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两种大直径钻孔灌注桩成孔质量检测方法

来源:小奈知识网
第26卷第2期 2012年4月 资源环境与工程 Resources Environment&Engineering Vo1.26,No.2 Apr.,2012 两种大直径钻孔灌注桩成孑L质量检测方法 谭 睿,何凤,原力智 430034) (湖北省地质实验研究所,湖北武汉摘要:主要介绍了接触式仪器组合法和超声波法在成孔质量检测中的工作原理和检测技术,通过在工程实 践中的应用分析,论证了两种方法在大直径超长钻孔灌注桩施工监测中的重要意义,指出这两项技术值得推 广应用,并应充分发挥各自在不同情况下的成孔质量检测中的优越性。 关键词:成孔质量检测;钻孔灌注桩;接触式仪器组合法;超声波法 中图分类号:TU473.1 4;TU473.1 6 文献标识码:B 文章编号:1671—1211(2012)02—0123—05 0引言 随着国民经济的高速发展,近年来全国各地正在兴 建或拟建大量的超高层民用建筑,如湖北省武汉市正在 兴建的楼高6O6 m的武汉绿地中心(目前世界第三高 楼)、楼高488 m的武汉中心、楼高320 m的武汉瑞安 A1A2A3地块等,这些超高层建筑物的基础大多采用大 孔深度用测绳测量,卷尺校核;垂直度采用检查钢丝绳 垂直度及吊紧桩锤上下升降后钢丝绳的变化测定;孔径 的检测则用专用钢筋探笼,只能作一般定性的测量,由 于测量结果误差大,已很难满足大直径超长钻孔灌注桩 的成孔质量技术规范的要求 .3 J。因此,目前对于大型 重要工程而言,更先进科学的超声波法和接触式仪器组 合法值得推广。这两种方法的仪器设备、检测原理、数 直径超长钻孔灌注桩。传统的基桩质量检测方法主要 据处理方式均不相同,下面将具体介绍这两种成孔质量 包括成桩材料检测、施工阶段施工方或监理方进行得较 检测方法在钻孔灌注桩施工中的监测应用。 为简单的沉渣厚度自检,成桩后检测单位进行的单桩竖 向静载试验、声波透射法检测、高低应变检测、钻芯法检 2接触式仪器组合法 2.1主要仪器设备 测等。考虑到大多数超高层建筑基坑深度超过20 m,成 桩后的质量检测基本都在基坑底完成,一旦出现大的质 量问题,处理起来将会耗费大量人力、物力及时间成本, 且不易操作。因此,在钻孔灌注桩施工过程中采取科学 合理的质量监测控制尤为重要。为了更有效地监控施 工质量,及时调整不合理的施工工艺,施工阶段的质量 监测除必须的成桩材料(钢筋、混凝土等)质量检测外, 还应包括对基桩的孔径、孔深、桩身垂直度、孔底沉渣等 重要参数的监测,即成孔质量检测。 本文以工程实例为依据,主要介绍如何应用成孔质 量检测技术,有效地控制大直径超长钻孔灌注桩的孔 深、孔径、桩身的垂直度、孔底沉渣情况,防止桩基施工 中产生塌孔、缩径以及偏孔等现象及由此可能造成的质 量隐患 。实践证明,成孔质量检测对于有效控制大直 径超长钻孔灌注桩的整体成桩质量具有重要的应用 价值。 接触式仪器组合法由多种仪器共同组成成孔检测 仪的检测系统,分为孔径检测系统、垂直度检测系统及 沉渣检测系统,孔深检测与孔径检测一般同时进行。主 要的测试仪器包括井径仪、沉渣仪、高精度测斜仪、电动 绞车、滑轮、笔记本电脑(打印机)和各种必要的配套装 备组合而成,能对灌注桩钻孔的深度、孔径、垂直度、孑L 底沉渣等参数实时测量并显示各项检测数据和曲线,同 时将这些数据存贮到笔记本电脑中,具有测量精度高、 重复性好、操作简单、运输方便等特点 ]。 2.2接触式成孔质量检测原理及方法 将井口滑轮稳定放至钻孔架上,使得井径仪(沉渣 仪、测斜仪)下垂中心与井孔中心对准一致。在井孔附 近安设井口绞车,并将地面数字测井仪平稳放至地面, 地面数字测井仪连接计算机,并连接井径仪(沉渣仪、测 斜仪)。之后检查数据数字测井仪通讯、脉冲信号是否 正常。当发现有异常现象时,应立即进行故障检修。当 1 钻孔灌注桩成孔质量检测 传统的成孔质量检测方法和手段均较为粗糙,如冲 检查情况正常时,将数字测井仪并联井口滑轮、测井绞 收稿日期:2011—12—06;改回日期:2012—02—09 作者简介:谭睿(1969一),男,高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事地基基础检测工作。E—mail:tryoul@163.com 资源环境与工程 2012丘 车,测井绞车通过集电环线串联井径仪、沉渣仪、测 斜仪。 (1)孔径、孔深检测:测孔的孔径、孔深通过井径仪 进行测量,井径仪的组成如图1所示。井径仪装上阻尼 盘和阻尼杆后,通过计算机进入井径测量程序。操作人 员通过井口滑轮匀速下放井径仪,可在地面仪的深度测 量程序中及时看到深度。当仪器下放至孔底时,此时的 深度就是钻孔的深度。到达孔底后,快速向上提拉测 绳,使阻尼盘脱开,四条测量腿即被打开。测量腿随电 缆提升而沿井壁向上运动,孔壁直径的变化带动测量腿 倾角的变化,其变化由传感器变成电信号,电缆每移动 2.5 cm,计算机就做一次采样,通过串口在计算机上进 行处理。孔径值d主要根据信号电位差的变化确定,如 式①所示。 d=Do+k X△ , ① 式中: ——起始孔径(m); ——仪器常熟(m/n); △ 信号电位差(V);,——恒定电流源电流(A)。 (2)垂直度检测:测斜仪的组成如图2所示。测斜 工作是根据铅垂原理测量顶角,若井轴与仪器铅垂线有 夹角,此夹角就是钻孔倾斜的角度,经机械转换,将倾斜 的角度转换为电位差,在刻度盘上即可直接读出钻孔的 倾斜角度。钻孔内直接测斜应外加扶正器,宜在孔径检 测完成后进行。测试时,通过计算机进入垂直度测量程 序,由操作人员通过井口滑轮下放测斜仪,匀速下沉直 至孔底后,按照每5 m的间隔记录保存检测数据。全部 测完后保存确认,测得深度、顶角及方位角、偏移量,并 以此自行计算出偏心距和垂直度值,计算公式如式②、 ③所示。在检测前,测斜仪必须在孔口中央下放。测定 间距一般不宜>5 m,在顶角变形较大处应加密检测点 数,必要时应重复检测。垂直度检测应避开孔径明显变 化段 图1井径仪示意图 Fig.1 Schematic diagram of caliper 图2测斜仪示意图 Fig.2 Schematic diagrma of inclinometer K=(E/L)X 100% ② E=d/2— /2+∑h ×s’J■一 in[(0 +0。  )。‘ /2] ⑧ 式中:E——桩孔偏心距(m); ——实测桩孔深度(m); d——孔径(in); ——测斜探头或扶正器外径(in); 第i段测点距(m); ——第i测点实测顶角(。); 0 ——第i一1测点实测顶角(。)。 (3)沉渣厚度检测:钻孔灌注桩在成孔过程中未排 除的孔口的土砂或石渣会滞留在孔底,同时经过循环工 艺的浮浆或孔内水中的微细颗粒,成孔结束后也会沉积 到孔底形成沉渣(图3)。由于沉渣与上部颗粒悬浮较 好的泥浆存在较明显的电性差异,采用电阻率法进行测 试,均匀泥浆电阻率为一条直线,在沉渣界面上电场会 产生畸变,电阻率亦会发生改变,利用曲线的拐点可确 定沉渣的厚度。 图3沉渣测试仪示意图 Fig.3 Schematic diagram of sediment instrument 2.3应用实例分析 某拟建工程位于武汉市武昌区商务核心区,临江而 建,建筑高度达606 m,规模位居全国前列,设计桩基础 采用大直径超长钻孔灌注桩。工程场地范围内的主要 地层为第四系全新统冲积成因的粘性土和砂土层,下伏 基岩为志留系砂岩和泥岩。本单位对该项目的四组试 桩进行了成孔质量检测。试桩皆采用桩端后注浆工艺, 桩顶以下30 m范围内采用双套管隔离桩身与土体的接 第2期 谭睿等:两种大直径钻孔灌注桩成孔质量检测方法 触以直接测试有效桩长内的桩基承载力。 现以2号试桩(编号为s2)为例进行有关介绍。s2 设计孔深为59.6 m,桩径为1 200 mm,桩端进入微风化 泥岩7.2 m左右。现场施工方和监理方反映该试桩在 施工过程中无异常现象。成孔质量检测在成孔后48 h 内,每隔4 h测一次,共计13次。本次采用GZ一2s灌 注桩数字钻孔测井仪进行测试。 s2初次测试至最末次成孔质量检测结果如表1所 示。孔径、沉渣厚度随时间变化曲线如图4、5所示。从 图4可以看出,成孑L48 h内,孔径的变化范围为1 264~ 1 302 mm,均大于孔径设计值1 200 mm,孔径平均 值为1 288 mm,比孔径设计值约大7.33%。沉渣厚度 的变化范围为2~7.5 em,平均值为6.5 em,小于设计 允许的10 em。从图5可以看出,沉渣厚度在8.5 h内 由小变大,在8.5~22 h时段内其值在7.5 em左右, 在22~26 h时段内略有减小,第36 h后又恢复至7.5 em左右,说明该试验孑L在最初8.5 h内变化较大,其 后基本趋于稳定。本次NTL的垂直度为0.48%。 