基于低应变反射波法的矿山桩基岩土工程勘察研究

2022-05-08徐振华王浩

现代矿业 2022年4期

徐振华王浩

（中国核工业华兴建设有限公司）

山东某矿山磨选厂房在施工过程中，因桩基岩土工程属于地下隐蔽工程，施工技术相对复杂，要求各个施工工序紧密连接。为了尽可能降低安全事故发生频率，需要加大对桩基岩土工程勘察监管，通过实时勘察工程施工现场情况，判断桩基缺陷等级，为安全施工管理提供指导性依据［1-2］。目前，关于桩基缺陷勘察的研究较少，大部分工程仍然采用传统的人工勘察判断方法开展此部分工作。这些勘查方法耗费人力资源较多，耗时较长，加大了数据统计难度，勘查结果精度较低。低应变反射波法通过采集缺陷桩基反射波信号，并观察分析信号曲线的变化特点，判断当前检测对象是否发生缺陷。所以，本研究针对某矿山桩基工程，引入低应变反射波法，在确保工程质量的前提下，加深对矿山桩基岩土工程勘察研究［3］。

1 低应变反射波法

1.1 作业原理

依据一维波动理论，假设桩基自身的直径远远小于桩身长度，则开展桩基检测工作时，可以将其看作一维弹性杆件［4-5］。在杆件的顶部开始施加扰动，在此部分力的影响下，利用勘测装置可以检测到杆件的弹性压缩波。此部分波动传播速度几乎不变，以桩基顶部为起始点，以桩基底部为终点，从起点至终点开始传播［6］。在此期间，如果途经的位置出现了桩基阻抗老化情况，会产生透射波和反射波，这2 种波由应力波生成，传播方向分别为向下、向上，当波到达桩基底部时自动反射［7］。

作业期间，依靠安装在桩基顶部的传感器，采集反射波信号。当传感器采集到此类信号以后，对信号采取分析处理，最终生成加速度时程曲线。该曲线的变化特点决定了当前检测的桩基是否发生缺陷，同时也可以作为混凝土强度评价依据［8］。假设桩基产生缺陷位置对应的深度数值为L'，信号在桩基中的传播速度为C，2项指标的计算公式如下：

式中，∆T代表波形曲线波峰之间时间间隔，测量对象分别为位于桩基底部的反射波波峰和起始测量第一个波峰；L代表检测点至桩底之间的距离，m；Cm代表桩基自身的弹性压缩波对应的平均波速，m/s；∆tx代表曲线波峰之间的时间间隔，s。测量对象分别为位于桩基缺陷部位的反射波波峰和起始测量第一个波峰。

1.2 应用测试系统配置

低应变反射波法的应用，借助反射波测试系统采集相关信号，从而为桩基缺陷判断提供可靠数据支撑［9］。该系统的核心装置为信号传感器，负责采集信号。另外，系统配备激振设备，利用该装置在桩基顶部施加干扰力；放大器用于对采集到的信号进行放大处理，以便分析信号规律；信号采集分析仪对采集到的信号进行分析，判断当前桩基是否出现缺陷问题［10］。

1.3 勘察判定标准

按照桩基缺陷程度，设定4个勘察判定标准：

（1）I类。该类别桩基未出现任何缺陷，桩基外表完整。此类型桩基输出的时域信号在2L/C时刻前未生成缺陷反射波，生成的是桩基底部对应的反射波。该信号特征：桩基底谐振峰排列有序，各个峰值之间的距离基本相同，相邻频差稳定在C/2L左右，即

（2）II 类。该类别桩基存在轻微的缺陷，通过肉眼可以看到，但是不会对桩基的结构承载力发挥造成影响。此类型桩基输出的时域信号在2L/C时刻前，生成缺陷反射波，局部出现小幅度波动，缺陷不严重，同时生成桩基底部反射波。该信号特征：桩基底谐振峰排列比较有序，大部分谐振峰之间的距离相同，桩基底与缺陷部位谐振峰频差关系

（3）III 类。该类别桩基外表缺陷比较明显，很容易观察到，并且已经影响到了桩基的结构承载力作用的发挥。此类型桩基输出的时域信号中缺陷反射波比较明显，波形缺陷程度位于IV 类与II 类之间。该信号特征：缺陷谐振峰几乎呈等间距排列，相邻缺陷谐振峰之间的频差关系∆f>，桩基底部未形成谐振峰。

（4）IV 类。该类别桩基外表缺陷非常明显，非常容易观察到，严重影响到了桩基的结构承载力作用的发挥。此类型桩基输出的时域信号在2L/C时刻前，生成的缺陷反射波呈周期性变化，桩基底部未生成反射波。除此之外，还有可能在桩基浅部出现非常明显的缺陷，信号波形呈低频衰减振动曲线，并且振动幅度较大，桩基底部未生成反射波。该信号特征：缺陷谐振峰呈等间距排列，相邻缺陷谐振峰之间的频差关系∆f>，桩基底部未形成谐振峰。如果是桩基浅部缺陷问题，则在此部位会出现谐振峰，桩基底部不生成谐振峰。

2 矿山桩基岩土工程勘察中的应用

2.1 工程概况

以山东某矿山的桩基岩土工程为例，采用低应变反射波法勘察桩基缺陷情况。为了检验该方法的可靠性，本研究以工程中的一部分桩基岩土结构作为勘查测试环境。该测试环境中的桩基框架主要由3 部分组成，分别是桩基、墩柱、盖梁。其中，桩长为19 m，桩径为1.5 m，盖梁高度为1.2 m，墩柱的高度和直径参数分别为2 和1.2 m。考虑到矿山土层结构的部分，对桩基施工作业质量影响较大，所以在工程实施之前，对矿山土层分布情况进行勘查，获取一些物理性质参数，作为施工方案设计参考依据。该工程矿山土层分布情况及各项物理性质参数如表1所示。

