柴 倫 煒

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043; 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室，陜西 西安 710043)

0 引言

當前高層和超高層建筑中最常見的下部結構形式為樁基礎，常規(guī)的樁埋深檢測方法有低應變法、高應變法、鉆芯法、聲波透射法[1]，但都有一定的局限性。低應變方法[2]有效檢測范圍為樁長和樁徑比小于30，對于超長樁，往往無法探測到樁底處的反射信號；高應變方法[3]檢測需要一定操作空間，重錘錘擊時容易導致樁身損傷甚至產生破壞現(xiàn)象；聲波透射法[4]要求預埋聲測管，而且樁徑不小于600mm，給施工帶來不便，同時又增加了成本；鉆芯法[5]比較直接，但是對樁身完整性有一定的破壞，而且鉆孔過程中容易出現(xiàn)偏鉆，造成誤判[6]。

針對這類問題，本文在介紹井間超高密度電阻率成像技術[7]原理的基礎上，對樁埋深檢測[8]中存在的疑點、難點，開展單樁、長短樁以及群樁地電模型的模擬研究，分析單樁、長短樁和群樁的響應特征；結合江蘇地區(qū)兩則工程實例，總結經驗，以提高基樁的檢測水平。

1 方法原理

超高密度直流電法工作原理屬電阻率的范疇，是一種陣列式勘探思想，野外測量時只需將全部電極(幾十至上百根)置于測點上，通過多芯電纜把所有電極連接至儀器，然后利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動采集[9]。超高密度電法一個采集過程包括了所有的裝置類型，對觀測點多次覆蓋，提高數(shù)據(jù)的可信度，同時提高了工作效率，通過2.5維反演技術，大大提高了勘探精度[10]。

井間超高密度電阻率成像技術工作方式是在2個相鄰檢測孔中分別放入一定數(shù)量的電極，進行一系列跨孔供電、測量，實測dV/I數(shù)據(jù)后，反演獲得井—井之間的電阻率分布圖，分析巖土介質與電阻率間的對應關系，進行地質信息解譯[11]。

利用有限單元法求解穩(wěn)定電流場的位場分布時，首先應用變分方法把所要求解的邊值問題轉化為相應的變分問題，即求泛函的極值問題；然后將連續(xù)的求解區(qū)域離散化，導出以各節(jié)點電位值為未知量的高階線性方程組，最后求解方程組，得到各節(jié)點電位值，再做反傅氏變換，即可得到空間域穩(wěn)定電流場的位場分布[12]。

對正演計算所得的數(shù)據(jù)進行反演[13]，反演的偏微分方程為：

Φd(m)=‖Wd[d0-d(m)]‖2，

Φm(m)=‖Wm(m0-m0)‖2。

式中：m為實測電阻率；λ為拉格朗日算子；d(m)為正演迭代產生的電場數(shù)據(jù)；d0為實際測量的電場數(shù)據(jù)；m0為反演初始模型的電阻率；Wd和Wm為加權因子，控制計算過程中對模型的修正量，取值有賴于實測數(shù)據(jù)的信噪比[14]。

反演時，先設定理論地電模型，用理論地電模型做正演計算，得出理論電阻率數(shù)值；再計算實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)之間的擬合差[15]；然后對理論電阻率進行修正，得到一個新的理論電阻率分布模型；重復上述步驟，連續(xù)迭代直到擬合差足夠小，把這時的理論電阻率模型當作最終反演結果[16]。

2 模型模擬研究

分別建立單樁、長短樁和群樁的地電模型，對模型進行正演，將正演數(shù)據(jù)進行反演，獲得模型井間超高密度電阻率法反演電阻率斷面圖，分析不同基樁形式的電性響應特征。模型統(tǒng)一設置兩孔間距為20m，孔深為32m，模型網(wǎng)格按照 1m×1m進行剖分，X軸表示距離，Y軸表示深度，背景電阻率為100Ω·m。

圖1a為單樁模型的模擬結果。長樁的電阻率為1000Ω·m，樁徑2m，樁埋深20m，基樁位置X軸10m位置處。反演圖中在長樁位置處出現(xiàn)了高阻異常，推斷樁埋深為20m。

