基樁成孔質量檢測技術研究探討

仇道剛，陳江林，李俊啟

（南京銘創測控科技有限公司，江蘇 南京 210032）

0 引言

成孔質量檢測，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進行評價的過程。通常對檢測孔徑、孔深、垂直度指標的設備稱為成孔質量檢測儀。從設備的檢測原理角度可以分為超聲波式和機械式兩類。超聲波式由于其測試精度更高、設備集成度更高、技術更先進，已經成為市場的主流。沉渣厚度的檢測設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量檢測方法。

1 檢測原理

1.1 基本原理

超聲成孔質量檢測儀的原理，是利用超聲波反射技術，將超聲波探頭以一定的速率放入充滿泥漿的孔（干孔）中，當發射電路產生的電脈沖加到發射換能器上時，換能器將垂直孔壁發射出超聲波脈沖，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，并經過放大、濾波等信號處理后，通過預設的泥漿（空氣）波速，即可計算出探頭到孔壁的距離。一般超聲波探頭在水平四個方向上有發射、接收的換能器，這樣就能得到探頭在水平四個方向上到孔壁的距離，然后經過計算，最終得到孔徑、孔深和垂直度等樁孔參數，檢測原理如圖1 所示。檢測時探頭懸浮于泥漿（空氣）中，與孔壁不發生接觸，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 孔徑計算原理

測試時，超聲波探頭在孔口位置應盡量對準孔的中心，但是無法保證在測試過程中的每一個測點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，孔徑計算要以探頭到孔壁四個方向的距離為依據，并且假設孔徑是標準圓形，設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間，μs。

孔徑計算原理如圖2 所示，計算公式見式（2）。

圖2 孔徑計算原理圖

式中：D為孔的實測直徑、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 垂直度計算原理

垂直度定義見式（5）。

式中：E為孔的偏心距，m；L為實測孔深度，m。

根據垂直度計算公式，可以看出，垂直度計算的關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行軌跡是鉛垂線，如圖1 所示。這樣第一個測點的探頭位置和第n個測點的探頭位置俯視看是重合的。這是垂直度計算的關鍵。然而，有些成孔檢測設備，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行軌跡不是鉛垂線，故此垂直度計算方法不適用。

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

圖3 垂直度計算原理圖

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

同樣，由勾股定理，可以得出，樁孔在第n測點處的偏心距En見式（10）。

樁孔在第n測點處的垂直度Kn，見式（11）。

式中：Hn為第n個測點處的深度值，m。

2 檢測技術

2.1 泥漿要求

由于大多數成孔質量檢測在泥漿護壁的樁孔中，這時，超聲波探頭在泥漿中工作，泥漿作為超聲波傳播的介質，泥漿指標對超聲波傳播會產生影響。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，接收信號會變弱。因此，為了保證測試效果，相關標準均對測試時泥漿的參數進行了要求。成孔質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應滿足表1 要求，此時，一般有良好的測試效果。

表1 成孔質量檢測泥漿指標要求

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，需要一個過程。當泥漿中懸浮大量氣泡時，氣泡會對超聲波的傳播產生影響，超聲波在泥漿與氣泡的表面產生折射、反射、衍射等現象，嚴重影響接收換能器信號的接收。圖4 為典型氣泡數據對比，圖4（a）為氣泡沒有消散時的檢測數據，圖4（b）為靜置半個小時后的數據，可以明顯看出，靜置一段時間后，由于部分氣泡已經消散，反射聲波信號更加清晰。因此，如果發現清孔以后，孔口泥漿表面有氣泡，應靜置一段時間，等氣泡消散完以后再進行檢測。

圖4 受氣泡影響的檢測數據對比

3 工程案例

3.1 案例 1

南京某橋是江蘇省內的重點項目，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量檢測。在此，以 N4-6 和 26-3 兩個樁孔的數據作為分析對象，現場檢測如圖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，通過數據計算得知，平均孔徑 1 836 mm，垂直度 0.43 %；由圖7 同樣也能看出，26-3 護筒深度約 32 m，護筒較 N4-6 更加傾斜，孔壁反射信號清晰，通過數據計算得知，平均孔徑 1 626 mm，垂直度 0.27 %。

圖5 南京某橋成孔質量檢測現場

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。NT4-12 號樁孔，設計孔深 125 m，樁徑 2 800 mm，圖8 為 NT4-12 號樁孔檢測現場。從圖9 孔形圖上同樣可以清晰看出樁孔的形態。護筒深度達到 52 m 左右，輕微傾斜，鉆孔施工時需穿過 39 m 厚粉砂、粉細砂及圓礫層，鉆孔過程的塌孔風險高，通過成孔質量監測，可以隨時了解孔壁的穩定性，還可以及時發現樁孔的傾斜情況，以便盡早糾正。