观察表1中的统计结果可知，本工程所处地区土层物理性质随着土层深度的增加变化较大，缺少规律性变化，呈现出波动较大的变化曲线，不利于工程开展。桩基作为工程的基石，必须保证装置无任何缺陷。因此，制定一套桩基勘查标准，采取可靠的勘查方案检查桩基缺陷情况显得尤为重要。

2.2 工程勘察

2.2.1 设备布设

本工程利用反射波测试系统，对桩基缺陷情况进行测试。该系统主要由加速度传感器、电荷放大器、桩基动测仪三部分组成，如图1所示。

图1 中，将加速度传感器安装在桩基顶部，并与电荷放大器连接，利用力锤敲打桩基顶部，生成干扰力，作用在桩基顶部，形成反射波。当传感器采集到反射波信号以后，发送至电荷放大器，经过信号放大处理，转发至桩基动测仪，生成检测结果。

其中，传感器的安装位置决定了检测结果的可靠性，所以本研究对传感器的安装进行重点探究。传感器安装定位如图2所示。

图2中，实心桩以距离桩基顶部中心点2R/3位置作为传感器安装位置，要求桩基与水平面成90°，以便更为灵敏地采集反射波信号；关于力锤激振的位置，选取桩基壁厚0.5 倍处锤击，完成干扰力的施加；关于测量点的布设，则是根据桩基直径大小确定。如果桩基直径超出2 m，则布设4个及以上测点；如果桩基直径偏大，超出1.2 m，则布设3 个及以上测点；如果桩基直径在0.8～1.2 m，则布设2 个及以上测点，如果桩基直径小于0.8 m，则布设1个测点即可。

2.2.2 桩顶横波干扰检测及处理建议

由于桩顶存在横波干扰问题，为了避免此干扰对桩基缺陷检测结果精准度造成影响，必须采取相应处理措施。本研究针对不同情况，提出以下干扰处理措施。

（1）彻底清除位于桩顶的浮渣、浮浆，确保力锤敲击沿着轴向产生压缩力为主力。在此情况下，轴向形成的剪切力非常小，能够有效避免桩顶产生横波干扰。

（2）从理论层面来鉴别当前生成的反射波是否遭受干扰，此处采用的是理论分析鉴别法，观察输出结果中反射波曲线，判断反射波产生的缘由，主要包括桩身缺陷、桩顶反射横波2 种缘由。其中，判断依据包括曲线中初始阶段的首波振幅接近性、曲线普遍性等多项指标，观察这些指标情况是否与缺陷情形相符，如果相符，则认为由桩身引发缺陷，反之，则判定为桩顶反射横波。针对桩身缺陷引发的干扰，则不需要采取任何处理措施，直接将生成曲线作为检测结果；针对桩顶反射横波引起的干扰，则通过调整力锤敲击位置等进行改善。

（3）上述2 种方法无法确定是否因短到时差同相反射波造成的干扰，所以还需要采用开挖甄别法，展开开挖查验。考虑到计算误差会导致漏判情况发生，所以在实际操作中开挖深度较理论深度更大，增加尺寸范围0.4～0.5 m。清除桩基表面泥沙后，开始查验。首先，观察桩基的外表，如果外表无缺陷，则继续利用力锤敲击桩身，根据产生的声音清脆程度，判断桩身内部是否存在缺陷。如果声音比较混浊，则认为当前桩身内部存在缺陷，对检测造成干扰。针对此问题，建议立即修复桩身，提升工程质量。

2.3 测试结果与分析

按照上述桩基检测方法，搭建测试设备架构，分别对5 处不同条件下的桩基进行测试。利用力锤敲击桩顶，产生干扰力，生成的结果如图3 所示（d为桩基直径）。

2.4 实测结果分析

观察图3，反射波信号实测波形清晰，能够获取这些信号的到达时间，作为桩基缺陷分析主要依据。

观察工况1检测结果，根据前文提到的勘察判定标准判据可知，桩基底谐振峰排列有序，各个峰值之间的距离基本相同，相邻频差稳定在C/2L左右，即∆f≈。所以，该检测点处的桩基不存在缺陷。工况2 桩基长度为10 m，直径为0.8 m，检测结果中出现了反相反射波信号，位置在距离桩基顶部4.51 m 处，其波速与未出现缺陷的桩基波速相同，所以该桩基为扩径桩，不存在缺陷。工况3 桩基长度为10 m，直径为1.0 m，曲线中出现了同相反射波信号，位置为距离桩基顶部6.2 m处，并且波速偏小。因此，判定距离桩基顶部6.2 m 处桩基出现了缺陷，但是缺陷程度比较小。凿除取证结果显示，该桩基6～7 m 处存在混凝土离析问题，所以，当前检测结果可靠。工况4 中桩基长度为10 m，直径为1.2 m，曲线中出现了同相反射波信号，位置为距离桩基顶部4.76 m 处，波速与未出现缺陷的桩基波速相同。因此，判定当前桩基为缩颈桩。凿除取证结果显示，该桩基4.7～4.9 m 处的存在缩颈问题。所以，当前检测结果可靠。工况5桩基长度为10 m，直径为1.0 m，曲线中距离桩基顶部2.78 m 处出现了非常严重的缺陷，波形反射次数较多，并且反射时间间隔基本相同，因波形在自由震荡的影响下逐渐衰退，所以无法识别桩底反射情况，因而判定为断桩。开挖取证结果显示，2.9 m 处存在断桩问题。