灌注桩超声波成孔质量检测
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摘要：对于桥梁，成孔质量的好坏会直接影响钻孔灌注桩的成桩质量。一旦出现成孔质量问题，在成桩后很难处理，且有可能存在安全隐患。本文详细介绍了灌注桩超声波成孔质量检测的原理、方法，指出影响检测成果的主要因素，并用实例进行分析，最后提出了超声波成孔检测的重要性以及检测过程中的注意要点。
关键词：桥梁；灌注桩；成孔质量检测
中图分类号：U446.1文献标识码：A
引言
钻孔灌注桩是桥梁等结构较为常用的基础形式，对应的施工有钻孔、冲击成孔、冲抓成孔等。由于钻孔施工时往往采用泥浆护壁，如果施工时泥浆原料不合适、地质条件复杂或施工人员操作不当等，容易导致泥浆性能指标达不到规范要求，从而施工过程中出现塌孔、扩径、缩径、孔底沉渣厚度等缺陷，进而导致桩基出现各种各样的质量问题，因此有必要在成孔后灌注混凝土前对成孔质量进行检测，减少桩基安全隐患。
一、检测标准及内容
成孔检测的主要规范、标准包括《公路桥涵施工技术规范》JTG/T F50-2011、《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008、《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB50202-2002以及江苏、天津等地的地方标准，如《钻孔灌注桩成孔、地下连续墙成槽检测技术规程》。
成孔质量检验内容包括孔的中心位置、孔径、倾斜度、孔深、沉淀厚度、清孔后泥浆指标。其中清孔后泥浆指标包含相对密度、黏度、含砂率、胶体率四个参数，且仅限大直径桩或由特定要求的钻孔桩才进行测试。
二、检测方法及原理
由于孔的中心位置、清孔后泥浆指标检测方法较为简单，故不做细述，本文重点介绍孔径、倾斜度、孔深、沉淀厚度的检测方法及原理。
1.测试原理及仪器设备
超声波孔壁测试仪，主要包含主机和绞车两个部分。现场检测时，利用绞车将探头放人孔内，依靠自重保持测试探头处于铅垂位置。测试时，超声振荡器产生一定频率的电脉冲，经放大后由发射换能器转换为声波，通过泥浆向孔壁方向传播，由于泥浆与孔壁的声阻抗有较大差异，声波到达孔壁后绝大部分被反射回来，经接收换能器接收。声波从发送到接收的时间，即为声波在孔内泥浆中的传播时间。由于超声波在泥浆介质中传播速度V是恒定的，假设超声波的探头至孔壁的距离为L，实测声波发射至接收的时间差为t，则按距离L=V•t／2。
声波探头中的四组换能器一般十字交叉布置，故可以探测孔内某高程测点两个方向相反的探头与孔壁之间的距离，进行连续测试，即可得到该钻孔两个方向孔壁的剖面变化图。如此改变测点高度，就可获得整个钻孔在该断面测点剖面变化图。当绞车在测试时始终保持吊点不变且钢丝绳垂直，即可通过钻孔孔壁剖面图得到钻孔的垂直度。实际钻孔孔深减去实测孔深值即得到沉淀厚度。超声波测试原理图1所示，声波法检测孔径和垂直度的实测成果如图2所示。检测仪器如图3、4所示。
图1超声波成孔检测原理图图2成孔倾斜度超标图
图3超声波成孔检测仪-主机图4超声波成孔检测仪-绞车
2.计算原理
如图5所示，假设O为测试探头中心点，AB、CD为孔顶截面探头两个测试方向，LOA、LOB、LOC、LOD为探头中心至孔顶截面孔壁四个方向的距离，O＇为孔顶截面中心。A＂B＂、C＂D＂为孔底截面探头两个测试方向，LOA＂、LOB＂、LOC＂、LOD＂为探头中心至孔底截面孔壁四个方向的距离，O＂为孔底截面中心。Hn为孔底至孔底截面高度。
图5孔径及倾斜度计算示意图
根据上图，可以计算得出孔顶截面的半径 ，孔顶位置探头中心偏离 。同样可以得到孔底截面的半径R＇、OO＂。
根据图5可以看出，孔顶、孔底截面中心的偏位为O＇O＂。首先计算孔顶截面探头中心O相对于截面中心O＇的偏离坐标X0、Y0，以及孔底截面探头中心O相对于截面中心O＂的偏离坐标X0＂、Y0＂。
X0=LOB－（LOB +LOA）/2; Y0= LOC－（LOC +LOD）/2;
X0＂=LOB＂－（LOB＂ +LOA＂）/2; Y0＂= LOC＂－（LOC＂ +LOD＂）/2
孔顶至孔底的倾斜度= O＇O＂/Hn×100%。
三、主要影响因素
超声波测孔是个复杂的过程，其测量精度受介质条件、仪器性能参数、测量方法等多种因素影响。介质条件影响主要表现在泥浆参数变化引起超声波的衰减。泥浆温度w、比重E、压力P变化引起声速C变化，泥浆湍度升高声速增高，泥浆比重增大，声速变慢。波速影响公式C=a1W+a2E+a3P ( 其中：a1，a2，a3。一影响因子系数)
