单孔地震法在高速公路桥墩基桩检测中的应用与研究

王 俊， 刘 成， 肖长安， 雷 宛

(1.中国电建集团 昆明勘测设计研究院有限公司，昆明 650051；2.成都理工大学 环境与土木工程学院，成都 610059)

单孔地震法在高速公路桥墩基桩检测中的应用与研究

王 俊1， 刘 成1， 肖长安1， 雷 宛2

(1.中国电建集团 昆明勘测设计研究院有限公司，昆明 650051；2.成都理工大学 环境与土木工程学院，成都 610059)

简要介绍了单孔地震法在高速公路桥墩基桩桩身完整性检测中的应用，根据现场情况建立了相关的二维地球物理模型，用波动力学原理进行地震波正演，将正演的地震波响应特征作了总结。讨论分析了“有桩无桩、桩身长度、桩身完整性”等三个桩基无损检测问题，区别于以往笼统的将地震记录的时间-深度曲线的变化归于桩基破损的推测，分析了造成时间-深度曲线的变化的原因，明确几种情况下桩基单孔地震记录的特征，用模型响应指导了解释工作，提高了桩基检测工作的质量和检测结果评定的可靠性。

单孔地震法； 桩基无损检测； 二维模型； 地震波正演

0 引言

随着近几年交通建设事业的快速发展，高速公路，大型桥梁和城市轨道交通等穿越旧有建筑物的工程不断涌现[1]。此类基础工程中广泛采用了不同成孔方式的原地灌注桩基础，但是桩基础容易受到施工工艺、地质条件和地质灾害因素的影响，从而导致桩身混凝土不均匀或不连续的质量缺陷或事故。生产需求下对于桩基无损检测有着越来越多的现实需要,无损检测技术与传统桩基检测技术相比有：无损、方便、快捷和不会阻碍下一个工序正常工作的有点。近些年来检测桩基础的完整性的地球物理方法发展快速。据了解现在桩基无损检测的主要方法主要有：声波法、地震反射法、单孔地震法、稳态振动(机械阻抗) 法、电阻率法和放射性法等[2]，但是在这些检测方法和技术标准面前，对于实际工程中要应用哪种桩基检测理论和方法来进行最贴近最合理的评价工程的施工质量有待于进一步探讨和总结。单孔地震法作为地震类的一种新兴方法，能够对已经成型的桩基进行检测，以往文献中只是对方法本身有所提及，但是对试用条件，判断依据，方法可靠性等缺乏系统的细致研究和规律概括总结。笔者通过单孔地震法在大丽高速公路桥墩基桩桩身完整性检测中的应用，参考现实情况建立了一系列二维地球物理模型，根据波动力学原理进行了地震波正演，进一步探讨和概括总结了“有桩无桩、桩身长度、桩身完整性”等三个桩基无损检测问题，对于提高桩基检测工作的质量和检测结果评定的可靠性有重要参考意义。

1 单孔地震法原理

1.1 单孔地震法介绍

单孔地震法(孔旁地震法或平行波地震法[3])，最先在法国得到应用，用来检测既有建筑物的基础深度和桩的质量。该方法的原理同声波法及地震反射法，所用仪器设备亦同地震反射波法。其测量方法如图1所示，在尽量靠近桩旁钻一个略深于桩长的钻孔，注满水，如地层不好可下带密封头的套管。像声波法一样，将探头下至孔底，按一定间隔依次提升。在接近桩头的建筑物一侧用手锤敲击。这样锤击脉冲就沿桩身向下传播，并穿过很薄的土层为探头所接收。画出旅行时-深度的剖面，根据时距曲线变化做出关于桩长和完整性的解释。

图1 单孔地震法测试原理图Fig.1 Test principle figure of single hole seismic method

图2 基桩完好时单孔地震法的时距曲线Fig.2 Time-distance curve of single hole seismic method when foundation pile is intact

1.2 单孔地震法桩身完整性检测理论分析

在基桩上敲击激发地震波后，地震纵波沿着基桩传播，如果将基桩中的纵波看成入射角为90°新的入射波，则在桩间土中产生透射角为ic的投射波，如图2所示，在AB段，当透射角小于ic时，时距方程为式(1)。

