低應(yīng)變反射波法在礦山樁基巖土工程勘察中的應(yīng)用

范曉東

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210000)

0 引 言

隨著時(shí)代的快速發(fā)展，大規(guī)模、大跨度結(jié)構(gòu)的建設(shè)促使了建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，進(jìn)而使得人們對(duì)深樁基礎(chǔ)的重視程度逐步擴(kuò)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(shù)也相對(duì)繁雜[4-6]。在各個(gè)工藝施工的過(guò)程中比較容易出現(xiàn)擴(kuò)徑、斷裂和沉渣等質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重影響其承載能力，進(jìn)行樁基質(zhì)量檢測(cè)對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(jìn)度要求又能兼顧到工程的安全方面，以既精確又不耗費(fèi)時(shí)間的檢測(cè)方法來(lái)完成對(duì)樁基巖土工程質(zhì)量的勘察是目前亟待解決的問(wèn)題。1972年湖南大學(xué)周光龍等人開(kāi)始研究樁的動(dòng)測(cè)技術(shù)，經(jīng)多年研究探索和工程考核試驗(yàn)，他們形成了動(dòng)力參數(shù)測(cè)樁法[7]。1978年首先由湖南大學(xué)振動(dòng)研究室和四川成都城建建設(shè)研究所的科技人員在西安公路研究所研制成功。低應(yīng)變反射波法[8-11]是一種集聚方便簡(jiǎn)潔、經(jīng)費(fèi)低廉和無(wú)損傷檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)于一身的動(dòng)測(cè)方式，但是目前反射波法測(cè)樁技術(shù)在實(shí)踐中，存在著樁頂橫波干擾，導(dǎo)致檢測(cè)人員誤將其作為樁身淺部缺陷產(chǎn)生的反射縱波產(chǎn)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(dá)時(shí)差小于振動(dòng)波的1/4周期，一般很難發(fā)現(xiàn)和讀出，所以必須正確識(shí)別和消除樁頂橫波干擾。因此本文通過(guò)與實(shí)際工程相結(jié)合的方式，消除樁頂橫波干擾，并將其應(yīng)用到樁基巖土工程勘察。

1 低應(yīng)變反射波法原理

低應(yīng)變反射法通過(guò)檢測(cè)判斷樁基的缺陷位置、校核施工樁基長(zhǎng)度以及定性評(píng)估混凝土強(qiáng)度等級(jí)等方式來(lái)完成對(duì)樁基的檢測(cè)評(píng)定。

以一維波動(dòng)為理論基礎(chǔ)，如果樁基樁身長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于它的直徑，則樁基可以看成一個(gè)一維彈性桿件。在樁基頂部施以初始擾動(dòng)力，樁基中被激發(fā)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(jīng)過(guò)樁基阻抗變化的地方時(shí)，應(yīng)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(shí)將會(huì)發(fā)生反射。在樁基頂部安裝采集反射波信號(hào)的傳感器，然后經(jīng)過(guò)對(duì)該信號(hào)的分析處理過(guò)程獲得加速度的時(shí)程曲線，通過(guò)該曲線的特性可對(duì)質(zhì)量缺陷的位置進(jìn)行判斷，并且可對(duì)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行評(píng)估。樁基中的速度C以及樁基缺陷位置的深度L′的計(jì)算方法分別見(jiàn)式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：L表示測(cè)試點(diǎn)以下樁基長(zhǎng)度，m；ΔT表示波形曲線的第一個(gè)波峰和樁基底部反射波波峰之間的時(shí)間間隔；Δtx表示波形曲線的第一個(gè)波峰和樁基缺陷位置反射波波峰之間的時(shí)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(shí)際工程的應(yīng)用

2.1 工程地質(zhì)概況

該礦山土層的分布情況及其物理學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土層的分布及物理學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.2 測(cè)試系統(tǒng)

反射波法測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)圖1，包含激振設(shè)備、傳感器、放大器、信號(hào)采集分析儀。

2.3 傳感器和激振點(diǎn)的位置選擇

圖1 測(cè)試系統(tǒng)

圖2 傳感器安裝點(diǎn)及錘擊點(diǎn)布置圖

選取樁基頭部的中心作為實(shí)心樁基的激振點(diǎn)，選取距離中心位置的2/3R作為傳感器的安裝位置，見(jiàn)圖2(a)。空心樁基在樁基壁厚的0.5倍的地方作為激振點(diǎn)，見(jiàn)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(duì)來(lái)說(shuō)，測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)樁基直徑的大小而定，如果樁基直徑大于0.8 m，應(yīng)至少選擇2個(gè)測(cè)點(diǎn)；樁基直徑大于1.2 m時(shí)，應(yīng)至少選擇3個(gè)測(cè)點(diǎn)；樁基直徑大于2 m時(shí)，應(yīng)至少選擇4個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2.4 樁基巖土工程勘察的判定分類標(biāo)準(zhǔn)

樁基巖土工程勘察的判定分類見(jiàn)表2。

表2 判定分類標(biāo)準(zhǔn)

