CN113759422B - 一种地下异常体探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种地下异常体探测方法，在确定的工区范围内设定激振点和接收点，并对应的布设激振装置和检波器，在激振点处进行激振，检波器接收异常体反射信号，通过对反射信号的转换，提取共振频率，分析地下异常体结构物尺寸，再与频率反演相结合进一步确定地下异常体结构物所处地层位置，有利于在施工前清除残余废弃结构。检测过程节约成本，简单方便，单点观测，地表适应性强，低频勘探穿透性强，屏蔽层少，探测精度高，成果直观，弥补了既有地下异常体结构检测方法的缺陷，具有更高的实际推广及应用价值。

Description

一种地下异常体探测方法

技术领域

本发明属于地下异常体探测领域，具体涉及一种在建筑施工前对地基中残存的废弃锚杆、断桩和结构支撑物等位置和尺寸的检测方法。

背景技术

随着我国经济发展，城镇化不断推进，拆除老旧建筑物，建设新建筑的规模不断扩大，地基基础体量相应扩大。如今几乎每个城市都存在诸多旧有建筑物没有桩基埋置深度和所采用的桩基类型等桩基资料，老旧建筑物可能采用扩大基础(条形、箱型基础)或桩基础(预制管桩)。老旧建筑物特别是年代久远的建筑物，由于地基沉降、地下水腐蚀、临近区域施工扰动等容易造成桩基础的断裂，在经过拆除后在地基土层中仍存在未发现的深埋残余断桩和老桩，这对后续的建筑施工带来严重的影响。

目前针对上述地下异常体探测的物探方法应用较少，采用常规地面物探技术很难保证旧有建筑物深埋断裂、废弃桩基或基坑工程中残余锚杆、结构支撑物探测的精确性。地面常规物探技术主要为高贵高密度电法、地质雷达、电阻率法、变频法等，既有建筑范围内很难布置常规物探测线且需要在拟检测物上布设感应装置，无法探测深埋地基中的异常体。常规高密度电阻率法只测一种装置，其采集方式落后，采集数据量少，工作效率较低；地质雷达探测深度有限，受城市环境干扰强，应对复杂地质问题时很难满足实际勘探的要求；电阻率法对小的异常体反应不够灵敏，数据分析相对复杂，存在很大的误差，并不能准确的反应出地质体的电阻率，其测量的结果受地表条件和气候的因素比较大，造成测量结果存在很大的干扰；变频法是一个频率，一个频率的逐个测量，不仅工作效率较低，而且由于外界干扰的不确定性，造成其测量精度也难以提高，特别是在测量频率相差不多时，误差更大。为顺应地下异常体探测技术的高速、高效和高精度的发展趋势，亟待提出一种新的探测技术。

发明内容

为解决现有技中存在的不足，提出一种地下异常体探测方法，以对建筑施工前地基中残存的深埋断桩、老桩、废弃锚杆和结构支撑物等地下异常体的尺寸和位置进行精确检测，检测过程简单，方便快捷。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种地下异常体探测方法，包括以下步骤：

步骤1，在待测区域内确定工区范围，在工区范围内确定激振点和接收点，在激振点处布设激振装置，在接收点处布设检波器；

步骤2，在待测区域工区范围内激振点处进行激振，检波器接收地下异常体反射信号；

步骤3，通过傅里叶变换，将步骤2检波器接收的地下异常体反射信号转换成频率谱；

步骤4，观察频率谱中产生的明显倍频现象，基于倍频波动峰值所对应的点，计算出地下异常体的共振频率；

步骤5，确定尺寸计算公式，并将得到的共振频率代入尺寸计算公式中，即检测出待测区域内地基土层中的异常体结构尺寸，所述尺寸公式如下：

其中，h为待测基础桩桩身长度，f_n为待测基础桩共振频率，n为1,2,3……，c为待测基础桩的速度；

步骤6，将步骤2得到的地下异常体的反射信号进行频率成像反演，确定地下异常体结构物所处地层的位置。

进一步的，所述步骤4中，选取在频率谱中产生倍频现象的点，并将这些点之间的频率差数值相近或相同的点作为计算地下异常体共振频率的点，共振频率为地下异常体结构物频率谱中所筛选出的计算点之间的频率之差。

进一步的，所述步骤4中，所述步骤5中，尺寸公式通过以下方式获得：

水平方向无线延伸的单层介质在顶部自激自收的Green函数表示为：

取虚部，得：

其中，ρ代表介质密度，k代表波数，h代表单层介质高度；

根据双程旅行时共振频率计算公式：

f_n＝n/τ＝nc/2h

已知c，即求取单层介质高度h。

进一步的，所述步骤4中，所述步骤1中，将激振点设置在待测区域工区范围的中心位置，接收点设置在激振点两侧位置

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明探测方法对地下异常体结构物进行扫频，通过对反射信号的转换，提取共振频率，分析地下异常体结构物尺寸，再与频率反演相结合进一步确定地下异常体结构物所处地层位置，有利于在施工前清除残余废弃结构。能够对深埋在地层中的断桩等地下异常体进行探测，且检测过程节约成本，简单方便，单点观测，地表适应性强，低频勘探穿透性强，屏蔽层少，探测精度高，成果直观，弥补了既有地下异常体结构检测方法的缺陷，能够克服单一物探方法存在的能量的损耗和扩散导致无法得到较理想的结果以及多解性、经验造成的主观差异性，且激振点处所采用的可控震源作为激发信号，与传统的锤击相比拥有更宽频率范围。

