備的影響。由于超聲波設(shè)備的發(fā)射功率不同，信號接收能力不同，導(dǎo)致不同的設(shè)備在同樣的條件下測試同一個(gè)樁孔，測試效果有區(qū)別，目前市場主流設(shè)備性能差異并不大。

2）泥漿參數(shù)的影響。作為超聲波傳播的介質(zhì)，必然會影響測試效果。雖然規(guī)范規(guī)定，測試樁孔的泥漿達(dá)要到一定要求，但是有些個(gè)別的樁孔因地質(zhì)條件限制或受清孔工藝制約，測試時(shí)泥漿仍然達(dá)不到測試要求。同時(shí)，試驗(yàn)表明，新制備的泥漿往往對超聲波的吸收要小一些，而循環(huán)泥漿比新泥漿通常要高出 40 dB/m［4］。可見，泥漿參數(shù)影響很大。

3）地層的影響。由于不同的地層，對聲波的反射情況不一樣，一般情況下，地層越堅(jiān)硬、孔壁泥皮越光滑，對超聲波的反射效果越好；反之，地層越松軟，表面越粗糙，則反射更接近漫反射，在接收換能器方向上的反射就越少。

4）超聲波入射角度的影響。超聲波的反射規(guī)律遵循入射角等于反射角的原則，當(dāng)超聲波垂直界面入射時(shí)，反射聲波亦垂直界面反射，此時(shí)接收換能器接收效果最好。當(dāng)樁孔傾斜、塌孔或有支盤存在時(shí)，換能器發(fā)射的超聲波并不是垂直入射于孔壁，此時(shí)，反射的聲波也只有一部分向接收換能器方向傳播，所以入射角度會影響接收換能器的接收效果。

6 存在的問題

由于成孔質(zhì)量測試效果受儀器設(shè)備、泥漿、地層、超聲波入射孔壁角度等因素影響，在實(shí)際工程實(shí)踐中，不可避免的會出現(xiàn)某一深度的某一段數(shù)據(jù)測試效果差，尤其是在一些特殊的地層，如圖14 所示，在 7～9 m 位置由于地層原因，無法測試到有效的超聲波反射信號，從而導(dǎo)致該段測點(diǎn)探頭到孔壁的距離無法 獲得。

圖14 局部反射信號弱數(shù)據(jù)（單位：m）

以目前的檢測技術(shù)來看，短期內(nèi)尚無技術(shù)手段解決這個(gè)問題。對于首波無法識別的數(shù)據(jù)，目前行業(yè)做法是軟件自動賦一個(gè)聲時(shí)值，這樣就導(dǎo)致孔徑以及垂直度的計(jì)算出現(xiàn)偏差。如果無法識別首波的測點(diǎn)較多，那么這個(gè)偏差會很大。在數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)應(yīng)該引入異常測點(diǎn)數(shù)據(jù)的剔除機(jī)制，類似聲波透射法聲速臨近值計(jì)算時(shí)異常點(diǎn)的剔除。從超聲波的接收效果看，成孔質(zhì)量檢測由于環(huán)境更惡劣，接收效果明顯差于聲波透射法，但是聲波透射法由于發(fā)展早，體系更加完善，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析上，標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)有明確的統(tǒng)計(jì)分析方法。而成孔質(zhì)量檢測的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析尚不完善，目前還沒有一部標(biāo)準(zhǔn)有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，僅僅是給出了孔徑計(jì)算方法。這樣就導(dǎo)致如果有局部數(shù)據(jù)有無法正確識別首波測點(diǎn)存在時(shí)，孔徑和垂直度的計(jì)算就會受到影響，這樣測點(diǎn)越多則影響越大。

7 結(jié)語

基樁的成孔質(zhì)量檢測能夠獲得被檢樁孔的孔徑、孔深、垂直度等重要參數(shù)，在一定程度上能夠避免因樁孔問題導(dǎo)致的成樁質(zhì)量問題，可以有效減少返工，節(jié)約施工成本。尤其是對大直徑灌注長樁來說，效益更加顯著；同時(shí)，在試樁方面，通過對孔壁的穩(wěn)定性監(jiān)測，能夠?yàn)槌煽坠に嚒⒛酀{參數(shù)的調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)；在非等截面樁方面，能夠解決非等截面樁的成孔質(zhì)量驗(yàn)收難的問題，為非等截面樁帶來新的發(fā)展空間。隨著成孔質(zhì)量檢測的普及，檢測技術(shù)也會日趨完善。對于設(shè)備來說，在惡劣環(huán)境下，有好的測試效果是未來發(fā)展的方向。對于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法，相信隨著該技術(shù)的普及，也會更加貼近工程實(shí)際，日趨完善。Q