管波探測法在樁底巖溶勘察及樁身質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

李關(guān)勇

(廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510010)

1 引 言

巖溶地區(qū)嵌巖樁施工時，基巖中存在溶洞、基巖裂隙、軟弱夾層等，使樁端持力層的完整性難以滿足設(shè)計及規(guī)范要求，為確保樁基持力層的完整性，常采用“一樁一孔”或“一樁多孔”的方式進行超前鉆勘察，然而在巖溶強發(fā)育區(qū)單純的超前鉆勘察未必能達到預(yù)期效果。另外，水下灌注樁常出現(xiàn)的樁身質(zhì)量問題有斷樁、沉渣、夾泥等，查明上述問題常用的檢測方法有鉆芯法、低應(yīng)變法、靜載試驗等。根據(jù)基樁檢測規(guī)范[1]，大直徑樁鉆芯法檢測需要“一樁多孔”進行檢測，該方法存在檢測范圍不全面、工作量大、耗時長等缺點。管波探測是一種有效、精確、能快速查明以鉆孔為中心一定范圍內(nèi)巖溶、基巖裂隙帶或斷樁等不良情況分布的方法，彌補了鉆芯法“一孔之見”的不足[2,3]，為設(shè)計、施工定樁長提供更加全面、可靠的地質(zhì)依據(jù)以及樁身質(zhì)量檢測提供一種有效的手段。

2 管波探測法

2.1 管波探測原理

根據(jù)彈性波理論，在彈性介質(zhì)中傳播的震動按傳播空間劃分為體波和面波，體波包括橫波和縱波，體波在無限空間中傳播；面波包括瑞利波和勒夫波，面波在波阻抗的界面附近傳播[4]。在充滿液體的鉆孔與周圍地層之間形成一個明顯的波阻抗，當波傳播至該界面時就像一個新的“震源”，激發(fā)了沿鉆孔軸方向傳播的波，稱為管波[5]，在界面處發(fā)生反射振幅如下：

其中：A0為入射波的振幅；R為界面的反射系數(shù)；A為反射波的振幅；Z1、Z2為界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗。反射波的振幅的強弱反映了界面的波阻抗差異，通過分析反射管波的波幅特征，探測波阻抗差異界面，通過對界面的解釋，推斷孔旁巖溶、軟弱夾層等的發(fā)育情況。

管波探測的頻率范圍一般為100～3 000 Hz，現(xiàn)有探測設(shè)備接收管波的中心頻率約為700 Hz[6,7]。根據(jù)波動理論中的半波長理論，管波探測法的探測范圍為以鉆孔中心為圓心，半徑為管波波長的1/2的圓柱狀空間，即管波探測法的探測半徑約為1.2 m[8]。管波探測具有以下特點：①管波具有能量強、衰減慢，波形異常易以識別，成果可靠性高。②鉆孔洞穴大小探測分辨能量強、垂向探測精度高，人為干擾因素低。③探測工期短、勘察成本低，可在鉆探過程中完成，提交成果迅速。

2.2 管波探測測試方法

管波探測法的探測裝置(詳見圖1)為通過發(fā)射儀產(chǎn)生的發(fā)射脈沖信號通過發(fā)射換能器S轉(zhuǎn)換成振動脈沖，在孔壁周圍產(chǎn)生管波，管波沿鉆孔軸向上及向下傳播，接收換能器R首先接收到直達管波。沿鉆孔軸向傳播的管波在波阻抗差異界面(孔徑變化處、液面處、孔底、孔壁波阻抗差異界面)處發(fā)生反射，反射管波由接收換能器R接收。固定采用自激自收觀測系統(tǒng)，收發(fā)探頭間距一般為0.6 m，測點間距為0.1 m，測試方式按從下至上進行，從而形成一幅管波探測時間剖面[9,10]。通過對時間剖面上直達波和反射波的能量強弱、波速大小及反射波組的形態(tài)特征進行分析，即可判別溶洞及樁身缺陷等的位置。

圖1 管波探測法的探測裝置Fig.1 Detection device of tube wave detection method

3 管波探測方法的工程實例

3.1 樁端持力層巖溶探測

肇慶某項目擬建綜合交通樞紐，為地上4層、地下2層，場地位于珠江-西江中下游,屬沖洪積平原地貌，上覆土層主要為人工填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、粉細砂及中粗砂層，下覆基巖為灰?guī)r。場地內(nèi)砂層大多直接覆蓋于可溶性灰?guī)r之上，其巖溶見洞率高達72.2 %，線巖溶率達38.3 %，最大溶洞高度達18.9 m，部分溶洞呈串珠狀，局部地段揭露土洞，最大土洞高度為13.2 m，巖溶強發(fā)育，巖溶水豐富且與上部砂層孔隙水聯(lián)系密切，地質(zhì)條件十分復雜。巖溶強發(fā)育對樁基礎(chǔ)施工、基坑開挖、地基處理等影響極大，在施工期間或竣工后可能誘發(fā)地面沉陷等地質(zhì)災(zāi)害，對工程設(shè)計施工及后期投入使用極其不利，查明樁端持力層及其周邊的巖溶發(fā)育情況，對設(shè)計人員定樁長及溶洞處理尤為重要。

