灌注樁超聲波成孔質量檢測

邱國陽

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

關鍵詞：橋梁；灌注樁；成孔質量檢測

中圖分類號：U446.1文獻標識碼：A

引言

鉆孔灌注樁是橋梁等結構較為常用的基礎形式，對應的施工有鉆孔、沖擊成孔、沖抓成孔等。由于鉆孔施工時往往采用泥漿護壁，如果施工時泥漿原料不合適、地質條件復雜或施工人員操作不當等，容易導致泥漿性能指標達不到規范要求，從而施工過程中出現塌孔、擴徑、縮徑、孔底沉渣厚度等缺陷，進而導致樁基出現各種各樣的質量問題，因此有必要在成孔后灌注混凝土前對成孔質量進行檢測，減少樁基安全隱患。

一、檢測標準及內容

成孔檢測的主要規范、標準包括《公路橋涵施工技術規范》JTG/T F50-2011、《建筑樁基技術規范》JGJ 94-2008、《建筑地基基礎工程施工質量驗收規范》GB50202-2002以及江蘇、天津等地的地方標準，如《鉆孔灌注樁成孔、地下連續墻成槽檢測技術規程》。

成孔質量檢驗內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。其中清孔后泥漿指標包含相對密度、黏度、含砂率、膠體率四個參數，且僅限大直徑樁或由特定要求的鉆孔樁才進行測試。

二、檢測方法及原理

由于孔的中心位置、清孔后泥漿指標檢測方法較為簡單，故不做細述，本文重點介紹孔徑、傾斜度、孔深、沉淀厚度的檢測方法及原理。

1.測試原理及儀器設備

超聲波孔壁測試儀，主要包含主機和絞車兩個部分。現場檢測時，利用絞車將探頭放人孔內，依靠自重保持測試探頭處于鉛垂位置。測試時，超聲振蕩器產生一定頻率的電脈沖，經放大后由發射換能器轉換為聲波，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，聲波到達孔壁后絕大部分被反射回來，經接收換能器接收。聲波從發送到接收的時間，即為聲波在孔內泥漿中的傳播時間。由于超聲波在泥漿介質中傳播速度V是恒定的，假設超聲波的探頭至孔壁的距離為L，實測聲波發射至接收的時間差為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，故可以探測孔內某高程測點兩個方向相反的探頭與孔壁之間的距離，進行連續測試，即可得到該鉆孔兩個方向孔壁的剖面變化圖。如此改變測點高度，就可獲得整個鉆孔在該斷面測點剖面變化圖。當絞車在測試時始終保持吊點不變且鋼絲繩垂直，即可通過鉆孔孔壁剖面圖得到鉆孔的垂直度。實際鉆孔孔深減去實測孔深值即得到沉淀厚度。超聲波測試原理圖1所示，聲波法檢測孔徑和垂直度的實測成果如圖2所示。檢測儀器如圖3、4所示。

圖1超聲波成孔檢測原理圖圖2成孔傾斜度超標圖

圖3超聲波成孔檢測儀-主機圖4超聲波成孔檢測儀-絞車

2.計算原理

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

圖5孔徑及傾斜度計算示意圖

根據上圖，可以計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＂。

根據圖5可以看出，孔頂、孔底截面中心的偏位為O＇O＂。首先計算孔頂截面探頭中心O相對于截面中心O＇的偏離坐標X0、Y0，以及孔底截面探頭中心O相對于截面中心O＂的偏離坐標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

超聲波測孔是個復雜的過程，其測量精度受介質條件、儀器性能參數、測量方法等多種因素影響。介質條件影響主要表現在泥漿參數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)

儀器性能參數的影響，如發射頻率、電壓、發射角及接收波前沿誤差等。測量方法影響主要有儀器對中、測量方位、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量方法的調整是最主要的影響因素，它直接決定著測量結果的精度。另外，如果孔頂護筒已嚴重變形或樁孔進行多次掃孔，容易導致灌注樁成孔截面變成非圓形，若仍然按照前述公式進行計算，可能會產生嚴重的計算偏差，這點需特別注意。