表1 s2孔成孔质量检测结果一览表 Table 1 Schedule of S2 bore hole quality inspection 图4桩径随时间变化图 Fig.4 Variations of pile diameter with time 图5沉渣厚度随时间变化图 Fig.5 Variations of sediment thickness with time S2最末次测试成果见图6。从测试结果上看,s2 扩径较严重处出现在55~57 m处,最大值为1 373.47 mm,该处接近孔底,为施工反复清孔所致,属于正常的 施工工艺,对成孔质量不造成影响。由于S2孔泥浆护 壁施工到位,其扩径程度不高。在成孔垂直度上, 因为 * {1:, 盎篇 S e0ero 试桩号:s2—12 孔径,m too呦T珊,∞……1唧l咖1 l】1 o0 Ll,o1瑚I珈1 140o 。。 ,。 l。。 : l,。 ∞。 。 j■ :: m ,,m 蓑 r J5。 二= 5, 。 1, ■■d■ 2011 2月∞日 t■ 时l2 尊 ㈣ “ 张0 ■ ■ 翱 t ■  I∞ ●5。 硅■ ■ ¨ 撙●十■6 12嗍 %。 替 埒tc I皿翻 ,e■●■“ ’§ "。 E ■ ‘I 邮 ㈤ 图6 s2最末次测试成果图 Fig.6 Result map of S2 final test QIkN o O0 4 00 8 0o 12 00 吕16 0o 吕 2000 24 O0 28 00 32 00 36 O0 40 O0 图7 s2孔Q—S曲线 Fig.7 Q—s curve of s2 hole 资源环境与工程 采用的是较大型号的钻机以及调平工作做得较好,S2 孔垂直度仅为0.48%。S2最末次沉渣厚度测试值为 7.5 em,沉渣偏厚,需在浇灌混凝土前进行二次清孔, 以降低沉渣对基桩承载力的影响。施工方经二次清孔 后其沉渣厚度<5 em,满足设计要求。 S2进行单桩抗压静载试验,最大试验荷载达到设 计要求的45 000 kN,总沉降量为38.93 mm,沉降量< 40 mm,且Q—s曲线平缓,无明显陡降段,如图7所 示。静载试验结果验证了s2试桩成孔质量较好,桩身 具有较强的承压能力,与成孔质量检测结果吻合。 3超声波成孔质量检测法 3.1主要仪器设备 超声波成孔质量检测有别于接触式仪器检测方 法,由于测试时,检测探头悬浮于泥浆中,与孔壁不发 生接触,属于非接触式的无损检测方法。超声波成孔 质量检测仪一般由主机、数控绞车和超声波发射接收 探头三大部件组成。探头在主机的控制下匀速旋转, 探头上的发射器以lO~500次/s的速度发射一定频率 的超声波,探头上的接收换能器接收经孔壁反射的信 号,反射信号到达时间反映孔径的大小,信号强度反映 孔壁的特性。主机控制探头360。旋转,超声信号发射, 采集反射信号、深度计数信号和电子罗盘方位信号。 通过垂直向移动探头和360。连续扫描,从而实现对全 孔成孔质量的检测和评价,这样可全面了解成孔状况 (孔径、孔深、扩径、缩径、垂直度等),为成孔质量提供 更为全面充分的信息 。 3.2超声波成孔质量检测原理及方法 超声波成孔质量检测根据超声波反射技术,获取 孔壁信息并进行数据分析。探头分为四组,代表四个 方向,每组由一个发射探头和一个接收探头组成。主 机根据设定深度控制发射探头发射一定频率的超声 波,并同步采集接收探头接收的超声信号,超声波发出 后在泥浆中传播到孔壁,部分发射回来的超声波被接 收探头转换成电信号,经过放大、滤波等处理后,由信 号采集模块转换为数字信号显示存贮 J。 在进行现场测试操作前,先检查测试仪器的各部 分是否正常,如存在异常情况,应及时进行故障维修。 如检查确认各部件连接正确后,启动电源和’狈0量软件。 按照实际工程需要,在计算机的操作界面上设置好各 参数的选项,包括XY选项(测试方向)、孔径直径宽度 标记、绞车运行速度等。超声波成孔检测,应在钻孔清 孔完毕,孔中泥浆内气泡基本消散后进行。仪器探头 宜对准护筒中心。一般情况下应进行正交的x—x’和 y—y’二方向检测,对于直径>4 m的桩孔应增加检测 方位。 测试时将超声波探头沿钻孔中心以一定速度下放 至泥浆中,在探头下放的过程中,发射探头垂直孔壁发 射超声波脉冲,接收探头接收孔壁发射信息。通过发 射接收探头的实测声时t。、t 和发射接收面间的距离 d’,以及护筒直径 ,可求出超声波在泥浆中的传播 速度C,如计算式④所示 。 。 