基桩成孔质量检测技术研究探讨

仇道刚，陈江林，李俊启

（南京铭创测控科技有限公司，江苏 南京 210032）

0 引言

成孔质量检测，是指在灌注桩施工过程中，在成孔完成后、下放钢筋笼之前，对桩孔的孔径、孔深、垂直度以及沉渣厚度等指标进行评价的过程。通常对检测孔径、孔深、垂直度指标的设备称为成孔质量检测仪。从设备的检测原理角度可以分为超声波式和机械式两类。超声波式由于其测试精度更高、设备集成度更高、技术更先进，已经成为市场的主流。沉渣厚度的检测设备称为沉渣厚度检测仪，主要分探针法和电阻率法两类。本文主要介绍市场主流的超声波式成孔质量检测方法。

1 检测原理

1.1 基本原理

超声成孔质量检测仪的原理，是利用超声波反射技术，将超声波探头以一定的速率放入充满泥浆的孔（干孔）中，当发射电路产生的电脉冲加到发射换能器上时，换能器将垂直孔壁发射出超声波脉冲，超声波在泥浆（空气）中传播到孔壁后部分被反射，反射回来的超声波被接收换能器接收，并经过放大、滤波等信号处理后，通过预设的泥浆（空气）波速，即可计算出探头到孔壁的距离。一般超声波探头在水平四个方向上有发射、接收的换能器，这样就能得到探头在水平四个方向上到孔壁的距离，然后经过计算，最终得到孔径、孔深和垂直度等桩孔参数，检测原理如图1 所示。检测时探头悬浮于泥浆（空气）中，与孔壁不发生接触，不会对孔壁造成二次伤害，属于非接触式检测。

图1 基本原理图

1.2 孔径计算原理

测试时，超声波探头在孔口位置应尽量对准孔的中心，但是无法保证在测试过程中的每一个测点超声波探头都在孔中心，所以探头到孔壁的距离并非等于孔的半径，孔径计算要以探头到孔壁四个方向的距离为依据，并且假设孔径是标准圆形，设i方向上换能器到孔壁的距离为li，见式（1）。

式中：c为泥浆（空气）波速，km/s；ti为i方向探头到孔壁声波传播的时间，μs。

孔径计算原理如图2 所示，计算公式见式（2）。

图2 孔径计算原理图

式中：D为孔的实测直径、R1、R2为桩孔的半径。

由勾股定理，可得式（3）、式（4）。

式中：l1为换能器方向 I 至孔壁的水平距离，mm；l2为换能器方向 Ⅱ 至孔壁的水平距离，mm；l3为换能器方向 Ⅲ 至孔壁的水平距离，mm；l4为换能器方向 Ⅳ 至孔壁的水平距离，mm；

1.3 垂直度计算原理

垂直度定义见式（5）。

式中：E为孔的偏心距，m；L为实测孔深度，m。

根据垂直度计算公式，可以看出，垂直度计算的关键在于桩孔的偏心距，由于超声波探头是由钢丝悬吊，受重力的影响，在不受其他外力的情况下，探头在检测过程中的运行轨迹是铅垂线，如图1 所示。这样第一个测点的探头位置和第n个测点的探头位置俯视看是重合的。这是垂直度计算的关键。然而，有些成孔检测设备，超声波探头是固定在钻杆上的，由于钻杆是刚性的，探头在检测工程中的运行轨迹不是铅垂线，故此垂直度计算方法不适用。

设探头的位置为 O，第 1 个测点处孔的圆心位置为 O0，超声波探头中心 O 相对于桩孔圆心 O0的偏离坐标为X0、Y0。第n个测点处孔的圆心位置为 On，超声波探头中心 O 相对于桩孔圆心On的偏离坐标为Xn、Yn，如图3 所示，则有式（6）～式（9）。

图3 垂直度计算原理图

式中：l10、l20、l30、l40为第 1 测点处探头中心距离孔壁四个方向的水平距离，mm；l1n、l2n、l3n、l4n为第n测点处探头中心距离孔壁四个方向的水平距离，mm。

同样，由勾股定理，可以得出，桩孔在第n测点处的偏心距En见式（10）。

桩孔在第n测点处的垂直度Kn，见式（11）。

式中：Hn为第n个测点处的深度值，m。

2 检测技术

2.1 泥浆要求

由于大多数成孔质量检测在泥浆护壁的桩孔中，这时，超声波探头在泥浆中工作，泥浆作为超声波传播的介质，泥浆指标对超声波传播会产生影响。如果泥浆中悬浮的颗粒越多或泥浆越黏稠，则会增加超声波传播过程中的能量消耗，接收信号会变弱。因此，为了保证测试效果，相关标准均对测试时泥浆的参数进行了要求。成孔质量检测一般在一次清孔之后、下钢筋笼之前，因此一次清孔后泥浆指标应满足表1 要求，此时，一般有良好的测试效果。

