利用波速反演定位桩底溶洞的方法研究

黄树荣

(广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 530200)

0 引言

桥梁建设作为道路交通建设的重要组成之一,近十年来,我国采用新技术、新工艺、新材料施工的高科技桥梁日渐增多,在岩溶强发育地区的建设工程也明显增加。岩溶强发育地区的溶洞探测对桥梁桩基的施工及桥梁后期稳定产生重要影响,若探测不当即进行盲目施工将会导致桩基的承载力降低,同时还会增加桩基沉降和变形的风险,最终导致桥梁失稳等恶劣影响。

目前市面上常用的桩底溶洞探测主要有SSP地震波探测技术、电磁波测井法和JL-SONAR(A)声呐探测技术等[1],现有探测技术均可大致确定溶洞的方向,但识别溶洞竖直向的大小以及精准定位仍存在困难。JL-SONAR(A)声呐探测技术在广西、贵州、四川等地应用较广泛,但在溶洞顶板深度的计算中,需要根据基岩性质进行波速的估算,依据估算的波速和时程对溶洞尺寸进行换算会存在一定的误差,导致定位错误,从而增加了处理溶洞的难度。本文将依托JL-SONAR(A)声呐探测技术和PBCA信号分析软件利用波速反演对桩底溶洞的定位方法展开研究。

1 声呐探测概述

1.1 探测工艺

JL-SONAR(A)声呐探测技术是利用发射探头发射声呐弹性波,接收探头接收声呐回波,根据回波特性来分析桩底的基岩情况[2]。可探测断层、岩溶、软弱夹层、裂隙带等桩基持力层状态。常用参数设置如表1、表2所示。

表1 声呐探测主机参数设置表

表2 PBCA信号分析软件参数设置表

1.2 研究方向

JL-SONAR(A)声呐探测技术需要在桩底溶洞信号采集前进行参数设置,其中需要估算初始基岩的初速度,如图1所示,通过接收探头收集到的声程进行桩底溶洞的定位分析。

图1 采集前参数输入示例图

因声波在不同介质中的传播速度不一致,通常与岩层的密度、结构成分和环境温湿度有关,所以通过估算的波速与时程定位桩底溶洞的位置是有误差的[3]。本文运用JL-SONAR(A)声呐探测技术和PBCA信号分析软件,通过波速反演对桩底溶洞的定位方法展开研究。

2 波速反演模型

2.1 SIRT算法简介

本文所述波速反演方法旨在通过探测设备获取传播路径和声时数据,将SIRT算法反推出所测区域内波速的分布情况[4]。SIRT算法不仅仅考虑通过同一投影角度下的一条信号线,其还考虑通过所测像素的所有信号线的误差来确定对该个像素进行校正,清晰度较高,对ART算法中的误差进行了平滑处理,从而降低重建结果对测量误差的敏感度,同时相比于BPT算法减少了迭代次数且提高了重建质量和精度[5]。

2.2 SIRT算法实现步骤

以圆柱形溶洞为例,共设n层边界,i层边界分布间距相等的4个探头(每个探头兼具发射和接收功能),四发四收。由A1发出一列声波,接收探头A1、A2、A3、A4分别记录时程信息,如图2所示,以此类推,可采集到4n个时程信息。值得说明的是,声呐探测可看作一维稳态激振,因其是作用在窄小的频带上的一种方式,其能量集中、信噪比较高且抗干扰能力也较强。采用多层波速反演模型进行溶洞定位。因JL-SONAR(A)声呐探测仪支架半径为固定的250 mm,临边距为250 mm,对角边距A1A3和A2A4为354 mm。

图2 分层界面信号路线图

图3 桩溶探测流程图

为解决溶洞定位问题,将探测区域进行空间离散化,形成m=16×n个单元格,对经过测试区域中的某层界面的信号进行分析:取A1为发射源,坐标为(x0,y0,z0),声时t0;取A1、A2、A3、A4坐标为(xi,yi,z0,(其中z0为测点标高,由精密水准仪测取),接收时刻为ti,其中i=1,2,3,(xj,yj,zj)为溶洞测点坐标。则溶洞定位方程组为:

(1)

式中:v——界面层反演出的岩层的波速均值;

vp——弹性波纵波波速。

单层界面有4×4个接收通道,两层界面有2×4×4个信号接收通道,依次类推,两层界面波速表达式为:

(2)

由此可得矩阵方程:

PW=B

(3)

LM=T

(4)

式中:L——距离矩阵;

M——波慢向量;

T——声程向量。

距离矩阵L和声程向量T可以通过探测仪器获得。根据已获得的距离矩阵L和声程向量T可以求解矩阵方程,得到波慢向量M,根据SIRT算法,其第k层界面的波慢迭代修正值为:

(5)

式中:q——迭代次数;

将上一轮的结果作为初值,重复以上迭代过程,直到达到收敛要求或指定的迭代次数,由此可得第k个成像单元的波慢,可表示为:

(6)

