超高密度跨孔電阻率法成像在灌注樁埋深探測(cè)中的應(yīng)用

柴倫煒，湯國(guó)毅，王國(guó)群，胡億平

(1.江蘇南京地質(zhì)工程勘察院，江蘇 南京 210041;2.江蘇省工程地球物理勘察院，江蘇 南京 210008;3.江蘇省地質(zhì)隧道與地下工程科技有限公司，江蘇 南京 210041)

1 引 言

城市工程物探受地表?xiàng)l件、金屬管線和居民工業(yè)用電等干擾較多，精度較低。井中物探盡量避開(kāi)了這些地面干擾因素，人工激發(fā)的地球物理場(chǎng)更接近勘探目的層，提高了原始數(shù)據(jù)信噪比，進(jìn)而提高了電法勘探精度[1]。超高密度跨孔電阻率法成像(CT)[2]工作方式是在兩相鄰鉆孔中分別放入一定數(shù)量的電極，通過(guò)電纜連接至地面，儀器通過(guò)一定的排列順序，采集電極之間的電流和電壓，反演獲得兩井間電阻率分布斷面圖，分析巖土介質(zhì)與電阻率間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行地質(zhì)信息解譯。

灌注樁是當(dāng)前高層和超高層建筑施工中最常見(jiàn)的下部結(jié)構(gòu)形式，屬隱蔽工程。灌注樁長(zhǎng)度偷工減料現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了施工質(zhì)量、結(jié)構(gòu)安全以及耐久性[3]。針對(duì)這種情況，結(jié)合江蘇地區(qū)常見(jiàn)的灌注樁的形式和檢測(cè)存在的疑點(diǎn)、難點(diǎn)，開(kāi)展跨孔超高密度電法模型試驗(yàn)研究，結(jié)合實(shí)際工程案例，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以提高樁基基礎(chǔ)的檢測(cè)水平。

2 模型正演

已知電阻率的空間分布求電場(chǎng)分布的過(guò)程稱為正演或解正問(wèn)題。

超高密度電法2.5維電法正演基本方程式[4]：

其中，U為穩(wěn)定電流場(chǎng)位函數(shù)，r是通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的截面內(nèi)徑，Ω為研究的區(qū)域，σ(S/m)代表電導(dǎo)率(電阻率的倒數(shù));I(V/m)代表電場(chǎng)強(qiáng)度;rc代表電流極的位置。當(dāng)電極在rc處供電時(shí)，通過(guò)上述公式計(jì)算，就可以獲得地下高阻體周圍電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況[4]。

下面模擬超高密度跨孔電阻率法成像(CT)對(duì)于背景為低電阻率的高阻體模型的響應(yīng)特征[5]。

圖1 高阻體模型Fig.1 High-resistance body model

圖1為高阻體模型，兩孔間距為24 m，孔深為32 m，模型網(wǎng)格按照1 m×1 m進(jìn)行剖分，背景電阻率為100 Ω·m，高阻體電阻率為1 000 Ω·m，X(m)軸表示距離，Y(m)軸表示深度，高阻體X軸位于11～16 m，縱向Y軸位于-14～-19 m。

圖2 高阻體模型反演結(jié)果Fig.2 High-resistance body model inversion results

圖2為高阻體模型反演結(jié)果，可以看出兩測(cè)鉆孔附近電阻率相對(duì)較低，很好地模擬出了孔內(nèi)充滿泥漿，電阻率變低的情況。在已知高阻體位置處，出現(xiàn)了高阻異常。模型模擬研究表面，超高密度跨孔電阻率法成像(CT)能夠很好地響應(yīng)地下高阻地質(zhì)體的相對(duì)電阻率、位置等信息[6]。

3 實(shí)例分析

江蘇省江陰市某建筑工地，擬建高層住宅樓，樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)埋深60 m(其中樁頭5 m)，常規(guī)的高、低應(yīng)變，鉆孔取芯法等測(cè)樁方法不能探測(cè)到該深度[7-9]。本工程采用超高密度跨孔電阻率法成像(CT)方法探測(cè)樁基礎(chǔ)埋藏深度。

ZK1和ZK2鉆孔施工時(shí)靠近兩個(gè)鉆孔灌注樁(圖3)，兩孔間分布著8根直徑700 mm的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，鉆孔灌注樁間距2 m，通長(zhǎng)配筋并設(shè)置箍筋，根據(jù)鉆孔揭示，孔間巖土層自上而下為素填土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、粉砂夾砂質(zhì)粉土、粉砂。