表1 成孔质量检测泥浆指标要求

2.2 气泡影响

由于在清孔的过程中，泥浆的扰动可能会产生大量的气泡。由于泥浆的悬浮作用，气泡的上浮直到消散，需要一个过程。当泥浆中悬浮大量气泡时，气泡会对超声波的传播产生影响，超声波在泥浆与气泡的表面产生折射、反射、衍射等现象，严重影响接收换能器信号的接收。图4 为典型气泡数据对比，图4（a）为气泡没有消散时的检测数据，图4（b）为静置半个小时后的数据，可以明显看出，静置一段时间后，由于部分气泡已经消散，反射声波信号更加清晰。因此，如果发现清孔以后，孔口泥浆表面有气泡，应静置一段时间，等气泡消散完以后再进行检测。

图4 受气泡影响的检测数据对比

3 工程案例

3.1 案例 1

南京某桥是江苏省内的重点项目，总投资约 60 亿元，于 2017 年 4 月开工，采用北桥南隧的过江方式，由于桩径大、桩身长，所有桥梁灌注桩均做成孔质量检测。在此，以 N4-6 和 26-3 两个桩孔的数据作为分析对象，现场检测如图5 所示，检测孔形图如图6、图7 所示。其中 N4-6 孔径 1 800 mm、钻孔深度 72.15 m；26-3 孔径 1 500 mm、钻孔深度 84.7 m。由图6 可以清楚地看出：N4-6 护筒深度约 14 m，深度 50 m 位置有倾斜，孔壁反射信号清晰，通过数据计算得知，平均孔径 1 836 mm，垂直度 0.43 %；由图7 同样也能看出，26-3 护筒深度约 32 m，护筒较 N4-6 更加倾斜，孔壁反射信号清晰，通过数据计算得知，平均孔径 1 626 mm，垂直度 0.27 %。

图5 南京某桥成孔质量检测现场

图6 南京某桥 N4-6 孔形图

图7 南京某桥 26-3 孔形图

3.2 案例 2

南京某过江通道，北主塔采用 6 6 根桩径 2 800 mm，桩长 110 m 的超大超深钻孔灌注桩基础。NT4-12 号桩孔，设计孔深 125 m，桩径 2 800 mm，图8 为 NT4-12 号桩孔检测现场。从图9 孔形图上同样可以清晰看出桩孔的形态。护筒深度达到 52 m 左右，轻微倾斜，钻孔施工时需穿过 39 m 厚粉砂、粉细砂及圆砾层，钻孔过程的塌孔风险高，通过成孔质量监测，可以随时了解孔壁的稳定性，还可以及时发现桩孔的倾斜情况，以便尽早纠正。

图8 南京过江通道现场检测图

图9 南京过江通道 NT4-12 孔形图

4 典型数据

4.1 假缩颈

由于成孔质量检测设备，早期只用于地下连续墙成槽的检测，地下连续墙的槽壁是两个平面，因此图形上两个槽壁之间的距离就是槽宽，可以从槽壁图上直观看出槽宽的变化。此检测技术后期逐渐延伸到成孔质量检测，因为桩孔是圆形，孔形图上两个孔壁之间的距离并不一定等于孔径，但是由于长期的使用习惯，容易在桩孔倾斜时，误判为缩颈。如图10 所示，从孔形图上看，容易得出 X-X′ 在 55～65 m 深度存在缩颈现象，这是因为当桩孔倾斜时，探头不在孔中心，此时至少存在一对方向上探头到孔壁的距离是变小的。如图11 所示，当探头向Y方向偏移时，则X-X′ 距离就会减小，而孔形图显示的缩颈就是这个弦距变小了。

图10 假缩颈数据图

图11 假缩颈原理图

4.2 支盘桩检测

在相同地质条件下，支盘桩与相同桩长和桩径的普通钻孔灌注桩相比，工后沉降量减小 30 %～70 %，混凝土用量增加 10 %～20 %，承载力则可增加 50 % ～80 %。因此支盘桩可以节约工程造价，提高桩身承载能力，有广阔的发展空间［3］。但是支盘桩浇筑完成后的成品质量检测已经成为该项技术大范围推广的一个制约因素。成孔阶段支盘盘腔形状是否能到达设计要求，是支盘桩施工的关键。由于在实际成孔过程中，很难确认是否真正形成有效盆腔、以及盆腔位置是否存在塌孔。所以现场需要可靠的验收手段保证在混凝土浇筑前支盘盘腔的形状满足设计要求。

