CN110988999A - 基于跨孔电阻率法ct反演成像分析桩基的探测方法及系统 - Google Patents
基于跨孔电阻率法ct反演成像分析桩基的探测方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了基于跨孔电阻率法CT反演成像分析桩基的探测方法及系统。其中，该探测方法，包括确定桩基群的分布范围、尺寸形状及大小，桩基周围土层介质分布及分界面情况，建立初始桩基群模型，通过有限元方法预设网格尺寸，并设置初始电阻率值；采用跨孔电阻率CT方法对称电极布设方式对桩基群中各个基桩进行正演，得出相应的视电阻率正演结果参数，进而根据最小二乘法反演运算方法，得到反演结果；通过反演结果与实际地层情况和桩基情况进行对比，调整网格尺寸和电极间隔，直到反演结果与实际情况，得到电极间隔的最优参数；根据电极间隔最优参数，在试验现场采取井间跨孔电阻率CT进行实地探测，得出实验数据，进行反演成图。
Description
技术领域
本发明属于桩基探测领域，尤其涉及一种基于跨孔电阻率法CT反演成像分析桩基的探测方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着基础建设的快速发展，大量的工程采用灌注桩作为基础形式。受限于各种地质或施工因素，桩基常常遇到断桩、夹层、缩颈、空洞等质量问题，严重影响了施工质量和进度，因此桩基探测是基础工程中必不可少的一个环节。目前桩基探测的主要方法有静载试验、钻芯法、低应变法、高应变法、声波透射法等几种，主要对桩基承载力和完整性进行检测。跨孔电阻率法CT(computed tomography)也称井间电阻率层析成像，借鉴了医学上的CT医疗诊断方法的工作原理，并将之引入到电法勘探应用中。跨孔电阻率法CT应用于桩基探测的原理主要是利用地质体与周围介质的电阻率差异或不同层状界面间电阻率差异，通过电阻率层析成像，实现对隐伏于地面以下桩基以及层状分界面的识别和定位。虽然在跨孔电阻率法CT正演时桩基尺寸较小，但只要其与周围介质或分界面上存在足够大的电阻率差异，使得仪器可以观测到这种差异产生的地电场变化，那么就可以利用跨孔电阻率法CT进行相应的探测，结合相应的地质资料，便可以对这种电阻率成像进行识别和解释。
大量工程物探因受地质条件、地下金属管线和工业用电等干扰，导致电法勘探精度较低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一个方面提供一种基于跨孔电阻率法CT反演成像分析桩基的探测方法，其解决了基础工程物探中桩基探测干扰大效果较差的难题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于跨孔电阻率法CT反演成像分析桩基的探测方法，包括：
确定桩基群的分布范围、尺寸形状及大小，桩基周围土层介质分布及分界面情况，建立初始桩基群模型，通过有限元方法预设网格尺寸，并设置初始电阻率值；
采用跨孔电阻率CT方法对称电极布设方式对桩基群中各个基桩进行正演，得出相应的视电阻率正演结果参数，进而根据最小二乘法反演运算方法，得到反演结果；
通过反演结果与实际地层情况和桩基情况进行对比，若反演结果和实际情况一致，则在试验现场采取井间跨孔电阻率CT进行实地探测，得出实验数据，进行反演成图；否则，调整网格尺寸和电极间隔，直到反演结果与实际情况，得到电极间隔的最优参数；
根据电极间隔最优参数，在试验现场采取井间跨孔电阻率CT进行实地探测，得出实验数据，进行反演成图。
本发明的第二方面提供一种基于跨孔电阻率法CT反演成像分析桩基的探测系统，包括：
