超高密度跨孔电阻率法成像在灌注桩埋深探测中的应用

柴伦炜，汤国毅，王国群，胡亿平

(1.江苏南京地质工程勘察院，江苏 南京 210041;2.江苏省工程地球物理勘察院，江苏 南京 210008;3.江苏省地质隧道与地下工程科技有限公司，江苏 南京 210041)

1 引 言

城市工程物探受地表条件、金属管线和居民工业用电等干扰较多，精度较低。井中物探尽量避开了这些地面干扰因素，人工激发的地球物理场更接近勘探目的层，提高了原始数据信噪比，进而提高了电法勘探精度[1]。超高密度跨孔电阻率法成像(CT)[2]工作方式是在两相邻钻孔中分别放入一定数量的电极，通过电缆连接至地面，仪器通过一定的排列顺序，采集电极之间的电流和电压，反演获得两井间电阻率分布断面图，分析岩土介质与电阻率间的对应关系，进行地质信息解译。

灌注桩是当前高层和超高层建筑施工中最常见的下部结构形式，属隐蔽工程。灌注桩长度偷工减料现象时有发生，严重影响了施工质量、结构安全以及耐久性[3]。针对这种情况，结合江苏地区常见的灌注桩的形式和检测存在的疑点、难点，开展跨孔超高密度电法模型试验研究，结合实际工程案例，总结经验，以提高桩基基础的检测水平。

2 模型正演

已知电阻率的空间分布求电场分布的过程称为正演或解正问题。

超高密度电法2.5维电法正演基本方程式[4]：

其中，U为稳定电流场位函数，r是通过坐标原点的截面内径，Ω为研究的区域，σ(S/m)代表电导率(电阻率的倒数);I(V/m)代表电场强度;rc代表电流极的位置。当电极在rc处供电时，通过上述公式计算，就可以获得地下高阻体周围电场强度分布情况[4]。

下面模拟超高密度跨孔电阻率法成像(CT)对于背景为低电阻率的高阻体模型的响应特征[5]。

图1 高阻体模型Fig.1 High-resistance body model

图1为高阻体模型，两孔间距为24 m，孔深为32 m，模型网格按照1 m×1 m进行剖分，背景电阻率为100 Ω·m，高阻体电阻率为1 000 Ω·m，X(m)轴表示距离，Y(m)轴表示深度，高阻体X轴位于11～16 m，纵向Y轴位于-14～-19 m。

图2 高阻体模型反演结果Fig.2 High-resistance body model inversion results

图2为高阻体模型反演结果，可以看出两测钻孔附近电阻率相对较低，很好地模拟出了孔内充满泥浆，电阻率变低的情况。在已知高阻体位置处，出现了高阻异常。模型模拟研究表面，超高密度跨孔电阻率法成像(CT)能够很好地响应地下高阻地质体的相对电阻率、位置等信息[6]。

3 实例分析

江苏省江阴市某建筑工地，拟建高层住宅楼，桩基础设计埋深60 m(其中桩头5 m)，常规的高、低应变，钻孔取芯法等测桩方法不能探测到该深度[7-9]。本工程采用超高密度跨孔电阻率法成像(CT)方法探测桩基础埋藏深度。

ZK1和ZK2钻孔施工时靠近两个钻孔灌注桩(图3)，两孔间分布着8根直径700 mm的钻孔灌注桩基础，钻孔灌注桩间距2 m，通长配筋并设置箍筋，根据钻孔揭示，孔间岩土层自上而下为素填土、粉质黏土、砂质粉土、粉砂夹砂质粉土、粉砂。

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

本次工作参数具体为电极距：1.0 m，每条电缆电极数：32个，供电电压90 V；采样时间2 s。由于探测深度较大，为提高分辨率，将ZK1-ZK2跨孔分上、下两部分分开进行测量。

图4为ZK1-ZK2跨孔电阻率反演成果，X(m)轴表示距离，Y(m)轴表示深度。根据跨孔电阻率反演成果，靠近钻孔位置由于受到泥浆影响，电阻率值相对较低。钻孔灌注桩埋深范围内的地层受到挤压、置换，电阻率明显比基础下部原状地层电阻率高，推断出钻孔灌注桩的埋藏深度，ZK1邻近桩埋深为56 m，ZK2邻近桩埋深为51.5 m。

图4 ZK1-ZK2跨孔电阻率反演成果Fig.4 ZK1-ZK2 cross-hole resistivity inversion results

为印证超高密度跨孔电阻率法成像(CT)的成果，分别在ZK1和ZK2号钻孔进行了磁测井，磁测井显示ZK1号孔(图5)56 m深度，ZK2号孔(图6)51.7 m深度处，出现磁异常现象。磁测井测桩时往往更多受到灌注桩内部钢筋笼的影响，而施工中经常会出现钢筋短于灌注桩的情况，会导致测量桩长不准确。而且磁测井更容易受到场地内外界的干扰，如电力线、通讯线等外界的干扰，因此单一磁测井无法判断场地内灌注桩长度。

超高密度跨孔电阻率法成像(CT)成果与磁测井结果吻合，说明跨孔电阻率法在该工程中，应用效果较好。

图5 ZK1钻孔磁三分量测井成果Fig.5 ZK1 borehole magnetic three-component logging results

图6 ZK2钻孔磁三分量测井成果Fig.6 ZK2 borehole magnetic three-component logging results

4 结 论

1)本文实例是在满场布置钻孔灌注桩的场地中进行，桩身范围内的土受到混凝土的置换、挤密，导致桩身范围内电阻率值变大，与下部原状土层电阻率有明显差异。如整个场地灌注桩布置稀疏，基础上部与下部电阻率差异不明显，则不能使用本方法。

2)磁测井往往能测得灌注桩内部钢筋笼长度，而对于桩长的反应并不明显。通过与跨孔电阻率成像(CT)相结合，相互印证，可以获得较好的效果。

3)钻孔倾斜、孔内缩颈，会导致地球物理场发生畸变，会影响反演结果。

4)因采集的数据较多，无法对每个数据质量进行筛查，如场地内有高压电线等干扰，会导致假异常出现，如何判别真假异常，有待进一步研究。

5)超高密度跨孔电阻率法成像(CT)采用常规电法的成熟理论，采集的数据集成了大部分直流电法勘探装置，将电极放入勘探孔中，勘探电极接近目标体，采集信号是相应层位的直接反映，信噪比高，同时采用先进的2.5D反演技术，提高了勘探精度。

6)随着采集系统进一步完善，工程技术人员对该方法认识水平不断总结提高，特别是针对超长灌注桩桩基础等工程中常见的、但应用常规检测方法无法解决的难题，该方法值得推广应用。