低应变反射波法在矿山桩基岩土工程勘察中的应用

范晓东

(江苏联合职业技术学院，江苏 南京 210000)

0 引 言

随着时代的快速发展，大规模、大跨度结构的建设促使了建筑结构的复杂化，进而使得人们对深桩基础的重视程度逐步扩大[1-3]。矿山桩基岩土工程属于地下隐蔽工程，不仅要求工艺流程中各工序之间连接紧密而且各工序的施工技术也相对繁杂[4-6]。在各个工艺施工的过程中比较容易出现扩径、断裂和沉渣等质量缺陷，严重影响其承载能力，进行桩基质量检测对及时发现问题、采用工程措施以及保证桩基的安全都具有非凡的意义。

既能满足施工的进度要求又能兼顾到工程的安全方面，以既精确又不耗费时间的检测方法来完成对桩基岩土工程质量的勘察是目前亟待解决的问题。1972年湖南大学周光龙等人开始研究桩的动测技术，经多年研究探索和工程考核试验，他们形成了动力参数测桩法[7]。1978年首先由湖南大学振动研究室和四川成都城建建设研究所的科技人员在西安公路研究所研制成功。低应变反射波法[8-11]是一种集聚方便简洁、经费低廉和无损伤检测等优势于一身的动测方式，但是目前反射波法测桩技术在实践中，存在着桩顶横波干扰，导致检测人员误将其作为桩身浅部缺陷产生的反射纵波产生误判，另外由于一些桩直径小，桩顶横波反射波与激振波的到达时差小于振动波的1/4周期，一般很难发现和读出，所以必须正确识别和消除桩顶横波干扰。因此本文通过与实际工程相结合的方式，消除桩顶横波干扰，并将其应用到桩基岩土工程勘察。

1 低应变反射波法原理

低应变反射法通过检测判断桩基的缺陷位置、校核施工桩基长度以及定性评估混凝土强度等级等方式来完成对桩基的检测评定。

以一维波动为理论基础，如果桩基桩身长度远大于它的直径，则桩基可以看成一个一维弹性杆件。在桩基顶部施以初始扰动力，桩基中被激发出弹性压缩波以某一速度沿着桩身从桩基顶部传播到桩基底部，弹性压缩波经过桩基阻抗变化的地方时，应力波将形成向上传播的反射波和向下传播的透射波，传播到桩基底部时将会发生反射。在桩基顶部安装采集反射波信号的传感器，然后经过对该信号的分析处理过程获得加速度的时程曲线，通过该曲线的特性可对质量缺陷的位置进行判断，并且可对混凝土的强度等级进行评估。桩基中的速度C以及桩基缺陷位置的深度L′的计算方法分别见式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：L表示测试点以下桩基长度，m；ΔT表示波形曲线的第一个波峰和桩基底部反射波波峰之间的时间间隔；Δtx表示波形曲线的第一个波峰和桩基缺陷位置反射波波峰之间的时间间隔；Cm表示桩身弹性压缩波的波速平均值，m/s。

2 矿山实际工程的应用

2.1 工程地质概况

该矿山土层的分布情况及其物理学性质指标见表1。

表1 土层的分布及物理学性质指标

2.2 测试系统

反射波法测试系统见图1，包含激振设备、传感器、放大器、信号采集分析仪。

2.3 传感器和激振点的位置选择

图1 测试系统

图2 传感器安装点及锤击点布置图

选取桩基头部的中心作为实心桩基的激振点，选取距离中心位置的2/3R作为传感器的安装位置，见图2(a)。空心桩基在桩基壁厚的0.5倍的地方作为激振点，见图2(b)，且其在相同的水平面与桩基的中心连线成90°夹角的地方装配传感器。相对来说，测点个数的选择应根据桩基直径的大小而定，如果桩基直径大于0.8 m，应至少选择2个测点；桩基直径大于1.2 m时，应至少选择3个测点；桩基直径大于2 m时，应至少选择4个测点。