(1)

(2)

式中：t为到孔中检波器接收的旅行时；h为接收检波器到孔口的距离(假设孔口与基桩敲击点在同一高程，如果不是，可以加上其高程差)；L为炮点到孔口的水平距离；V周为基桩周边介质的纵波波速；

从式(2)可见，AB段时距方程为双曲线。

在BC段，时距方程为式(3)。

(3)

式中：H1为纵波沿基桩传播的距离；L′为在基桩周边介质传播的距离；V桩为基桩的纵波波速；其他同上。其中H′=h-Ltanic；ic=arcsin(V周/V桩)；L′=L/cosic则式(3)整理为：

(4)

即为以V桩为斜率的直线。

在CD段，与AB段类似，为双曲线方程，我们重点考虑BC段，即纵波在基桩中传播的情况。

如果基桩本身出现缺陷及波速下降的区域，则在纵波穿过缺陷区域之前，时距曲线方程不变，而在转过缺陷区域之后，时距方程为：

(5)

图3 基桩存在部分缺陷时的时距曲线Fig.3 Time-distance curve when there is some defect in pile

图4 桩周介质波速变化(变小)时的时距曲线Fig.4 Time-distance curve when velocity of medium around the small pile decreases

1.3 正演模拟

为进一步分析相关情况，笔者利用“Tesseral 2D”软件开展了相关的正演模拟分析。共建立5个典型模型，通过计算机有限差分数值模拟技术，人工合成的地震记录，从而得到基桩桩身深度时间剖面图(孔口为第1道，由孔口向下共设置36 m接收，接收间隔为0.25 m，总共有145道)。

1)模型1,有桩基且桩身正常情况。建立的二维模型如图5(a)所示，紫色区域设计为2 m直径桩基，埋深为27 m，设置纵波速度为4 km/s，桩周介质设置纵波速度为2 km/s。在混凝土立柱上激震，用孔中的传感器(黑色)接收到桩身或桩底以下岩土层的地震波。由图5(a)可见：在第109道，对应27 m处，时间初至有明显的拐点，判断为桩底反映。

2)桩身破损模拟。建立的二维模型如图6(a)所示，紫色区域设计为2 m桩基，深度为27 m，设置纵波速度为4 km/s，桩周设置纵波速度为2 km/s。在桩基横向为1 m～2 m，深度为10 m～12 m设置一个三角低速区域，纵波速度为1.5 km/s。由图6(a)可知：在第41道，对应10 m处，时间初至有明显的拐点，判断为桩基破损；在第109道，对应27 m处，时间初至有明显的拐点，判断为桩底反映。

3)桩身破损模拟。建立的二维模型如图7(a)所示，紫色区域设计为2 m桩基，深度为27 m，设置纵波速度为4 km/s,桩周设置纵波速度为2 km/s。此处设置两处破损：在桩基横向为1 m～2 m，深度为9.5 m～10.5 m设置低速区域，纵波速度为1.5 km/s；在桩基横向为1 m～2.5 m，深度为18.5 m～19.5 m设置低速区域，纵波速度为1.5 km/s。由图7(a)可知：在第41道，对应10 m处，时间初至有明显的拐点，判断为桩基破损。由图6(b)中可知，在第75道，对应18.5 m处，时间初至有明显的拐点，判断为桩基破损。在109道，对应27 m处，时间初至有明显的拐点，判断为桩底反映。

4)桩周低波速模拟。建立的二维模型如图8(a)所示，紫色区域设计为2 m桩基，深度为27 m，设置纵波速度为4 km/s，桩周设置纵波速度为2 km/s。在桩基横向为-0.2 m～0.3 m，深度为10 m～13.5 m设置一个桩周不规则低速区域，纵波速度为0.6 km/s。由图8(a)可知：在第41道，对应10 m处，初至时间模糊，同相轴间断，判断为桩周低波速区域；在第109道，对应27 m处，时间初至有明显的拐点，判断为桩底反映。

