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超声波井斜仪测孔简介

2014-07-07　

1. 前言

　　在钻孔桩基础的施工中，过去由于设备和技术条件的限制，往往对钻孔直径的扩孔率、孔斜率、孔斜方向以及钻孔群的中心位移等问题，很难获得精确的数据，因而也就不易验证有关工艺的实际效果。

　　九江长江大桥5号墩水下基础是双壁钢壳沉井，下沉到岩面后，在沉井内安放8个直径为3m壁厚6mm的钢护筒，作为钻孔孔道。为了能精确测定钢护筒及钻孔成孔的直径、孔斜以及中心位移等资料，我们引进了无锡红专电子仪器厂生产的井径仪（照片1）。这种仪器结构由于采用集成电路和晶体管；因而体积小、重量轻（主机仅为2kg）、耗电省、性能稳定、由荧光数码管显示读数，直观清楚，并可连续工作。从实践中对8个钻孔的量测资料来看，证明这种仪器的量测效果是好的。
　　2.仪器的工作原理

　　超声波在均匀介质的传播速度，基本上是恒定的（水中的声速一般为1450m/s）。工作时，将换能器（也称探头，由锆钛酸铅压电陶瓷制成，它是电能和声能相互转换的器件，见照片2）由钻孔顶面中心下放到被测断面位置，接通24V直流电（也可用220V交流电通过变压器转换为24V直流电）后，产生的电脉冲激励换能器，发射超声波脉冲，该声波在水中传播时，遇到孔壁。即被反射，产生一个反射脉冲并被同一换能器接收。从发射声波到接收声波的这一往返时间间隔就能算出自探头面至孔壁间的距离，如图1所示。
　　（图中固定换能器的简体见照片3）
　　式中：S——换能器表面至孔壁面的距离；

　　 t——往返累计时间；

　　 V水——声波在水中的速度。

　　若把仪器计数脉冲的频率定为72.5kHz，则每个脉冲波长即表示为： 　　也就是荧光数码管上所显示的最小读数值。图1中的d为常数，它是简体中心至换能器发射面的距离，此值作为补偿距离可在仪器主机内调整赋入。这样，显示的数字就可直接反映出简体中心至孔壁的距离（S′）不必每次计算S+d=S′。

　　因为每个被测断面至少需测量四个互相垂直的距离，因此在简体上就装四个互相垂直的换能器，通过接线组的转换开关，逐个读数，得出如图2上所示的S′ _上、S′ _下、S′ _左、S′ _右、四个距离值，由此便可推算出该断面处的中心位移，孔径大小。在钻孔中，根据需要测量必要数量且最好是等间距的断面，即可绘制孔壁的实际纵断面状况并计算出成孔的实际容积和倾斜率等资料，如果配以电位差记录仪，就可在记录纸上直接描绘出钻孔的纵断面，但必须要解决记录仪和换能器在钻孔中下放过程中的同步问题。详细计算见后面介绍。

　　3. 测量精度与定向工作

　　3.1 测量精度

　　数码管读数的单位为cm。由于发射波是在一个指向角θ内进行的（图3），首先收到的回波是最近距离的一个点反射回来的，所以碰到孔壁粗糙时，在数码管上的尾数有变动现象，而常现数字的变动幅度则在3cm左右。取值时则选其较稳定的且出现次数较多的一个值为实测值。

　　根据实际量测结果的资料来看，测量精度可优于1%，即直径1.5～4.0m的钻孔其绝对误差小于1.5～4.0cm。这个精度对于钻孔桩基础的要求来说，是完全可以满足的。但是，为了保证观测精度，在每次工作前，先在钻孔顶面对所测距离用钢尺与其比测，其误差可利用该仪器上设有距离补偿旋钮调试，使观测值与钢尺实测值一致，进行实际标定，这样就可减小测量误差，提高成果精度。
　　3.2. 定向工作

　　配合仪器量测用的导向设备应根据孔径大小，现场操作条件等具体情况由量测单位自行设计制造较为相宜。我们采用机械导向装置，设备简单可靠（照片3）。具体方法是：在与换能器45°方向的简体上焊4组导向板，每组导向板由两块40×8×200mm的钢板组成，其间距为12mm。它的一端装两个小滑轮，其中一个固定在导向板上，另一个可拆装，以便工作时嵌装两根直径为6～9mm的钢丝绳。此钢丝绳的一端悬挂40kg重锤（采用法码加重块式圆柱体），另一端通过操作框架扁担梁上的小滑轮后，绕在0.5t的电动卷扬机上（图4及照片4）。然后，将挂有重锤一端钢丝绳对位在框架下面的定位板的滑轮槽口内，将重锤下放至孔底，但不触及底面碰撞孔壁，而后用卡环或打捎的办法固定这两根钢丝绳，最后将装好换能器的钢筒体通过其导向板上附有的滑轮套在这两根钢丝绳上导向，简体顶部中心系有一根直径也为6～9mm的钢丝绳，其端部通过扁担梁中间的小滑轮绕在电卷场机上自由上下滑动，将换能器定位在所需量测的断面上是通过测绳读数来进行的。换能器连接仪器的屏蔽电缆，在下放简体时同时下放，提起时也应同时上提。
　　4. 计算方法及图表说明

