舊橋基礎(chǔ)樁彈性波CT成像的實驗研究

嚴(yán)大千 鄧業(yè)燦 張苑輝

(廣東省工程勘察院物探分院，廣東 廣州 510510)

?

舊橋基礎(chǔ)樁彈性波CT成像的實驗研究

嚴(yán)大千 鄧業(yè)燦 張苑輝

(廣東省工程勘察院物探分院，廣東 廣州 510510)

采用彈性波CT法，對舊橋或營運中的基礎(chǔ)樁進行CT成像，勘查已落成基礎(chǔ)樁的樁長、樁身質(zhì)量及樁底持力層質(zhì)量等情況，并通過多根埋設(shè)已知樁長、樁身質(zhì)量的舊橋基礎(chǔ)樁及模型樁檢測成像實例，驗證了該方法的有效性，最后提出了該方法的不足之處。

彈性波CT成像，樁長，樁身質(zhì)量，樁底持力層

1 概述

1.1 研究目的和意義

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，基礎(chǔ)建筑越來越多使用樁基礎(chǔ)，到了21世紀(jì)，國家不斷增加對基礎(chǔ)建設(shè)的投資，更加注重基礎(chǔ)建筑的質(zhì)量安全，早期的成樁自建成后經(jīng)過數(shù)十年承重使用，舊橋樁基礎(chǔ)因人為與自然因素的影響，會導(dǎo)致部分樁基礎(chǔ)的質(zhì)量下降或出現(xiàn)缺損等現(xiàn)象，部分甚至?xí)绊憳渡斫Y(jié)構(gòu)質(zhì)量，造成樁身結(jié)構(gòu)松散、裂隙、斷樁，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致塌橋等質(zhì)量安全事故。目前，抽芯檢測作為檢測舊橋樁基礎(chǔ)質(zhì)量的主要方法，需要暫停檢測橋梁的通行且具有破壞性，因此，社會各界都希望能夠有一種簡易而且快速可靠的舊橋樁基礎(chǔ)的檢測方法出現(xiàn)，為舊橋樁基礎(chǔ)的質(zhì)量評定提供鑒定和處理。

1.2 彈性波CT成像樁基檢測方法對舊橋樁基礎(chǔ)的檢測

彈性波CT成像樁基檢測方法是在已落成基礎(chǔ)樁兩側(cè)分別鉆進兩個鉆孔(距離越近越好)，通過孔與孔之間的發(fā)射和接收彈性波，根據(jù)不同位置上接收的走時差異，來確定地下不同介質(zhì)分布的一種地球物理勘查方法。筆者采用彈性波跨孔CT進行了舊橋基礎(chǔ)樁質(zhì)量檢測的試驗，擬通過該方法來解決以下問題：

1)勘查已落成工程樁底與基巖接觸部位的完整性以及樁底持力層的完整性；2)估算實際樁長；3)勘查樁身結(jié)構(gòu)的完整性。

2 實驗研究的方法原理

彈性波CT成像是通過在發(fā)射孔內(nèi)施加一瞬時激振力，使介質(zhì)通過外力作用產(chǎn)生彈性形變最終形成彈性波，沿縱向產(chǎn)生脹縮形變的受力質(zhì)點，形成縱波傳播，而橫向則產(chǎn)生剪切形變，形成橫波。彈性波(含縱波、橫波等)通過介質(zhì)中的傳播，進入在接收孔多道接收換能器和信號記錄處理系統(tǒng)，便可接收來自發(fā)射孔并經(jīng)樁、巖、土等不同介質(zhì)傳播至接收孔的彈性波信號(見圖1)。

接收到的彈性波信號，通過對初至走時的拾取，經(jīng)過相關(guān)軟件的誤差校正和成像處理后，便可生成彈性波層析成像的速度剖面圖，根據(jù)速度剖面圖不同位置上介質(zhì)速度的差異，便可對基礎(chǔ)樁的長度作出判斷及對樁身和樁底持力層的完整性作出評價[2]。

CT成像觀測系統(tǒng)見圖2。

3 彈性波CT檢測實驗及研究效果

此次彈性波CT實驗主要對已有模型樁基地和某高速公路資料的樁基進行了實測，資料解釋主要采用加拿大geogiga軟件進行反演，同時配合彈性波直達波法進行解釋。首先對已知模型樁實驗結(jié)果的對比，再通過對實際已落成基礎(chǔ)樁的檢測試驗，說明方法的有效性?，F(xiàn)分述如下。