圖2 ZK9A-1號孔柱狀圖及管波成果Fig.2 ZK9A-1 column diagram and tube wave result

本項目工程樁總數(shù)為319根，均為大直徑樁，根據(jù)規(guī)范及設(shè)計要求，需按“一樁多孔”方式進行施工勘察以查明樁位的巖溶發(fā)育情況為設(shè)計、施工定樁長提供依據(jù)。巖溶地區(qū)在同一樁位進行多個孔鉆探不僅工期長、費用高，且存在串孔及地面塌陷風險。另外，在本場地巖溶極其發(fā)育的情況下單純的鉆探未必能完全查明樁底巖溶發(fā)育情況。針對上述問題，經(jīng)過各參建方分析研究確定采用管波探測新技術(shù)，將“一樁多孔”的勘察方案調(diào)整為一樁兩個鉆孔，同時在孔位進行管波探測，即“一樁兩孔兩管波”方案，兩鉆孔間距為0.8 m。

圖2是ZK9A-1號孔的柱狀圖及探測結(jié)果：鉆探顯示于高程-14.83～-22.73 m為溶洞，-22.73 m至終孔均為完整微風化灰?guī)r；管波探測時間剖面圖上顯示-14.43～-24.53 m頂?shù)捉缑娣瓷淠芰繌姟㈩l率低，進入?yún)^(qū)間反射波能量突然消散，直達波能量微弱，解釋為溶洞發(fā)育段；-24.53～-25.43 m頂?shù)捉缑婀懿ㄐ盘柗瓷淠芰康?、頻率較高、反射密集分布，解釋為溶洞裂隙發(fā)育段；-25.43至終孔深度頂?shù)捉缑娣瓷洳ńM在層內(nèi)可見，能量強、速度高，并有多次反射，解釋為節(jié)理裂隙發(fā)育段。

圖3 ZK9A-2號孔柱狀圖及管波成果Fig.3 ZK9A-2 column diagram and tube wave result

圖3是ZK9A-2號孔的柱狀圖及探測結(jié)果：鉆探顯示于高程-15.58～17.48 m、-18.08～-18.58 m、-19.28～-24.98 m均為溶洞，-24.98 m至終孔標高為連續(xù)完整微風化巖；管波探測時間剖面圖上顯示-14.38～-14.98 m、-15.48～-17.08 m、-17.68～-25.48 m頂?shù)捉缑娣瓷淠芰繌姟㈩l率低，進入?yún)^(qū)間反射波能量突然消散，直達波能量微弱，解釋為溶洞發(fā)育段，-25.48 m至終孔標高解釋為節(jié)理發(fā)育段。

根據(jù)樁號ZK9A號樁兩個鉆孔的鉆探成果及管波探測成果分析可知：①ZK9A-1管波探測成果顯示從-25.43 m至終孔高程為節(jié)理發(fā)育段，與ZK9A-2鉆探結(jié)果及其管波探測成果基本吻合，管波探測探測效果得到了較好的驗證，說明了管波探測法在探測溶洞應(yīng)用的有效性；②兩個鉆孔管波探測揭示溶洞與鉆探揭露溶洞位置基本一致，溶洞高度整體要大一些，說明了管波探測法對“隱蔽”巖溶(鉆探未發(fā)現(xiàn)的巖溶)也具有一定的發(fā)現(xiàn)能力。

3.2 樁身質(zhì)量檢測的探測

灌注樁施工過程中常見的缺陷主要有夾泥、斷裂、縮頸以及沉渣過厚等，為查明樁基缺陷常用的方法為鉆芯法，根據(jù)基樁檢測規(guī)范對于大直徑樁一般需要一樁多孔進行檢測。肇慶某地塊項目擬建建筑物總高約168 m，地上48層，地下3層，采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，最大單柱豎向軸力設(shè)計值為25 000 kN。為查明該項目一直徑為1.8 m灌注樁樁身完整性情況，采用了“一樁一孔一管波”的方式對此根樁進行檢測。最初由于趕工期采用單管鉆具進行抽芯檢測，抽芯結(jié)果顯示樁底完整且無沉渣，而在該孔進行的管波探測結(jié)果顯示，界面反射能量強、頻率低、且上下反射界面之間的能量存在消散現(xiàn)象，減弱信號厚度約為0.8 m，推斷為沉渣段。鑒此情況，項目部決定在距離樁中心0.5 m處采用雙管鉆具進行再次抽芯檢測以驗證管波探測情況，兩個鉆孔的抽芯結(jié)果均顯示樁底確實存一定厚度的沉渣(詳見圖5、圖6)。由此可見，采用管波探測法進行樁基完整性檢測是可行的，該方法探測分辨率較高，避免了由于抽芯設(shè)備或鉆探人員操作不當帶來的誤判，比一樁多孔的檢測模式更加全面和準確。

圖4 ZK15A-1單管鉆具抽芯及管波成果Fig.4 ZK15A-1 column diagram and tube wave result

圖5 ZK15A-2雙管鉆具抽芯照片F(xiàn)ig.5 ZK15A-2 double pipe drilling tool core-pulling photo

圖6 ZK15A-3雙管鉆具抽芯照片F(xiàn)ig.6 ZK15A-3 double pipe drilling tool core-pulling photo

4 結(jié) 論

根據(jù)上述管波探測法在工程應(yīng)用中取得的成果可以得出結(jié)論：①管波探測與鉆芯法揭示的溶洞基本一致，管波探測法揭示溶洞高度整體要大一些，說明了管波探測法對“隱蔽”巖溶也具有一定的發(fā)現(xiàn)能力。②管波探測靈敏度及精度高，能有效避免因鉆探設(shè)備、鉆探人員操作不當及取芯率低等帶來的誤判。③管波探測在樁端持力層巖溶探測及樁身質(zhì)量檢測中均取得較好效果，鉆芯法及管波探測法的組合能夠直觀、全面地揭示樁基持力層的巖溶發(fā)育情況及樁身缺陷情況，值得推廣。