浅论井径仪成孔检测的应用

随着设计和施工水平的提高，钻孔灌注桩已普遍应用于许多工程中，尤其在天津港及周边工程的建设中。由于临近渤海湾土质软弱经过人工填垫，多为堆载-真空联合预压等处理浅部土层。建筑物基础通常进行打桩处理，钻孔灌注桩以其适应范围广、单桩承载力高、施工噪音低、震动影响小、成本适中等特点被广泛应用。

一、成孔检测的必要性

钻孔灌注桩的施工大部分是在水下进行的，其施工过程无法观察，成桩后也不能进行开挖验收。其质量如控制得不好，则可能会发生塌孔、缩径、桩孔偏斜及桩端达不到设计持力层要求等，还将直接造成桩身完整性和桩承载力下降，都将直接影响到整个工程的质量和进度，甚至给投资者造成巨大的经济损失和不良的社会影响。因此，对施工质量加强管理，密切注意抓好施工过程中每一个环节的质量，力争将隐患消除在成桩之前。设计图纸及有关施工、验收规范的要求均提出对钻孔灌注桩的成孔进行检测，对检测过程中可能发生的一些问题进行分析与判定，以便有效地对桩基施工质量加以控制。井径仪的应用为成孔检测提供了一种便捷的手段。

二、原理

上海昌吉地质仪器有限公司生产的JJC-1E型孔径检测系统，由地面控制箱、井径/井斜测量探管、沉渣测量探管及自动排线绞车等组成。其可测定孔径、孔深、孔壁垂直度及沉渣厚度。

1、孔径检测

井径仪又称伞型孔径仪。利用孔径仪测头前端的四条测腿，在弹簧和外力作用下自动张开、合拢，如一把自动伞。在测孔中，测腿打开后与四侧孔壁相接触，随孔径的大小使测腿的张开角也随之变化。四条测腿成两组正交两方向四侧的孔径值，取平均值作为某测点的孔径。当测腿从孔底提升至孔口，随着孔径的变化，即可测出孔深和孔径的大小。测量电路图如下：

工作电路图

图中1、2、3、4为与四条测量腿相连的直线传感器，可检测出井径测量腿在两个正交方向的孔径变化，经放大器放大后计算孔径值的实际变化量,孔径D与测量信号△V成线性函数关系。

孔径计算公式：

△V ＝ △V1 + △V2 + △V3 + △V4

孔径值 D＝D0＋△V K0

D0— 起始孔径；

K0— 标定系数。

2、垂直度检测

采用顶角测量法。顶角测量是采用二维重力加速度计传感器，其电压输出值大小与传感器倾斜的角度具有相关性。

垂直度测量

顶角计算公式：

顶角值 θ=tg-1（√(X-X0) 2+ (Y-Y0) 2 / K ）

X、Y：正交的二维传感器信号；

X0、Y0、K：仪器常数。

检测时，井斜仪按一定孔深间隔测量桩孔各深度位置的顶角，由间隔距离和顶角计算各测点处桩孔的偏心距，并累加计算至孔底即得到桩孔孔底的偏心距E。采用下面公式计算钻孔垂直度K：

K=（E/L）×100%

E：桩孔偏心距（m）

L：实测孔深深度（m）

3、沉渣厚度测量

采用电阻率法。钻孔灌注桩泥浆多数为钻机钻进过程中自然形成，故它的粘度和含砂量取决于土层的性质、破碎程度及循环处理的工艺。这些都会造成桩孔中泥浆的不均匀，尤其是桩孔底部未被完全破碎的土块及含砂量大、胶体率差的泥浆都会被大量沉淀下来，在孔底，比重较大的泥浆与上部颗粒悬浮较好的泥浆之间存在着较明显的电特性差异。

在泥浆中由仪器提供一个不受土层影响的交变电场，测量此时的泥浆电阻率，均匀泥浆电阻率为一恒值而在沉渣界面上电阻率会发生变化，测量电阻率随深度的变化，经计算作图可利用曲线的拐点确定孔底沉渣的厚度，如下图：

