大直径桩底岩溶三维探测试验研究

2023-11-17张邦刘铁华刘铁化希瑞

铁道建筑 2023年10期

张邦刘铁华刘铁化希瑞

中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063

我国岩溶分布广泛，总面积达到了346 万km2，占国土面积的1/3 以上，其中以广西、贵州和云南东部地区分布最广，湖南、湖北、四川等地也有较广泛的分布［1］。在岩溶地区，公铁桥梁众多，当地基承载力及桩的变形不能满足设计要求时，加大钻孔灌注桩直径是一种常用的方法［2］。

溶洞发育的大小相差悬殊，形状千变万化，断面形态极不规则，给岩溶地区的桩基设计和施工带来了很大困难［3］，传统方法使用钻孔进行桩底岩溶探测，孔旁岩溶容易被遗漏，可能造成桥梁的失稳破坏，并以隐患的形式存在，在运营期逐渐暴露。

GB 50021—2009《岩土工程勘察规范》和GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》规定大直径桩基础施工过程中需查明桩底面以下3倍桩径并不小于5 m 范围岩溶发育情况。而桩周一定冲切角范围内存在溶洞或桩底下方溶洞顶板稳定性较差时同样存在安全隐患［4-5］。工程实践中，由于缺少有效的探测手段，不少岩溶地区大直径桩基施工时仅以勘察阶段的钻孔资料为依据而忽略了施工过程中的桩底岩溶探测。勘察阶段岩溶探测主要有高密度电法、地震波法等地面勘探方法以及超前钻探法、管波探测法、跨孔弹性波法等孔中探测方法［6-7］。地面物探方法探测精度与准确率较差，只能宏观上揭示探测区岩溶发育情况。孔中探测方法虽具有较高的垂向精度，但是探测结果没有指向性，无法指示孔周岩溶、破碎的空间分布，且探测结果易受到地层界面、孔径变化、液面等干扰。

桩基施工成孔后灌注前是探测桩底岩溶最好的时间，此时探测设备可以深入到桩孔内，直接对桩底基岩进行近距离探测。对于人工挖孔桩，人和探测仪器可以直接下到桩底进行探测。魏昶帆、刘文峰、刘东坤等［8-10］应用探地雷达配备高频天线来探测人工挖孔桩桩底基岩质量，通过在桩底采集的电磁波信号特征进行定性分析，取得了一定效果。该方法仅适用于人工挖孔桩，对采用泥浆护壁的灌注桩则无法有效实施。石振明等［11］提出了桩底溶洞声呐探测方法，采用水声换能器，利用桩底泥浆与基岩耦合，在桩底中心激发弹性波，通过多角度反射信号的定性分析来判定桩底一定范围的基岩质量。Liu 等［12-13］通过三维有限差分模拟了弹性波在桩底岩溶探测中的传播特征，对桩底声呐信号进行瞬时相位分析，提出相位差强度（IPDI）指标评价岩溶发育情况。Shi 等［14］通过广义S变换提取桩底声呐信号特征，用于探测桩底岩溶及裂缝。该方法不能对岩溶成像，无法直观地确定溶洞三维空间分布，且易受到孔壁反射干扰，浅部探测盲区较大。

目前，桩底岩溶探测方法主要采用地质雷达法和桩底声呐法，通过采集到的信号特征定性分析岩溶发育与否，无法精细探测桩底岩溶的三维分布情况。为此，本文根据桩底岩溶探测环境，提出基于电磁波的瞬变电磁方法和基于弹性波的超声成像方法，对桩底岩溶发育情况进行三维成像，通过电阻率和超声反射波能量值的相对大小，半定量地评价岩溶发育情况。通过模型试验，对比不同方法优缺点，总结解释原则，为桩底岩溶探测提供更加有效的方法。