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(xué)條件，使樁頂橫波無(wú)法產(chǎn)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(cè)曲線中引起的同相反射波。

1) 徹底清除樁頂?shù)母{、浮渣，在硬實(shí)的樁頂上激振，保證樁頂面上僅有軸向?yàn)橹鞯膲嚎s力，而垂直軸向的剪切力極小，使樁頂橫波干擾無(wú)法生成，從根本上防止橫波千擾[12]。

2) 理論分析鑒別法，當(dāng)反射波檢測(cè)曲線中出現(xiàn)短的到時(shí)差的同相反射波時(shí)，區(qū)分是樁身的淺部缺陷還是樁頂反射橫波引起的[13]，根據(jù)此反射波在基樁檢測(cè)曲線中顯現(xiàn)的普遍性、與初始激振波到時(shí)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(jìn)行分析，若符合，則可認(rèn)為是樁頂反射橫波，反之為樁身缺陷引起的反射波。

3) 開(kāi)挖甄別法對(duì)那些用以上方法還不能準(zhǔn)確判別的短到時(shí)差的同相反射波[14-15]，需開(kāi)挖查驗(yàn)。為了防止計(jì)算誤差引起漏判，開(kāi)挖深度一般應(yīng)比推算深度大0.4～0.5 m。查驗(yàn)前必須清除基樁表面的泥砂，露出干凈的混凝土，查看時(shí)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(nèi)部有無(wú)缺陷，作出破樁查驗(yàn)的決定，以查明樁身內(nèi)部的完整性。

4 礦山樁基巖土工程實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

對(duì)礦山樁基進(jìn)行實(shí)測(cè)，選擇測(cè)試結(jié)果中典型的幾種實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖3(a)中可看出，反射波信號(hào)的實(shí)測(cè)波形很明晰，樁基底部反射信號(hào)也很顯著，容易獲取反射波信號(hào)達(dá)到的時(shí)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(shí)測(cè)結(jié)果圖

圖3(a)樁基直徑是1.2 m，長(zhǎng)度是10 m，其實(shí)測(cè)結(jié)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(zhǎng)度是10 m，通過(guò)實(shí)測(cè)圖形可以看出，在距離樁基頂部4.51 m處發(fā)生反相反射波信號(hào)，波的速度和完整樁基本相同，判斷是擴(kuò)徑樁，因?yàn)閿U(kuò)徑樁有利于設(shè)計(jì)，所以判定為無(wú)缺陷樁基；圖3(c)樁基的直徑是1.0 m，長(zhǎng)度是10 m，從圖形中能看出，在距離樁基頂部6.20 m處發(fā)生同相反射波信號(hào)，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(jīng)過(guò)鑿除取證發(fā)現(xiàn)在6～7 m處有混凝土離析，和實(shí)測(cè)分析結(jié)果一致；圖3(d)樁基的直徑是1.2 m，長(zhǎng)度是10 m，從圖形中能看出，距離樁基頂部4.76 m處發(fā)生同相反射波信號(hào)，但是波速較完整樁的沒(méi)有變化，所以判斷是縮頸樁，經(jīng)過(guò)開(kāi)挖取證發(fā)現(xiàn)在4.7～4.9 m位置有縮頸，和實(shí)測(cè)分析結(jié)果一致；圖3(e)樁基的直徑是1.0 m，長(zhǎng)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(yán)重缺陷，波形發(fā)生多次反射，且其時(shí)間間隔一致，反射波形經(jīng)過(guò)自由震蕩逐漸衰退，沒(méi)有辦法識(shí)別樁基底部的反射，所以判斷是斷樁。經(jīng)過(guò)了解，在施工澆灌的過(guò)程中因?yàn)樘釋?dǎo)管產(chǎn)生斷裂，而后經(jīng)簡(jiǎn)單的處理過(guò)程后從新插進(jìn)導(dǎo)管進(jìn)行澆灌，從而產(chǎn)生了斷樁。經(jīng)過(guò)開(kāi)挖取證后發(fā)現(xiàn)在2.9 m的位置有斷樁，和實(shí)測(cè)分析結(jié)果一致。

5 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，證明：①對(duì)礦山樁基的存在的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行測(cè)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決其缺陷問(wèn)題，保證樁基的承載能力，加強(qiáng)巖土工程的安全系數(shù)，對(duì)礦山樁基巖土工程的勘察工作及施工具有指導(dǎo)性作用；②低應(yīng)變反射波法具有數(shù)據(jù)采集簡(jiǎn)便、

快速等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)ΦV山樁基巖土工程中缺陷進(jìn)行有效的分析處理；③樁身缺陷性及位置的判別和如樁長(zhǎng)及樁徑等其他因素有關(guān)，這都將擾動(dòng)波形確定，從而產(chǎn)生其他想不到的測(cè)試圖像，而這往往是由于測(cè)試人員本身疏忽所致。只有全面分析低應(yīng)變反射法測(cè)量中可能的影響因素，就能對(duì)樁體得出一個(gè)符合實(shí)際的判斷結(jié)果，該方法擁有很高的精確性以及很好的應(yīng)用前景。

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