基于高密度電阻率法的地下建筑基礎(chǔ)探測

楊 超，黃 丹，朱 偉，房忠強(qiáng)

(1.上海元易勘測設(shè)計(jì)有限公司，上海 201203；2.中國石油長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018)

1 引 言

在城市的快速發(fā)展和建筑的快速迭代中，老舊建筑物竣工資料不完整、拆除清理不干凈等各種原因造成地下空間埋藏著大量的建筑基礎(chǔ)及建筑垃圾，導(dǎo)致新建項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)時(shí)缺少必要的地下空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，同時(shí)由于具體位置不明確，未知建筑基礎(chǔ)和建筑垃圾形成地下空間開發(fā)過程中的障礙物，為設(shè)計(jì)、造價(jià)及施工造成了不利影響。

王建歷(2019)[1]利用井中磁梯度法、鉆孔雷達(dá)法、旁孔透射波法等井中物探技術(shù)對老舊建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行了探測，效果顯著。但對于地下殘留建筑基礎(chǔ)及建筑垃圾的探查，前人研究成果及文獻(xiàn)少有報(bào)道。相關(guān)研究多集中于利用高密度電法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法、高頻電磁法等手段研究地下生活垃圾的探測[2]。

針對地下殘留建筑基礎(chǔ)及建筑垃圾的探查，一方面要確定其平面位置，另一方面要確定其深度[3]，同時(shí)還要解決其空間展布特征。目前，使用傳統(tǒng)的勘察手段往往難以有效確定地下建筑基礎(chǔ)具體展布形態(tài)特征。

另外，上海地區(qū)為特殊的軟土介質(zhì)，其土層為區(qū)域性長江下泄的大量泥沙在江海交互作用下不斷加積而形成，主要由黏性土、粉性土及砂性土組成。地區(qū)潛水位埋深一般為0.3～1.5 m，受此影響，電阻率背景值較低，其與混凝土結(jié)構(gòu)的建筑基礎(chǔ)及建筑垃圾有比較大的物性差異。

基于此，本文針對上海軟土介質(zhì)的地層特性，對地下建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行了一系列探測工作。實(shí)踐表明，高密度電法作為一種地球物理手段，其電阻率的分布特征可以反映出建筑物基礎(chǔ)的分布特征，能夠定性描述建筑物基礎(chǔ)的形態(tài)和位置[4,5]，為類似問題的勘察和研究提供實(shí)踐依據(jù)。

2 場地概況及測線布置

探測區(qū)為上海某個(gè)待建住宅場地，屬濱海平原類型，場地現(xiàn)為草坪，地勢較平坦，中部高、邊緣較低，呈倒置碟形(圖1)，一般吳淞系統(tǒng)標(biāo)高為4.76～6.31 m，高差1.55 m，利于開展高密度電法工作。

本次電法儀測量采用WDA-1，WDJD-4多功能高密度電阻率測量系統(tǒng)。根據(jù)場地歷史概況(圖1)，采用溫納裝置[6-10]，測線方位北偏西17.5°，垂直于歷史建筑基礎(chǔ)，電極數(shù)為60道，電極間距2 m，線距5 m(圖2)。

注：紅線表示探測范圍圖1 場地歷史照片F(xiàn)ig.1 Historical photos of the site

圖2 高密度測線布置Fig.2 Survey lines distribution of high density electrical method

3 工程地質(zhì)特征及電性條件

3.1 工程地質(zhì)特征

場地所在區(qū)域是由長江下泄的大量泥沙在江海交互作用下不斷加積而形成，屬第四紀(jì)全新世(Q4)濱海-河口、淺海、沼澤、溺谷相沉積層；主要由黏性土、粉性土及砂性土組成，探測深度范圍內(nèi)各土層主要分布特點(diǎn)為：第①層雜填土，主要由磚塊、混凝土塊、碎石等建筑垃圾夾黏性土組成，場地內(nèi)遍布，局部地段厚度較大。第②層灰黃色粉質(zhì)黏土，局部夾薄層粉土。第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，夾薄層粉土，土質(zhì)不均勻，場地內(nèi)遍布。其間粉土富集段，單獨(dú)劃分為③夾層灰色黏質(zhì)粉土。第④層灰色淤泥質(zhì)黏土，夾少量粉土，土質(zhì)較均勻，場地內(nèi)遍布(表1)。

表1 場地土介質(zhì)特征及電阻率參數(shù)

續(xù)表1

3.2 地球物理特征

探測區(qū)屬長三角軟土介質(zhì)，地基土以黏性土為主，潛水位埋深1.18～1.95 m，根據(jù)電測井資料分析：總體上，軟土介質(zhì)呈低電阻特征，并在20 m范圍內(nèi)隨著深度增加電阻率降低，且趨于0(圖3)；各個(gè)土層之間呈“高低相間”的電性特征，界面清晰，土體與混凝土電阻率值差異明顯[11]，含混凝土、磚塊的雜填土呈現(xiàn)中、高電阻特征[12]；淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土呈低電阻特征；黏質(zhì)粉土夾層呈中電阻特征(表1，圖3)。因而可以利用電阻率特征圈定異常帶，推斷混凝土基礎(chǔ)的空間位置。

