旧桥基础桩弹性波CT成像的实验研究

严大千 邓业灿 张苑辉

(广东省工程勘察院物探分院，广东 广州 510510)



旧桥基础桩弹性波CT成像的实验研究

严大千 邓业灿 张苑辉

(广东省工程勘察院物探分院，广东 广州 510510)

采用弹性波CT法，对旧桥或营运中的基础桩进行CT成像，勘查已落成基础桩的桩长、桩身质量及桩底持力层质量等情况，并通过多根埋设已知桩长、桩身质量的旧桥基础桩及模型桩检测成像实例，验证了该方法的有效性，最后提出了该方法的不足之处。

弹性波CT成像，桩长，桩身质量，桩底持力层

1 概述

1.1 研究目的和意义

随着我国经济的飞速发展，基础建筑越来越多使用桩基础，到了21世纪，国家不断增加对基础建设的投资，更加注重基础建筑的质量安全，早期的成桩自建成后经过数十年承重使用，旧桥桩基础因人为与自然因素的影响，会导致部分桩基础的质量下降或出现缺损等现象，部分甚至会影响桩身结构质量，造成桩身结构松散、裂隙、断桩，严重的甚至会导致塌桥等质量安全事故。目前，抽芯检测作为检测旧桥桩基础质量的主要方法，需要暂停检测桥梁的通行且具有破坏性，因此，社会各界都希望能够有一种简易而且快速可靠的旧桥桩基础的检测方法出现，为旧桥桩基础的质量评定提供鉴定和处理。

1.2 弹性波CT成像桩基检测方法对旧桥桩基础的检测

弹性波CT成像桩基检测方法是在已落成基础桩两侧分别钻进两个钻孔(距离越近越好)，通过孔与孔之间的发射和接收弹性波，根据不同位置上接收的走时差异，来确定地下不同介质分布的一种地球物理勘查方法。笔者采用弹性波跨孔CT进行了旧桥基础桩质量检测的试验，拟通过该方法来解决以下问题：

1)勘查已落成工程桩底与基岩接触部位的完整性以及桩底持力层的完整性；2)估算实际桩长；3)勘查桩身结构的完整性。

2 实验研究的方法原理

弹性波CT成像是通过在发射孔内施加一瞬时激振力，使介质通过外力作用产生弹性形变最终形成弹性波，沿纵向产生胀缩形变的受力质点，形成纵波传播，而横向则产生剪切形变，形成横波。弹性波(含纵波、横波等)通过介质中的传播，进入在接收孔多道接收换能器和信号记录处理系统，便可接收来自发射孔并经桩、岩、土等不同介质传播至接收孔的弹性波信号(见图1)。

接收到的弹性波信号，通过对初至走时的拾取，经过相关软件的误差校正和成像处理后，便可生成弹性波层析成像的速度剖面图，根据速度剖面图不同位置上介质速度的差异，便可对基础桩的长度作出判断及对桩身和桩底持力层的完整性作出评价[2]。

CT成像观测系统见图2。

3 弹性波CT检测实验及研究效果

此次弹性波CT实验主要对已有模型桩基地和某高速公路资料的桩基进行了实测，资料解释主要采用加拿大geogiga软件进行反演，同时配合弹性波直达波法进行解释。首先对已知模型桩实验结果的对比，再通过对实际已落成基础桩的检测试验，说明方法的有效性。现分述如下。

1)实例一：

该段资料为模型桩基地1号基础桩，为钻孔灌注桩，设计桩长12 m，桩径0.8 m，桩底持力层为强风化砂岩，桩身采用C25商品混凝土灌注，桩体2 m～9 m设计为桩身有明显缺陷。通过图3可以看出桩体与周围土体以及桩身质量存在问题的情况。桩体在桩底部的速度最高，桩身5 m～9 m的波速在1 800 m/s～2 000 m/s的范围，速度明显偏低，此处桩身有明显缺陷。周围土体从上往下速度是递增的过程，没有出现明显的高速带，证明探测范围没进入中、微风化岩层(中风化岩面位置22 m)。直达波法(如图4所示)判断桩底位置与上面两个实例有所区别，由于强风化砂岩的波速比桩体速度低，速度曲线在桩底位置以下明显变小，说明桩底未进入中、微风化基岩，还在强风化砂岩里，与实际情况吻合。

2)实例二:

该段资料为某高速公路编号为A131号的桥梁桩，该桩设计桩径、桩长、混凝土标号不详，本次实验主要目的是检测其桩长、桩身结构质量及桩底持力层情况。图5为给予初始模型反演得到的成果图，从图中波速的分布情况可以清楚的看出桥梁桩地底下的情况，桩身在13.5 m～30 m的波速在3 500 m/s～4 500 m/s的范围，可以判定桩身质量完整，桩身周边为全风化花岗岩(结合柱状图资料)，波速在1 700 m/s～2 400 m/s的范围。30 m以下为桩底持力层，波速均匀，没有出现明显的低速带，桩底持力层基本完整连续。同时我们通过直达波法(如图6所示)进行资料验证，可以看出在30 m的位置波速出现了阶梯状的跳跃，可以判断为持力层的顶面位置，同时整条曲线没有出现速度突降的情况，可以初步判定探测剖面没有很明显的低速带。后期通过收集资料，知道该桩施工桩长为29.5 m，与弹性波CT所测资料相吻合。

