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超聲波井斜儀測(cè)孔簡(jiǎn)介

2014-07-07　

1. 前言

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

　　九江長(zhǎng)江大橋5號(hào)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(gè)直徑為3m壁厚6mm的鋼護(hù)筒，作為鉆孔孔道。為了能精確測(cè)定鋼護(hù)筒及鉆孔成孔的直徑、孔斜以及中心位移等資料，我們引進(jìn)了無(wú)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(jī)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(shí)踐中對(duì)8個(gè)鉆孔的量測(cè)資料來(lái)看，證明這種儀器的量測(cè)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(shí)，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(cè)斷面位置，接通24V直流電（也可用220V交流電通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)換為24V直流電）后，產(chǎn)生的電脈沖激勵(lì)換能器，發(fā)射超聲波脈沖，該聲波在水中傳播時(shí)，遇到孔壁。即被反射，產(chǎn)生一個(gè)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(shí)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(jiǎn)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(jì)時(shí)間；

　　 V水——聲波在水中的速度。

　　若把儀器計(jì)數(shù)脈沖的頻率定為72.5kHz，則每個(gè)脈沖波長(zhǎng)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(jiǎn)體中心至換能器發(fā)射面的距離，此值作為補(bǔ)償距離可在儀器主機(jī)內(nèi)調(diào)整賦入。這樣，顯示的數(shù)字就可直接反映出簡(jiǎn)體中心至孔壁的距離（S′）不必每次計(jì)算S+d=S′。

　　因?yàn)槊總€(gè)被測(cè)斷面至少需測(cè)量四個(gè)互相垂直的距離，因此在簡(jiǎn)體上就裝四個(gè)互相垂直的換能器，通過(guò)接線組的轉(zhuǎn)換開關(guān)，逐個(gè)讀數(shù)，得出如圖2上所示的S′_上、S′_下、S′_左、S′_右、四個(gè)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(cè)量必要數(shù)量且最好是等間距的斷面，即可繪制孔壁的實(shí)際縱斷面狀況并計(jì)算出成孔的實(shí)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(guò)程中的同步問(wèn)題。詳細(xì)計(jì)算見后面介紹。

　　3. 測(cè)量精度與定向工作

　　3.1 測(cè)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(gè)指向角θ內(nèi)進(jìn)行的（圖3），首先收到的回波是最近距離的一個(gè)點(diǎn)反射回來(lái)的，所以碰到孔壁粗糙時(shí)，在數(shù)碼管上的尾數(shù)有變動(dòng)現(xiàn)象，而?，F(xiàn)數(shù)字的變動(dòng)幅度則在3cm左右。取值時(shí)則選其較穩(wěn)定的且出現(xiàn)次數(shù)較多的一個(gè)值為實(shí)測(cè)值。

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

　　配合儀器量測(cè)用的導(dǎo)向設(shè)備應(yīng)根據(jù)孔徑大小，現(xiàn)場(chǎng)操作條件等具體情況由量測(cè)單位自行設(shè)計(jì)制造較為相宜。我們采用機(jī)械導(dǎo)向裝置，設(shè)備簡(jiǎn)單可靠（照片3）。具體方法是：在與換能器45°方向的簡(jiǎn)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(gè)小滑輪，其中一個(gè)固定在導(dǎo)向板上，另一個(gè)可拆裝，以便工作時(shí)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(guò)操作框架扁擔(dān)梁上的小滑輪后，繞在0.5t的電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)上（圖4及照片4）。然后，將掛有重錘一端鋼絲繩對(duì)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(guò)其導(dǎo)向板上附有的滑輪套在這兩根鋼絲繩上導(dǎo)向，簡(jiǎn)體頂部中心系有一根直徑也為6～9mm的鋼絲繩，其端部通過(guò)扁擔(dān)梁中間的小滑輪繞在電卷場(chǎng)機(jī)上自由上下滑動(dòng)，將換能器定位在所需量測(cè)的斷面上是通過(guò)測(cè)繩讀數(shù)來(lái)進(jìn)行的。換能器連接儀器的屏蔽電纜，在下放簡(jiǎn)體時(shí)同時(shí)下放，提起時(shí)也應(yīng)同時(shí)上提。
　　 　　4. 計(jì)算方法及圖表說(shuō)明

