王 俊， 劉 成， 肖長(zhǎng)安， 雷 宛

(1.中國(guó)電建集團(tuán) 昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650051；2.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059)

單孔地震法在高速公路橋墩基樁檢測(cè)中的應(yīng)用與研究

王 俊1， 劉 成1， 肖長(zhǎng)安1， 雷 宛2

(1.中國(guó)電建集團(tuán) 昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650051；2.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059)

簡(jiǎn)要介紹了單孔地震法在高速公路橋墩基樁樁身完整性檢測(cè)中的應(yīng)用，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況建立了相關(guān)的二維地球物理模型，用波動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行地震波正演，將正演的地震波響應(yīng)特征作了總結(jié)。討論分析了“有樁無樁、樁身長(zhǎng)度、樁身完整性”等三個(gè)樁基無損檢測(cè)問題，區(qū)別于以往籠統(tǒng)的將地震記錄的時(shí)間-深度曲線的變化歸于樁基破損的推測(cè)，分析了造成時(shí)間-深度曲線的變化的原因，明確幾種情況下樁基單孔地震記錄的特征，用模型響應(yīng)指導(dǎo)了解釋工作，提高了樁基檢測(cè)工作的質(zhì)量和檢測(cè)結(jié)果評(píng)定的可靠性。

單孔地震法； 樁基無損檢測(cè)； 二維模型； 地震波正演

0 引言

隨著近幾年交通建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，高速公路，大型橋梁和城市軌道交通等穿越舊有建筑物的工程不斷涌現(xiàn)[1]。此類基礎(chǔ)工程中廣泛采用了不同成孔方式的原地灌注樁基礎(chǔ)，但是樁基礎(chǔ)容易受到施工工藝、地質(zhì)條件和地質(zhì)災(zāi)害因素的影響，從而導(dǎo)致樁身混凝土不均勻或不連續(xù)的質(zhì)量缺陷或事故。生產(chǎn)需求下對(duì)于樁基無損檢測(cè)有著越來越多的現(xiàn)實(shí)需要,無損檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)樁基檢測(cè)技術(shù)相比有：無損、方便、快捷和不會(huì)阻礙下一個(gè)工序正常工作的有點(diǎn)。近些年來檢測(cè)樁基礎(chǔ)的完整性的地球物理方法發(fā)展快速。據(jù)了解現(xiàn)在樁基無損檢測(cè)的主要方法主要有：聲波法、地震反射法、單孔地震法、穩(wěn)態(tài)振動(dòng)(機(jī)械阻抗) 法、電阻率法和放射性法等[2]，但是在這些檢測(cè)方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)面前，對(duì)于實(shí)際工程中要應(yīng)用哪種樁基檢測(cè)理論和方法來進(jìn)行最貼近最合理的評(píng)價(jià)工程的施工質(zhì)量有待于進(jìn)一步探討和總結(jié)。單孔地震法作為地震類的一種新興方法，能夠?qū)σ呀?jīng)成型的樁基進(jìn)行檢測(cè)，以往文獻(xiàn)中只是對(duì)方法本身有所提及，但是對(duì)試用條件，判斷依據(jù)，方法可靠性等缺乏系統(tǒng)的細(xì)致研究和規(guī)律概括總結(jié)。筆者通過單孔地震法在大麗高速公路橋墩基樁樁身完整性檢測(cè)中的應(yīng)用，參考現(xiàn)實(shí)情況建立了一系列二維地球物理模型，根據(jù)波動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行了地震波正演，進(jìn)一步探討和概括總結(jié)了“有樁無樁、樁身長(zhǎng)度、樁身完整性”等三個(gè)樁基無損檢測(cè)問題，對(duì)于提高樁基檢測(cè)工作的質(zhì)量和檢測(cè)結(jié)果評(píng)定的可靠性有重要參考意義。

1 單孔地震法原理

1.1 單孔地震法介紹

單孔地震法(孔旁地震法或平行波地震法[3])，最先在法國(guó)得到應(yīng)用，用來檢測(cè)既有建筑物的基礎(chǔ)深度和樁的質(zhì)量。該方法的原理同聲波法及地震反射法，所用儀器設(shè)備亦同地震反射波法。其測(cè)量方法如圖1所示，在盡量靠近樁旁鉆一個(gè)略深于樁長(zhǎng)的鉆孔，注滿水，如地層不好可下帶密封頭的套管。像聲波法一樣，將探頭下至孔底，按一定間隔依次提升。在接近樁頭的建筑物一側(cè)用手錘敲擊。這樣錘擊脈沖就沿樁身向下傳播，并穿過很薄的土層為探頭所接收。畫出旅行時(shí)-深度的剖面，根據(jù)時(shí)距曲線變化做出關(guān)于樁長(zhǎng)和完整性的解釋。