1 桩底岩溶特征与方法选择

1.1 桩底探测环境

岩溶地区大直径嵌岩桩通常采用人工挖孔灌注桩、钻孔灌注桩，而钻孔灌注桩常见的成孔方式主要有冲击钻成孔和旋挖钻成孔。桩底的探测环境主要有以下特点：

1）空间狭小。桩基直径通常大于0.8 m，最大不超过4 m，铁路桥梁桩基常见桩径为1 ～ 2 m。该直径范围若采用常规的地面物探方法，无法在桩底采集到有效数据。

2）深度大。我国钻孔灌注桩最大深度达150 m，人工挖孔桩最大深度达53 m，即便是人可以下到桩底的人工挖孔桩，也存在很大的安全风险。

3）沉渣、泥浆环境。对于干作业的人工挖孔桩，桩底沉渣可以清理干净，但是钻孔灌注桩，桩孔内通常充满泥浆，常规方法无法下到桩内，且桩底即使清孔后还会有沉渣残留。

在复杂的桩底环境下，只能将采集数据设备吊放到桩底，测点位置不可控，此外还要面对恶劣的沉渣、泥浆环境，难以进行桩底高精度三维探测。

1.2 桩底岩溶物理特征分析

嵌岩桩桩底岩溶探测时桩底已深入灰岩，探测环境主要有水、黏土、碎石、灰岩等介质，各类介质的相关物理性能参数见表1。桩底基岩、岩溶等介电常数差异明显，当存在岩溶或裂隙时，无论洞内干燥或充水、充泥都会引起局部介电常数显著变化。此外，岩溶边界或裂隙则是较强的阻抗界面。根据岩溶中可能存在的充填物与正常围岩的物性（相对介电常数、电导率、波速等）差异，可以使用电磁波和弹性波方法。

表1 桩底介质的物理性能参数

本文主要研究在大直径桩施工阶段成孔后进行桩底岩溶探测，考虑到桩底岩溶特征和探测环境，需使用能适应狭小空间的方法。为此，提出使用基于电磁波的瞬变电磁方法和基于弹性波的超声成像方法与既有地质雷达法和桩底声呐法进行对比研究，不同方法特征及适用情况见表2。

表2 桩底岩溶探测方法特征及适用情况

2 桩底岩溶三维探测方法

2.1 桩底地质雷达方法

地质雷达法作为一种应用电磁波的探测技术，由于其分辨率高、效率高，在工程检测中应用广泛。但是在桩底环境使用时会受到狭小空间以及桩侧壁干扰等诸多限制。大直径挖孔灌注桩成孔后，将雷达天线放至孔底进行探测，要求孔底无积水且相对平整。

使用地质雷达在桩底进行岩溶环形探测，如图1所示，在桩底部选定一点为起点，沿孔壁按顺时针方向，布设环行测线，采用匀速移动或等间距点测方式探测。

图1 雷达探测桩底岩溶

2.2 桩底瞬变电磁法基本原理与探测方法

瞬变电磁法也称时间域电磁法，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，通过线圈或接地电极观测二次涡流场，进而反演地下地质结构。

桩底岩溶探测时，对瞬变电磁的线圈结构有以下要求：①尺寸小，能适应桩底狭小空间；②小盲区，能探测桩底10 m以内岩溶发育情况。

基于以上要求，本文研究使用反磁通瞬变电磁装置用于桩底岩溶探测。等值反磁通瞬变电磁法采用上下平行共轴的两个相同线圈同步施加反向电流作为发射源，并在两发射线圈中间平面接收地下二次场（图2）。由于接收面为上下两线圈的等值反磁通平面，其一次场磁通始终为0，因此一次场关断时，接收线圈测量的是地下的纯二次场响应，具有较小的探测盲区。

图2 等值反磁通瞬变电磁法装置

等值反磁通瞬变电磁法用于桩底狭小空间岩溶探测，可采用环形测点水平采集方式和锥形测点倾斜采集方式。

1）环形测点水平采集方式：采用环形测线的方式沿桩底一周布置测点，如图3（a）所示，以正北为起点，间隔30°夹角移动装备采集数据。

图3 桩底瞬变电磁法测量测点布置

2）锥形测点倾斜采集方式：将探测天线置于桩底正中心，测量时抬起天线的一侧20 cm（天线直径0.8 m，此时天线倾角15°），倾向以正北为起点，间隔30°夹角抬高天线侧边采集数据。如图3（b）所示。

2.3 桩底声呐法

桩底声呐法是在桩底泥浆中利用高频换能器激发和接收弹性波，根据回波的特性分析桩底不良地质体情况。

现场探测时，将一发四收探头放置于桩底，使发射和接收换能器尽可能垂直桩底面，如图4 所示。探头放置好后，控制主机采集数据，完成当次采集后，牵引探头旋转一定的方向后再次采集数据，重复多次采集直到各接收点方位均匀覆盖桩底一周。将所有接收信号按接收点的方位顺序排列生成探测声呐应力波剖面图，并进行综合处理分析。