圖8 南京過江通道現場檢測圖

圖9 南京過江通道 NT4-12 孔形圖

4 典型數據

4.1 假縮頸

由于成孔質量檢測設備，早期只用于地下連續墻成槽的檢測，地下連續墻的槽壁是兩個平面，因此圖形上兩個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。此檢測技術后期逐漸延伸到成孔質量檢測，因為樁孔是圓形，孔形圖上兩個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慣，容易在樁孔傾斜時，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 深度存在縮頸現象，這是因為當樁孔傾斜時，探頭不在孔中心，此時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，當探頭向Y方向偏移時，則X-X′ 距離就會減小，而孔形圖顯示的縮頸就是這個弦距變小了。

圖10 假縮頸數據圖

圖11 假縮頸原理圖

4.2 支盤樁檢測

在相同地質條件下，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 %。因此支盤樁可以節約工程造價，提高樁身承載能力，有廣闊的發展空間［3］。但是支盤樁澆筑完成后的成品質量檢測已經成為該項技術大范圍推廣的一個制約因素。成孔階段支盤盤腔形狀是否能到達設計要求，是支盤樁施工的關鍵。由于在實際成孔過程中，很難確認是否真正形成有效盆腔、以及盆腔位置是否存在塌孔。所以現場需要可靠的驗收手段保證在混凝土澆筑前支盤盤腔的形狀滿足設計要求。

超聲成孔質量檢測可以有效解決這個問題，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，支盤樁的成孔質量檢測要求成孔質量檢測儀有更高的性能。圖12 為某支盤樁模型，圖13 為某支盤擴底樁成孔質量檢測孔形圖。從圖形上能看出支盤盆腔的形狀，為成孔的驗收提供了重要依據。

圖12 某支盤樁模型

圖13 某支盤擴底樁成孔質量檢測孔形圖

5 測試效果影響因素

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

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

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

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。超聲波的反射規律遵循入射角等于反射角的原則，當超聲波垂直界面入射時，反射聲波亦垂直界面反射，此時接收換能器接收效果最好。當樁孔傾斜、塌孔或有支盤存在時，換能器發射的超聲波并不是垂直入射于孔壁，此時，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

由于成孔質量測試效果受儀器設備、泥漿、地層、超聲波入射孔壁角度等因素影響，在實際工程實踐中，不可避免的會出現某一深度的某一段數據測試效果差，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，從而導致該段測點探頭到孔壁的距離無法 獲得。

圖14 局部反射信號弱數據（單位：m）

以目前的檢測技術來看，短期內尚無技術手段解決這個問題。對于首波無法識別的數據，目前行業做法是軟件自動賦一個聲時值，這樣就導致孔徑以及垂直度的計算出現偏差。如果無法識別首波的測點較多，那么這個偏差會很大。在數據計算時應該引入異常測點數據的剔除機制，類似聲波透射法聲速臨近值計算時異常點的剔除。從超聲波的接收效果看，成孔質量檢測由于環境更惡劣，接收效果明顯差于聲波透射法，但是聲波透射法由于發展早，體系更加完善，在數據統計分析上，標準已經有明確的統計分析方法。而成孔質量檢測的數據統計分析尚不完善，目前還沒有一部標準有數據統計方法，僅僅是給出了孔徑計算方法。這樣就導致如果有局部數據有無法正確識別首波測點存在時，孔徑和垂直度的計算就會受到影響，這樣測點越多則影響越大。

7 結語

基樁的成孔質量檢測能夠獲得被檢樁孔的孔徑、孔深、垂直度等重要參數，在一定程度上能夠避免因樁孔問題導致的成樁質量問題，可以有效減少返工，節約施工成本。尤其是對大直徑灌注長樁來說，效益更加顯著；同時，在試樁方面，通過對孔壁的穩定性監測，能夠為成孔工藝、泥漿參數的調整提供科學依據；在非等截面樁方面，能夠解決非等截面樁的成孔質量驗收難的問題，為非等截面樁帶來新的發展空間。隨著成孔質量檢測的普及，檢測技術也會日趨完善。對于設備來說，在惡劣環境下，有好的測試效果是未來發展的方向。對于數據統計分析方法，相信隨著該技術的普及，也會更加貼近工程實際，日趨完善。Q