3)实例三:

该段资料为某高速公路标号为B59号的桥梁桩，该桩设计桩径、桩长、混凝土标号不详。本次实验主要目的是检测其桩长、桩身结构质量及桩底持力层情况。图7为给予初始模型反演得到的成果图，从图中波速的分布情况可以清楚的看出桥梁桩地底下的情况，桩身在13.5 m～30 m的波速在3 300 m/s～4 500 m/s的范围，桩身周边7.5 m～22.5 m为粗砂(结合柱状图资料)，波速在1 600 m/s～2 000 m/s的范围，22.5 m～37.5 m为全风化花岗岩，波速在2 000 m/s～2 400 m/s的范围。桩底位置在37.5 m处，与持力层接触较好，但桩身位置在16 m～22 m段出现波速相对低值，速度为3 400 m/s～3 700 m/s，与其他部位桩身相比速度低了10%左右，但考虑到速度仍较高，初步判定该段桩身速度虽偏低，但不构成桩身混凝土问题。桩身17.5 m～19.5 m段出现较明显缩径，缩径率约为30%，说明桩身结构完整性存在明显缺陷。同时我们通过直达波法(如图8所示)进行资料验证，可以看出在37 m的位置波 速出现了阶梯状的跳跃,可以判断为持力层的顶面位置,同时整条测试曲线在16 m～22 m位置速度偏低,与CT成像的资料相吻合。后期通过收集资料,知道该桥梁桩施工桩长为37.5 m,与弹性波CT所测资料相吻合。

4 结语

研究成果表明，该方法可以初步判定基础桩长度、桩身质量及桩底持力层完整性等结构质量情况。现将实验过程中总结出的一些经验结论分述如下：

1)桩长度分析方法。对于完整连续混凝土桩段，其波速值较高并且均匀连续。桩端下为较均匀的强风化或中风化岩石时，其波速值会明显低于桩身段的波速并且均匀连续；桩端下为较均匀的未风化或微风化岩石时，其波速值会明显高于桩身段波速或稍低于桩身段波速并且均匀连续。桩身段波速与持力层段波速，一般会出现明显的台阶状的波速异常形态，其两波速段相连接的过渡部位，即为桩底位置。同时据此依据可以赋予CT反演初始模型，根据反演成果图可以知道桩底具体位置情况。

2)桩身完整性分析方法。桩身结构质量应该综合CT成像结果、直达波法、低应变动测结果而判定。完整连续的混凝土桩段，其波速较高并且均匀连续，而存在缺陷的混凝土桩段，其波速会明显低于完整的混凝土桩段波速。一般存在较明显缺陷、严重缺陷的混凝土波速比完整的混凝土波速低8%～50%。同时，在桩身完整性评价时，还应结合混凝土设计强度常见波速值及桩身是否存在缩、扩径等情况，进行综合评定。

3)桩底持力层完整性分析方法。完整连续混凝土桩段其波速较高并且均匀连续，而桩底持力层为完整连续强风化或中风化岩石时，其波速会明显低于完整桩体波速并且均匀连续。对于桩底持力层为完整连续未风化或微风化岩石时，其波速会明显高于桩体或稍低于桩体波速并且均匀连续，同时持力层波速值还应达到设计持力层常见波速值范围。对于桩底存在沉渣软夹层或持力层中存在岩石强风化软夹层、溶洞、土洞等时，其波速值会明显低于完整连续未风化岩石的波速值，一般比完整连续的未风化岩石波速值低30%～70%。

综上，本次实验研究将理论成熟的弹性波CT成像技术运用到实际工程桩基础的检测应用中来，可以说是一种应用领域的创新，也是开展本课题的核心意义所在，通过大量的实例证明，该方法的提出将为今后桩基检测提供一种更为有效的检测方法。

[1] 王运生.弹性波CT关键技术与应用实例[J].工程勘察,2005(3)：66-68.

[2] 邓业灿.旧桥基础桩弹性波层析成像检测方法技术[J].物探与化探,2010,34(3):407-409.

[3] 裴正林.井间地震层析成像的现状与进展[J].地球物理学进展，2001,16(3)：91-97.

[4] 高燕和.地震波层析成像技术的实现及其工程应用[J].工程勘察,1994(1)：48-49.

On experiment of CT image of elastic waves for foundation piles at old bridges

Yan Daqian Deng Yecan Zhang Yuanhui

(GeophysicalProspectingBranch,GuangdongEngineeringSurveyInstitute,Guangzhou510510,China)

The paper undertakes the elastic wave CT method to undertake the CT image on the foundation pile on old bridges or operation, indicates the built pile length, pile quality and quality of bearing stratum of the pile bottom of the foundation pile, proves the effectiveness of the method by the inspection images of the foundation piles and model pile of the various foundation piles, and points out the defects o the method.

CT image of elastic wave, pile length, pile quality, bearing stratum of pile bottom

1009-6825(2017)11-0081-03

2017-02-08

严大千(1983- )，男，工程师

U443.1

A