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【技术】复杂岩溶地区桩位岩溶探测方法研究综述

 

引言

 岩溶,又称喀斯特地貌,是指可溶性岩石(碳酸盐岩、硫酸盐岩和卤化物岩等)在地质力(地表水、地下水等)的长期作用下形成的特殊地貌形态和水文地质现象的总称[1]。我国是碳酸盐岩溶为主的国家,是世界上岩溶发育最广泛的国家之一,总面积达346km2,占国土面积1/3,以桂、黔和滇东部地区分布最广[2]

在岩溶发育的地区进行工程建设时,浅部土层层位与性状变化大,采用浅基础难以满足承载力和变形的要求,工程中多选择用冲、钻孔灌注桩。溶洞发育的大小相差悬殊,形状千变万化,断面形态极不规则,给岩溶地区的桩基设计和施工带来了很大的困难。在未探明桩位溶洞发育的情况下很难对桩基的承载力做准确的设计,同时施工时易发生漏浆,若处理不当,将引起坍孔、地面沉降、埋钻甚至桩孔报废等严重事故[3]

目前常见的桩位溶洞探测方法有高密度视电阻率法、浅层地震法、探地雷达法、超前钻探法、弹性波CT法、声呐探测法、钻孔多频声波探测法、管波测试法等。在实际工程中,单一的探测方法很难满足不同阶段桩位溶洞探测的要求。本文将溶洞的探测分为初勘、详勘和施工三个阶段。通过总结国内外桩位溶洞探测技术的研究现状,讨论适用于不同阶段的探测手段。并结合课题组在桩位溶洞探测的新进展,预测桩位溶洞探测技术发展方向和趋势,为未来的研究提供参考。

 

  正文

1 桩位溶洞对桩基础的影响

1.1 桩位溶洞对桩基承载力的影响

在岩溶地区选择桩型的时候,若上覆土层是足够深和能提供足够桩侧摩阻力的黏土层时,可选择摩擦桩,不触及基岩从而避开岩溶。若基岩埋藏较浅或上覆土层无法提供有效的桩侧阻力时,则按端承桩设计桩基。通常岩溶地区桥梁等重要的建筑均会选择嵌岩桩以提供足够的承载力[4]

嵌岩桩的承载能力如(1)计算,主要包括桩端阻力和桩侧摩阻力两个部分。其中,桩侧摩阻力可分为位于上覆土层中的桩侧摩阻力和嵌入基岩部分的桩侧摩阻力两个部分。

                                       Ra= Rsa+ Rra+ Rrp        (1)

式中:Ra为桩基承载力特征值,Rsa为土的总侧摩阻力特征值,Rra为嵌岩段总侧力特征值,Rrp为持力岩层总端阻力特征值。

1.1.1 桩底溶洞对桩基承载力的影响

桩底溶洞对桩基承载力的影响主要体现在桩端阻力。桩底存在溶洞时,嵌岩桩的承载能力与溶洞顶板厚度、形状、围岩特性、岩溶发育程度、桩径等因素密切相关[5,6]嵌岩桩承载力影响区如图1所示[7],即由3倍桩径深度与应力扩散角所围的区域。张慧乐等[8]模型试验表明在嵌岩桩桩体直径一定的情况下,当溶洞顶板厚度小于3d时,此处基岩不宜做嵌岩桩的持力层。赵明华等[9]基于尖点突变模型提出了溶洞顶板安全厚度的确定方法,计算结果与实际工程较吻合。《岩土工程勘察规范》(GB50021—2009)[10]表明要确保每根桩桩底3倍桩径不小于5m范围内没有软弱地质体。

 图1    嵌岩桩承载力影响区[7]

Fig.1  Bearing-affected area of piles[7]

1.1.2 桩侧溶洞对桩基承载力的影响

桩侧溶洞对嵌岩桩的影响主要体现在嵌入基岩部分的桩侧摩阻力,安江龙等[11]通过有限元数值模拟得出:当桩长、桩径与桩-洞水平距离一定的情况下,溶洞尺寸越大,桩周岩土缺失越严重,桩侧阻力不能完全发挥,桩基承载力越低。当桩与溶洞水平距离大于等4倍桩径时,桩基极限承载力与无溶洞存在时的承载力相同。