若干个串联连接的供电电极，所述供电电极设置在发射钻孔内；
若干个串联连接的测量电极，所述测量电极设置在接收钻孔内；所述发射钻孔和接收钻孔对称设置在桩基的两侧；所述供电电极的总长度和测量电极的总长度相等，且均为基桩长度的2～3倍；
处理器，其被配置为：
接收各个供电电极和测量电极的电流及电压信号，得出相应的视电阻率正演结果参数；
将视电阻率正演结果参数带入最小二乘法反演运算程序中，得到反演结果；
通过反演结果与实际地层情况和桩基情况进行对比，若两者一致，则在试验现场采取井间跨孔电阻率CT进行实地探测，得出实验数据，进行反演成图；否则，调整网格精细程度和电极间隔，直到反演结果与实际地层情况和桩基情况，即为最优参数。
本发明的有益效果是：
(1)与已有探测桩的地球物理方法相比，利用跨孔电阻率法CT反演进行探测分析识别的方法是近些年最先进的技术手段之一，其探测结果及精度对比其他方法而言，更契合现场实际情况，能够有效对各种桩进行精细的探测。由于跨孔电阻率法CT由地下钻孔采集信号，更加接近探测目标，且不易受其他因素干扰，信号就是异常体的直接反应。通过大量的数据分析，可以看出，该方法对于实际桩底以及桩底持力层与其他土层的分界面有很好的辨识能力，这对实际工程具有良好的指导功能。
(2)对于桩基跨孔CT电阻率成像解释必须要充分结合现场的地质资料，特别是对应孔位的以及水文地质资料作为补充，提高反演的准确性，可通过三维切片进行立体图成像，增强探测分析空间感，使得解释效果更加直观，全面。桩基跨孔电阻率CT探测精度高、灵活方便，不占用施工时间，除了单独打孔进行探测，也可以利用勘察孔、补勘孔或降水井等顺带实施探测。因此，该方法在桩基探测中优势明显，应用前景良好。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的实施步骤流程图；
图2是本发明实施例的测量原理图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，本实施例的一种基于跨孔电阻率法CT反演成像分析桩基的探测方法，其包括：
步骤1：确定桩基群的分布范围、尺寸形状及大小，桩基周围土层介质分布及分界面情况，建立初始桩基群模型，通过有限元方法预设网格尺寸，并设置初始电阻率值；
在具体实施中，在建立初始桩基群模型中，针对不同的桩基长度采取不同的电极长度进行匹配，其中，桩基长度占电极长度的三分之一到二分之一。
在建立初始桩基群模型中，电极在竖向上对称布置在桩基的两端，桩基位于跨孔位的中间部位。
具体地，在建模时发射钻孔与接收钻孔分别由32个供电电极与测量电极串联而成，工作时由每个供电电极一点激发、所有测量电极多点接收，测量电极的电流值和电压值。
在建立初始桩基群模型中，跨孔的距离大于电极长度的二分之一。
需要说明的是，可根据桩的长度尺寸进行调整，但不宜大于四十米。
在建立初始桩基群模型中，电极距离地表的距离以桩基的埋深为基准，电极距离地表的距离大于桩基的埋深，否则探测效果较差。
具体地。在建立初始桩基群模型中，相邻电极之间的距离相等，可以为0.5m、1m、1.5m等，根据实际情况进行调整。
在具体实施中，在建模时若所探测桩过长或过短，可改变电极长度进行探测；
在建模时若探测桩过长或过短，为保证其反演精度，应对网格划分尺寸进行细化，优化网格参数，可以提高反演精度。
步骤2：采用跨孔电阻率CT方法对称电极布设方式对桩基群中各个基桩进行正演，得出相应的视电阻率正演结果参数，进而根据最小二乘法反演运算方法，得到反演结果。
具体地，步骤2的过程为：
(a)采用变分原理把解的边值问题转化为对应的变分问题，也就是要求解泛函数J(v)的极值；
