低應變反射波法在礦山樁基巖土工程勘察中的應用

范曉東

(江蘇聯合職業技術學院，江蘇 南京 210000)

0 引 言

隨著時代的快速發展，大規模、大跨度結構的建設促使了建筑結構的復雜化，進而使得人們對深樁基礎的重視程度逐步擴大[1-3]。礦山樁基巖土工程屬于地下隱蔽工程，不僅要求工藝流程中各工序之間連接緊密而且各工序的施工技術也相對繁雜[4-6]。在各個工藝施工的過程中比較容易出現擴徑、斷裂和沉渣等質量缺陷，嚴重影響其承載能力，進行樁基質量檢測對及時發現問題、采用工程措施以及保證樁基的安全都具有非凡的意義。

既能滿足施工的進度要求又能兼顧到工程的安全方面，以既精確又不耗費時間的檢測方法來完成對樁基巖土工程質量的勘察是目前亟待解決的問題。1972年湖南大學周光龍等人開始研究樁的動測技術，經多年研究探索和工程考核試驗，他們形成了動力參數測樁法[7]。1978年首先由湖南大學振動研究室和四川成都城建建設研究所的科技人員在西安公路研究所研制成功。低應變反射波法[8-11]是一種集聚方便簡潔、經費低廉和無損傷檢測等優勢于一身的動測方式，但是目前反射波法測樁技術在實踐中，存在著樁頂橫波干擾，導致檢測人員誤將其作為樁身淺部缺陷產生的反射縱波產生誤判，另外由于一些樁直徑小，樁頂橫波反射波與激振波的到達時差小于振動波的1/4周期，一般很難發現和讀出，所以必須正確識別和消除樁頂橫波干擾。因此本文通過與實際工程相結合的方式，消除樁頂橫波干擾，并將其應用到樁基巖土工程勘察。

1 低應變反射波法原理

低應變反射法通過檢測判斷樁基的缺陷位置、校核施工樁基長度以及定性評估混凝土強度等級等方式來完成對樁基的檢測評定。

以一維波動為理論基礎，如果樁基樁身長度遠大于它的直徑，則樁基可以看成一個一維彈性桿件。在樁基頂部施以初始擾動力，樁基中被激發出彈性壓縮波以某一速度沿著樁身從樁基頂部傳播到樁基底部，彈性壓縮波經過樁基阻抗變化的地方時，應力波將形成向上傳播的反射波和向下傳播的透射波，傳播到樁基底部時將會發生反射。在樁基頂部安裝采集反射波信號的傳感器，然后經過對該信號的分析處理過程獲得加速度的時程曲線，通過該曲線的特性可對質量缺陷的位置進行判斷，并且可對混凝土的強度等級進行評估。樁基中的速度C以及樁基缺陷位置的深度L′的計算方法分別見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：L表示測試點以下樁基長度，m；ΔT表示波形曲線的第一個波峰和樁基底部反射波波峰之間的時間間隔；Δtx表示波形曲線的第一個波峰和樁基缺陷位置反射波波峰之間的時間間隔；Cm表示樁身彈性壓縮波的波速平均值，m/s。

2 礦山實際工程的應用

2.1 工程地質概況

該礦山土層的分布情況及其物理學性質指標見表1。

表1 土層的分布及物理學性質指標

2.2 測試系統

反射波法測試系統見圖1，包含激振設備、傳感器、放大器、信號采集分析儀。

2.3 傳感器和激振點的位置選擇

圖1 測試系統

圖2 傳感器安裝點及錘擊點布置圖

選取樁基頭部的中心作為實心樁基的激振點，選取距離中心位置的2/3R作為傳感器的安裝位置，見圖2(a)?？招臉痘跇痘诤竦?.5倍的地方作為激振點，見圖2(b)，且其在相同的水平面與樁基的中心連線成90°夾角的地方裝配傳感器。相對來說，測點個數的選擇應根據樁基直徑的大小而定，如果樁基直徑大于0.8 m，應至少選擇2個測點；樁基直徑大于1.2 m時，應至少選擇3個測點；樁基直徑大于2 m時，應至少選擇4個測點。