圖1b為長短樁模型的模擬結果。長短樁的電阻率均為1000Ω·m，樁徑均為1m，長樁埋深20m，短樁埋深10m，長短樁身分別位于X軸方向15～16m、2～3m處。從反演結果看，在已知長短樁位置處均出現(xiàn)了高阻異常，推斷短樁埋深為10m，長樁埋深為20m。

圖1 基樁模擬研究成果Fig.1 Research results of pile simulation

圖1c為群樁模型的模擬結果。群樁高阻體電阻率為1000Ω·m，樁長20m，樁徑1m，樁身分別位于X方向3～4m、6～7m、9～10m、12～13m、15～16m處。反演結果顯示在已知群樁位置處均出現(xiàn)了高阻異常，推斷樁埋深為20m。

對比單樁、長短樁和群樁模型結果，該方法垂向分辨率較高，模型反演的異常深度與樁的實際埋深一致，表明該技術能夠判斷出樁的深度以及最長樁的位置。受電阻率體積效應[17]影響，該方法橫向分辨率較低，模型體反演后異常范圍比實際體積大；對于長短樁或群樁，該方法能夠對已知樁位置的場地進行樁長探測，當進行“盲探”時則有一定局限性。

3 應用分析

下列兩個實例都是通過井間超高密度電阻率成像技術探測樁基礎的埋藏深度。實施鉆孔時終孔孔徑91mm，成孔后下PVC套管以保證不塌孔，在PVC塑料管上打密集小孔，保證兩孔間導電性。為防止小孔被泥漿堵住，需要在PVC塑料管外部纏上紗布，并用塑料扎絲扎緊。

根據(jù)現(xiàn)場地層情況及樁本身的電性特征，通過已經建立的單樁、長短樁和群樁數(shù)值模型，分析電阻率分布情況，等值線走勢形態(tài)。在進行剖面解釋時參考檢測孔資料，總結電阻率與地層之間的關聯(lián)性，以檢測孔周圍3～5m為參考值，追蹤剖面電阻率等值線，達到整個剖面地質解譯的目的[18]。

3.1 實例1

在江蘇省某地地鐵盾構施工時，穿越既有高層構筑物，其中構筑物有一根樁基礎位于地鐵盾構區(qū)間。構筑物基礎平臺下采用沉管灌注樁，因構筑物建成年代久遠，檔案資料不全，未能獲得其下部基樁埋深信息，地面測量樁徑約為1m。

由于基樁位于既有構筑物平臺下部，無法采用高應變、鉆芯法以及聲波法測樁。在場地內部先對該樁進行了低應變測試，圖2為該樁低應變測試結果。測試結果顯示在2.0m處存在缺陷反射波，但是低應變圖像無法顯示出樁底反射波，因此未能獲得樁的實際埋深。

圖2 場地1低應變測樁成果Fig.2 Results of low-strain pile testing in Site 1

常規(guī)基樁檢測方法無法對該場地樁埋深進行有效探測。綜合分析場地條件，擬采用井間超高密度電阻率成像技術進行探測。在檢測樁的兩側各4.25m處布設鉆孔JK1和JK2，保證兩檢測孔和受檢樁位于同一條剖面上，孔深35m，孔間距8.5m。本次工作參數(shù)：電極距1.0m，每條電纜電極數(shù)為32個，供電電壓90V；采樣時間2s。

圖3為場地1的井間超高密度電阻率反演成果，在已知樁身位置處(水平方向4.25m)出現(xiàn)高阻異常，異常體埋深在23m附近。比對單樁模型反演成果(圖1a)，推斷出該沉管灌注樁樁底埋深為23m，由于體積效應影響，無法對該樁的樁徑進行準確的判斷。低應變Y方向-2m左右位置出現(xiàn)缺陷反射波，井間超高密度電阻率反演成果圖同樣在深度處出現(xiàn)低阻值異常，結合兩種檢測資料，井間超高密度電阻率成像在一定程度上也能反應樁身內部的缺陷信息。

圖3 場地1井間超高密度電阻率反演成果Fig.3 Inversion results of ultra-high density resistivity between wells in site 1

后期地鐵公司根據(jù)物探成果，變更設計方案，盾構順利穿越該構筑物。

3.2 實例2

在江蘇省某高層住宅樓建筑工地，由于場地內混凝土的實際灌注量和設計灌注量之間存在較大差異，建設單位對基樁施工質量存疑。如圖4所示，場地內采用滿堂布置的混凝土灌注樁基礎，樁基礎設計埋深60m(其中樁頭5m)，樁徑700mm，樁間距為2m。

