淺埋樁基的高密度電法數(shù)值模擬與探測

摘 "要：在已拆除建筑的地塊上重新擬建新建筑時(shí)，為方便基樁施工和基坑的開挖需要對地塊內(nèi)遺留的建筑基礎(chǔ)進(jìn)行清除，在缺失相關(guān)資料的情況下，對地塊內(nèi)基樁的探查一直是個(gè)難題。該文采用有限差分技術(shù)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行高密度電法的正演模擬。在正演模擬的基礎(chǔ)上采用高密度電法對地下基樁進(jìn)行探測，對判定的基樁位置采用鉆孔磁梯度法進(jìn)行驗(yàn)證，通過磁梯度驗(yàn)證，表明在無基礎(chǔ)資料的條件下高密度電法探測淺埋樁基礎(chǔ)是可行的。

關(guān)鍵詞：高密度電法；正演模擬；淺埋樁基；有限差分；鉆孔磁梯度法

中圖分類號：P631.3 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2024）20-0142-04

Abstract： When a new building is to be rebuilt on the demolished building， it is necessary to remove the building foundation left in the site in order to facilitate the foundation pile construction and foundation pit excavation. in the absence of relevant data， the exploration of foundation piles in the land has always been a difficult problem. In this paper， the corresponding mathematical model is established by finite difference technique， and the forward simulation of high-density electrical method is carried out. On the basis of forward simulation， the high-density electrical method is used to detect the underground pile， and the position of the foundation pile is verified by the drilling magnetic gradient method. The magnetic gradient verification shows that the high-density electrical method is feasible to detect the shallow buried pile foundation without basic data.

Keywords： high-density electrical method; forward simulation; shallow buried pile foundation; finite difference; borehole magnetic gradient method

在城市發(fā)展和變遷過程中，大片區(qū)域的拆建已很常見。在拆除原有建筑時(shí)，地表以上部分可以清理得很干凈，地表以下的基樁遺留的較多。對一些老建筑而言，雖然有原始的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖，但沒有基樁的具體坐標(biāo)，甚至一些工程連設(shè)計(jì)資料都已缺失。建設(shè)單位很難通過原始資料查清地塊內(nèi)埋藏的樁基數(shù)量和樁基位置。如安踏上海總部項(xiàng)目，在打樁和基坑開挖過程中發(fā)現(xiàn)許多廢棄基樁，導(dǎo)致多次設(shè)計(jì)變更，這不僅給建設(shè)單位帶來預(yù)算的增加，還導(dǎo)致項(xiàng)目工期的延長。

對城市地下基樁的探查一直是物探工作中的難點(diǎn)，筆者也采用過其他物探方法，如地質(zhì)雷達(dá)法，但在上海地下水較淺的地區(qū)，地質(zhì)雷達(dá)法的探測效果一直不理想。鉆孔磁梯度法結(jié)果最準(zhǔn)確，但是缺點(diǎn)也很明顯，在不知道樁基大概位置的情況下，磁梯度法的成本將無法得到有效控制[1-2]。高密度電法因其探測范圍大、自動采集數(shù)據(jù)程度高且工作成本較低，是物探普查探測時(shí)的首選方法[3-4]。文章討論了高密度電法探測地下基樁的可行性，首先建立與實(shí)際地物條件相似的數(shù)學(xué)模型，在正演模擬基礎(chǔ)上，進(jìn)行了實(shí)際工程項(xiàng)目的探測試驗(yàn)。最后對高密度成果異常位置進(jìn)行磁梯度驗(yàn)證探測，驗(yàn)證的結(jié)果表明，在無基礎(chǔ)資料的條件下高密度電法探測淺埋樁基礎(chǔ)是效率較高的有效探測方法[5-6]。

1 "高密度電法的技術(shù)原理

高密度電阻率法是在常規(guī)直流電阻率法勘探的基礎(chǔ)上，借助于陣列思想，逐步形成的一種集電測深和電剖面為一體的，可一次布設(shè)后使用多種裝置、多種排列的直流電法勘探手段。其本質(zhì)仍是直流電阻率法勘探[4]。