超声成孔质量检测可以有效解决这个问题，但是由于在支盘位置超声波入射角度与孔壁不垂直，导致此处反射信号明显弱于垂直入射孔壁的反射信号。因此，支盘桩的成孔质量检测要求成孔质量检测仪有更高的性能。图12 为某支盘桩模型，图13 为某支盘扩底桩成孔质量检测孔形图。从图形上能看出支盘盆腔的形状，为成孔的验收提供了重要依据。

图12 某支盘桩模型

图13 某支盘扩底桩成孔质量检测孔形图

5 测试效果影响因素

超声波成孔质量测试效果主要受四方面因素影响，分别是仪器设备、泥浆参数、地层以及反射角度。

1）仪器设备的影响。由于超声波设备的发射功率不同，信号接收能力不同，导致不同的设备在同样的条件下测试同一个桩孔，测试效果有区别，目前市场主流设备性能差异并不大。

2）泥浆参数的影响。作为超声波传播的介质，必然会影响测试效果。虽然规范规定，测试桩孔的泥浆达要到一定要求，但是有些个别的桩孔因地质条件限制或受清孔工艺制约，测试时泥浆仍然达不到测试要求。同时，试验表明，新制备的泥浆往往对超声波的吸收要小一些，而循环泥浆比新泥浆通常要高出 40 dB/m［4］。可见，泥浆参数影响很大。

3）地层的影响。由于不同的地层，对声波的反射情况不一样，一般情况下，地层越坚硬、孔壁泥皮越光滑，对超声波的反射效果越好；反之，地层越松软，表面越粗糙，则反射更接近漫反射，在接收换能器方向上的反射就越少。

4）超声波入射角度的影响。超声波的反射规律遵循入射角等于反射角的原则，当超声波垂直界面入射时，反射声波亦垂直界面反射，此时接收换能器接收效果最好。当桩孔倾斜、塌孔或有支盘存在时，换能器发射的超声波并不是垂直入射于孔壁，此时，反射的声波也只有一部分向接收换能器方向传播，所以入射角度会影响接收换能器的接收效果。

6 存在的问题

由于成孔质量测试效果受仪器设备、泥浆、地层、超声波入射孔壁角度等因素影响，在实际工程实践中，不可避免的会出现某一深度的某一段数据测试效果差，尤其是在一些特殊的地层，如图14 所示，在 7～9 m 位置由于地层原因，无法测试到有效的超声波反射信号，从而导致该段测点探头到孔壁的距离无法 获得。

图14 局部反射信号弱数据（单位：m）

以目前的检测技术来看，短期内尚无技术手段解决这个问题。对于首波无法识别的数据，目前行业做法是软件自动赋一个声时值，这样就导致孔径以及垂直度的计算出现偏差。如果无法识别首波的测点较多，那么这个偏差会很大。在数据计算时应该引入异常测点数据的剔除机制，类似声波透射法声速临近值计算时异常点的剔除。从超声波的接收效果看，成孔质量检测由于环境更恶劣，接收效果明显差于声波透射法，但是声波透射法由于发展早，体系更加完善，在数据统计分析上，标准已经有明确的统计分析方法。而成孔质量检测的数据统计分析尚不完善，目前还没有一部标准有数据统计方法，仅仅是给出了孔径计算方法。这样就导致如果有局部数据有无法正确识别首波测点存在时，孔径和垂直度的计算就会受到影响，这样测点越多则影响越大。

7 结语

基桩的成孔质量检测能够获得被检桩孔的孔径、孔深、垂直度等重要参数，在一定程度上能够避免因桩孔问题导致的成桩质量问题，可以有效减少返工，节约施工成本。尤其是对大直径灌注长桩来说，效益更加显著；同时，在试桩方面，通过对孔壁的稳定性监测，能够为成孔工艺、泥浆参数的调整提供科学依据；在非等截面桩方面，能够解决非等截面桩的成孔质量验收难的问题，为非等截面桩带来新的发展空间。随着成孔质量检测的普及，检测技术也会日趋完善。对于设备来说，在恶劣环境下，有好的测试效果是未来发展的方向。对于数据统计分析方法，相信随着该技术的普及，也会更加贴近工程实际，日趋完善。Q