　　4.1 中心位移及孔径的计算（图5）
　　（1）荧光数码管上，通过每个换能器上的电缆线接在转位开关上，接通电源后，顺次分别测得0 _i1（S′ _右）、0 _i2（S′ _上）、0 _i3（S′ _左）、0 _i4（S′ _下）四个数值。立面图中00 _i为孔顶孔心的轴心线，0 _i′点为所求断面的孔心。

　　由于我们假定钻杆的偏心很小，且钻头刀具的直径也是相等的（实际有误差，但其值甚小），所以认为钻孔的断面是近似圆。因此，在计算断面的孔心并采用圆的基本公式来推求孔心的位移值时，虽然也是近似值，但完全可以满足施工的预定精度要求。大家知道，圆内任何弦的垂直平分线必通过圆心，那末我们实测的S _上′+S _下′，S _右′+S _左′这两条互相垂直的弦，其垂直平分线必然相交于孔心0 _i′点。其与设计中心0 _i的平面位移值a、b即可根据定理得到：
　　式中：a值为0 _i′点的上、下游方向偏心位移值；b值为0 _i′点的左、右岸方向偏心位移值。从图5甲—甲断面上，显而易见，0 _i′的中心位移，其a值偏下游，b值偏右岸。实际工作时，即可在现场算得此孔心位移值，也可在绘制成乛乚的纵断面时（见附图1）直接在图上量得。

　　 （2）0 _i0 _i′=c==偏心距 　　若R ₁= R ₂，则证明所测断面呈标准圆形，否则证明钻孔时有不规则扩孔现象。而该断面处的孔径取（2R ₁+2R ₂）=R ₁+R ₂计及。

　　4.2 倾斜率及其方位角的计算

　　（1）倾斜率是根据偏心距0 _i0 _i′除以测点深度h值而得，图5中甲—甲断面处至孔顶这一钻孔深度的倾斜率即为：

　　倾斜方向的方位角，则以孔顶中心0为原点，以桥轴线里程前进方向为局部方钻孔位角的起算边，所测断面孔心0 _i′与顶面孔心0在同一平面上投影的0 _i0 _i′偏心距的方位角α。

　　α=360°－β。

　　若钻在水面以下，则在工作平台面上放样定出孔位的设计中心或是值，以平台面高程作为测深点的起算面，分别测出孔顶及所需测量的各个断面（一般为每隔1～5m测量一个断面）的中心位移，然后再计算出钻孔本身的倾斜率及其倾斜方向的方位角。见图6。

　　4.3 实例（见表1）

　　5. JXY—1型清水、泥浆两用井斜仪的研制及测试实例

　　为了对泥浆钻孔桩的成孔质量进行检验，我们与无锡红专电子仪器厂签订了试制这种两用超声波井斜仪的协议，于1980年4月6日及10日两次作了实地测试。测试地点在九江长江大桥0号台钻孔中，泥浆材料为膨润土，泥浆比重1.05，钻孔半径0.75m。从泥浆中的实测数据来看，基本上是成功的。这在0号台36号孔中得到验证（见附图2）。根据孔深实际共灌注混凝土170盘，每盘为0.765m ³，则共计灌注混凝土量130m ³。而根据井斜仪在灌注深度的钻孔中所测算的容积为129.44m ³。二者相差130m ³－129.44m ³=0.56 m ³。若假定混凝土计算无误（实际每盘都有误差），则该仪器达到的精度为：

　　，完全满足仪器设计的精度要求（1%）。

　　另外，从扩孔率来计算，我们对该孔量测了20个断面，求得直径的权平均值为：160.8255cm，设计直径为150cm所以扩孔率为：D _权均 ²－D _设 ²/D _设 ²=14.95%孔轴线的倾斜率为：2.6‰

　　实践证明，采用这种新的量测手段不仅验证了采用反循环钻机配以低比重泥浆的成孔质量是好的（成孔率达到100%），而且求得了具有可靠数据的扩孔率。这样，在设计时可考虑适当减少桩基数或改小钻头直径，大大降低工程费用。目前我们量测的孔数不多，今后若有条件获得较多的测孔资料，则对设计和施工都将更有意义。
　　注：1. 表中偏心距方位角0 ₄0 ₁₅系指以0 ₄为原点平行于桥轴线为起算边的投影在平面的方位角。

　　 2. 仪器系用无锡红专电子仪器厂CS——1型测深仪改制的井径仪。

　　 3. 实量两个钻头直径各为2435，2440mm。设计直径为2450mm，实测钻孔平均直径为2489.58mm，所以扩孔率为=4.3%

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