1.2 桩位溶洞对桩基施工的影响

预制桩或预应力管桩在岩溶地区施工易产生滑桩、断桩。所以通常采用灌注桩。由于岩溶地区一般存在软夹层和较丰富的地下水,大面积降水也会对邻近建筑物、管网和道路造成不良影响,易出现涌水、涌砂、掉入土洞等现象,所以除基岩浅埋的情况外,通常也不建议采用人工挖孔桩。钻(冲)孔桩是在岩溶地区高层建筑中应用最为广泛的一种桩型。尽管冲(钻)孔桩费用高,对场地环境污染较大,但几乎所有的岩溶区地勘报里都建议采用这种桩型。然而,桩位溶洞的发育对冲桩施工带来困难,容易造成塌孔、偏孔、卡钻、漏浆等现象[12]

1)塌孔:当溶洞的连通性比较强或覆盖层呈流塑性时,孔内浆液易流失,造成孔内液面高度降低,孔内外出现压力差,泥浆护壁失效,易导致塌孔。以及当地下水位高于孔内水位,孔内水位产生负压,孔壁剥落,护筒底部形成反孔,也会引起塌孔。

2)偏孔:岩溶地区岩层软硬不均,当冲锤冲到岩石强度不均匀处,两边进尺速度不一造成钻孔偏斜。此外,钻孔过程中,遇到充满填充物的溶洞,孔内泥浆不发生流失,施工人员很难发现溶洞的存在,而桩孔通过溶洞壁时,由于溶洞壁两侧软硬不均,导致钻孔偏斜。

3)卡钻:若在钻进到离溶洞顶板很近时仍采用高冲程冲击,钻头在冲破溶洞顶板岩石之后,容易卡在溶洞顶板岩石的不同部位。或者在钻孔过程中遇到松动石块坠落于孔壁之间;以及钻进过程中将孔壁冲破时,由于钻头的抖动导致钻孔形状不规则,也会发生卡钻。

4)漏浆:岩溶地区地下水较丰富,当桩孔遇到有地下水流动的地层时,容易发生裂隙透水而导致漏浆。施工时,当钻孔打破溶洞顶板与溶洞相连,溶洞内无填充或半填充时,会产生大量漏浆。

2 桩位溶洞的探测方法

2.1初勘阶段桩位溶洞的探测方法

2.1.1高密度视电阻率法

高密度视电阻率法是一种阵列勘探方法,以地下介质间的导电性差异为基础,根据在外电场作用下不同地层传导电流的分布规律,测定具有不同电阻率的地质体。具有能较直观、形象地反映断面电性异常体的形态、产状的特点[13]。

实践及理论研究的结果表明:该勘察手段在地形平缓、接地条件较好的情况下,其溶洞探测数据质量较高,经过反演后能够很好地反映实际情况;但是在接地条件较差时,造成实测数据误差较大,以致反演效果较差,其近地面混凝土或沥青道路及各类管道等构筑物的影响往往会放大,造成误判[14]。例如在南京地铁岩溶勘察中发现,接地条件较差的情况下,电测深法效果不理想,误差较大。同时,高密度电法的横纵向分辨率与排列选择及电极距选择密切相关。测量电位差时,其在纵向上的异常会对下方产生影响,因此高密度电法的横向分辨率一般高于纵向分辨率[15]。这对于埋深较深的岩溶,尤其在地表进行桩底溶洞的探测非常困难。目前工程中建议在初勘阶段使用高密度电法进行大面积普查,再对其重点区域开展进一步勘探工作。

2.2.2 浅层地震法

浅层地震法是以地下介质间的波阻抗差异为前提,当给地面施加一个冲击力,使介质质点发生弹性振动并以应力波的形式在介质中传播,若应力波在传播过程中到波阻抗界面时,应力波产生反射[16]。利用反射波的强度、频谱、相位、波长和旅行时等信息探测桩位溶洞。浅层地震反射波法作为大尺度的工程物探方法,是钻探施工的先行手段[17]。实际工程中可配合高密度电阻率法进行综合解释,降低多解的可能性。

浅层地震法应用效果的好坏通常取决于炮间距、震源频率、频带宽度等因素[18]。一般情况下高频、宽频带的震源,小道距离和炮检距接收,有助于提高地震勘探的分辨率。因此,钟世航等人[19]提出了陆地声呐法,其实质是陆上极小偏移距超宽频带弹性波反射单点连续剖面法。通过道均衡和改造检波器的方式实现自激自收的单点连续剖面的工作方式并大幅提高了震源频率。陆地声呐法具有以下特点此为近于零震检距的反射法,可避开直达波、折射波、面波的干扰,②工作时可以不固定检波器,提高了现场采集效率;③激发采集5~4000Hz的宽频带,可充分发挥和应用频谱的特点。该方法应用于广州新白云机场等工程中,取得了一定效果[20]