2.4 桩基岩土工程勘察的判定分类标准

桩基岩土工程勘察的判定分类见表2。

表2 判定分类标准

3 桩顶横波干扰的消除方法

消除桩顶横波干扰包含两层意思：从根本上消除或削弱生成桩顶横波的力学条件，使桩顶横波无法产生或十分微弱；采取有效方法正确判别桩顶同相反射横波和由于浅部缺陷在检测曲线中引起的同相反射波。

1) 彻底清除桩顶的浮浆、浮渣，在硬实的桩顶上激振，保证桩顶面上仅有轴向为主的压缩力，而垂直轴向的剪切力极小，使桩顶横波干扰无法生成，从根本上防止横波千扰[12]。

2) 理论分析鉴别法，当反射波检测曲线中出现短的到时差的同相反射波时，区分是桩身的浅部缺陷还是桩顶反射横波引起的[13]，根据此反射波在基桩检测曲线中显现的普遍性、与初始激振波到时差及振幅比的一致性、与初始激振波首波振幅的接近性等方面进行分析，若符合，则可认为是桩顶反射横波，反之为桩身缺陷引起的反射波。

3) 开挖甄别法对那些用以上方法还不能准确判别的短到时差的同相反射波[14-15]，需开挖查验。为了防止计算误差引起漏判，开挖深度一般应比推算深度大0.4～0.5 m。查验前必须清除基桩表面的泥砂，露出干净的混凝土，查看时除观察桩身外表的完整性，还需敲击桩身，从其响声的清脆、混浊情况了解桩身内部有无缺陷，作出破桩查验的决定，以查明桩身内部的完整性。

4 矿山桩基岩土工程实测结果及分析

对矿山桩基进行实测，选择测试结果中典型的几种实测结果见图3。

从图3(a)中可看出，反射波信号的实测波形很明晰，桩基底部反射信号也很显著，容易获取反射波信号达到的时刻，且桩基中波传播的平均速度比较高。

图3 矿山桩基岩土工程实测结果图

图3(a)桩基直径是1.2 m，长度是10 m，其实测结果和理论很接近，表示桩基是完整的；图3(b)桩基的直径是0.8 m，长度是10 m，通过实测图形可以看出，在距离桩基顶部4.51 m处发生反相反射波信号，波的速度和完整桩基本相同，判断是扩径桩，因为扩径桩有利于设计，所以判定为无缺陷桩基；图3(c)桩基的直径是1.0 m，长度是10 m，从图形中能看出，在距离桩基顶部6.20 m处发生同相反射波信号，其波速较完整桩的波速有所减小，所以判断是离析桩，并在6.20位置左右有微小的缺陷，经过凿除取证发现在6～7 m处有混凝土离析，和实测分析结果一致；图3(d)桩基的直径是1.2 m，长度是10 m，从图形中能看出，距离桩基顶部4.76 m处发生同相反射波信号，但是波速较完整桩的没有变化，所以判断是缩颈桩，经过开挖取证发现在4.7～4.9 m位置有缩颈，和实测分析结果一致；图3(e)桩基的直径是1.0 m，长度是10 m，从图形中能看出，在距离桩基顶部2.78 m位置附近存在严重缺陷，波形发生多次反射，且其时间间隔一致，反射波形经过自由震荡逐渐衰退，没有办法识别桩基底部的反射，所以判断是断桩。经过了解，在施工浇灌的过程中因为提导管产生断裂，而后经简单的处理过程后从新插进导管进行浇灌，从而产生了断桩。经过开挖取证后发现在2.9 m的位置有断桩，和实测分析结果一致。

5 结 论

经过在实际工程中的应用，证明：①对矿山桩基的存在的质量问题进行测量，及时发现并解决其缺陷问题，保证桩基的承载能力，加强岩土工程的安全系数，对矿山桩基岩土工程的勘察工作及施工具有指导性作用；②低应变反射波法具有数据采集简便、

快速等优点，能够对矿山桩基岩土工程中缺陷进行有效的分析处理；③桩身缺陷性及位置的判别和如桩长及桩径等其他因素有关，这都将扰动波形确定，从而产生其他想不到的测试图像，而这往往是由于测试人员本身疏忽所致。只有全面分析低应变反射法测量中可能的影响因素，就能对桩体得出一个符合实际的判断结果，该方法拥有很高的精确性以及很好的应用前景。

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