圖4 場地2井間超高密度電阻率檢測孔平面位置示意Fig.4 Schematic diagram of the plane position of the ultra-high density resistivity borehole between wells in site 2

現(xiàn)場進行高、低應變測樁測試，測試結果顯示低應變無樁底反射波，高應變試樁樁身出現(xiàn)了一定的破壞。由于設計樁長長、樁徑小，在鉆孔過程中及其容易出現(xiàn)偏鉆，聲波透射方法和鉆芯法容易造成誤判，未進行試驗。

分別在場地內預鉆孔ZK1、ZK2、ZK3和ZK4，檢測孔深度均65m，ZK1—ZK2孔間距16.5m，ZK3—ZK4孔間距15.5m。

由于探測深度較大，受到儀器本身局限(每根電纜有32根電極)，為獲得更高分辨率，采用電極間距為1m的電纜進行測量，每一組井間超高密度電阻率探測均分為上、下兩部分。每一組井間超高密度電阻率也按照上部、下部分別反演，然后拼接到一起。具體的外業(yè)工作方式是：ZK1—ZK2井間超高密度電阻率測量，先將ZK1和ZK2內電纜最下面的電極放在Y軸-61m處，測量Y方向-61～-30m范圍的電阻率，再將ZK1和ZK2孔內電纜最下面電極放到Y方向-31m處，進行上部(-31～0m)測量；同理，ZK3—ZK4先測Y方向-62.5～-31.5m處的電阻率，再在-31～0m處測量。本次工作參數(shù)：電極距1.0m，每條電纜電極數(shù)32個，供電電壓120V，采樣時間2s。

圖5為ZK1—ZK2和ZK3—ZK4的井間超高密度電阻率反演成果，其中ZK3—ZK4剖面上，在X方向3m，Y方向-55m附近出現(xiàn)低阻異常，疑似出現(xiàn)了夾泥、縮頸或斷樁等缺陷。對比圖1c的群樁模型反演成果，獲得了2組剖面間各8根樁的埋藏深度，統(tǒng)計于表1。

圖5 井間超高密度電阻率反演成果Fig.5 The results of ultra-high density resistivity inversion between wells

表1 檢測孔之間的基樁埋藏深度Table 1 The buried depth of pile foundation between boreholes m

本次獲得了16根樁的埋藏深度，其中合格(埋深大于60m)樁有3根，檢測合格率18.75%，根據(jù)物探成果，建設單位在ZK1號孔右側第一根樁進行了試樁，承載力不滿足設計要求。后期，經過設計單位復算，在場地部分位置處進行了補樁，隨后進行地基靜載[19]試驗，試驗合格，承載力滿足設計要求。

4 結論

1) 井間超高密度電法探測基樁，縱向分辨率相對較高，適用于樁身平面位置已知的前提下，利用該技術測定樁的埋深。

2) 該方法可以大規(guī)模檢測基樁的長度，而不需要一個檢測孔對應一根基樁。

3) 實例2中(圖5)，ZK3—ZK4反演剖面上出現(xiàn)低阻異常，疑似出現(xiàn)了夾泥、縮頸或斷樁等缺陷，但無法進一步判斷該位置處樁身具體出現(xiàn)何種缺陷。如何在井間超高密度電阻率成像基礎上識別樁本身的缺陷，有待進一步研究。

4) 本次井間超高密度電阻率成像技術采用超高密度電法儀器，采集儀器的數(shù)據(jù)集成了大部分直流電法勘探裝置，同時采用先進的2.5維反演技術，提高了勘探精度。但是儀器采集的數(shù)據(jù)量較大(每一組井間超高密度電阻率數(shù)據(jù)6萬多個)，對于無效信息的剔除以及干擾信息的識別較為困難，如何實現(xiàn)在原始數(shù)據(jù)上人為剔除干擾信息，有待進一步研究。

5) 常規(guī)樁埋深檢測方法或多或少都有一定的局限性，特別是超長樁埋深檢測，井間超高密度電阻率成像技術作為一種樁埋深檢測的補充方法，值得推廣應用。