圖3 ZK1-ZK2平面位置示意Fig.3 Schematic diagram of ZK1-ZK2 plane position

本次工作參數(shù)具體為電極距：1.0 m，每條電纜電極數(shù)：32個(gè)，供電電壓90 V；采樣時(shí)間2 s。由于探測(cè)深度較大，為提高分辨率，將ZK1-ZK2跨孔分上、下兩部分分開(kāi)進(jìn)行測(cè)量。

圖4為ZK1-ZK2跨孔電阻率反演成果，X(m)軸表示距離，Y(m)軸表示深度。根據(jù)跨孔電阻率反演成果，靠近鉆孔位置由于受到泥漿影響，電阻率值相對(duì)較低。鉆孔灌注樁埋深范圍內(nèi)的地層受到擠壓、置換，電阻率明顯比基礎(chǔ)下部原狀地層電阻率高，推斷出鉆孔灌注樁的埋藏深度，ZK1鄰近樁埋深為56 m，ZK2鄰近樁埋深為51.5 m。

圖4 ZK1-ZK2跨孔電阻率反演成果Fig.4 ZK1-ZK2 cross-hole resistivity inversion results

為印證超高密度跨孔電阻率法成像(CT)的成果，分別在ZK1和ZK2號(hào)鉆孔進(jìn)行了磁測(cè)井，磁測(cè)井顯示ZK1號(hào)孔(圖5)56 m深度，ZK2號(hào)孔(圖6)51.7 m深度處，出現(xiàn)磁異?，F(xiàn)象。磁測(cè)井測(cè)樁時(shí)往往更多受到灌注樁內(nèi)部鋼筋籠的影響，而施工中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)鋼筋短于灌注樁的情況，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量樁長(zhǎng)不準(zhǔn)確。而且磁測(cè)井更容易受到場(chǎng)地內(nèi)外界的干擾，如電力線、通訊線等外界的干擾，因此單一磁測(cè)井無(wú)法判斷場(chǎng)地內(nèi)灌注樁長(zhǎng)度。

超高密度跨孔電阻率法成像(CT)成果與磁測(cè)井結(jié)果吻合，說(shuō)明跨孔電阻率法在該工程中，應(yīng)用效果較好。

圖5 ZK1鉆孔磁三分量測(cè)井成果Fig.5 ZK1 borehole magnetic three-component logging results

圖6 ZK2鉆孔磁三分量測(cè)井成果Fig.6 ZK2 borehole magnetic three-component logging results

4 結(jié) 論

1)本文實(shí)例是在滿場(chǎng)布置鉆孔灌注樁的場(chǎng)地中進(jìn)行，樁身范圍內(nèi)的土受到混凝土的置換、擠密，導(dǎo)致樁身范圍內(nèi)電阻率值變大，與下部原狀土層電阻率有明顯差異。如整個(gè)場(chǎng)地灌注樁布置稀疏，基礎(chǔ)上部與下部電阻率差異不明顯，則不能使用本方法。

2)磁測(cè)井往往能測(cè)得灌注樁內(nèi)部鋼筋籠長(zhǎng)度，而對(duì)于樁長(zhǎng)的反應(yīng)并不明顯。通過(guò)與跨孔電阻率成像(CT)相結(jié)合，相互印證，可以獲得較好的效果。

3)鉆孔傾斜、孔內(nèi)縮頸，會(huì)導(dǎo)致地球物理場(chǎng)發(fā)生畸變，會(huì)影響反演結(jié)果。

4)因采集的數(shù)據(jù)較多，無(wú)法對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行篩查，如場(chǎng)地內(nèi)有高壓電線等干擾，會(huì)導(dǎo)致假異常出現(xiàn)，如何判別真假異常，有待進(jìn)一步研究。

5)超高密度跨孔電阻率法成像(CT)采用常規(guī)電法的成熟理論，采集的數(shù)據(jù)集成了大部分直流電法勘探裝置，將電極放入勘探孔中，勘探電極接近目標(biāo)體，采集信號(hào)是相應(yīng)層位的直接反映，信噪比高，同時(shí)采用先進(jìn)的2.5D反演技術(shù)，提高了勘探精度。

6)隨著采集系統(tǒng)進(jìn)一步完善，工程技術(shù)人員對(duì)該方法認(rèn)識(shí)水平不斷總結(jié)提高，特別是針對(duì)超長(zhǎng)灌注樁樁基礎(chǔ)等工程中常見(jiàn)的、但應(yīng)用常規(guī)檢測(cè)方法無(wú)法解決的難題，該方法值得推廣應(yīng)用。