圖1 單孔地震法測(cè)試原理圖Fig.1 Test principle figure of single hole seismic method

圖2 基樁完好時(shí)單孔地震法的時(shí)距曲線Fig.2 Time-distance curve of single hole seismic method when foundation pile is intact

1.2 單孔地震法樁身完整性檢測(cè)理論分析

在基樁上敲擊激發(fā)地震波后，地震縱波沿著基樁傳播，如果將基樁中的縱波看成入射角為90°新的入射波，則在樁間土中產(chǎn)生透射角為ic的投射波，如圖2所示，在AB段，當(dāng)透射角小于ic時(shí)，時(shí)距方程為式(1)。

(1)

(2)

式中：t為到孔中檢波器接收的旅行時(shí)；h為接收檢波器到孔口的距離(假設(shè)孔口與基樁敲擊點(diǎn)在同一高程，如果不是，可以加上其高程差)；L為炮點(diǎn)到孔口的水平距離；V周為基樁周邊介質(zhì)的縱波波速；

從式(2)可見，AB段時(shí)距方程為雙曲線。

在BC段，時(shí)距方程為式(3)。

(3)

式中：H1為縱波沿基樁傳播的距離；L′為在基樁周邊介質(zhì)傳播的距離；V樁為基樁的縱波波速；其他同上。其中H′=h-Ltanic；ic=arcsin(V周/V樁)；L′=L/cosic則式(3)整理為：

(4)

即為以V樁為斜率的直線。

在CD段，與AB段類似，為雙曲線方程，我們重點(diǎn)考慮BC段，即縱波在基樁中傳播的情況。

如果基樁本身出現(xiàn)缺陷及波速下降的區(qū)域，則在縱波穿過缺陷區(qū)域之前，時(shí)距曲線方程不變，而在轉(zhuǎn)過缺陷區(qū)域之后，時(shí)距方程為：

(5)

圖3 基樁存在部分缺陷時(shí)的時(shí)距曲線Fig.3 Time-distance curve when there is some defect in pile

圖4 樁周介質(zhì)波速變化(變小)時(shí)的時(shí)距曲線Fig.4 Time-distance curve when velocity of medium around the small pile decreases

1.3 正演模擬

為進(jìn)一步分析相關(guān)情況，筆者利用“Tesseral 2D”軟件開展了相關(guān)的正演模擬分析。共建立5個(gè)典型模型，通過計(jì)算機(jī)有限差分?jǐn)?shù)值模擬技術(shù)，人工合成的地震記錄，從而得到基樁樁身深度時(shí)間剖面圖(孔口為第1道，由孔口向下共設(shè)置36 m接收，接收間隔為0.25 m，總共有145道)。

1)模型1,有樁基且樁身正常情況。建立的二維模型如圖5(a)所示，紫色區(qū)域設(shè)計(jì)為2 m直徑樁基，埋深為27 m，設(shè)置縱波速度為4 km/s，樁周介質(zhì)設(shè)置縱波速度為2 km/s。在混凝土立柱上激震，用孔中的傳感器(黑色)接收到樁身或樁底以下巖土層的地震波。由圖5(a)可見：在第109道，對(duì)應(yīng)27 m處，時(shí)間初至有明顯的拐點(diǎn)，判斷為樁底反映。

2)樁身破損模擬。建立的二維模型如圖6(a)所示，紫色區(qū)域設(shè)計(jì)為2 m樁基，深度為27 m，設(shè)置縱波速度為4 km/s，樁周設(shè)置縱波速度為2 km/s。在樁基橫向?yàn)? m～2 m，深度為10 m～12 m設(shè)置一個(gè)三角低速區(qū)域，縱波速度為1.5 km/s。由圖6(a)可知：在第41道，對(duì)應(yīng)10 m處，時(shí)間初至有明顯的拐點(diǎn)，判斷為樁基破損；在第109道，對(duì)應(yīng)27 m處，時(shí)間初至有明顯的拐點(diǎn)，判斷為樁底反映。

