朱振華 鄧勁松 易萍華

在巖溶地區(qū)進(jìn)行工程項(xiàng)目建設(shè),常采用嵌巖樁的基礎(chǔ)形式。由于基巖中巖溶發(fā)育,存在溶洞、溶蝕裂隙、軟弱夾層等不良地質(zhì)體。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》要求,在施工勘察階段,當(dāng)采用大直徑嵌巖樁時(shí),應(yīng)對(duì)樁位進(jìn)行專門的樁基勘察,勘察點(diǎn)應(yīng)逐樁布置,勘探的深度應(yīng)不小于樁底面以下樁徑的3倍并不小于5 m。但一樁一孔的鉆探往往會(huì)遺漏孔旁的溶洞,難以完全查明整個(gè)樁位范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育情況,巖溶勘察新方法——管波探測(cè)法能探測(cè)到直徑2 m～2.5 m范圍內(nèi)溶洞、軟弱夾層及溶蝕裂隙帶的發(fā)育分布情況,能有效彌補(bǔ)一樁一孔的不足(見(jiàn)圖1)。

1 管波探測(cè)法

1.1 管波探測(cè)原理

當(dāng)相互接觸的兩種介質(zhì)一種是流體另一種是固體時(shí),流體的振動(dòng)會(huì)在兩種介質(zhì)的分界面附近產(chǎn)生沿界面?zhèn)鞑サ慕缑娌?稱作廣義的瑞利波。在液體填充的孔內(nèi)及孔壁上,廣義的瑞利波沿孔的軸向傳播,稱作管波。管波探測(cè)利用樁位中心的一個(gè)鉆孔,通過(guò)在孔液中振動(dòng)產(chǎn)生管波,管波在孔液和孔壁以外一定范圍內(nèi)沿鉆孔軸向傳播,除在孔徑變化、孔底和孔液表面處產(chǎn)生反射外,在管波有效探測(cè)范圍內(nèi)的任何波阻抗變化都會(huì)產(chǎn)生反射。在鉆孔周圍的圓柱狀空間,這種波阻抗的變化必定是由于鉆孔旁側(cè)的巖性差異及土洞、溶洞、軟弱夾層等不良地質(zhì)體的存在造成的。因而可通過(guò)分析反射管波來(lái)確定鉆孔旁側(cè)是否存在巖性差異及不良地質(zhì)體。

1.2 管波探測(cè)裝置

根據(jù)管波的傳播特性及孔中的測(cè)試環(huán)境,管波探測(cè)法的探測(cè)裝置如圖2所示。圖2中發(fā)射儀器產(chǎn)生的發(fā)射脈沖信號(hào)通過(guò)發(fā)射換能器S轉(zhuǎn)換成振動(dòng)脈沖,在孔壁周圍產(chǎn)生管波,管波沿鉆孔軸向向上及向下傳播,接收換能器R首先接收到直達(dá)管波。沿鉆孔軸向傳播的管波在波阻抗差異界面(孔徑變化處、液面處、孔底、孔壁波阻抗差異界面)處發(fā)生反射和透射,反射管波由接收換能器R接收。

1.3 管波探測(cè)流程

實(shí)際工程中,常常出現(xiàn)鉆孔揭露的完整基巖段厚度已經(jīng)滿足規(guī)范要求,管波探測(cè)法發(fā)現(xiàn)其“完整基巖段”中是否存在溶洞、軟弱夾層等不良地質(zhì)體的情況。為了保證樁位持力層的完整性,通常采用管波探測(cè)與鉆探互動(dòng)的探測(cè)流程,見(jiàn)圖3。

1.4 管波探測(cè)的工程地質(zhì)解釋

1)界面反射能量強(qiáng)、頻率低,且上下反射界面之間的能量存在消散現(xiàn)象,這是洞穴、溶洞的反映。2)當(dāng)溶洞與探測(cè)孔之間存在水力聯(lián)系或軟弱夾層的剪切波速度比孔液壓縮波速度小時(shí),在管波時(shí)間剖面中表現(xiàn)為管波能量消散,即無(wú)直達(dá)管波,同時(shí)該處的反射管波能量低、頻率高,這是溶蝕裂隙的反映。3)傾斜的反射波組即為不良地質(zhì)體邊界處的反射管波,不良地質(zhì)體的頂、底界面深度為反射管波同相軸時(shí)距曲線與零時(shí)間的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深度。4)直達(dá)波組不存在向下彎曲變化,直達(dá)波以后,無(wú)明顯的傾斜的直線形反射波組,且不存在管波能量消散現(xiàn)象,這種特征可作為判定孔旁基巖完整的判別依據(jù)。