1)實例一：

該段資料為模型樁基地1號基礎(chǔ)樁，為鉆孔灌注樁，設(shè)計樁長12 m，樁徑0.8 m，樁底持力層為強風(fēng)化砂巖，樁身采用C25商品混凝土灌注，樁體2 m～9 m設(shè)計為樁身有明顯缺陷。通過圖3可以看出樁體與周圍土體以及樁身質(zhì)量存在問題的情況。樁體在樁底部的速度最高，樁身5 m～9 m的波速在1 800 m/s～2 000 m/s的范圍，速度明顯偏低，此處樁身有明顯缺陷。周圍土體從上往下速度是遞增的過程，沒有出現(xiàn)明顯的高速帶，證明探測范圍沒進入中、微風(fēng)化巖層(中風(fēng)化巖面位置22 m)。直達波法(如圖4所示)判斷樁底位置與上面兩個實例有所區(qū)別，由于強風(fēng)化砂巖的波速比樁體速度低，速度曲線在樁底位置以下明顯變小，說明樁底未進入中、微風(fēng)化基巖，還在強風(fēng)化砂巖里，與實際情況吻合。

2)實例二:

該段資料為某高速公路編號為A131號的橋梁樁，該樁設(shè)計樁徑、樁長、混凝土標(biāo)號不詳，本次實驗主要目的是檢測其樁長、樁身結(jié)構(gòu)質(zhì)量及樁底持力層情況。圖5為給予初始模型反演得到的成果圖，從圖中波速的分布情況可以清楚的看出橋梁樁地底下的情況，樁身在13.5 m～30 m的波速在3 500 m/s～4 500 m/s的范圍，可以判定樁身質(zhì)量完整，樁身周邊為全風(fēng)化花崗巖(結(jié)合柱狀圖資料)，波速在1 700 m/s～2 400 m/s的范圍。30 m以下為樁底持力層，波速均勻，沒有出現(xiàn)明顯的低速帶，樁底持力層基本完整連續(xù)。同時我們通過直達波法(如圖6所示)進行資料驗證，可以看出在30 m的位置波速出現(xiàn)了階梯狀的跳躍，可以判斷為持力層的頂面位置，同時整條曲線沒有出現(xiàn)速度突降的情況，可以初步判定探測剖面沒有很明顯的低速帶。后期通過收集資料，知道該樁施工樁長為29.5 m，與彈性波CT所測資料相吻合。

3)實例三:

該段資料為某高速公路標(biāo)號為B59號的橋梁樁，該樁設(shè)計樁徑、樁長、混凝土標(biāo)號不詳。本次實驗主要目的是檢測其樁長、樁身結(jié)構(gòu)質(zhì)量及樁底持力層情況。圖7為給予初始模型反演得到的成果圖，從圖中波速的分布情況可以清楚的看出橋梁樁地底下的情況，樁身在13.5 m～30 m的波速在3 300 m/s～4 500 m/s的范圍，樁身周邊7.5 m～22.5 m為粗砂(結(jié)合柱狀圖資料)，波速在1 600 m/s～2 000 m/s的范圍，22.5 m～37.5 m為全風(fēng)化花崗巖，波速在2 000 m/s～2 400 m/s的范圍。樁底位置在37.5 m處，與持力層接觸較好，但樁身位置在16 m～22 m段出現(xiàn)波速相對低值，速度為3 400 m/s～3 700 m/s，與其他部位樁身相比速度低了10%左右，但考慮到速度仍較高，初步判定該段樁身速度雖偏低，但不構(gòu)成樁身混凝土問題。樁身17.5 m～19.5 m段出現(xiàn)較明顯縮徑，縮徑率約為30%，說明樁身結(jié)構(gòu)完整性存在明顯缺陷。同時我們通過直達波法(如圖8所示)進行資料驗證，可以看出在37 m的位置波 速出現(xiàn)了階梯狀的跳躍,可以判斷為持力層的頂面位置,同時整條測試曲線在16 m～22 m位置速度偏低,與CT成像的資料相吻合。后期通過收集資料,知道該橋梁樁施工樁長為37.5 m,與彈性波CT所測資料相吻合。

