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超聲波井斜儀測孔簡介

2014-07-07　

1. 前言

　　在鉆孔樁基礎(chǔ)的施工中，過去由于設(shè)備和技術(shù)條件的限制，往往對鉆孔直徑的擴孔率、孔斜率、孔斜方向以及鉆孔群的中心位移等問題，很難獲得精確的數(shù)據(jù)，因而也就不易驗證有關(guān)工藝的實際效果。

　　九江長江大橋5號墩水下基礎(chǔ)是雙壁鋼殼沉井，下沉到巖面后，在沉井內(nèi)安放8個直徑為3m壁厚6mm的鋼護筒，作為鉆孔孔道。為了能精確測定鋼護筒及鉆孔成孔的直徑、孔斜以及中心位移等資料，我們引進了無錫紅專電子儀器廠生產(chǎn)的井徑儀（照片1）。這種儀器結(jié)構(gòu)由于采用集成電路和晶體管；因而體積小、重量輕（主機僅為2kg）、耗電省、性能穩(wěn)定、由熒光數(shù)碼管顯示讀數(shù)，直觀清楚，并可連續(xù)工作。從實踐中對8個鉆孔的量測資料來看，證明這種儀器的量測效果是好的。
　　2.儀器的工作原理

　　超聲波在均勻介質(zhì)的傳播速度，基本上是恒定的（水中的聲速一般為1450m/s）。工作時，將換能器（也稱探頭，由鋯鈦酸鉛壓電陶瓷制成，它是電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的器件，見照片2）由鉆孔頂面中心下放到被測斷面位置，接通24V直流電（也可用220V交流電通過變壓器轉(zhuǎn)換為24V直流電）后，產(chǎn)生的電脈沖激勵換能器，發(fā)射超聲波脈沖，該聲波在水中傳播時，遇到孔壁。即被反射，產(chǎn)生一個反射脈沖并被同一換能器接收。從發(fā)射聲波到接收聲波的這一往返時間間隔就能算出自探頭面至孔壁間的距離，如圖1所示。
　?。▓D中固定換能器的簡體見照片3）
　　式中：S——換能器表面至孔壁面的距離；

　　 t——往返累計時間；

　　 V水——聲波在水中的速度。

　　若把儀器計數(shù)脈沖的頻率定為72.5kHz，則每個脈沖波長即表示為： 　　也就是熒光數(shù)碼管上所顯示的最小讀數(shù)值。圖1中的d為常數(shù)，它是簡體中心至換能器發(fā)射面的距離，此值作為補償距離可在儀器主機內(nèi)調(diào)整賦入。這樣，顯示的數(shù)字就可直接反映出簡體中心至孔壁的距離（S′）不必每次計算S+d=S′。

　　因為每個被測斷面至少需測量四個互相垂直的距離，因此在簡體上就裝四個互相垂直的換能器，通過接線組的轉(zhuǎn)換開關(guān)，逐個讀數(shù)，得出如圖2上所示的S′_上、S′_下、S′_左、S′_右、四個距離值，由此便可推算出該斷面處的中心位移，孔徑大小。在鉆孔中，根據(jù)需要測量必要數(shù)量且最好是等間距的斷面，即可繪制孔壁的實際縱斷面狀況并計算出成孔的實際容積和傾斜率等資料，如果配以電位差記錄儀，就可在記錄紙上直接描繪出鉆孔的縱斷面，但必須要解決記錄儀和換能器在鉆孔中下放過程中的同步問題。詳細計算見后面介紹。

　　3. 測量精度與定向工作

　　3.1 測量精度

　　數(shù)碼管讀數(shù)的單位為cm。由于發(fā)射波是在一個指向角θ內(nèi)進行的（圖3），首先收到的回波是最近距離的一個點反射回來的，所以碰到孔壁粗糙時，在數(shù)碼管上的尾數(shù)有變動現(xiàn)象，而?，F(xiàn)數(shù)字的變動幅度則在3cm左右。取值時則選其較穩(wěn)定的且出現(xiàn)次數(shù)較多的一個值為實測值。

　　根據(jù)實際量測結(jié)果的資料來看，測量精度可優(yōu)于1%，即直徑1.5～4.0m的鉆孔其絕對誤差小于1.5～4.0cm。這個精度對于鉆孔樁基礎(chǔ)的要求來說，是完全可以滿足的。但是，為了保證觀測精度，在每次工作前，先在鉆孔頂面對所測距離用鋼尺與其比測，其誤差可利用該儀器上設(shè)有距離補償旋鈕調(diào)試，使觀測值與鋼尺實測值一致，進行實際標(biāo)定，這樣就可減小測量誤差，提高成果精度。
　　3.2. 定向工作

　　配合儀器量測用的導(dǎo)向設(shè)備應(yīng)根據(jù)孔徑大小，現(xiàn)場操作條件等具體情況由量測單位自行設(shè)計制造較為相宜。我們采用機械導(dǎo)向裝置，設(shè)備簡單可靠（照片3）。具體方法是：在與換能器45°方向的簡體上焊4組導(dǎo)向板，每組導(dǎo)向板由兩塊40×8×200mm的鋼板組成，其間距為12mm。它的一端裝兩個小滑輪，其中一個固定在導(dǎo)向板上，另一個可拆裝，以便工作時嵌裝兩根直徑為6～9mm的鋼絲繩。此鋼絲繩的一端懸掛40kg重錘（采用法碼加重塊式圓柱體），另一端通過操作框架扁擔(dān)梁上的小滑輪后，繞在0.5t的電動卷揚機上（圖4及照片4）。然后，將掛有重錘一端鋼絲繩對位在框架下面的定位板的滑輪槽口內(nèi)，將重錘下放至孔底，但不觸及底面碰撞孔壁，而后用卡環(huán)或打捎的辦法固定這兩根鋼絲繩，最后將裝好換能器的鋼筒體通過其導(dǎo)向板上附有的滑輪套在這兩根鋼絲繩上導(dǎo)向，簡體頂部中心系有一根直徑也為6～9mm的鋼絲繩，其端部通過扁擔(dān)梁中間的小滑輪繞在電卷場機上自由上下滑動，將換能器定位在所需量測的斷面上是通過測繩讀數(shù)來進行的。換能器連接儀器的屏蔽電纜，在下放簡體時同時下放，提起時也應(yīng)同時上提。
　　 　　4. 計算方法及圖表說明