5)桩周低波速模拟。建立的二维模型如图9(a)所示，紫色区域设计为2 m桩基，深度为27 m，设置纵波速度为4 km/s，桩周设置纵波速度为2 km/s。在桩基横向为-7 m～10 m，深度为10 m～13 m设置一个桩周低速地层，纵波速度为0.6 km/s。由图9(a)可知：在第41道，对应10 m处，初至时间模糊，同相轴间断，判断为桩周低波速区域；在109道，对应27 m处，时间初至有明显的拐点，判断为桩底反映。由正演结果可得：当桩基完整，所得的初至时间曲线应该是连续直线，初至时间曲线没有拐点；当桩有破损(桩局部表现为低波速)，或者桩底反映，此时所得的初至时间曲线会发生斜率的变化，同相轴发生错台。初至变化程度与速度差异大小、破损范围有关；当桩周接收探头附近有低波速区域，此时所得的初至时间曲线会发生间断。

图6 模型分析2Fig.6 Analysis of model 2(a) 桩身有破损模型示意图；(b)基桩桩身时间深度剖面图

图7 模型分析3Fig.7 Analysis of model 3(a) 桩身有破损模型示意图；(b)基桩桩身时间深度剖面图

图8 模型分析4Fig.8 Analysis of model 4(a)桩周低波速层模型示意图；(b)基桩桩身时间深度剖面图

图9 模型分析5Fig.9 Analysis of model 5(a)桩周低波速层模型示意图；(b)基桩桩身时间深度剖面图

2 工程实例

云南某高速公路大桥2015年8月底至9月初，由于受到滑坡滑动影响，大桥部分基桩桩身出现多条裂缝。 滑坡体滑移对桥桩影响较大，滑坡体前缘处桥桩有开裂状况。本次测试采用WZG-24A工程地震仪记录，采用CH-3 型高灵敏度多道声波探头接收，小锤敲击建筑物的混凝土立柱或承台激发。测试段从钻孔孔口至孔底(图10～图11)。

图10 滑坡体与桥梁现场照片Fig.10 Photos of landslide and bridge site

图11 开裂桥墩及野外工作照片Fig.11 The cracking of piers and field work photos

图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基桩桩身深度时间剖面图；(b)左幅4-1基桩桩身深度时间剖面彩色密度图

图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基桩桩身深度时间剖面图；(b)右幅3-1基桩桩身深度时间剖面彩色密度图

1)左幅4-1。从图12可以看出，左幅4-1初至波没有明显异常，反映基桩较为完整。

2)右幅3-1。从图13可以看出，右幅3-1。38道～48道、94道～104道初至时间模糊，同相轴间断，推测为桩周低波速区影响；62道～74道初至同相轴斜率发生变化，推测为桩身破损；107道初至同相轴斜率发生变化，根据预知桩长，推测为桩底反映。

表1 右幅3-1物探解释成果表

3 结论与建议

通过在某高速大桥的桩基检测,采用单孔地震法进行桩基无损检测和后续的模拟分析表明：①当桩周接收探头附近有低波速区域，此时所得的初至时间曲线会发生间断，此种反映应为波的散射和能量的损失，不能笼统的将此类变化归于桩身破损；②当桩基有破损(桩局部表现为低波速)，或者桩底反映，此时所得的初至时间曲线会发生斜率的变化，同相轴发生错台，此种变化是基于波阻抗的差异，两者差异越大，破损范围越大其斜率变化越明显，而且靠近多道探头的桩身破损较远离多道探头的桩身破损初至变化明显。

单孔地震法进行桩基无损检测有许多优势，但是对于如何提高施工工艺，保证施工质量需有进一步探讨和总结。实际桩基、地质等情况相比于计算机二维正演模拟要复杂得多。①需要提高施工工艺(将钻孔尽量靠近与桩基，减少遇到桩周低速介质影响时的能量的散射与损失，如提高检波器灵敏度与激发能量)；②要求提高解释技术，更加细致和全面非分析问题，利用现有手段分析、正演模拟各种的模型，用已知规律指导解释实际工程，对提高了桩基检测工作的质量和检测结果评定的可靠性有重要的参考意义。

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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，工程师，研究方向为应用地球物理， E-mail：123512877@qq.com。

1001-1749(2017)05-0684-07