圖3 軟土介質(zhì)電阻率曲線及特征 Fig.3 Resistivity curve and characteristics of soft soil medium

4 基于電性特征的成果分析

4.1 異常模型建立

根據(jù)地基土工程地質(zhì)特征、地球物理特征分析發(fā)現(xiàn)：雜填土層以磚塊、混凝土塊、碎石等建筑垃圾夾黏性土組成；磚塊、混凝土塊、碎石塊等，含水率低，電阻率較高，因而表層電阻率呈不規(guī)則變化，小部分區(qū)域出現(xiàn)電阻率極高的現(xiàn)象；雜填土之下以粉質(zhì)黏土層、淤泥質(zhì)黏土層組成，含水率高，電阻率較低，在探測范圍內(nèi)越往底部電阻率越低；黏質(zhì)粉土夾層則出現(xiàn)中阻現(xiàn)象。

根據(jù)以上特點(diǎn)，建立異常解釋模型：①淺部不規(guī)則變化的中高阻異常，為夾雜磚塊、混凝土塊地雜填土引起的異常，電阻率一般在25 ～60 Ω·m；②深部低阻異常為粉質(zhì)黏土層、淤泥質(zhì)黏土層引起，電阻率一般在15～25 Ω·m以下；③黏質(zhì)粉土中阻異常夾在低阻異常中間，不連續(xù)；④成片出現(xiàn)的電性高阻異常，為混凝土地坪引起，電阻率一般大于60 Ω·m(圖4)。

圖4 工程地質(zhì)-電阻率解釋模型Fig.4 Interpretation model of engineering geology-resistivity

4.2 基于電性特征的成果分析

根據(jù)工程地質(zhì)-地球物理解釋模型，依據(jù)電性特征對場地地下建筑基礎(chǔ)空間分布進(jìn)行了分析、預(yù)測(圖5～圖7)。

總體上，電阻率呈南高北低特征；北部電性不規(guī)則變化，南部電性結(jié)構(gòu)成片出現(xiàn)，東西成帶，南北相間隔。

0～1 m范圍內(nèi)，以圖中黑色虛線為界，北部呈不規(guī)則變化的中高阻異常，推測為夾雜磚塊、混凝土塊地雜填土；南部東西成帶，呈南北相間隔的片狀高阻異常，推測為殘留的混凝土地坪基礎(chǔ)(圖5)。

圖5 地下0.5 m電阻率分布特征Fig.4 Distribution characteristics of resistivity of 0.5 m underground

1～2 m深度范圍內(nèi)電性特征基本與1 m以淺一致；該深度范圍內(nèi)在中部、東部出現(xiàn)貫穿南北的牛眼狀高電阻率圈閉，呈等間距分布(圖中紅色虛線矩形框)，推測為淺樁(圖6)。

2～4 m深度范圍內(nèi)高電阻分布面積減少，中部、東部呈等間距分布的電阻率圈閉消失，推測該深度為地層逐漸正常，但西南角深部依舊存在少量障礙物(圖7)。

圖6 地下1.5 m電阻率分布特征Fig.6 Distribution characteristics of resistivity of 1.5 m underground

圖7 地下3.5 m電阻率分布特征Fig.7 Distribution characteristics of resistivity of 3.5 m underground

5 探測效果驗(yàn)證

根據(jù)前文電性特征分析，依據(jù)25 Ω·m<電阻率<60 Ω·m，電阻率> 60 Ω·m的異常解釋模型，劃分了探測區(qū)場地混凝土障礙物分布范圍(圖8)，據(jù)此選擇3處進(jìn)行現(xiàn)場開挖驗(yàn)證，與探測結(jié)果基本一致。位置1處為殘留的混凝土基礎(chǔ)碎塊等建筑垃圾，位置2處為大面積條帶狀混凝土地坪，位置3處為殘留樁頭(圖9～圖11)。

圖8 探測區(qū)地下建筑基礎(chǔ)解釋成果Fig.8 Interpretation results of underground building foundation in detection area

圖9 1號(hào)位置驗(yàn)證照片(殘留碎塊)Fig.9 The verification photo of position No.1 (foundation fragments)

圖10 2號(hào)位置驗(yàn)證照片(混凝土地坪)Fig.10 The verification photo of position No.2 (concrete floor)

圖11 3號(hào)位置驗(yàn)證照片(樁頭)Fig.11 The verification photo of position No.3(pile)

6 結(jié) 論

1)長三角地區(qū)軟土介質(zhì)整體呈低電阻特征，并在20 m范圍內(nèi)隨著深度增加電阻率降低，且趨于0；含混凝土碎塊的雜填土及地下建筑基礎(chǔ)呈現(xiàn)中、高電阻特征，兩種介質(zhì)的物性差異大，可以利用電阻率特征高精度地解決地下建筑基礎(chǔ)探測問題。

2)利用高密度電法通過多測線方式面積性探測，驗(yàn)證表明其準(zhǔn)確地反映了地下建筑基礎(chǔ)的分布邊界，為類似問題的地球物理探測提供了實(shí)踐依據(jù)。