鄧逆濤，張千里，陳 鋒，史存林，崔穎輝

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

工程中常用的樁基無損檢測方法包括低應(yīng)變法、高應(yīng)變法和聲波透視法。這3種方法主要用于樁身完整性檢測。低應(yīng)變法操作迅速、簡單，但只能大致推斷樁身缺陷位置[1]。對于長大樁來說，高應(yīng)變法檢測其樁身完整性、發(fā)現(xiàn)深部缺陷優(yōu)于低應(yīng)變法，同時可以提供承載力參考值，但對于同等條件下的基樁，承載力檢測數(shù)據(jù)離散性大，結(jié)果可靠性低[2]。聲波透視法可以判斷缺陷的位置、大小、嚴重程度等信息[3]，但需在樁上預(yù)埋聲測管，且對聲測管的埋設(shè)保護要求較高。聲測管的變形、堵管直接影響聲波透視法檢測的正常進行[4]。在操作方法上低應(yīng)變法和高應(yīng)變法檢測時需找準樁頭位置，聲波透視法在預(yù)埋超聲測管時對測試樁是否會發(fā)生破壞失效無預(yù)見性。當樁基上部結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后，若樁基出現(xiàn)病害，這3種方法均較難實施。

跨孔地震CT技術(shù)是基于介質(zhì)間彈性波速差異探測識別異常區(qū)域的技術(shù)，是現(xiàn)代地震數(shù)字觀測技術(shù)與計算機技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。因其分辨率高，主要應(yīng)用于地下精細結(jié)構(gòu)和目標體的探測，如工程線路、場地、滑坡、邊坡、隧道、橋梁樁基等項目[5-11]的工程地質(zhì)勘察和工程病害整治，是了解和解決復(fù)雜地質(zhì)問題的重要手段之一。鑒于以上3種常用測試方法的檢測效果及操作性能的局限性，本次試驗首次將跨孔地震CT應(yīng)用于管樁檢測，以檢驗樁身完整性、樁體豎直度、樁端持力層情況及測試樁基周圍地層的分布情況。

1 跨孔地震CT成像原理

跨孔地震CT成像通常使用2個鉆孔，采用一發(fā)多收的扇形接收方式，經(jīng)過數(shù)點激發(fā)(電火花或炸藥)后，在觀測區(qū)域內(nèi)形成致密的射線網(wǎng)絡(luò)。其測量原理見圖1。

圖1 跨孔CT成像系統(tǒng)鉆孔測量原理

按照互換原理，每條射線地震波傳播時間是唯一確定的，然后根據(jù)射線的密集程度及成像的精度要求在觀測范圍內(nèi)劃分成像單元。一般致密土體波速較高，而松散破碎土體波速較低，土體中的低速單元相對于周邊正常土體來說是異常體。當某條射線穿過它時，將產(chǎn)生地震波傳播時間差，但難以用一條射線產(chǎn)生的時間差來判斷異常體位置。當采用相互交叉的致密射線穿透網(wǎng)絡(luò)時(見圖2)，在空間上就會對異常地質(zhì)體進行強有力的約束，運用適當?shù)姆囱莘椒纯蓽蚀_獲得異常體的位置及形態(tài)。

圖2 跨孔CT波速成像

跨孔地震CT成像方法的主要理論基礎(chǔ)為Randon變換，該方法利用地震波在不同介質(zhì)中傳播速度的不同，可以確定一個沿路徑積分的圖像函數(shù)。Randon變換式如下

(1)

式中：d為積分值；f(x，y)為密度函數(shù)；l為f(x，y)所在平面的一條直線。

地震波在被檢測體中傳播時，縱波的走時是速度v(x,y)和幾何路徑的函數(shù)。對于第i條射線，假設(shè)射線的走時為ti，則有如下積分式

(2)

式中：n為射線的總條數(shù)；Ri為第i條射線的積分路徑，將被檢測區(qū)域的隧道斷面離散成若干網(wǎng)格單元。

由于劃分的單元較小，因此每個單元中縱波的速度vi(x，y)可以看成一個常數(shù)，可將式(2)離散成如下線性方程組

(3)