4 結(jié)語

研究成果表明，該方法可以初步判定基礎(chǔ)樁長度、樁身質(zhì)量及樁底持力層完整性等結(jié)構(gòu)質(zhì)量情況?，F(xiàn)將實驗過程中總結(jié)出的一些經(jīng)驗結(jié)論分述如下：

1)樁長度分析方法。對于完整連續(xù)混凝土樁段，其波速值較高并且均勻連續(xù)。樁端下為較均勻的強風(fēng)化或中風(fēng)化巖石時，其波速值會明顯低于樁身段的波速并且均勻連續(xù)；樁端下為較均勻的未風(fēng)化或微風(fēng)化巖石時，其波速值會明顯高于樁身段波速或稍低于樁身段波速并且均勻連續(xù)。樁身段波速與持力層段波速，一般會出現(xiàn)明顯的臺階狀的波速異常形態(tài)，其兩波速段相連接的過渡部位，即為樁底位置。同時據(jù)此依據(jù)可以賦予CT反演初始模型，根據(jù)反演成果圖可以知道樁底具體位置情況。

2)樁身完整性分析方法。樁身結(jié)構(gòu)質(zhì)量應(yīng)該綜合CT成像結(jié)果、直達波法、低應(yīng)變動測結(jié)果而判定。完整連續(xù)的混凝土樁段，其波速較高并且均勻連續(xù)，而存在缺陷的混凝土樁段，其波速會明顯低于完整的混凝土樁段波速。一般存在較明顯缺陷、嚴(yán)重缺陷的混凝土波速比完整的混凝土波速低8%～50%。同時，在樁身完整性評價時，還應(yīng)結(jié)合混凝土設(shè)計強度常見波速值及樁身是否存在縮、擴徑等情況，進行綜合評定。

3)樁底持力層完整性分析方法。完整連續(xù)混凝土樁段其波速較高并且均勻連續(xù)，而樁底持力層為完整連續(xù)強風(fēng)化或中風(fēng)化巖石時，其波速會明顯低于完整樁體波速并且均勻連續(xù)。對于樁底持力層為完整連續(xù)未風(fēng)化或微風(fēng)化巖石時，其波速會明顯高于樁體或稍低于樁體波速并且均勻連續(xù)，同時持力層波速值還應(yīng)達到設(shè)計持力層常見波速值范圍。對于樁底存在沉渣軟夾層或持力層中存在巖石強風(fēng)化軟夾層、溶洞、土洞等時，其波速值會明顯低于完整連續(xù)未風(fēng)化巖石的波速值，一般比完整連續(xù)的未風(fēng)化巖石波速值低30%～70%。

綜上，本次實驗研究將理論成熟的彈性波CT成像技術(shù)運用到實際工程樁基礎(chǔ)的檢測應(yīng)用中來，可以說是一種應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新，也是開展本課題的核心意義所在，通過大量的實例證明，該方法的提出將為今后樁基檢測提供一種更為有效的檢測方法。

[1] 王運生.彈性波CT關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用實例[J].工程勘察,2005(3)：66-68.

[2] 鄧業(yè)燦.舊橋基礎(chǔ)樁彈性波層析成像檢測方法技術(shù)[J].物探與化探,2010,34(3):407-409.

[3] 裴正林.井間地震層析成像的現(xiàn)狀與進展[J].地球物理學(xué)進展，2001,16(3)：91-97.

[4] 高燕和.地震波層析成像技術(shù)的實現(xiàn)及其工程應(yīng)用[J].工程勘察,1994(1)：48-49.

On experiment of CT image of elastic waves for foundation piles at old bridges

Yan Daqian Deng Yecan Zhang Yuanhui

(GeophysicalProspectingBranch,GuangdongEngineeringSurveyInstitute,Guangzhou510510,China)

The paper undertakes the elastic wave CT method to undertake the CT image on the foundation pile on old bridges or operation, indicates the built pile length, pile quality and quality of bearing stratum of the pile bottom of the foundation pile, proves the effectiveness of the method by the inspection images of the foundation piles and model pile of the various foundation piles, and points out the defects o the method.

CT image of elastic wave, pile length, pile quality, bearing stratum of pile bottom

1009-6825(2017)11-0081-03

2017-02-08

嚴(yán)大千(1983- )，男，工程師

U443.1

A