跨孔地震CT技术在桩基检测中的应用

邓逆涛，张千里，陈 锋，史存林，崔颖辉

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081；2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

工程中常用的桩基无损检测方法包括低应变法、高应变法和声波透视法。这3种方法主要用于桩身完整性检测。低应变法操作迅速、简单，但只能大致推断桩身缺陷位置[1]。对于长大桩来说，高应变法检测其桩身完整性、发现深部缺陷优于低应变法，同时可以提供承载力参考值，但对于同等条件下的基桩，承载力检测数据离散性大，结果可靠性低[2]。声波透视法可以判断缺陷的位置、大小、严重程度等信息[3]，但需在桩上预埋声测管，且对声测管的埋设保护要求较高。声测管的变形、堵管直接影响声波透视法检测的正常进行[4]。在操作方法上低应变法和高应变法检测时需找准桩头位置，声波透视法在预埋超声测管时对测试桩是否会发生破坏失效无预见性。当桩基上部结构施工结束后，若桩基出现病害，这3种方法均较难实施。

跨孔地震CT技术是基于介质间弹性波速差异探测识别异常区域的技术，是现代地震数字观测技术与计算机技术结合的产物。因其分辨率高，主要应用于地下精细结构和目标体的探测，如工程线路、场地、滑坡、边坡、隧道、桥梁桩基等项目[5-11]的工程地质勘察和工程病害整治，是了解和解决复杂地质问题的重要手段之一。鉴于以上3种常用测试方法的检测效果及操作性能的局限性，本次试验首次将跨孔地震CT应用于管桩检测，以检验桩身完整性、桩体竖直度、桩端持力层情况及测试桩基周围地层的分布情况。

1 跨孔地震CT成像原理

跨孔地震CT成像通常使用2个钻孔，采用一发多收的扇形接收方式，经过数点激发(电火花或炸药)后，在观测区域内形成致密的射线网络。其测量原理见图1。

图1 跨孔CT成像系统钻孔测量原理

按照互换原理，每条射线地震波传播时间是唯一确定的，然后根据射线的密集程度及成像的精度要求在观测范围内划分成像单元。一般致密土体波速较高，而松散破碎土体波速较低，土体中的低速单元相对于周边正常土体来说是异常体。当某条射线穿过它时，将产生地震波传播时间差，但难以用一条射线产生的时间差来判断异常体位置。当采用相互交叉的致密射线穿透网络时(见图2)，在空间上就会对异常地质体进行强有力的约束，运用适当的反演方法即可准确获得异常体的位置及形态。

图2 跨孔CT波速成像

跨孔地震CT成像方法的主要理论基础为Randon变换，该方法利用地震波在不同介质中传播速度的不同，可以确定一个沿路径积分的图像函数。Randon变换式如下

(1)

式中：d为积分值；f(x，y)为密度函数；l为f(x，y)所在平面的一条直线。

地震波在被检测体中传播时，纵波的走时是速度v(x,y)和几何路径的函数。对于第i条射线，假设射线的走时为ti，则有如下积分式

(2)

式中：n为射线的总条数；Ri为第i条射线的积分路径，将被检测区域的隧道断面离散成若干网格单元。

由于划分的单元较小，因此每个单元中纵波的速度vi(x，y)可以看成一个常数，可将式(2)离散成如下线性方程组

(3)

式中：dij为第i条射线穿过第j个网格的长度；N为网格数。

从数学角度看式(3)实际上是一个线性方程，如果不考虑不同方向上的投影关系，则可利用计算机反演成像技术来建立被检测体中各个微小单元范围内的地震波速度方程组。

根据地震波信号初至时间的变化，基于重建测试区域地震波速度场的分布特征，利用计算机获得地震波走时数据并进行速度v(x,y)分布反演。通过分析反演结果来推断地质构造的位置、形态和分布情况。

2 工程实例

2.1 工程概况

巢湖东站商合杭正线地处湖积平原区，站址区地表水系发育，河网密布，沟渠纵横。地下水主要为孔隙潜水，埋深较浅，一般0.4～0.9 m。水量丰沛，受大气降水及地表径流补给，随季节变化不大。地层分布由上到下依次为：①杂填土，褐黄色，松散，稍湿，主要以黏性土为主，含大量碎石充填，层厚2.5～3.0 m；②淤泥质粉质黏土，灰黑，很湿，流塑，局部含粉砂，稍有光泽，有臭味，含腐烂植物根茎，层厚11.6 m左右；③粉质黏土，灰黑，很湿，可塑，主要由黏粒组成，含铁锰氧化物，层厚4.4 m左右；④卵石土，杂色，中密，饱和，卵石含量54%～65%，直径15～45 mm，最大粒径为86 mm，成分主要以砂岩为主，磨圆较差，由中粗砂充填，层厚1 m 左右；⑤强风化泥岩，深灰，泥质结构，层状构造，节理裂隙很发育，岩心风化呈碎块状及短柱状，敲击易碎，层厚8.5 m左右；⑥弱风化泥岩，深灰，层状构造，节理裂隙发育，岩心呈短柱状，敲击不易碎。