假定探測對象為半無限空間的均勻介質(zhì)，則對于一個(gè)點(diǎn)電流源的地中電流場，假設(shè)在電阻率為ρ的均勻各向同性的無限介質(zhì)中，有一點(diǎn)電極A，其電流為I，在球坐標(biāo)系中，可得電流密度矢量j及電位U

式中：K稱為裝置系數(shù)，由供電電極A、B和測量電極M、N的相對位置決定，可根據(jù)工作需要設(shè)計(jì)A、B、M、N間的相對位置關(guān)系，構(gòu)成不同的工作裝置。

2 "正演模擬原理

本次正演模擬采用的是有限差分法，它是使用的二維模型將地下劃分為許多矩形網(wǎng)格塊，如圖1所示。有限差分法基本上確定了電位矩形網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)，其中水平方向由L個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，垂直方向由M個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。網(wǎng)格模型有L-1列和M-1行矩形塊，這些塊可以具有不同的電阻率值[7]。通過使用足夠細(xì)的網(wǎng)格，可以模擬復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

3 "數(shù)學(xué)模型的正演模擬

根據(jù)樁基探測中的實(shí)際情況設(shè)置了3種模型，分別為均質(zhì)地層模型、均質(zhì)地層含長樁模型和均質(zhì)地層含短樁模型。3種模型的背景參數(shù)一致，采用51根串聯(lián)電極，電極距為1.0 m，溫納裝置[8]。為了色標(biāo)細(xì)節(jié)更加豐富，模型設(shè)置了10種電阻值，用于表示涉及的各個(gè)結(jié)構(gòu)物。

3.1 "均質(zhì)地層模型

均質(zhì)地層模型的設(shè)定主要是為了解無樁基情況下均質(zhì)地層正演模擬電阻率分布情況，便于和下面2種含樁基地層的正演結(jié)果進(jìn)行對比分析，也是控制變量分析的常用方法。模型及正演結(jié)果如圖2和圖3所示。

考慮到地表一般含有雜填土的實(shí)際情況，模型中也在淺地表層設(shè)置了高電阻值，正演模擬結(jié)果顯示在淺地表呈明顯相對高阻態(tài)，隨著深度的增加，視電阻率值分層呈相對低阻，高阻低阻層次分明，剖面中無其他異常電阻率分布，符合模型設(shè)定的實(shí)際情況。

3.2 "均質(zhì)地層含長樁模型

模型中樁間距為4 m，樁長至模型底部，在模型淺表層也按實(shí)際情況設(shè)置了相應(yīng)的高阻層位。模型如圖4所示。

圖5為均質(zhì)地層含長樁模型的正演模擬結(jié)果。結(jié)果顯示，視電阻率剖面圖整體呈上部相對低阻狀態(tài)，下部相對高阻狀態(tài)。在長樁平面位置上均有閉合態(tài)的相對高阻反應(yīng)，如圖中圓圈位置所示。但是閉合態(tài)高阻埋深與模型中樁頂?shù)穆裆畲嬖诩s1 m深誤差，這表明高密度電阻率法可以較準(zhǔn)確地探測目標(biāo)物（目標(biāo)物尺寸埋深在可探測條件下）的平面位置，但是對目標(biāo)物的埋深進(jìn)行精確定位還存在較大誤差，可以通過磁梯度等其他方法進(jìn)行輔助探測。

3.3 "均質(zhì)地層含短樁模型

為方便對比分析，圖6模型設(shè)置除樁長變?yōu)? m短樁外，其他參數(shù)與圖4一致。模型如圖6所示。

圖7為均質(zhì)地層含短樁模型的正演模擬結(jié)果，結(jié)果顯示視電阻率剖面圖整體呈上部低阻下部高阻狀態(tài)，與長樁模型相似。在短樁的平面位置上出現(xiàn)明顯的V型或U型電阻率等值線異常狀態(tài)，如圖中圓圈所示。這表明正演模擬結(jié)果可以清晰地將短樁的平面位置顯示出來，但是短樁的影響比長樁較小，相對高阻暫未成閉合狀態(tài)。且異常點(diǎn)的埋深與短樁的樁頂埋深與圖5相似，但也存在較大誤差。