由此可确定测试区域的离散波速分布,从而完成了溶洞测试区域的波速场模型的建立,通过分析显示、层析成像,可得到桩底溶洞的定位[6]。

3 桩底溶洞探测实例

本文结合湖南省茶陵至常宁(含安仁支线)高速公路某桥梁工程实例,运用JL-SONAR(A)声呐探测仪对桩底溶洞进行探测。

3.1 工程概况

湖南省茶陵至常宁(含安仁支线)高速公路起于茶陵县孟塘,与衡炎及茶界高速公路相接,经安仁、耒阳市,终于常宁市蓬塘互通,与京港澳复线及祁常高速公路相接。本项目位于岩溶发育区,设计建议在施工阶段应于桩基底部进行孔底超前钻探,确保桩端以下3D桩径范围内无溶洞。

该桥梁位于湖南株洲攸县境内,桥位区总体上地形起伏不大、地势开阔,属于微丘地貌区。该桥梁左幅按等宽设计,桥面净宽12 m,右幅桥梁考虑视距加宽,按变宽设计,桥面净宽12～13.5 m;桥梁按等宽设计,桥面宽度采用护栏调整。上部采用预应力混凝土(后张)先简支后连续T梁;下部结构采用柱式墩台,桩基础,按嵌岩桩设计,要求嵌入中风化灰岩≥2D,且保证基底以下5 m完整基岩。

3.2 水文、地质条件

桥位区分布地层主要分布第四系全新统(Qh)粉质黏土、细砂、卵石,白垩系下统(K1)泥质粉砂岩、砾岩。桥位区地层结构较简单,不良地质主要为终点左幅桥台崩塌及岩溶。终点左幅桥台段崩塌体沿线路长约32 m,顶部宽约7.4 m,中部宽10～11.2 m,下部宽4.0～6.0 m,根据钻孔揭露,分布地层为种植土,厚0.5 m;褐红色硬塑状粉质黏土,厚约13.0 m,下部为中风化砾岩。

桥位区地表水不发育,勘察期间地下水位为0.1～6.7 mm,分布地层主要为粉质黏土、卵石,其中粉质黏土为弱透水层,卵石为强透水层,卵石为桥位区主要含水层,水量丰富。

3.3 测前准备

根据地质勘察资料显示,已知15#和16#墩分别在标高82.84～86.54 m处和84.18～88.78 m处存在溶洞,如图4所示。基桩15-2通过旋挖钻进行成孔至标高88.00 m处,基桩16-2通过旋挖钻进行成孔至标高90.00 m处。

图4 工程地质纵断面图

3.4 波速反演方案

每个桩孔各取两层界面进行计算,每层16个信号接收数据,取波速均值带入矩阵方程中进行溶洞初步定位,因基岩性质差异及溶洞发育差异,部分信号线的波慢值是不同的。基岩的泊松比和密度变化极小,弹性模量的变化显著。声呐传播只考虑轴向位移,即纵波传播的情况,根据二阶常系数偏微分一维稳态方程,可计算出弹性纵波在基岩内部的传播速度为4 831 m/s,则每个信号线承载的波慢值为(1/4 831)s/m。通过MATLAB软件,可求取实际声时与理论声时模型[7],如图5所示。

图5 实际声时与理论声时离散示意图

从图5可知,每个信号的实测声时与理论声时虽存在离散性,但因差距极小,均在合理范围内,可用于反演波速。

探测仪器为四发四收探头,声呐接收器每10 cm采集一次数据,探溶桩底10 m距离,则检测区域离散化为100列16行,共1 600个成像单元。

因桩底溶洞处易发生应力分散,桩底溶洞的弹性模量比完整基岩的弹性模量小,弹性模量和波速成正比,因此桩底溶洞的波速低于完整基岩处的波速。当初始波速取4 000 m/s、4 831 m/s时,通过SIRT算法(假设松弛因子设为1,收敛因子=0.01),所反演重建出的波速场图像分别如图6～9所示。

图6 桩号15-2波速场图像示例图(波速4 000 m/s)

图7 桩号15-2波速场图像示例图(波速4 831 m/s)

图8 桩号16-2波速场图像示例图(波速4 000 m/s)

图9 桩号16-2波速场图像示例图(波速4 831 m/s)

3.5 仪器测试方案

JL-SONAR(A)声呐探测技术和PBCA信号分析软件运用均依次给定4 000 m/s、4 831 m/s初始波速运用溶洞探测仪进行探测,JL-SONAR(A)声呐探测主机可通过罗盘及横滚角与俯仰角定位坐标向,故测试点仅考虑z轴即溶洞垂直方向的探测。探测结果如表3所示。

表3 计算及测试结果汇总表

3.6 结果分析

按照波速反演计算出来的初始波速4 831 m/s进行设置,探测到的溶洞位置与实际勘察结果基本相同,形状和尺寸也基本吻合,经过多次采样测试将结果汇总,能反映出溶洞的三维模型[8]。

由上述分析可知,在对三维空间进行反演计算时,初始波速的选取对反演计算的最终结果影响很大,需选取与基岩实际情况相符的初始波速,这样所反映的情况才能更真实。

4 结语

(1)通过声呐探测与SIRT联合迭代重建算法的研究,可以建立溶洞的波速场模型,从而对桩底溶洞进行探测。该方法可操作性较强,重复性好,经过软件编程可实现层析成像检测。

(2)根据探测到的溶洞的深度、大小等情况,根据水文地质情况,可采用抛填法、内置钢护筒法、灌注混凝土填筑法等对桩底溶洞进行处置,保证桥梁结构的安全性和耐久性。