正线地基采用预应力管桩+C40混凝土筏板结构加固，预应力管桩型号为PHC-A，外径500 mm，壁厚125 mm，混凝土等级为C80；其余参数应满足《先张法预应力混凝土管桩》(GB 13476—2009)的要求。测试断面HFDK71+020桩间距2.6 m，正方形布置，设计桩长25 m。管桩桩顶设C40钢筋混凝土筏板，厚0.55 m。

2.2 观测系统布置

根据桩基设计资料，首次布置4个测试孔1#～4#，其中4#孔处于无桩区域，目的是与有桩区域作对比。后期试验过程中发现测试效果不佳，通过现场开挖找到管桩具体位置，补钻5#测试孔，钻孔平面布置见图3。5个测试孔孔口标高高出桩顶标高2.6 m，深度均为32 m。在跨孔地震CT检测过程中为了保护检测设备，需在测试孔中预埋保护套管，且保护套管与孔壁之间需要回填密实。

图3 钻孔平面布置(单位：m)

本次试验选择一处钻孔为震源孔，另一处钻孔为接收孔。接收孔中放置12道检波器组成的水听器链，检波器间距1 m。试验中采用2种检波器排列覆盖方式，见图4(a)、图4(b)。试验过程中，将震源探头从钻孔底部按1 m或0.5 m间距[12]向上提，每次放炮后进行提拉，从而形成如图4(c)所示的观测系统，致密的射线基本将两孔之间的区域完全覆盖。

图4 观测系统布置示意

2.3 试验结果分析

对现场跨孔地震CT试验采集的剖面走时数据进行处理、反演，得到纵波速度反演结果。在钻设测试孔的过程中进行了地质核查，将3#- 4#和2#- 4#波速反演结果图与地质核查柱状图进行对比(见图5)，发现波速分层基本与地层分层对应。其中，人工填土层波速最小，速度在500～1 400 m/s；淤泥质粉质黏土层波速在 1 400～1 700 m/s；粉质黏土层波速在 1 700～1 800 m/s；卵石土层波速为 1 800～2 200 m/s；强风化层波速较大，速度在 2 200～4 000 m/s；弱风化层波速最大，速度>4 000 m/s。通过图5还可以看出，相对于地质核查柱状图，跨孔地震CT技术分辨率较高，对地层分布的反演更详细、精确、直观。

图5 波速反演结果图与地质核查柱状图对比

测试孔波速反演结果见图6。可知，测试孔附近均存在低速区域，主要与扩孔测试套管和孔壁周边回填不够密实有关。

图6 测试孔波速反演结果

图6(a)中1#- 2#测试孔横跨2根管桩，图6(b)中2#- 3#测试孔横跨3根管桩，由色谱图可以看出检测后反演效果不佳，后期进行人工开挖发现1#，2#，3#测试孔位置与管桩实际位置基本相切，导致地震波不能完全穿过桩体。

由图6(c)可知，管桩分布区域波速在 2 000～2 300 m/s，而正常情况下地震波在混凝土中传播速度为 4 000 m/s 左右。这主要是由于管桩为空心实体，波在穿过桩体的过程中会发生漫射、反射现象，导致走时过长，波速较小。波速>2 000 m/s的位置始于地面以下2.6 m，与实际测试孔孔口标高高于桩顶标高2.6 m相对应。当深度超过27.4 m时，波速从 2 300 m/s开始明显增大。地面以下2.6～27.4 m时，波速在 2 000～2 300 m/s，且分布较均匀，由此推断管桩长度为24.8 m，与设计桩长及现场打桩记录桩长25 m接近，证明跨孔地震CT技术对桩长的检测效果良好。

在桩体分布范围内，波速在 2 000～2 300 m/s 的上部区域比桩径较宽，经分析主要是因为上部地层里含水量较大，地震波在桩体与淤泥质粉质黏土及粉质黏土层的传播速度较为接近，且管桩打入对周围土体也有一定的加强效果，导致波速反演分布结果差异不太明显。当桩体深入卵石土层以下时，地震波在桩体与周围土体传播速度差异明显，经反演可以明显看出下部桩体形态。若整个管桩分布范围内无波速明显减小区域，则证明该根管桩桩身完整，无明显桩身缺陷。从图6(c)中可以看出桩端周边及桩端底部强风化岩层波速基本一致，且桩体波速与周边土层波速分布明显，证明管桩已深入持力层，与桩端持力层接触良好，且桩端底部强风化岩层无弱化现象。

由图6(d)，6(e)可知，当测试孔横跨2根或3根管桩时，跨孔地震CT技术不能很好地反映管桩的形态。主要原因是地震波在多跟管桩和桩间土中传播时会互相重叠，干扰信号，导致反演成像效果不佳。

3 结论

1)跨孔地震CT技术是一种高精度、高分辨率的无损检测技术，该技术适用于桩基的检测。通过测试可以反演桩长及桩身的完整性，还可以反演桩端和桩周土层分布情况，以此来综合分析桩基质量。

2)跨孔地震CT技术在桩基检测中对测试孔位布置要求较高，测试孔连线横穿测试桩中心位置最宜。该技术对单桩的检测效果较好，当横跨双桩或多桩时，地震波在桩土之间传播时会互相重叠，互相干扰，导致反演成像效果不佳。

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