2.4 樁基巖土工程勘察的判定分類標準

樁基巖土工程勘察的判定分類見表2。

表2 判定分類標準

3 樁頂橫波干擾的消除方法

消除樁頂橫波干擾包含兩層意思：從根本上消除或削弱生成樁頂橫波的力學條件，使樁頂橫波無法產生或十分微弱；采取有效方法正確判別樁頂同相反射橫波和由于淺部缺陷在檢測曲線中引起的同相反射波。

1) 徹底清除樁頂的浮漿、浮渣，在硬實的樁頂上激振，保證樁頂面上僅有軸向為主的壓縮力，而垂直軸向的剪切力極小，使樁頂橫波干擾無法生成，從根本上防止橫波千擾[12]。

2) 理論分析鑒別法，當反射波檢測曲線中出現短的到時差的同相反射波時，區分是樁身的淺部缺陷還是樁頂反射橫波引起的[13]，根據此反射波在基樁檢測曲線中顯現的普遍性、與初始激振波到時差及振幅比的一致性、與初始激振波首波振幅的接近性等方面進行分析，若符合，則可認為是樁頂反射橫波，反之為樁身缺陷引起的反射波。

3) 開挖甄別法對那些用以上方法還不能準確判別的短到時差的同相反射波[14-15]，需開挖查驗。為了防止計算誤差引起漏判，開挖深度一般應比推算深度大0.4～0.5 m。查驗前必須清除基樁表面的泥砂，露出干凈的混凝土，查看時除觀察樁身外表的完整性，還需敲擊樁身，從其響聲的清脆、混濁情況了解樁身內部有無缺陷，作出破樁查驗的決定，以查明樁身內部的完整性。

4 礦山樁基巖土工程實測結果及分析

對礦山樁基進行實測，選擇測試結果中典型的幾種實測結果見圖3。

從圖3(a)中可看出，反射波信號的實測波形很明晰，樁基底部反射信號也很顯著，容易獲取反射波信號達到的時刻，且樁基中波傳播的平均速度比較高。

圖3 礦山樁基巖土工程實測結果圖

圖3(a)樁基直徑是1.2 m，長度是10 m，其實測結果和理論很接近，表示樁基是完整的；圖3(b)樁基的直徑是0.8 m，長度是10 m，通過實測圖形可以看出，在距離樁基頂部4.51 m處發生反相反射波信號，波的速度和完整樁基本相同，判斷是擴徑樁，因為擴徑樁有利于設計，所以判定為無缺陷樁基；圖3(c)樁基的直徑是1.0 m，長度是10 m，從圖形中能看出，在距離樁基頂部6.20 m處發生同相反射波信號，其波速較完整樁的波速有所減小，所以判斷是離析樁，并在6.20位置左右有微小的缺陷，經過鑿除取證發現在6～7 m處有混凝土離析，和實測分析結果一致；圖3(d)樁基的直徑是1.2 m，長度是10 m，從圖形中能看出，距離樁基頂部4.76 m處發生同相反射波信號，但是波速較完整樁的沒有變化，所以判斷是縮頸樁，經過開挖取證發現在4.7～4.9 m位置有縮頸，和實測分析結果一致；圖3(e)樁基的直徑是1.0 m，長度是10 m，從圖形中能看出，在距離樁基頂部2.78 m位置附近存在嚴重缺陷，波形發生多次反射，且其時間間隔一致，反射波形經過自由震蕩逐漸衰退，沒有辦法識別樁基底部的反射，所以判斷是斷樁。經過了解，在施工澆灌的過程中因為提導管產生斷裂，而后經簡單的處理過程后從新插進導管進行澆灌，從而產生了斷樁。經過開挖取證后發現在2.9 m的位置有斷樁，和實測分析結果一致。

5 結 論

經過在實際工程中的應用，證明：①對礦山樁基的存在的質量問題進行測量，及時發現并解決其缺陷問題，保證樁基的承載能力，加強巖土工程的安全系數，對礦山樁基巖土工程的勘察工作及施工具有指導性作用；②低應變反射波法具有數據采集簡便、

快速等優點，能夠對礦山樁基巖土工程中缺陷進行有效的分析處理；③樁身缺陷性及位置的判別和如樁長及樁徑等其他因素有關，這都將擾動波形確定，從而產生其他想不到的測試圖像，而這往往是由于測試人員本身疏忽所致。只有全面分析低應變反射法測量中可能的影響因素，就能對樁體得出一個符合實際的判斷結果，該方法擁有很高的精確性以及很好的應用前景。

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