2 管波探測(cè)法的應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

南京—安慶新建鐵路(鐵三院設(shè)計(jì)段),位于長(zhǎng)江南岸,大致走向NE—SW。正線線路全長(zhǎng)60.35 km,銅九改線段長(zhǎng)5.015 km,池州疏解線長(zhǎng)3.731 km,線路總長(zhǎng)68.827 km。全段橋梁特大橋12座、大橋8座、中橋6座、公路橋6座,總長(zhǎng)度為32.47 km,橋梁長(zhǎng)度約占全線總長(zhǎng)的47.2%;隧道 5座,總長(zhǎng)度1.44 km;可溶巖分布線路總長(zhǎng)34.0 km。巖溶橋總長(zhǎng)24.224 km,其中巖溶中等發(fā)育～強(qiáng)烈發(fā)育橋總長(zhǎng)17.592 km,巖溶不發(fā)育～弱發(fā)育橋總長(zhǎng)6.632 km;溶巖發(fā)育地段軟土、松軟及膨脹土路基5段長(zhǎng)約9.6 km,溶巖發(fā)育路塹2處。

2.2 應(yīng)用

寧安城際鐵路沿線(鐵三院設(shè)計(jì)段)在巖溶發(fā)育強(qiáng)烈橋段,實(shí)行逐樁勘探與管波探測(cè)相結(jié)合的方式;巖溶不發(fā)育～弱發(fā)育橋段,在一樁一孔基礎(chǔ)上,再進(jìn)行管波探測(cè)。巖溶發(fā)育強(qiáng)烈橋段,共192個(gè)樁位進(jìn)行了管波探測(cè),在153個(gè)已被鉆探揭露的溶洞中,管波探測(cè)到的溶洞范圍增大的有46個(gè),占30.1%,最大增高溶洞為6.9 m;巖溶不發(fā)育～弱發(fā)育橋段,共98個(gè)樁位進(jìn)行了管波探測(cè),有溶洞而未被鉆探揭露的有34個(gè)樁位,占已探測(cè)樁位的34.7%。

以09-BZD-1224號(hào)鉆孔為例,鉆孔勘察資料顯示,-15.23 m高程以下即可作為樁端持力層。而管波解釋結(jié)果表明,-19.43 m高程以上仍為巖溶發(fā)育段,只是未被鉆孔揭露。根據(jù)管波探測(cè)資料,該孔-19.43 m高程以下方可作為樁端持力層。

2.3 驗(yàn)證

為了驗(yàn)證管波探測(cè)成果,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)09-BZD-1087,09-BZD-3218,09-BZD-3276 3個(gè)樁位的管波探測(cè)成果進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證。驗(yàn)證時(shí),在每個(gè)樁的樁周各布4個(gè)孔進(jìn)行鉆探取芯,驗(yàn)證孔距樁中心約1.0 m～1.5 m。鉆探孔的驗(yàn)證情況如下:

1)在管波法解釋的“完整基巖段”內(nèi),驗(yàn)證鉆探均揭露為弱風(fēng)化巖石,未發(fā)現(xiàn)溶洞。

2)在管波法解釋的“巖溶發(fā)育段”內(nèi),雖然在先前的探測(cè)孔中未揭露到溶洞,但在后來(lái)鉆探驗(yàn)證樁位的4個(gè)驗(yàn)證孔中,至少有1個(gè)驗(yàn)證孔在相應(yīng)深度位置揭露到溶洞。

3)管波法解釋的“溶蝕裂隙發(fā)育段”內(nèi),在各自的4個(gè)驗(yàn)證孔中,至少有1個(gè)驗(yàn)證孔在相應(yīng)深度位置揭露有溶蝕現(xiàn)象。而在管波法解釋的“節(jié)理裂隙發(fā)育段”內(nèi),在各自的4個(gè)驗(yàn)證孔中,至少有1個(gè)驗(yàn)證孔在相應(yīng)深度位置的巖芯較破碎。

4)管波法解釋的“軟弱夾層”一般為夾層狀分布。

3 結(jié)語(yǔ)

從管波探測(cè)法在寧安城際鐵路中的應(yīng)用和驗(yàn)證情況,我們可以發(fā)現(xiàn):1)管波探測(cè)法可探明鉆孔旁側(cè)的巖溶、溶蝕裂隙,其探測(cè)范圍遠(yuǎn)大于鉆探口徑,彌補(bǔ)了鉆探“一孔之見(jiàn)”的不足,適用于可溶巖分布區(qū)嵌巖樁樁位的勘察。2)應(yīng)用管波探測(cè)法探測(cè)過(guò)的樁位,基樁在抽芯檢驗(yàn)時(shí)從未發(fā)現(xiàn)樁底溶洞和半邊嵌巖情況。

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