式中：dij為第i條射線穿過第j個網(wǎng)格的長度；N為網(wǎng)格數(shù)。

從數(shù)學(xué)角度看式(3)實際上是一個線性方程，如果不考慮不同方向上的投影關(guān)系，則可利用計算機反演成像技術(shù)來建立被檢測體中各個微小單元范圍內(nèi)的地震波速度方程組。

根據(jù)地震波信號初至時間的變化，基于重建測試區(qū)域地震波速度場的分布特征，利用計算機獲得地震波走時數(shù)據(jù)并進行速度v(x,y)分布反演。通過分析反演結(jié)果來推斷地質(zhì)構(gòu)造的位置、形態(tài)和分布情況。

2 工程實例

2.1 工程概況

巢湖東站商合杭正線地處湖積平原區(qū)，站址區(qū)地表水系發(fā)育，河網(wǎng)密布，溝渠縱橫。地下水主要為孔隙潛水，埋深較淺，一般0.4～0.9 m。水量豐沛，受大氣降水及地表徑流補給，隨季節(jié)變化不大。地層分布由上到下依次為：①雜填土，褐黃色，松散，稍濕，主要以黏性土為主，含大量碎石充填，層厚2.5～3.0 m；②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰黑，很濕，流塑，局部含粉砂，稍有光澤，有臭味，含腐爛植物根莖，層厚11.6 m左右；③粉質(zhì)黏土，灰黑，很濕，可塑，主要由黏粒組成，含鐵錳氧化物，層厚4.4 m左右；④卵石土，雜色，中密，飽和，卵石含量54%～65%，直徑15～45 mm，最大粒徑為86 mm，成分主要以砂巖為主，磨圓較差，由中粗砂充填，層厚1 m 左右；⑤強風化泥巖，深灰，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖心風化呈碎塊狀及短柱狀，敲擊易碎，層厚8.5 m左右；⑥弱風化泥巖，深灰，層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖心呈短柱狀，敲擊不易碎。

正線地基采用預(yù)應(yīng)力管樁+C40混凝土筏板結(jié)構(gòu)加固，預(yù)應(yīng)力管樁型號為PHC-A，外徑500 mm，壁厚125 mm，混凝土等級為C80；其余參數(shù)應(yīng)滿足《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》(GB 13476—2009)的要求。測試斷面HFDK71+020樁間距2.6 m，正方形布置，設(shè)計樁長25 m。管樁樁頂設(shè)C40鋼筋混凝土筏板，厚0.55 m。

2.2 觀測系統(tǒng)布置

根據(jù)樁基設(shè)計資料，首次布置4個測試孔1#～4#，其中4#孔處于無樁區(qū)域，目的是與有樁區(qū)域作對比。后期試驗過程中發(fā)現(xiàn)測試效果不佳，通過現(xiàn)場開挖找到管樁具體位置，補鉆5#測試孔，鉆孔平面布置見圖3。5個測試孔孔口標高高出樁頂標高2.6 m，深度均為32 m。在跨孔地震CT檢測過程中為了保護檢測設(shè)備，需在測試孔中預(yù)埋保護套管，且保護套管與孔壁之間需要回填密實。

圖3 鉆孔平面布置(單位：m)

本次試驗選擇一處鉆孔為震源孔，另一處鉆孔為接收孔。接收孔中放置12道檢波器組成的水聽器鏈，檢波器間距1 m。試驗中采用2種檢波器排列覆蓋方式，見圖4(a)、圖4(b)。試驗過程中，將震源探頭從鉆孔底部按1 m或0.5 m間距[12]向上提，每次放炮后進行提拉，從而形成如圖4(c)所示的觀測系統(tǒng)，致密的射線基本將兩孔之間的區(qū)域完全覆蓋。