2。2 详勘阶段桩位溶洞的探测方法

2.2.1 超前钻探法

超前钻探是每一个勘察阶段最常用的探测手段。根据不同阶段要求,钻探的数目有所不同。岩芯及其物理力学参数和钻进过程中进尺记录等资料对桩基施工有指导作用[21]。规范[10]中一般要求一桩一钻,但由于钻探岩芯的直径一般仅为桩径的十分之一甚至几十分之一,所以单一钻孔极容易漏判。适当增加单桩的勘察钻孔数可有助于减少后期的废桩概率[7]

九州江大桥桩位溶洞本采用一桩一钻[22],但由于岩溶的突变性,施工过程中出现过两根基桩落于溶洞之上的情况。为了避免出现类似情况,对所有未施工的桩基进行地质补勘,每根桩均补充3个超前钻探。但一个岩溶地区的超前钻工期通常在五天以上,大量超前钻孔的存在对成孔施工影响很大。在溶洞桩基施工中,应尽量避免冲孔与超前钻交叉作业,足够的超前钻应安排在桩孔施工之前,减少人为设置的障碍,为桩基顺利成孔创造有利条件。

2。2。2 弹性波CT法

跨孔弹性波CT用于工程地质勘察的物理基础是地质体的波速和衰减特征。跨孔弹性波CT是利用弹性波射线对地质体进行透视,通过弹性波走时和衰减的观测和反演计算对地质体内部结构成像。地震波穿透岩土介质时,其速度快慢与岩土介质的弹性模量、剪切模量和密度等有关,密度大、强度高、波速高则走时短,反之亦然。完整坚硬的岩体,吸收少,破碎岩体和松散土体的吸收强。因此跨孔弹性波CT图像能直观地反映出各类岩土体的分布界线及岩体的破碎程度和分布[23]

朱文仲等人[24]对弹性波CT的分辨率、观测方式、像元划分、反演波速等关键问题进行了讨论,认为弹性波CT技术的分辨率主要取决于观测系统、射线密度、剖面跨距、背景波速和测量误差五个方面。由于弹性波按最小时间路径传播而不是直线传播,所以无论是直线算法还是弯曲射线算法都不可能测定地质体真实的波速。同时CT图像上难以观察到比背景值85%~64%更低的波速异常体。

弹性波CT探测时需要在桩位两侧分别打孔,钻孔工作量大。为了防止测试时塌孔导致埋钻,钻探至设计深度后必须下PVC套管至孔底。实际工作中,由于岩溶地区,溶洞中填充软粘土或者砂,钻探内沉渣较多,常导致有效探测深度不足。同时为了保障PVC能穿过溶洞,钻探时需要钢护筒跟进到孔底,在下放PVC管到底后再拔出钢护筒,因此工作量和成本较大。

2。2。3 钻孔雷达单孔反射法

钻孔雷达技术是一种近年来快速发展孔中物探方法。它向地层发射高频电磁波,利用电磁波在地层中的传播特性来获取地层信息,从而解释地下构造,具有较高的分辨率和较大的探测范围。单孔反射雷达探测原理如图2所示[25],发射天线和接受天线同在一个钻孔中并固定间距沿钻孔方向上下移动,以固定间距触发。介质中的反射波形成如图3所示的雷达剖面[26],通过地下异常体反射波的走时和振幅以及相位等信息来判别目标体或待测体的岩性和几何形态等特征。

钟声等人[27,28]对点状不良地质的围岩、形态和充填效应的钻孔雷达反射特征进行了正演研究,验证了钻孔雷达用于探测不良地质体的可行性。马春光等人[25,29,30]将单孔钻孔雷达应用于崖壁成像,数值模拟和现场试验均可以明显的观察到崖壁的反射波。王驹等人[31]在高放废物处置库场利用单孔反射法首次获得深达500m的钻孔雷达数据,证明钻孔雷达在了解岩体内部裂隙和岩体完整性的有效性。由于目前单孔钻孔雷达设备多依赖于进口,价格昂贵,在桩位溶洞探测中并不常见。近年来国产出现了JL-RADAR(A)等单孔雷达设备,有待更多的工程实践检验。

由于电磁波传播的全方向性,单孔反射雷达可给出目标体的深度、距离、形态等信息,但不能给出目标体的方位角。美国加利福尼亚大学、荷兰T&A Survey公司、德国的地球和自然资源研究所、瑞典MALA Geoscience公司等在单孔定向雷达理论和仪器方面开展了研究,但一直未能很好地解决该问题[32]。

           

2    钻孔雷达单孔反射法测探测原理[25]         3    钻孔雷达单孔反射探测结果[26]

Fig. 2  The principle of single-hole radar detection[25]   Fig。 3  The result of single-hole radar detection[26]