　　4.1 中心位移及孔徑的計算（圖5） 　　
　?。?）熒光數(shù)碼管上，通過每個換能器上的電纜線接在轉(zhuǎn)位開關(guān)上，接通電源后，順次分別測得0_i1（S′_右）、0_i2（S′_上）、0_i3（S′_左）、0_i4（S′_下）四個數(shù)值。立面圖中00_i為孔頂孔心的軸心線，0_i′點為所求斷面的孔心。

　　由于我們假定鉆桿的偏心很小，且鉆頭刀具的直徑也是相等的（實際有誤差，但其值甚?。?，所以認為鉆孔的斷面是近似圓。因此，在計算斷面的孔心并采用圓的基本公式來推求孔心的位移值時，雖然也是近似值，但完全可以滿足施工的預(yù)定精度要求。大家知道，圓內(nèi)任何弦的垂直平分線必通過圓心，那末我們實測的S_上′+S_下′，S_右′+S_左′這兩條互相垂直的弦，其垂直平分線必然相交于孔心0_i′點。其與設(shè)計中心0_i的平面位移值a、b即可根據(jù)定理得到：
　　式中：a值為0_i′點的上、下游方向偏心位移值；b值為0_i′點的左、右岸方向偏心位移值。從圖5甲—甲斷面上，顯而易見，0_i′的中心位移，其a值偏下游，b值偏右岸。實際工作時，即可在現(xiàn)場算得此孔心位移值，也可在繪制成乛乚的縱斷面時（見附圖1）直接在圖上量得。

　　 （2）0_i0_i′=c==偏心距 　　若R₁= R₂，則證明所測斷面呈標(biāo)準圓形，否則證明鉆孔時有不規(guī)則擴孔現(xiàn)象。而該斷面處的孔徑?。?R₁+2R₂）=R₁+R₂計及。

　　4.2  傾斜率及其方位角的計算

　?。?）傾斜率是根據(jù)偏心距0_i0_i′除以測點深度h值而得，圖5中甲—甲斷面處至孔頂這一鉆孔深度的傾斜率即為：

　　傾斜方向的方位角，則以孔頂中心0為原點，以橋軸線里程前進方向為局部方鉆孔位角的起算邊，所測斷面孔心0_i′與頂面孔心0在同一平面上投影的0_i0_i′偏心距的方位角α。

　　α=360°－β。

　　若鉆在水面以下，則在工作平臺面上放樣定出孔位的設(shè)計中心或是值，以平臺面高程作為測深點的起算面，分別測出孔頂及所需測量的各個斷面（一般為每隔1～5m測量一個斷面）的中心位移，然后再計算出鉆孔本身的傾斜率及其傾斜方向的方位角。見圖6。

　　4.3 實例（見表1）

　　5. JXY—1型清水、泥漿兩用井斜儀的研制及測試實例

　　為了對泥漿鉆孔樁的成孔質(zhì)量進行檢驗，我們與無錫紅專電子儀器廠簽訂了試制這種兩用超聲波井斜儀的協(xié)議，于1980年4月6日及10日兩次作了實地測試。測試地點在九江長江大橋0號臺鉆孔中，泥漿材料為膨潤土，泥漿比重1.05，鉆孔半徑0.75m。從泥漿中的實測數(shù)據(jù)來看，基本上是成功的。這在0號臺36號孔中得到驗證（見附圖2）。根據(jù)孔深實際共灌注混凝土170盤，每盤為0.765m³，則共計灌注混凝土量130m³。而根據(jù)井斜儀在灌注深度的鉆孔中所測算的容積為129.44m³。二者相差130m³－129.44m³=0.56 m³。若假定混凝土計算無誤（實際每盤都有誤差），則該儀器達到的精度為：

　　，完全滿足儀器設(shè)計的精度要求（1%）。

　　另外，從擴孔率來計算，我們對該孔量測了20個斷面，求得直徑的權(quán)平均值為：160.8255cm，設(shè)計直徑為150cm所以擴孔率為：D_{權(quán)均}²－D_設(shè)²/D_設(shè)²=14.95%孔軸線的傾斜率為：2.6‰

　　實踐證明，采用這種新的量測手段不僅驗證了采用反循環(huán)鉆機配以低比重泥漿的成孔質(zhì)量是好的（成孔率達到100%），而且求得了具有可靠數(shù)據(jù)的擴孔率。這樣，在設(shè)計時可考慮適當(dāng)減少樁基數(shù)或改小鉆頭直徑，大大降低工程費用。目前我們量測的孔數(shù)不多，今后若有條件獲得較多的測孔資料，則對設(shè)計和施工都將更有意義。
　　注：1. 表中偏心距方位角0₄0₁₅系指以0₄為原點平行于橋軸線為起算邊的投影在平面的方位角。

　　 2. 儀器系用無錫紅專電子儀器廠CS——1型測深儀改制的井徑儀。

　　 3. 實量兩個鉆頭直徑各為2435，2440mm。設(shè)計直徑為2450mm，實測鉆孔平均直徑為2489.58mm，所以擴孔率為=4.3%

　　

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