根據(jù)高密度電法的正演模擬結(jié)果結(jié)合工程測區(qū)實(shí)際情況進(jìn)度探測分析，對相應(yīng)工程項(xiàng)目具有一定的參考意義。

4 "技術(shù)案例

4.1 "項(xiàng)目概況及測區(qū)地球物理特征

測區(qū)位于上海市崇明區(qū)某工地，目前，場地的地上建筑均已拆除。由于建筑年代較早，且產(chǎn)權(quán)經(jīng)過多次變更，只有手繪的預(yù)制樁樁位圖，樁位坐標(biāo)位置已丟失，無法準(zhǔn)確定位樁位并進(jìn)行拔除。經(jīng)業(yè)主委托我方采用高密度電法對地下樁基進(jìn)行探測，并采用磁梯度法進(jìn)行輔助驗(yàn)證。

測區(qū)內(nèi)地層自上而下分為雜填土、吹填土（粉質(zhì)黏土）、黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土。地層分布比較均勻，層厚差別小。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測區(qū)內(nèi)物質(zhì)物性參數(shù)如見表1。

預(yù)制樁樁身為混凝土結(jié)構(gòu)，電阻率比背景地層較大，采用高密度電法理論上是可以將樁基從背景土中區(qū)分開的，且預(yù)制樁中有鋼筋且樁端有金屬法蘭盤，采用磁梯度法驗(yàn)證時(shí)也應(yīng)該有明顯反應(yīng)。

4.2 "高密度電阻率成果及解釋

高密度實(shí)施時(shí)在原建筑邊線布置了2條測線L1、L2進(jìn)行試探性探測，然后根據(jù)探測結(jié)果進(jìn)行測線調(diào)整。測線如圖8所示。儀器采用的是重慶地質(zhì)儀器廠的DZD-8直流電法儀，72根電極，電極距1 m，溫納裝置。數(shù)據(jù)處理后的斷面圖如圖9所示。

圖9為測線L1的成果剖面圖，從圖中可以看出地表雜填土呈相對高阻，底部淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土呈相對低阻，整體與測區(qū)實(shí)際相符合。在高阻態(tài)中可以清晰看出U型電阻率等值線呈規(guī)律出現(xiàn)。根據(jù)正演模擬結(jié)果，分析該處可能為樁基所在位置。后面經(jīng)開挖和磁梯度驗(yàn)證，確定是預(yù)制樁所在位置，圖9中黑色條狀為經(jīng)驗(yàn)證過的樁基實(shí)際所在視電阻率剖面上的位置，與U型高阻位置相吻合。

4.3 "異常體的磁梯度驗(yàn)證

在視電阻率剖面圖中選擇3處位置進(jìn)行磁梯度驗(yàn)證，樁號為Z1、Z2、Z3，位置如圖10所示。

圖10中橫坐標(biāo)表示自然地面以下的深度，縱坐標(biāo)表示磁場和磁梯度值。從圖中可以看出在地表以下6.7 m有鐵磁性反應(yīng)，表明該深度有金屬物，推測為樁頂埋深位置，經(jīng)后期拔樁確認(rèn)樁頂埋深6.7 m。經(jīng)磁梯度驗(yàn)證可以較準(zhǔn)確地判定高密度高阻異常位置是否為樁基所在位置。

5 "結(jié)論

本次樁基探測是在正演模擬前提下采用高密度電法結(jié)合磁梯度法進(jìn)行的，比較準(zhǔn)確地探測出了測區(qū)內(nèi)樁基的位置和數(shù)量，為施工單位拔樁提供了依據(jù)。

高密度電法的正演模擬設(shè)置的是非常理想的地質(zhì)模型，模擬結(jié)果反映的是理想化的均質(zhì)地層，而實(shí)際探測環(huán)境地層復(fù)雜，干擾因素較多，實(shí)際探測成果與模擬結(jié)果存在出入。

正演模擬和實(shí)際探測均顯示高密度電法可以較準(zhǔn)確地反映地質(zhì)異常體的平面位置，對確定異常地質(zhì)體的埋深還存在一定誤差。

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