2.2.4 管波测试法

管波探测法的原理如图3所示,在充填液体的孔内采用发射探头发射低频、高能量的脉冲信号[33],并在孔壁上产生管波。管波沿着孔壁传播一定距离后,被接收探头接收记录;把不同深度探测点的振动记录排列,得到管波探测时间剖面如图5所示。通过分析管波探测时间剖面中直达波振幅的大小反射波强弱等信息,判定孔旁岩溶裂隙和软弱夹层等所处位置。该方法的实质是利用钻孔内PVC管壁上传播的面波探测钻孔周围一定范围内的溶洞,有效扩大钻孔的探测面积。实测资料表明,管波的探测范围为管波的半波长即以钻孔中心为轴心,半波长为半径的圆柱状区域,半径约1米左右,探测结果没有指向性。

李望明等人[34]对管波探测法提出了定量化的解释的方法,通过中值滤波、频率-波数域二维滤波等方法提取直达波到达时间、中心频率、反射系数等信息。管波多解性较少,但容易收到地层界面,孔径变化,液面处等非溶洞波阻抗界面的影响,工程中应结合钻孔资料逐一排除。

                                                                     

4    管波探测法原理[33]                            5    管波探测法结果[34]

Fig. 4  The principle of tube wave detection[33]                                        Fig。 5  The result of tube wavedetection[34]

2.2.5 钻孔多频声波探测法

钻孔多频声波探测法是近年来刘鎏等人[35]提出的孔中桩位溶洞探测方法,其探测过程与管波探测类似。不同的是它利用两个不同频率的声波震源,实现孔周不同范围内不同精度要求的探测。探测装备JL-DUT(A)所图6所示,其高频超声震源(20kHz)主要负责精确定位孔中见洞的深度区间和孔周1。5米以内的溶洞探测。其低频声波震源(3kHz)主要对孔周5米以内的溶洞进行探测。高频探测分辨率高,但能量低探测范围有限制,低频反之。由于桩周溶洞距离桩体越近影响越大,所以在对孔周溶洞实现不同精确要求的探测是很有必要的。同时配合四个角度的接收传感器,分别接收不同方位的信号,实现目标位置的定向。如图7所示为某次探测中一个方位接收到的低频探测信号。图像能较为清晰的探测到孔周溶洞的反射。目前该方法在多频信号联合反演和成像方面需要进一步的研究,提供便捷性和可操作性。

                                                    

6    钻孔多频声波探头JL-DUT(A)                         7    某方向低频声波探测结果

Fig. 6  The principle of multi-frequency acoustic detection                 Fig。 7  The result of low frequency acoustic detection

2.3 施工阶段桩位溶洞的探测方法

桩基施工成孔之后,下放钢筋笼前是确保桩底没有软弱地质体最好的时间,因为此时探测设备可以深入到桩孔内,直接对桩底的地质情况进行近距离、高准确性的探测[36]。对于人工挖孔桩人和探测仪器可以直接下到孔中进行探测,胡朝彬等人[37]曾应用探地雷达配备高频天线来检测人工挖孔桩桩底基岩的质量,通过对电磁波在桩底的辐射特征分析,剔除侧壁干扰,取得了一定效果,但仅适用于人工挖孔桩。而实际上,岩溶地区桩基采用人工挖孔风险极高,工程中更多的采用钻孔灌注桩。钻孔灌注桩由于需要泥浆护壁,使得大量物探手段均无法应用于成孔后的桩底溶洞探测中。石振明等人[38]近年来提出了桩底溶洞声呐探测方法,如图8所示。采用一发四收的大功率宽频带水声换能器,利用桩底泥浆介质进行声波耦合,在桩底中心激发弹性波。通过多角度反射信号的分析判定桩底10米范围内的基岩质量。该方法在福建、广西、贵州和云南等多项工程中得到广泛应用。如图9所示为云南某工地测试数据,桩底5米处存在明显的溶洞顶板反射波,判定桩底存在溶洞,后经过钻探验证其探测结果正确

               

8    桩底溶洞声呐探测法原理[38]                          9    桩底溶洞声呐探测法结果

Fig。 8  The principle of sonar detection for karst under pile[38]                          Fig。 9  The result of sonar detection for karst under pile

 

