基于鉆孔電磁波層析成像技術(shù)的復(fù)雜地基檢測

基于鉆孔電磁波層析成像技術(shù)的復(fù)雜地基檢測

近年來，隨著龍巖中心城市建設(shè)的加快，舊城改造中出現(xiàn)了一些地質(zhì)疾病，如洞穴和隱伏預(yù)防洞穴。能否準(zhǔn)確地查明溶洞或隱伏防空洞的形狀特征及其分布情況,直接影響著建筑物基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的安全性、合理性和經(jīng)濟(jì)性。下文介紹的工程實(shí)例表明,應(yīng)用孔間電磁波層析成像技術(shù)能較好地解決這一問題。1觀測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集龍巖市文苑新村位于龍巖市和平路南側(cè),西鄰北市場,A、B兩幢均為8層框架商住樓,建筑面積約為6250m2,A、B兩幢之間是一層店面,其基礎(chǔ)型式采用十字交叉條型鋼筋砼基礎(chǔ),在基礎(chǔ)施工完畢后,根據(jù)鄰近居民提供的信息,懷疑A幢樓基礎(chǔ)下面有隱伏防空洞出入,受業(yè)主委托,我們采用地學(xué)新技術(shù)——鉆孔電磁波層析成像技術(shù)對場地進(jìn)行掃描探測。該項(xiàng)工作共完成10條剖面的探測和3個(gè)單孔掃描曲線,計(jì)探測剖面長度192m,觀測深度最深達(dá)15m,采集觀測物理點(diǎn)數(shù)據(jù)5750個(gè)。在此基礎(chǔ)上,經(jīng)室內(nèi)數(shù)據(jù)整理、歸納,輸入計(jì)算機(jī)處理,反演成像,然后對圖像進(jìn)行地質(zhì)識別和異常診斷。2粉質(zhì)粘土的種類探測場地位于龍巖盆地中部,原始地形總體由北向南微傾斜,根據(jù)鉆孔揭示,場地上部由雜填土、素填土組成;中下部為第四系沖洪積物,由粉質(zhì)粘土、粘土組成;下部局部分布有含碎石粉質(zhì)粘土及殘積灰?guī)r。其土層主要特征如下:1)素填土:褐-黃褐色,松散狀,為可塑狀態(tài)的粉質(zhì)粘土,局部見有小圓礫、瓦片等雜質(zhì),結(jié)構(gòu)松散且不均勻。層頂埋深0.50～2.50m,層厚0.5～2.5m。2)粉質(zhì)粘土:褐黃-黃色,可塑狀,見鐵錳質(zhì)氧化物侵染,曬干后明顯龜裂,遇水軟化。層頂埋深2.5～4.0m,層厚1.75～8.0m。3)粘土:灰黃、黃色、棕紅色,可塑-硬塑狀態(tài),局部含有少量的粗砂或圓礫,或見中風(fēng)化砂巖的卵石,該層頂埋深4.9～10.8m,厚度受鉆孔深度限制未揭穿。4)含碎石角礫粉質(zhì)粘土:褐黃色、灰黃色,可塑狀態(tài),碎石角礫含量25%-30%,成分為泥巖,粒徑2～4cm,層頂埋深9.8m,厚度2.4m。5)灰?guī)r殘積粘土:棕黃、黃色,可塑-硬塑狀,灰?guī)r已風(fēng)化或見殘留體,結(jié)構(gòu)不清。分布在場地西側(cè),鉆孔揭露厚度4.1m。3能量發(fā)射源系統(tǒng)因不同巖層的分布對電磁波的傳播存在較強(qiáng)的影響,對電磁波的吸收強(qiáng)弱主要與地下介質(zhì)的電磁參數(shù)及巖層的裂隙含水性程度、礦化度及空隙度等因素有關(guān)。電磁波層析成像技術(shù)就是利用一定頻率的電磁波作為發(fā)射源,當(dāng)其掃描地面下地質(zhì)體所取得的參數(shù)被接收機(jī)接收后,利用電磁波在不同介質(zhì)中吸收系數(shù)差異,經(jīng)數(shù)學(xué)處理后反演出介質(zhì)的吸收系數(shù)分布,從而得到地下的精細(xì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)差異圖像。其探測工作流程如下:勘探對象和范圍的確定→勘探線和網(wǎng)格布設(shè)→勘探深度確定→鉆孔及埋置PVC保護(hù)管→儀器頻率選擇與試驗(yàn)→孔間掃描觀測、數(shù)據(jù)采集或單孔同步掃描觀測→數(shù)據(jù)記錄回放和整理排列→數(shù)據(jù)處理及優(yōu)化→計(jì)算機(jī)重建圖像→圖像顯示和彩色選加→圖像成型、繪制或照像→地質(zhì)解釋和診斷4測量、布局和工作方法4.1a語言基礎(chǔ)加固觀測剖面位置選擇基于本工程場地已開挖且條形基礎(chǔ)已施工完畢的情況下,懷疑場地基礎(chǔ)下存在防空洞,因此本次工作重點(diǎn)是探明A幢樓(含1F場地)范圍內(nèi)是否存在隱伏防空洞及查明其形狀特征和走向,故先布設(shè)5個(gè)鉆孔以星形為主的探測剖面,之后視異常位置再布置3個(gè)鉆孔,以加強(qiáng)異常區(qū)域的探測,以便更準(zhǔn)確查明目標(biāo)體,為設(shè)計(jì)單位進(jìn)行基礎(chǔ)加固提供依據(jù),具體觀測布局及探測剖面(如圖1)。4.2鉆孔信號觀測系統(tǒng)依照上述探測剖面布局進(jìn)行鉆孔布置,然后根據(jù)業(yè)主提供的隱伏防空洞的大致深度及基礎(chǔ)對持力層厚度的設(shè)計(jì)要求來確定鉆孔深度。