(b)离散化连续的求解区域，也就是按一定的规则剖分求解区域为网格单元，而这些网格单元在节点处彼此连接；
(c)在各网格单元上将式(1)离散化，得到相应的高阶线性方程组(其中以节点电位值为未知量)
其中：v为电位值，σ为电导率，λ为电荷线密度，A为电荷线面积；f为常系数；l表示电荷线长度；x表示状态估计量；z状态测量值，min表示求取目标函数J(x)的最小值。
(d)求解该方程组，获得各节点的电位值v；
(e)作相应的傅氏逆变换，变换公式为
其中：λ为电荷线密度；y表示电荷线空间体积。
利用公式(2)获得稳定电流场的空间域电位场分布。
加权最小二乘法状态估计目标函数J(x)：
J(x)＝[z-h(x)]TR-1[z-h(x)] (3)
其中z为状态测量值，h(x)为状态理论值。
要使目标函数J(x)达到最小值，加权最小二乘法所给出的状态估计量x必须满足极值条件，即
其中：
为状态估计的雅可比矩阵转置；
为状态估计值。
步骤3：通过反演结果与实际地层情况和桩基情况进行对比，若反演结果和实际情况一致，则在试验现场采取井间跨孔电阻率CT进行实地探测，得出实验数据，进行反演成图；否则，调整网格尺寸和电极间隔，直到反演结果与实际情况，得到电极间隔的最优参数；
步骤4：根据电极间隔最优参数，在试验现场采取井间跨孔电阻率CT进行实地探测，得出实验数据，进行反演成图。
发射接收电极均采用钻孔形式，结合有限元法和最小二乘法的跨孔电阻率法CT正、反演数值模拟方法，模拟分析了大量桩基特性的情况，通过控制变量进行反演分析，得出了探测不同桩基类型的最佳现场试验布设方法，并通过工程实践取得了很好的效果，验证了该方法的可行性。
跨孔电阻率法CT把探测电极放入孔中采集信号，探测点更接近探测目标，信号保真度高，效果好，无疑提高了探测的精确度，然而却极少有人研究其在桩基探测方面的应用。因此，亟需提出一种基于跨孔电阻率法CT反演成像分析桩基的探测方法及系统。
具体地，如图2所示，本实施例的基于跨孔电阻率法CT反演成像分析桩基的探测系统，其包括：
若干个串联连接的供电电极，所述供电电极设置在发射钻孔内；
若干个串联连接的测量电极，所述测量电极设置在接收钻孔内；所述发射钻孔和接收钻孔对称设置在桩基的两侧；所述供电电极的总长度和测量电极的总长度相等，且均为基桩长度的2～3倍；
处理器，其被配置为：
接收各个供电电极和测量电极的电流及电压信号，得出相应的视电阻率正演结果参数；
将视电阻率正演结果参数带入最小二乘法反演运算程序中，得到反演结果；
通过反演结果与实际地层情况和桩基情况进行对比，若两者一致，则在试验现场采取井间跨孔电阻率CT进行实地探测，得出实验数据，进行反演成图；否则，调整网格精细程度和电极间隔，直到反演结果与实际地层情况和桩基情况，即为最优参数。
在具体实施中，电极在竖向上对称布置在桩基的两端，桩基位于跨孔位的中间部位。
跨孔的距离大于电极长度的二分之一。
电极距离地表的距离以桩基的埋深为基准，电极距离地表的距离大于桩基的埋深；相邻电极之间的距离相等。
与已有探测桩的地球物理方法相比，利用跨孔电阻率法CT反演进行探测分析识别的方法是近些年最先进的技术手段之一，其探测结果及精度对比其他方法而言，更契合现场实际情况，能够有效对各种桩进行精细的探测。由于跨孔电阻率法CT由地下钻孔采集信号，更加接近探测目标，且不易受其他因素干扰，信号就是异常体的直接反应。通过大量的数据分析，可以看出，该方法对于实际桩底以及桩底持力层与其他土层的分界面有很好的辨识能力，这对实际工程具有良好的指导功能。