3)樁身破損模擬。建立的二維模型如圖7(a)所示，紫色區(qū)域設(shè)計(jì)為2 m樁基，深度為27 m，設(shè)置縱波速度為4 km/s,樁周設(shè)置縱波速度為2 km/s。此處設(shè)置兩處破損：在樁基橫向?yàn)? m～2 m，深度為9.5 m～10.5 m設(shè)置低速區(qū)域，縱波速度為1.5 km/s；在樁基橫向?yàn)? m～2.5 m，深度為18.5 m～19.5 m設(shè)置低速區(qū)域，縱波速度為1.5 km/s。由圖7(a)可知：在第41道，對(duì)應(yīng)10 m處，時(shí)間初至有明顯的拐點(diǎn)，判斷為樁基破損。由圖6(b)中可知，在第75道，對(duì)應(yīng)18.5 m處，時(shí)間初至有明顯的拐點(diǎn)，判斷為樁基破損。在109道，對(duì)應(yīng)27 m處，時(shí)間初至有明顯的拐點(diǎn)，判斷為樁底反映。

4)樁周低波速模擬。建立的二維模型如圖8(a)所示，紫色區(qū)域設(shè)計(jì)為2 m樁基，深度為27 m，設(shè)置縱波速度為4 km/s，樁周設(shè)置縱波速度為2 km/s。在樁基橫向?yàn)?0.2 m～0.3 m，深度為10 m～13.5 m設(shè)置一個(gè)樁周不規(guī)則低速區(qū)域，縱波速度為0.6 km/s。由圖8(a)可知：在第41道，對(duì)應(yīng)10 m處，初至?xí)r間模糊，同相軸間斷，判斷為樁周低波速區(qū)域；在第109道，對(duì)應(yīng)27 m處，時(shí)間初至有明顯的拐點(diǎn)，判斷為樁底反映。

5)樁周低波速模擬。建立的二維模型如圖9(a)所示，紫色區(qū)域設(shè)計(jì)為2 m樁基，深度為27 m，設(shè)置縱波速度為4 km/s，樁周設(shè)置縱波速度為2 km/s。在樁基橫向?yàn)?7 m～10 m，深度為10 m～13 m設(shè)置一個(gè)樁周低速地層，縱波速度為0.6 km/s。由圖9(a)可知：在第41道，對(duì)應(yīng)10 m處，初至?xí)r間模糊，同相軸間斷，判斷為樁周低波速區(qū)域；在109道，對(duì)應(yīng)27 m處，時(shí)間初至有明顯的拐點(diǎn)，判斷為樁底反映。由正演結(jié)果可得：當(dāng)樁基完整，所得的初至?xí)r間曲線應(yīng)該是連續(xù)直線，初至?xí)r間曲線沒有拐點(diǎn)；當(dāng)樁有破損(樁局部表現(xiàn)為低波速)，或者樁底反映，此時(shí)所得的初至?xí)r間曲線會(huì)發(fā)生斜率的變化，同相軸發(fā)生錯(cuò)臺(tái)。初至變化程度與速度差異大小、破損范圍有關(guān)；當(dāng)樁周接收探頭附近有低波速區(qū)域，此時(shí)所得的初至?xí)r間曲線會(huì)發(fā)生間斷。

圖6 模型分析2Fig.6 Analysis of model 2(a) 樁身有破損模型示意圖；(b)基樁樁身時(shí)間深度剖面圖

圖7 模型分析3Fig.7 Analysis of model 3(a) 樁身有破損模型示意圖；(b)基樁樁身時(shí)間深度剖面圖

圖8 模型分析4Fig.8 Analysis of model 4(a)樁周低波速層模型示意圖；(b)基樁樁身時(shí)間深度剖面圖

圖9 模型分析5Fig.9 Analysis of model 5(a)樁周低波速層模型示意圖；(b)基樁樁身時(shí)間深度剖面圖

2 工程實(shí)例

云南某高速公路大橋2015年8月底至9月初，由于受到滑坡滑動(dòng)影響，大橋部分基樁樁身出現(xiàn)多條裂縫。 滑坡體滑移對(duì)橋樁影響較大，滑坡體前緣處橋樁有開裂狀況。本次測(cè)試采用WZG-24A工程地震儀記錄，采用CH-3 型高靈敏度多道聲波探頭接收，小錘敲擊建筑物的混凝土立柱或承臺(tái)激發(fā)。測(cè)試段從鉆孔孔口至孔底(圖10～圖11)。