圖4 觀測系統(tǒng)布置示意

2.3 試驗結(jié)果分析

對現(xiàn)場跨孔地震CT試驗采集的剖面走時數(shù)據(jù)進行處理、反演，得到縱波速度反演結(jié)果。在鉆設(shè)測試孔的過程中進行了地質(zhì)核查，將3#- 4#和2#- 4#波速反演結(jié)果圖與地質(zhì)核查柱狀圖進行對比(見圖5)，發(fā)現(xiàn)波速分層基本與地層分層對應(yīng)。其中，人工填土層波速最小，速度在500～1 400 m/s；淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層波速在 1 400～1 700 m/s；粉質(zhì)黏土層波速在 1 700～1 800 m/s；卵石土層波速為 1 800～2 200 m/s；強風化層波速較大，速度在 2 200～4 000 m/s；弱風化層波速最大，速度>4 000 m/s。通過圖5還可以看出，相對于地質(zhì)核查柱狀圖，跨孔地震CT技術(shù)分辨率較高，對地層分布的反演更詳細、精確、直觀。

圖5 波速反演結(jié)果圖與地質(zhì)核查柱狀圖對比

測試孔波速反演結(jié)果見圖6?？芍?，測試孔附近均存在低速區(qū)域，主要與擴孔測試套管和孔壁周邊回填不夠密實有關(guān)。

圖6 測試孔波速反演結(jié)果

圖6(a)中1#- 2#測試孔橫跨2根管樁，圖6(b)中2#- 3#測試孔橫跨3根管樁，由色譜圖可以看出檢測后反演效果不佳，后期進行人工開挖發(fā)現(xiàn)1#，2#，3#測試孔位置與管樁實際位置基本相切，導(dǎo)致地震波不能完全穿過樁體。

由圖6(c)可知，管樁分布區(qū)域波速在 2 000～2 300 m/s，而正常情況下地震波在混凝土中傳播速度為 4 000 m/s 左右。這主要是由于管樁為空心實體，波在穿過樁體的過程中會發(fā)生漫射、反射現(xiàn)象，導(dǎo)致走時過長，波速較小。波速>2 000 m/s的位置始于地面以下2.6 m，與實際測試孔孔口標高高于樁頂標高2.6 m相對應(yīng)。當深度超過27.4 m時，波速從 2 300 m/s開始明顯增大。地面以下2.6～27.4 m時，波速在 2 000～2 300 m/s，且分布較均勻，由此推斷管樁長度為24.8 m，與設(shè)計樁長及現(xiàn)場打樁記錄樁長25 m接近，證明跨孔地震CT技術(shù)對樁長的檢測效果良好。

在樁體分布范圍內(nèi)，波速在 2 000～2 300 m/s 的上部區(qū)域比樁徑較寬，經(jīng)分析主要是因為上部地層里含水量較大，地震波在樁體與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土層的傳播速度較為接近，且管樁打入對周圍土體也有一定的加強效果，導(dǎo)致波速反演分布結(jié)果差異不太明顯。當樁體深入卵石土層以下時，地震波在樁體與周圍土體傳播速度差異明顯，經(jīng)反演可以明顯看出下部樁體形態(tài)。若整個管樁分布范圍內(nèi)無波速明顯減小區(qū)域，則證明該根管樁樁身完整，無明顯樁身缺陷。從圖6(c)中可以看出樁端周邊及樁端底部強風化巖層波速基本一致，且樁體波速與周邊土層波速分布明顯，證明管樁已深入持力層，與樁端持力層接觸良好，且樁端底部強風化巖層無弱化現(xiàn)象。

由圖6(d)，6(e)可知，當測試孔橫跨2根或3根管樁時，跨孔地震CT技術(shù)不能很好地反映管樁的形態(tài)。主要原因是地震波在多跟管樁和樁間土中傳播時會互相重疊，干擾信號，導(dǎo)致反演成像效果不佳。

3 結(jié)論

1)跨孔地震CT技術(shù)是一種高精度、高分辨率的無損檢測技術(shù)，該技術(shù)適用于樁基的檢測。通過測試可以反演樁長及樁身的完整性，還可以反演樁端和樁周土層分布情況，以此來綜合分析樁基質(zhì)量。

2)跨孔地震CT技術(shù)在樁基檢測中對測試孔位布置要求較高，測試孔連線橫穿測試樁中心位置最宜。該技術(shù)對單樁的檢測效果較好，當橫跨雙樁或多樁時，地震波在樁土之間傳播時會互相重疊，互相干擾，導(dǎo)致反演成像效果不佳。

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