对于桩基跨孔CT电阻率成像解释必须要充分结合现场的地质资料，特别是对应孔位的以及水文地质资料作为补充，提高反演的准确性，可通过三维切片进行立体图成像，增强探测分析空间感，使得解释效果更加直观，全面。桩基跨孔电阻率CT探测精度高、灵活方便，不占用施工时间，除了单独打孔进行探测，也可以利用勘察孔、补勘孔或降水井等顺带实施探测。因此，该方法在桩基探测中优势明显，应用前景良好。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于跨孔电阻率法CT反演成像分析桩基的探测方法，其特征在于，包括：
确定桩基群的分布范围、尺寸形状及大小，桩基周围土层介质分布及分界面情况，建立初始桩基群模型，通过有限元方法预设网格尺寸，并设置初始电阻率值；
采用跨孔电阻率CT方法对称电极布设方式对桩基群中各个基桩进行正演，得出相应的视电阻率正演结果参数，进而根据最小二乘法反演运算方法，得到反演结果；
通过反演结果与实际地层情况和桩基情况进行对比，若反演结果和实际情况一致，则在试验现场采取井间跨孔电阻率CT进行实地探测，得出实验数据，进行反演成图；否则，调整网格尺寸和电极间隔，直到反演结果与实际情况，得到电极间隔的最优参数；
根据电极间隔最优参数，在试验现场采取井间跨孔电阻率CT进行实地探测，得出实验数据，进行反演成图。
2.如权利要求1所述的基于跨孔电阻率法CT反演成像分析桩基的探测方法，其特征在于，在建立初始桩基群模型中，针对不同的桩基长度采取不同的电极长度进行匹配，其中，桩基长度占电极长度的三分之一到二分之一。
3.如权利要求1所述的基于跨孔电阻率法CT反演成像分析桩基的探测方法，其特征在于，在建立初始桩基群模型中，电极在竖向上对称布置在桩基的两端，桩基位于跨孔位的中间部位。
4.如权利要求1所述的基于跨孔电阻率法CT反演成像分析桩基的探测方法，其特征在于，在建立初始桩基群模型中，跨孔的距离大于电极长度的二分之一。
5.如权利要求1所述的基于跨孔电阻率法CT反演成像分析桩基的探测方法，其特征在于，在建立初始桩基群模型中，电极距离地表的距离以桩基的埋深为基准，电极距离地表的距离大于桩基的埋深。
6.如权利要求1所述的基于跨孔电阻率法CT反演成像分析桩基的探测方法，其特征在于，在建立初始桩基群模型中，相邻电极之间的距离相等。
7.一种基于跨孔电阻率法CT反演成像分析桩基的探测系统，其特征在于，包括：
若干个串联连接的供电电极，所述供电电极设置在发射钻孔内；
若干个串联连接的测量电极，所述测量电极设置在接收钻孔内；所述发射钻孔和接收钻孔对称设置在桩基的两侧；所述供电电极的总长度和测量电极的总长度相等，且均为基桩长度的2～3倍；
处理器，其被配置为：
接收各个供电电极和测量电极的电流及电压信号，得出相应的视电阻率正演结果参数；
将视电阻率正演结果参数带入最小二乘法反演运算程序中，得到反演结果；
通过反演结果与实际地层情况和桩基情况进行对比，若两者一致，则在试验现场采取井间跨孔电阻率CT进行实地探测，得出实验数据，进行反演成图；否则，调整网格精细程度和电极间隔，直到反演结果与实际地层情况和桩基情况，即为最优参数。
8.如权利要求7所述的基于跨孔电阻率法CT反演成像分析桩基的探测系统，其特征在于，电极在竖向上对称布置在桩基的两端，桩基位于跨孔位的中间部位。
9.如权利要求7所述的基于跨孔电阻率法CT反演成像分析桩基的探测系统，其特征在于，跨孔的距离大于电极长度的二分之一。
10.如权利要求7所述的基于跨孔电阻率法CT反演成像分析桩基的探测系统，其特征在于，电极距离地表的距离以桩基的埋深为基准，电极距离地表的距离大于桩基的埋深；相邻电极之间的距离相等。
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