圖10 滑坡體與橋梁現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.10 Photos of landslide and bridge site

圖11 開裂橋墩及野外工作照片F(xiàn)ig.11 The cracking of piers and field work photos

圖12 左幅4-1勘察成果Fig.12 Prospecting results of the left side 4-1 pile(a)左幅4-1基樁樁身深度時(shí)間剖面圖；(b)左幅4-1基樁樁身深度時(shí)間剖面彩色密度圖

圖13 右幅3-1勘察成果Fig.13 Prospecting results of the left side 3-1 pile(a)右幅3-1基樁樁身深度時(shí)間剖面圖；(b)右幅3-1基樁樁身深度時(shí)間剖面彩色密度圖

1)左幅4-1。從圖12可以看出，左幅4-1初至波沒有明顯異常，反映基樁較為完整。

2)右幅3-1。從圖13可以看出，右幅3-1。38道～48道、94道～104道初至?xí)r間模糊，同相軸間斷，推測(cè)為樁周低波速區(qū)影響；62道～74道初至同相軸斜率發(fā)生變化，推測(cè)為樁身破損；107道初至同相軸斜率發(fā)生變化，根據(jù)預(yù)知樁長(zhǎng)，推測(cè)為樁底反映。

表1 右幅3-1物探解釋成果表

3 結(jié)論與建議

通過在某高速大橋的樁基檢測(cè),采用單孔地震法進(jìn)行樁基無損檢測(cè)和后續(xù)的模擬分析表明：①當(dāng)樁周接收探頭附近有低波速區(qū)域，此時(shí)所得的初至?xí)r間曲線會(huì)發(fā)生間斷，此種反映應(yīng)為波的散射和能量的損失，不能籠統(tǒng)的將此類變化歸于樁身破損；②當(dāng)樁基有破損(樁局部表現(xiàn)為低波速)，或者樁底反映，此時(shí)所得的初至?xí)r間曲線會(huì)發(fā)生斜率的變化，同相軸發(fā)生錯(cuò)臺(tái)，此種變化是基于波阻抗的差異，兩者差異越大，破損范圍越大其斜率變化越明顯，而且靠近多道探頭的樁身破損較遠(yuǎn)離多道探頭的樁身破損初至變化明顯。

單孔地震法進(jìn)行樁基無損檢測(cè)有許多優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于如何提高施工工藝，保證施工質(zhì)量需有進(jìn)一步探討和總結(jié)。實(shí)際樁基、地質(zhì)等情況相比于計(jì)算機(jī)二維正演模擬要復(fù)雜得多。①需要提高施工工藝(將鉆孔盡量靠近與樁基，減少遇到樁周低速介質(zhì)影響時(shí)的能量的散射與損失，如提高檢波器靈敏度與激發(fā)能量)；②要求提高解釋技術(shù)，更加細(xì)致和全面非分析問題，利用現(xiàn)有手段分析、正演模擬各種的模型，用已知規(guī)律指導(dǎo)解釋實(shí)際工程，對(duì)提高了樁基檢測(cè)工作的質(zhì)量和檢測(cè)結(jié)果評(píng)定的可靠性有重要的參考意義。

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Theresearchandapplicationofsingleholeseismicmethodintestofhighwaypiledfoundation

WANG Jun1, LIU Chen1, XIAO Changan1, LEI Wan2

(1.Kunming Engineering Corporation Limited,Kunming 650051,China;2. ChenDu University of Technology, College of environment and civil engineering, Chengdu 610059,China)

This paper briefly introduces the application of single hole seismic method in high pier foundation pile integrity detection. According to the situations, the authors establish several two-dimensional geophysical models related which based on the wave dynamics principle of seismic wave to summarize the response characteristics of the pile foundation damage. The authors also discuss and analyze three nondestructive detection pile foundation problems considering whether there is a pile foundation, pile length, pile integrity. The authors show clearly characteristics of several cases of single pile hole seismic record. Different from the past which regard the change of time and depth curves as pile breakage. Using the model response guiding the interpretation work could improve the reliability of pile foundation detection quality and evaluation of test results.

single hole seismic method; nondestructive detection; two-dimensional model; seismic wave forward

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.05.16

2016-19-09 改回日期： 2016-05-15

王俊(1987-)，男，工程師，研究方向?yàn)閼?yīng)用地球物理， E-mail：123512877@qq.com。

1001-1749(2017)05-0684-07