仪器性能参数的影响，如发射频率、电压、发射角及接收波前沿误差等。测量方法影响主要有仪器对中、测量方位、孔径校正和记录灵敏度增益控制等误差。但归纳起来，泥浆比重的控制、距离校正的好坏以及测量方法的调整是最主要的影响因素，它直接决定着测量结果的精度。另外，如果孔顶护筒已严重变形或桩孔进行多次扫孔，容易导致灌注桩成孔截面变成非圆形，若仍然按照前述公式进行计算，可能会产生严重的计算偏差，这点需特别注意。
1.泥浆比重
桩孔施工时，机械难免会刮碰孔壁。由如果于地层松散或泥浆孔壁不好，容易导致塌孔，使得泥浆中悬浮颗粒增多，泥浆比重较大，再加上机械设备旋转而产生的气泡，会对超声波能量造成严重的散射和衰减。当泥浆比重超过某一限度后，尽管测试仪器增益已经调试很大，但由于回波信号太弱而不能接收到，无法显示孔壁图形。但泥浆比重也不能太低，因为钻孔随深度增加，周围土体的应力将进行重新调整，一旦最大主压应力和最小主压应力及垂直主应力达到某一比例关系时即超过土体的抗剪强度容易造成塌孔，这不仅对成孔的质量产生影响，而且会导致仪器探头因塌孔而埋入孔底，造成较大的经济损失。大量现场试验表明泥浆比重控制在1.18～1.22kg/L之间比较好。
2.孔径校正
孔径校正是以孔口附近某平而作为参考平面，对孔壁反射波加以校正，使得参考平面直径与实测孔径相等。这是保证桩孔检测成败的关键。如果孔口距离校正不准确，实测孔径就不准确。严重时记录曲线还会发生畸变。实际上，由于孔壁或护筒不规则，距离校正为零是不可能的。一般可以根据护筒顶的实测直径进行校正，而一般的超声波成孔检测仪均有孔径修正功能。
四、实例分析
某工程的设计桩孔孔径2000mm，孔深88.410，护桶直径2200mm。实际钻孔孔深88.550m。成孔检测实测曲线及计算过程如下：
图6 某工程灌注桩成孔检测实测曲线图
1.孔深、沉渣厚度
根据上述实测曲线图可知，实测孔深为88.450m＞88.410mm，沉渣厚度=（88.550-88.450）×1000=100mm＜300mm；孔身、沉渣厚度满足规范要求.
2.孔径
将LOA=1090mm、LOB=1091mm、LOC=1053mm、LOD=1165mm代入公式计算,孔顶位置R=1100mm；
将LOA＂=1090mm、LOB＂=850mm、LOC＂=900mm、LOD＂=1163mm，代入公式计算,孔底位置R=1009mm；
经类似计算，孔身各截面半径均大于1000mm，满足规范要求。
3.倾斜度
取孔顶、孔底截面进行分析，将LOA、LOB、LOC、LOD及LOA＂、LOB＂、LOC＂、LOD＂代入公式计算得，孔顶截面OO＇=56mm，孔底截面OO＂=178mm。孔位偏差O＇O＂=142mm＜500mm，故倾斜度= O＇O＂/Hn×100%=142/88450×100%=0.16%,满足规范要求。
4.结果判定
综合考虑上述计算结果，该孔各项指标均满足规范要求，为合格孔。
五、结论
1.桩径、垂直度、沉渣厚度是确保基桩承载力的关键因素，成孔质量的好坏会直接影响钻孔灌注桩的成桩质量。一旦出现成孔质量问题，在成桩后很难处理，需要充分重视成孔质量检测工作。通过成孔质量检测可以在施工过程中及时发现问题并及时处理。通过测试还可以对施工情况进行综合评价，最终选取适合实际场地特点的施工工艺和施工机具。另外，一般来讲如果成孔质量满足设计要求，只要严格控制灌混凝土程序，成桩质量是容易保障的。因此，成孔质量检测既是对施工过程的监测和指导，也是对成桩质量的有利保证，应加大成孔质量检测的推广力度。
2.对于非等截面桩，至今尚没有有效的方法检测桩的完整性，主要原因就是其桩身存在若干个非等截面。低应变动力检测般是在成桩之后进行，并且只能分辨出桩顶以下第一个非等截面。因此，非等截面桩的成孔检测就显得更加重要。
3.应用超声波反射技术进行成孔质量检测不伤害孔壁，是比较科学、先进的无损检测方法，可以进行推广应用。但实际测试过程中应根据具体桩型、地层及泥浆特点等，综合分析影响超声波传播的主要因素，并相应地加以抑制，才能获得反映孔壁真实情况的数据。
参考文献:
［1］弓天云、田克平等，《公路桥涵施工技术规范》JTG/T F50-2011
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。