1.泥漿比重

樁孔施工時，機械難免會刮碰孔壁。由如果于地層松散或泥漿孔壁不好，容易導致塌孔，使得泥漿中懸浮顆粒增多，泥漿比重較大，再加上機械設備旋轉而產生的氣泡，會對超聲波能量造成嚴重的散射和衰減。當泥漿比重超過某一限度后，盡管測試儀器增益已經調試很大，但由于回波信號太弱而不能接收到，無法顯示孔壁圖形。但泥漿比重也不能太低，因為鉆孔隨深度增加，周圍土體的應力將進行重新調整，一旦最大主壓應力和最小主壓應力及垂直主應力達到某一比例關系時即超過土體的抗剪強度容易造成塌孔，這不僅對成孔的質量產生影響，而且會導致儀器探頭因塌孔而埋入孔底，造成較大的經濟損失。大量現場試驗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，對孔壁反射波加以校正，使得參考平面直徑與實測孔徑相等。這是保證樁孔檢測成敗的關鍵。如果孔口距離校正不準確，實測孔徑就不準確。嚴重時記錄曲線還會發生畸變。實際上，由于孔壁或護筒不規則，距離校正為零是不可能的。一般可以根據護筒頂的實測直徑進行校正，而一般的超聲波成孔檢測儀均有孔徑修正功能。

四、實例分析

某工程的設計樁孔孔徑2000mm，孔深88.410，護桶直徑2200mm。實際鉆孔孔深88.550m。成孔檢測實測曲線及計算過程如下：

圖6 某工程灌注樁成孔檢測實測曲線圖

1.孔深、沉渣厚度

根據上述實測曲線圖可知，實測孔深為88.450m＞88.410mm，沉渣厚度=（88.550-88.450）×1000=100mm＜300mm；孔身、沉渣厚度滿足規范要求.

2.孔徑

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

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

經類似計算，孔身各截面半徑均大于1000mm，滿足規范要求。

3.傾斜度

取孔頂、孔底截面進行分析，將LOA、LOB、LOC、LOD及LOA＂、LOB＂、LOC＂、LOD＂代入公式計算得，孔頂截面OO＇=56mm，孔底截面OO＂=178mm。孔位偏差O＇O＂=142mm＜500mm，故傾斜度= O＇O＂/Hn×100%=142/88450×100%=0.16%,滿足規范要求。

4.結果判定

綜合考慮上述計算結果，該孔各項指標均滿足規范要求，為合格孔。

五、結論

1.樁徑、垂直度、沉渣厚度是確保基樁承載力的關鍵因素，成孔質量的好壞會直接影響鉆孔灌注樁的成樁質量。一旦出現成孔質量問題，在成樁后很難處理，需要充分重視成孔質量檢測工作。通過成孔質量檢測可以在施工過程中及時發現問題并及時處理。通過測試還可以對施工情況進行綜合評價，最終選取適合實際場地特點的施工工藝和施工機具。另外，一般來講如果成孔質量滿足設計要求，只要嚴格控制灌混凝土程序，成樁質量是容易保障的。因此，成孔質量檢測既是對施工過程的監測和指導，也是對成樁質量的有利保證，應加大成孔質量檢測的推廣力度。

2.對于非等截面樁，至今尚沒有有效的方法檢測樁的完整性，主要原因就是其樁身存在若干個非等截面。低應變動力檢測般是在成樁之后進行，并且只能分辨出樁頂以下第一個非等截面。因此，非等截面樁的成孔檢測就顯得更加重要。

3.應用超聲波反射技術進行成孔質量檢測不傷害孔壁，是比較科學、先進的無損檢測方法，可以進行推廣應用。但實際測試過程中應根據具體樁型、地層及泥漿特點等，綜合分析影響超聲波傳播的主要因素，并相應地加以抑制，才能獲得反映孔壁真實情況的數據。

參考文獻:

［1］弓天云、田克平等，《公路橋涵施工技術規范》JTG/T F50-2011

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。