C=2・(do—d’)(t1+t2) ④ 式中:c——超声波在泥浆介质中的传播速度(m/s); ——护简直径(m);d’——两相反换能器发射(接 收)面间的距离(m);t。、t2——对称的发射(接收)探头 的实测声时(S)。 得出超声波传播速度C后,孔径d可按式⑤得出: d=d’+c・(t1+t2)/2 ⑤ 式中:d——实测孔径(m);d’——两相反换能器发射 (接收)面间的距离(m);c——超声波在泥浆介质中的 传播速度(m/s);t 、t2——对称的发射(接收)探头的 实测声时(s)。 这样,从孔口到孔底通过记录的声时和反射强度, 可计算出钻孔在不同深度处的孔径值,并反映出孔壁 情况。到达孔底后,还可以得出孔深 ,从而计算出孔 的垂直度 ,如式⑥所示。 =( )・100% ⑥ 式中:Jj}——孔的垂直度;E——孔的最大偏心距(m); ,J——实测的孔深(m)。 3.3应用实例分析 某工程位于汉口繁华闹市区内,项目由一栋超高 层办公楼及商业裙楼等建筑组成。桩基采用钻孔灌注 桩。本单位对其中两组试桩进行了成孔质量检测,其 编号分别为SZ1、SZ2。两组试桩设计桩径均为1 000 mm,设计桩长分别为61.4 m、61.6 m,人岩深度(中风 化泥质粉砂岩)分别为8.9 m、8.2 rn。在成孔质量检 测时,采用频率设定为200,采样延时为500,信号增益 设定为20倍。图8、图9分别为SZ1、SZ2超声波成孔 检测结果图。从两幅图中可以看出,两组试桩的钻孔 垂直,孔壁状况良好。本次检测SZ1、SZ2实际孔深分 别为65.538 m、65.102 m,平均桩径分别为1 062 mm、 1 056 mm,最大垂直度均为0.3%,孔深、孔径、垂直度 均满足设计要求,说明钻孔及泥浆护壁效果较为理想。 第2期 谭睿等:两种大直径钻孔灌注桩成孔质量检测方法 l27 UDM100超声波成孔({曹1检测记录 目 #: ■ 棚嘲 “63g &■B ・ 1∞2l 13:]o n }H*2 If^ 敏m ☆} 舶 m 图8试桩SZ1成孔检测结果图 4两种技术方法的比较 超声波法和接触式机械组合法由于测试原理和方 法的不同,在实际应用中依然具有一定的局限性。 超声波检测对泥浆介质要求较高,泥浆的重度、粘 度及含砂量等指标直接影响超声波的传播性能。如泥 浆过稠,将使探头完全封闭,检测不到信号。测试时, 当探头升降速度过快,或灵敏度及发射功率较低时,将 会出现记录信号模糊断续及空白。所以,采用增大灵 敏度及发射功:率,降低探头升降速度,检查不同深度泥 浆的性能指标等手段,可以保证检测精度。超声波法 可直观反映测试剖面下整个测试段两边孑L壁的实际变 化情况。而接触式机械组合法中的伞形孔径仪测定桩 孔直径时,是探头4个i贝0臂各自检测结果的平均值,不 能直观反映两:边孔壁的变化情况。对于非轴对称孔径 变化桩孔的检测存在一定误差。 超声波法:适用于检测泥浆护壁钻孔灌注桩的垂直 度、孔径及孔深,对于沉渣厚度测试,可以利用设计孔 深与实测孑L深 之差,简单估算孑L底沉渣,但精度相对较 低,一般该方法不适用于孔底沉渣厚度测试。 5结束语 钻孔灌注桩成孔质量检测属于地下隐蔽工程质量 检测问题 J。工程实践证明,成孔质量检测对钻孔灌 注桩施工过程中的质量控制起到了至关重要的作用。 通过成孔质量检测,能准确地反映成孔施工状况,为设 计提供可靠的依据。为了保证成孔质量检测结果的精 竺 !塑里苎璺! 竺 里墨 黼: 2一0 11-…9-23” 图9试桩SZ2成孔检测结果图 确度,需要依靠先进的技术手段提高钻孔灌注桩施工 过程中的监测力度,从而避免后期出现难以挽救的质 量问题,有利于指导施工方采取更为科学合理的施工 手段和工艺。超声波法和接触式组合法是目前国内成 孔质量检测中检测精度较高,运用较为广泛而且技术 较为成熟的检测方法,这两项技术的应用和推广对提 高大直径、高承载力的超长钻孔灌注桩施工过程中的 检测质量具有重要的意义。如何根据这两种方法的特 点,充分发挥各自在不同情况下的成孔质量检测中的 优越性,值得进一步研究和探讨。 参考文献: [1]赵进忠.Gz一2s型灌注桩数字钻孔测井系统应用分析[J].甘肃 科学学报,2010,22(3):153—156. 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(责任编辑:于继红) (下转第137页) 第2期 罗仁辉等:井冈山水电站软岩特征初步研究 137 4结论与建议 井冈山水电站坝基岩石多为粉砂质泥岩、泥质粉 计开挖时应对建基岩体采取保护措施。