本次確定鉆孔深度為16m,用鉆機(jī)成孔后在鉆孔部位安裝ue06450mmPVC塑料管,管底封堵,管內(nèi)注水,管口露出地表30mm左右,隨后即可進(jìn)行孔間CT探測和隨時(shí)反復(fù)觀測使用。本次探測采用中國地震局地球物理所研制的EW-1型鉆孔電磁波層析成像系統(tǒng),結(jié)合本次工作重點(diǎn),采用了雙孔間的層析成像定點(diǎn)發(fā)射觀測方式,輔助少量單孔掃描曲線(ZK3、ZK4、ZK6)。雙孔間層析成像定點(diǎn)發(fā)射觀測,是將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別置于兩個(gè)鉆孔中,發(fā)射機(jī)相對固定,按設(shè)計(jì)要求的步長,逐點(diǎn)移動(dòng),而接收機(jī)沿孔上、下移動(dòng)掃描,接收步長也按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。經(jīng)現(xiàn)場測試試驗(yàn),本次選擇8MHz頻率電磁波透射,既能滿足透射距離又能保證接收質(zhì)量,發(fā)射點(diǎn)的密度與接收采樣密度相同,即發(fā)射機(jī)每隔0.5m固定發(fā)射,接收機(jī)自上而下(或自下而上)相應(yīng)每隔0.5m間距采樣便可以得到一組觀測數(shù)據(jù)。故一條剖面其觀測數(shù)據(jù)量均在21×21=441個(gè)以上(以剖面深10m計(jì)算),從而得到足夠的觀測數(shù)據(jù)供計(jì)算機(jī)處理成像。單孔掃描曲線是將發(fā)射機(jī)倒置,中間用尼龍繩與接收機(jī)相連,沿鉆孔自上而下(反之亦然)每孔0.5m采樣一次,得到單孔掃描曲線。通過測量鉆孔井壁對交頻電磁波吸收特性,進(jìn)而劃分鉆孔地質(zhì)層面,為孔間CT圖像診斷提供幫助。野外探測結(jié)束后,把采集的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理及優(yōu)化,然后再進(jìn)行圖像顯示、彩色迭加和圖像成型、繪制,最后再進(jìn)行地質(zhì)解釋和診斷。5人工洞穴的特征基于本次CT掃描探測的目標(biāo)主要是文苑新村A幢樓場地下是否存在隱伏防空洞問題,因而采取的CT探測斷面布置以針對防空洞的特點(diǎn),盡可能地讓CT剖面穿切防空洞的走向?yàn)橹?以便從CT斷面圖像上識別出地下土層中防空洞對電磁波吸收特性的異常特征。根據(jù)電磁波理論表明,不同介質(zhì)對應(yīng)不同的電磁波吸收率,空洞介質(zhì)與土體介質(zhì)對電磁波吸收率存在明顯差異。當(dāng)電磁波射線通過空洞時(shí),其接收場強(qiáng)有所變化,在CT圖像上顯現(xiàn)低吸收率的異常體,若有別于正常土體結(jié)構(gòu)的情況下,可判別為空洞。通過本次由8個(gè)鉆孔組成的CT探測剖面網(wǎng)的探測(共計(jì)10條剖面)搜索,發(fā)現(xiàn)在ZK3-ZK4孔間CT斷面圖像中部見有天蘭色低吸收透鏡體異?，F(xiàn)象,中點(diǎn)距ZK4約16m,色調(diào)影響寬度約3～4m,埋深約6m左右。該異常代表了在這一均勻背景上出現(xiàn)低吸收介質(zhì)應(yīng)為人工開挖洞穴跡象,因?yàn)殡姶挪ㄔ诳斩磧?nèi)傳播衰減弱(即相對介質(zhì)吸收率低),相對該斷面土層吸收來說僅為0.378～0.388。在ZK4-ZK6孔間CT圖像左上角6～7m深度上見有深蘭色小透鏡體,吸收率0.382～0.421,中點(diǎn)距ZK4約4m左右,可見這是防空洞穴有充填較硬介質(zhì)的現(xiàn)象;在ZK7-ZK8孔間CT圖象中部出現(xiàn)草綠色斑狀異常體,吸收率較低,為0.366～0.397,深度在7m左右,可見其為人工洞穴異?，F(xiàn)象。綜合多條CT斷面圖像中人工洞穴形態(tài)和在空間上的分布特點(diǎn),可以看出在A幢西側(cè)平整場地下6～8m深度之間存在一條顯示為低吸收率的小型防空洞,若將這些CT剖面上異常體聯(lián)系起來,表明該防空洞走向?yàn)槟衔?北東向,長度在場地內(nèi)約16m多,洞穴橫切面形態(tài)呈上拱長方形,推斷寬度為1m左右,高約為1.6m。其平面分布(如圖2)。6地震數(shù)據(jù)處理解釋與地質(zhì)解釋是地質(zhì)科學(xué)發(fā)展的基6.1電磁波層析成像技術(shù)可以將巖土內(nèi)部的物理性質(zhì)差異和結(jié)構(gòu)予比較真實(shí)的顯示,為建筑場地或地基持力層的工程地質(zhì)性能診斷提供更加直觀的成果,為工程合理設(shè)計(jì)提供更可靠的資料。6.2對地質(zhì)情況復(fù)雜的場地及隱伏地基病害,電磁波層析成像技術(shù)與傳統(tǒng)的物探方法和鉆探手段相比更具有