电阻率曲线

三、工程实例

1、工程概况和地质情况

本工程位于天津市滨海新区南疆港区圣瀚石化码头处。由天津港天津港圣瀚石化码头有限公司投资、天津港建设公司进行设计、天津市南洋建筑工程公司承建的陆域管架项目工程，该工程桩基础类型施工采用Ф600mm、L=22.0m的钻孔灌注桩，共48根。按照设计规范要求，需对施工质量进行检测。

根据中交天津港湾工程研究院有限公司提供的岩土工程详细勘察报告，该场地埋深45.5m深度范围内，地基土按成因年代可分为以下5层，按力学性质可进一步划分为11个亚层，现自上而下分述之：

（1）人工填土层（Qml），全场地均有分布，厚度7.00m～8.80m，底板标高为-2.51m～-3.91m，该层从上而下可分为2个亚层。

（2）全新统中组海相沉积层（Q42m），厚度9.00m～13.00m，顶板标高为-2.51m～-3.91m，该层从上而下可分为4个亚层。

（3）全新统下组沼泽相沉积层（Q41h），厚度1.90m～6.30m，顶板标高为-12.46m～-15.98m，该层从上而下可分为2个亚层。

（4）全新统下组陆相冲积层（Q41al），厚度1.10m～13.40m，顶板标高为-16.74m～-19.26m，该层从上而下可分为2个亚层。

（5）上更新统第五组陆相冲积层（Q3eal），本次勘察钻至最低标高-41.06m，未穿透此层，揭露最大厚度20.90m，顶板标高为-20.16m～-30.14m。

2、检测的过程与结果

2015年7月3日，在施工过程中对陆域管架的73-a1#桩进行了成孔检测，测定孔径、孔深、孔壁垂直度及沉渣厚度，并对该孔的成孔质量做出评定。检测成果见下表。

成孔质量检测成果表

孔号

检测日期

设计孔径值（mm）

实测孔径平均值（mm）

实测孔径最小值（mm）

成孔孔深（m）

实测孔深(m)

垂直度(%)

沉渣厚度(cm)

成孔 质量

73-a1

2015/7/3

600

608.2

596.5

22.64

22.41

0.86

23.3

沉渣超限、孔深偏浅

注：成孔孔深由施工方提供。

经分析其孔径、孔壁垂直度均符合技术要求；沉渣厚度、孔深不满足技术规范要求。检测曲线如下图：

四、井径仪进行成孔检测的劣势

1、对钻孔灌注桩进行成孔质量检测时，井径仪也有不足之处。比如测孔径时，对挤扩桩即支盘桩的检测效果与理想状态下可能会有一定差距，不如超声波反射法反映的直观。

2、另外在测量沉渣厚度时，井径仪采用的是电阻率法，通过判断曲线拐点确定沉渣厚度。而在沿海地区尤其天津港附近受海水导电率影响，沉渣探杆的探头所测电阻很小其计算出的电阻率也很小，曲线拐点位置不易分辨。电阻率ρ计算公式：

ρ=RS/L

ρ为电阻率，单位：Ω m

R为电阻，单位：Ω

S为横截面积，单位：m2

L为导体的长度，单位：m

在实际的钻孔灌注桩施工过程中，由于施工的技术水平和人员素质以及地质条件等原因（泥浆指标控制不当、置换不充分、为避免塌孔清孔程度不够等）对沉渣厚度的控制很难达到设计规范要求，往往要高出要求很多。在《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB50202-2002中对沉渣厚度的要求：端承桩≤50mm；摩擦桩≤150mm。所以这也是一个实质存在的问题。

参考规范：

1、《钻孔灌注桩成孔、地下连续墙成槽检测技术规程》（DB/T 29-112-2010）；

2、《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202-2002）