施工时要采取 措施避免爆破和机械对其结构构造的破坏,保持其天 然湿润状态,暴露在大气中的时间不宜过长,做到快挖 快浇,以保证岩石的新鲜状态。 参考文献: [1]徐瑞春,周建军.红层与大坝[M].第二版.武汉:中国地质大学 出版社,2010. 砂岩,为极软岩、软岩,两种岩石均属1VC类岩体,抗风 化能力差。由:于二大坝为低混凝土闸坝,建基岩体利用 弱风化(局部坝高较高坝段利用微新岩体)即可满足 强度及抗变形方面要求。但两种岩石泥质含量较高, 均含蒙脱石、伊利石等粘土矿物成分,都具有一定的膨 胀性,耐崩解性:较差,软岩快速风化特征明显。因此设 (责任编辑:于继红) Preliminary Study of Weak Rock Characteristics of Jinggangshan Hydropower Station LUO Renhui,HE Tao,LI Aiguo,GENG Junmin (Changfiang Geotechnical Engineering Corporation,Wuhan,Hubei 430010) Abstract:Statigraphic sequence of Jinggangshan Hydropower dam foundation is Cretaceous red bed.Rocks are mostly argillaceous sihstone,sihy mudstonek have low bearing capacity,uneven deformation.Water loss of weak rock is easy to dry.Its strength and resistance of deformation rapidly decreases within a short period of time.Disposal measure suggestions are proposed based on preliminary study of weak rock characteristics. Key words:Jinggangshan hydropower station;red beds;characteristics of weak rock (上接第127页) Bore Hole Quality Inspecting Technique on Large Diameter and Ultra Long Drilled Hole Concrete..cast Pile Construction TAN Rui,HE Feng,YUAN Lizhi (Hubei Geological Research Laboratory,Wuhan,Hubei 430034) Abstract:Principles and technique of contact—type instruments combination method and ultrasound test are introduced in bore hole quality inspection.By analysis on engineering practical application,the two methods are proved to be of .significant importance in monitoring of large diameter and ultra long cast—in—place bored pile constuctionItr is proposed the two techniques deserve to be promoted and their advantage should be taken under various conditions of bore hole quality inspection. Key words:bore hole quality inspection;cast—in—place bored pile;contact—type instruments combination method: l1hrasonnd test 

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