图4 桩底声呐法探测

2.4 桩底超声成像法基本原理与探测方法

超声波换能器被激发时，以一定的辐射角度呈锥体向下发射超声波，超声波在向下传播过程中遇到岩溶、节理裂隙等不连续界面时发生反射、透射、折射现象，反射回的超声波信号被换能器接收，透射的超声波继续向下传播，对接收到的超声信号进行一定的处理可反映介质结构。

本文提出使用超声相控阵换能器采集高密度超声波全矩阵数据，使用全聚焦成像算法对介质结构进行三维高精度成像。使用M行N列的面阵相控阵换能器采集全矩阵数据，面阵中每个换能器具有发射和接收超声信号的功能。采集过程［15］如图5 所示，以8 × 8的64阵元换能器为例，每个阵元均是一个独立的通道，可以单独发射和接收超声波信号，编号为E1—E64。

图5 全矩阵采集与全聚焦成像原理

首先激发E1阵元发射超声波，所有64个阵元同时接收信号，其中第j个阵元接收到的数据记为W（1，j）。然后依次按顺序激发第i个阵元激发超声波，并由所有阵元接收信号得到数据，最终得到全矩阵数据W（i，j），其中1 ≤i≤ 64，1 ≤j≤ 64。

对超声全矩阵数据进行三维聚焦成像，首先确定三维成像区域，然后根据分辨率划分成像网格，利用全矩阵数据在成像范围内的每个成像点聚焦成像。成像点P的成像幅值（IP）计算式为

式中：Wi，j为第i个阵元S 发射，第j个阵元G 接收的单道记录；tS，P，G为发射阵元S到成像点P再到接收阵元G的传播时间之和。

对探测区域中所有成像点的成像值IP归一化显示即可得到探测区域的三维探测结果。

现场探测时，将装置放在孔口，使探头中心与桩孔中心重合，匀速下放探头至桩底。在采集终端设置发射电压、频率、扫描方式等参数进行数据采集。采集的数据传回采集终端，实时计算桩底探测结果，通过成像切片初步显示桩底岩溶发育情况。

3 桩底岩溶探测模型试验

3.1 模型设计与制作

为对比不同桩底岩溶探测方法对桩底10 m 范围内岩溶探测效果，设计大型混凝土模型，在灰岩地层中浇筑，以模拟真实情况的边界条件，如图6（a）所示。选择覆盖层厚度1 m，基底为较完整灰岩地层，使用旋挖钻挖出直径1.5 m、入岩深度11 m的钻孔桩。

图6 物理模型（单位：m）

制作了边长分别为0.1、0.3、0.6、0.9 m 的溶腔模型。将溶腔模型焊接固定在孔壁上，然后向模型桩内浇筑C50 素混凝土，并使用振动棒振捣密实。浇筑完成的混凝土模型中，溶腔的平面位置如图6（b）所示，4个溶腔顶面深度分别为1、3、6、9 m。

3.2 地质雷达法模型试验

使用无线频率200 MHz地质雷达在桩基岩溶模型中探测试验，沿桩周布置环形测线，采用点测的方式采集数据。清理桩底沉渣、采用人工方式移动雷达天线进行数据采集，以正北为起点，测点夹角30°。

数据经滤波、去噪、增益后得到探测结果，见图7。第1 道位置在3 m 溶腔上方，第5—第8 道位置在6、9 m 溶腔上方。可知：第1 道在3 m 深度处出现明显的低频强反射。第5—第8 道在6 m 以下（图中蓝色虚线范围）存在双曲绕射形态的波形，雷达波形能量、相位出现明显变化，图中红框处异常对应两个溶腔模型的深度与位置，但是无法有效区分两个模型。

图7 桩基岩溶模型地质雷达探测结果

3.3 瞬变电磁法模型试验

使用反磁通瞬变电磁设备在桩基岩溶模型中进行探测试验，以环形测点水平采集方式和锥形测点倾斜采集方式进行探测。以正北方向为起始测点，测点在桩中心以及沿桩周布置，桩周测点间隔30°。

使用瞬变电磁法探测桩底岩溶模型数据反演后展开的反演结果剖面见图8。横坐标为角度，其中0°为开始方向（图中PVC 管方向），360°为桩中心测点。

图8 倾斜探测展开平面图

由图8（a）可知，在250°方位6 m 深度处出现明显高阻异常。由图8（b）可知，在50°方位6 m深度处出现明显高阻异常。

环形测点平面测量方式更直观，与实际位置相近，而锥形测点倾斜测量方式由于天线倾斜，测量结果与实际位置有180°的角度差，将探测结果的坐标换算到以桩底中心为原点的三维空间进行三维显示，见图9。