该方法应用于桩底溶洞的探测的优势在于:(1)很好地利用了泥浆这种声阻抗更加接近基岩的物质作为耦合介质,有效减小了上、下不同介质之间的声阻抗差,从而提高了声耦合率,使声波能顺利的传入桩底基岩内;(2)试验仪器检测周期短,在浇筑混凝土前进行试验可有效提高工程质量及降低因桩底存在浅埋溶洞导致桩基事故的风险;(3)该探测方法可以随着成孔的进度随时进行桩底溶洞的跟踪探测,给桩底基岩的质量检测、特别是串珠状的溶洞探测(需多次进行)带来了极大的便利和可操作性,可作为岩溶地区灌注桩施工过程质量控制的辅助手段。桩底溶洞声呐探测法目前仍存在无法确定溶洞高度或范围、探测容易受到孔壁面波反射干扰等问题。未来在大功率横波换能器的研发和声波成像技术等方面需要进一步研究。

3 桩位溶洞探测方法发展趋势

3.1钻探的不可替代性

地质钻探由于其直观性、可靠性,无论物探手段的发展钻探都是具有不可替代性的。目前为了节省勘察成本,地质钻探通常选用最落后的钻探机器和工艺进行,工程中常常会出现由于钻孔工艺达不到要求无法进行孔中探测的情况。笔者认为目前的钻探工艺在以下两个方面急待提高:

1)岩溶地区地质钻探下放PVC管的问题。钻孔内下放PVC管是为了在钻探结束后进行孔中测试,目前通常采用逆作法钢护筒跟进的方法。然而钻探入岩后下钢护筒需要缩径,即钻头直径125mm,实际只能下放110mm的钢护筒。如遇到串珠状溶洞,需要多次变径下护筒,极大的增加了钻探成本和工期。但如不能按照要求下放钢护筒,PVC管很容易被溶洞顶底板卡住;同时由于岩层中溶蚀裂隙产生的漏浆,孔底沉渣无法冲洗。PVC管无法到达设计深度也就失去了做超前孔中物探的意义。

2)岩溶地区地质钻探取芯样问题。目前钻探施工中一般通过钻杆内向下投入的卡料(钢粒、钢丝等),与岩芯和管内壁形成摩擦力后带出岩芯。通常每次取芯长度为2.5米左右。岩溶地区钻孔中溶洞填充情况复杂且孔底容易产生大量沉渣,在钻进时很难通过钻进速度和掉杆等现象准确判定岩溶段。而通常只有完整的岩段可以取得较好的岩芯。所以取得的岩芯很难准确还原溶洞的真实位置和大小,为后续的孔中物探解释设置了阻碍。

3.2随钻或钻孔精细探测是发挥钻探作用的高效方法

虽然跨孔弹性波CT成像技术已取得了一些进展,今后仍然需要在提高空间分辨率、测量钻孔垂直度方面进一步提升。考虑到探测的效率,单孔探测技术更加受到重视。单孔地质雷达、管波测试、多频声波测试是目前可用于桩位岩溶探测的主要手段。孔中探测由于受到的外界干扰较少,其探测结果更加准确真实。多频声波测试已经初步实现了测定目标体方位角,前两种探测手段的定向探测是今后研究的重点之一。

孔中物探手段应用的前提是钻孔内能顺利下放PVC管,保证探测时不出现埋探头的情况。如上节所述,实际探测中常出现PVC无法下放至设计深度的问题。所以实现孔中探测的随钻化是未来重要的发展趋势。随钻探测装备和技术的研发与应用极有可能成为桩位溶洞探测的一次重大提升。

3.3多种方法综合探测实现定量化

目前桩位溶洞的探测大多停留在定性,判定桩位溶洞的有无。但对于溶洞的大小及其填充情况难以实现定量化,无法为溶洞的处理提供帮助。定量化探测的目标是实现溶洞位置、尺寸、填充物情况的精细化探测。而定量化关键问题是如何多种探测技术的优势压制多解性问题,综合解译探测结果。例如管波对短距离孔周溶洞较为敏感,高频的超声探测对孔中溶洞区分辨力强,低频声波探测范围比较大,单孔雷达在较完整地层探测距离极远,电法对含水构造较为敏感。通过发挥多种探测方法的优势,在单个钻孔中完成多种方法的探测,实现定量化是可行的。

结论

本文总结了桩位溶洞对桩基础设计施工的影响,并综合评价了国内外适用于不同勘察和施工阶段的勘探方法。认为地面物探方法大多存在多解性问题,但由于其探测范围大,适合在初步勘探阶段进行普查,分辨出需要重点勘察的区域。详细勘察阶段由于钻探的不可替代性和易漏判性,未来桩位溶洞探测应更多的结合钻孔,发展孔中物探和随钻物探技术,利用多种方法综合解释实现探测的定量化。施工阶段声呐探测法是钻孔灌注桩桩底溶洞探测的有效手段,未来在信号解析和成像上应更加智能化。

 


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