　　4.1 中心位移及孔徑的計(jì)算（圖5） 　　
　　（1）熒光數(shù)碼管上，通過(guò)每個(gè)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(cè)得0_i1（S′_右）、0_i2（S′_上）、0_i3（S′_左）、0_i4（S′_下）四個(gè)數(shù)值。立面圖中00_i為孔頂孔心的軸心線，0_i′點(diǎn)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(shí)際有誤差，但其值甚小），所以認(rèn)為鉆孔的斷面是近似圓。因此，在計(jì)算斷面的孔心并采用圓的基本公式來(lái)推求孔心的位移值時(shí)，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(guò)圓心，那末我們實(shí)測(cè)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(diǎn)。其與設(shè)計(jì)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(diǎn)的上、下游方向偏心位移值；b值為0_i′點(diǎn)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(shí)際工作時(shí)，即可在現(xiàn)場(chǎng)算得此孔心位移值，也可在繪制成乛乚的縱斷面時(shí)（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(cè)斷面呈標(biāo)準(zhǔn)圓形，否則證明鉆孔時(shí)有不規(guī)則擴(kuò)孔現(xiàn)象。而該斷面處的孔徑取（2R₁+2R₂）=R₁+R₂計(jì)及。

　　4.2  傾斜率及其方位角的計(jì)算

　　（1）傾斜率是根據(jù)偏心距0_i0_i′除以測(cè)點(diǎn)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(diǎn)，以橋軸線里程前進(jìn)方向?yàn)榫植糠姐@孔位角的起算邊，所測(cè)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(tái)面上放樣定出孔位的設(shè)計(jì)中心或是值，以平臺(tái)面高程作為測(cè)深點(diǎn)的起算面，分別測(cè)出孔頂及所需測(cè)量的各個(gè)斷面（一般為每隔1～5m測(cè)量一個(gè)斷面）的中心位移，然后再計(jì)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(shí)例（見表1）

　　5. JXY—1型清水、泥漿兩用井斜儀的研制及測(cè)試實(shí)例

　　為了對(duì)泥漿鉆孔樁的成孔質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，我們與無(wú)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(shí)地測(cè)試。測(cè)試地點(diǎn)在九江長(zhǎng)江大橋0號(hào)臺(tái)鉆孔中，泥漿材料為膨潤(rùn)土，泥漿比重1.05，鉆孔半徑0.75m。從泥漿中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，基本上是成功的。這在0號(hào)臺(tái)36號(hào)孔中得到驗(yàn)證（見附圖2）。根據(jù)孔深實(shí)際共灌注混凝土170盤，每盤為0.765m³，則共計(jì)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(cè)算的容積為129.44m³。二者相差130m³－129.44m³=0.56 m³。若假定混凝土計(jì)算無(wú)誤（實(shí)際每盤都有誤差），則該儀器達(dá)到的精度為：

　　，完全滿足儀器設(shè)計(jì)的精度要求（1%）。

　　另外，從擴(kuò)孔率來(lái)計(jì)算，我們對(duì)該孔量測(cè)了20個(gè)斷面，求得直徑的權(quán)平均值為：160.8255cm，設(shè)計(jì)直徑為150cm所以擴(kuò)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(shí)踐證明，采用這種新的量測(cè)手段不僅驗(yàn)證了采用反循環(huán)鉆機(jī)配以低比重泥漿的成孔質(zhì)量是好的（成孔率達(dá)到100%），而且求得了具有可靠數(shù)據(jù)的擴(kuò)孔率。這樣，在設(shè)計(jì)時(shí)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(fèi)用。目前我們量測(cè)的孔數(shù)不多，今后若有條件獲得較多的測(cè)孔資料，則對(duì)設(shè)計(jì)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(diǎn)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(wú)錫紅專電子儀器廠CS——1型測(cè)深儀改制的井徑儀。

　　 3. 實(shí)量?jī)蓚€(gè)鉆頭直徑各為2435，2440mm。設(shè)計(jì)直徑為2450mm，實(shí)測(cè)鉆孔平均直徑為2489.58mm，所以擴(kuò)孔率為=4.3%

　　

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