图9 桩底瞬变电磁法模型试验三维探测结果

使用瞬变电磁法通过环形测点水平采集方式与锥形测点倾斜采集方式探测时，二者对6 m 及以下深度的探测结果具有较好的一致性，但是对浅部的探测结果存在一定差异。使用锥形测点倾斜采集方式能探测桩底更大的范围，而且对浅部3 m 处的溶腔也有较好的反应。

3.4 桩底声呐法模型试验

使用桩底声呐装置在岩溶模型进行探测试验，将一发四收探头吊放至桩底，通过探头自带的姿态传感器查看倾角和俯仰角，调整位置使装置水平。装置包含四个方位传感器，调整探头方位，使采集到的数据对应的角度均匀覆盖桩底一周。

模型试验共采集数据4组，共16道，如图10所示，1—16 道数据按方位从小到大排列，大致分布在360°范围内。可知：2 m 深度范围内的波形稳定，一致性好，该部分波形主要为震源激发后到达接收传感器的直达波，直达波能量较强会掩盖反射信号，产生约2 m 的盲区。1—5 道数据3 m 深度处出现波动异常，对应方位0°～ 90°，与3 m 深度溶腔模型对应。在6 m深度处所有记录道均存在明显的反射信号，对应6 m深处溶腔模型。对9 m 深度的溶腔，该方法没有明显的反应。

图10 桩底声呐法探测剖面

3.5 超声成像模型试验

将超声相控阵换能器下放至模型桩正中心，如图11 所示，使用主频为40 kHz 雷克子波作为发射信号，采集超声全矩阵数据，并使用全聚焦成像算法计算。

图11 桩底岩溶模型超声成像数据采集

探测结果见图12。x、y方向切片图以探头中心为原点，x切片方位角185°，y切片方位角95°。

图12 模型桩超声成像探测结果

由图12 可知：①1、3、6、9 m 深度处岩溶强反射异常，其中1 m 深度处异常对应边长0.1 m 溶腔模型，由于反射面积太小，反射能量相对较弱。3、6 m 深度处反射能量团对应边长为0.3、0.6 m 的溶腔模型，在方位角为185°的x切片图上，3 m 深度处岩溶异常偏左，6 m 深度处岩溶异常偏右，与模型的位置关系相对应。9 m 深度反射能量团对应边长为0.9 m 的溶腔模型，由于该溶腔模型上部存在三个大小不一的空腔，超声波在向下传播过程中经多次反射造成能量损耗，导致该溶腔对应的反射能量较弱。②由三维成像可知，4 个溶腔模型的位置与探测结果中的强反射能量团吻合较好。

3.6 大直径桩底岩溶模型试验综合分析

基于本次试验采用的方法和装备，对探测结果进行综合分析，地质雷达法和瞬变电磁法探测过程中，需要人工移动天线采集数据，实际操作难度较大、危险系数高，无法适应桩内泥浆环境，仅适用于较浅的人工挖孔桩。

地质雷达法探测最大有效深度5 ～ 8 m，盲区小于1 m，分辨率较高，不利于发现垂向串珠状岩溶，探测成果形式为波形数据，通过人工经验定性解译，三维显示困难。瞬变电磁法探测最大有效深度大于10 m，浅部盲区不大于3 m，分辨率较低，探测成果形式为电阻率，通过电阻率值进行半定量解译，可对探测成果三维成像。

桩底声呐法和超声成像法可以适应泥浆环境，适用于绝大多数大直径的桩基。在探测过程中，桩底声呐法要均匀调整装置方位，操作难度较大。探测最大有效深度小于9 m，盲区2 ～ 3 m，分辨率较高，探测成果形式为波形数据，通过人工经验定性解译，三维显示困难。桩底超声成像法装置较小，探测过程中只需要把装置下放到桩底即可，数据采集时不需要移动装置，可以一次性完成数据采集，操作难度小。超声成像法探测最大有效深度为10 m，浅部盲区小于1 m，分辨率高，探测成果形式为超声反射能量，通过反射能量幅值进行半定量解译，可对探测成果三维成像。

对4 种在大直径桩底探测的方法从适应环境、操作难度、探测深度、盲区、分辨率、解译、三维成像等方面进行定性比较，见表3。