附图说明

图1为本发明实施例水平方向无线延伸的单层介质；

图2为本发明实施例异常体探测方法步骤图；

图3为本发明实施例圆形地下异常体结构物模型；

图4为本发明实施例圆形地下异常体结构物模型频率谱；

图5为本发明实施例设有分层界面的圆形地下异常体结构物模型；

图6为本发明实施例设有分层界面的圆形地下异常体结构物模型频率谱；

图7为本发明实施例方形地下异常体结构物模型；

图8为本发明实施例高为5m的方形地下异常体结构物模型频率谱；

图9为本发明实施例高为10m的方形地下异常体结构物模型频率谱。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

本实施例公开一种地下异常体探测方法，以对建筑施工前地基中残存的深埋断桩、老桩、废弃锚杆和结构支撑物等地下异常体的尺寸和位置进行精确检测，如图2所示，具体包括以下步骤：

步骤1，在待测区域内确定工区范围，在工区范围内确定激振点和接收点，在激振点处布设激振装置，在接收点处布设检波器；一般优选将激振点设置在待测区域工区范围的中心位置，接收点设置在激振点两侧位置；

步骤2，在待测区域工区范围内激振点处采用可控震源进行激振，检波器接收地下异常体反射信号；

步骤3，通过傅里叶变换，将步骤2所述检波器接收的地下异常体反射信号转换成频率谱；

步骤4，观察步骤3所述频率谱中产生的明显倍频现象，基于倍频波动峰值所对应的点，计算出地下异常体的共振频率；

步骤5，将得到的共振频率代入尺寸计算公式，即检测出待测区域内地基土层中的异常体结构尺寸，所述尺寸公式如下：

其中，h为待测基础桩桩身长度(m)，f_n为待测基础桩共振频率(Hz)，n为1,2,3……，c为待测基础桩的速度v_p(m/s)；

步骤6，将步骤2所述的地下异常体的反射信号进行频率成像反演，进一步确定地下异常体结构物所处地层的位置；

所述步骤4中，共振频率是指一物理系统在特定频率和波长下，比其他频率和波长以更大的振幅做振动的情形，这些特定频率和波长称之为共振频率。但是一般一个结构拥有多个共振频率，在复杂环境条件下，会通过一个共振频率随之振动，因此需要筛选出较为合适结构共振频率。共振频率计算点筛选依据为：选取在频率谱中产生倍频现象的点，并将这些点之间的频率差数值相近或相同的点作为计算地下异常体共振频率的点，共振频率为地下异常体结构物频率谱中所筛选出的计算点之间的频率之差。

另外，所述步骤5中的尺寸计算公式的原理说明如下：

Green函数虚部表示为：

其中，Lm代表取虚部，G(r₀,r₀)代表格林函数，|S(ω)|²代表噪声的功率谱，u代表波场。

水平方向无线延伸的单层介质在顶部自激自收的Green函数：

取虚部，得：

其中，ρ代表介质密度，k代表波数，h代表单层介质高度。

根据双程旅行时共振频率计算公式：

f_n＝n/τ＝nc/2h

已知c，即可以求取单层介质高度h，进而得到上述尺寸公式。

为了更好的理解本发明方案，下面通过三个模拟实例对本发明进行详细介绍：

实例一：

如图3所示为圆形地下异常体结构物模型，背景速度为3000m/s，异常体结构物速度为340m/s，直径为10m，震源的主频为60hz，有效频带为5～150Hz。

(1)在模型地表中间位置确定为激振点，激振点两侧20cm处确定为接收点；

(2)在激振点处进行激振，接收点处接收地下异常体结构的反射信号；

(3)如图4所示，通过傅里叶变换，将接收点接收到的地下异常体结构物反射信号转换成频率谱；

(4)通过图4的地下异常体结构物频率谱可以看出，共产生明显的波动峰值点f₁、f₂、f₃、f₄、f₅、f₆、f₇、f₈，即倍频现象。但其中点f₁、f₃、f₄、f₆、f₈之间的频率差约为21Hz，其他相邻点频率差存在差异，故经过人为筛选后取f₁＝21Hz、f₃＝43.5Hz、f₄＝60.5Hz、f₆＝83.5Hz、f₈＝100.5Hz为地下异常体共振频率计算点则此地下异常体圆形结构物模型的共振频率F_n1＝21Hz；

(5)将共振频率代入长度计算公式，得地下异常体圆形结构物模型直径h₁＝8.1m；

(6)对地下异常体的反射信号进行频率成像反演，进一步确定地下异常体结构物所处地层的位置。

实例二：

为了增加复杂性，在实例一地下异常体结构物模型的基础上增加了一个分层界面，观察在这种情况下共振频率是否还明显，其他条件均不改变，如图5所示为有分层界面的地下异常体结构物模型。

重复实例一的步骤(1)-步骤(3)，检测出此模型的频率谱，见图6。可以发现倍频现象依旧存在。因此在简单的反射界面存在时，依旧可以看到共振频率。接下来的尺寸长度检测步骤与实例一一致，不做过多赘述。

实例三：

为了测试其他图形结构物也能正常检测，如图7所示，设置了一个方形的地下异常体结构物模型，高h分别为5m和10m。激发接收条件等与实例一相同。

同样重复步骤(1)-步骤(3)，检测出h₂＝5m模型的频率谱，见图8。可看出在频率谱中点f₁＝31Hz、f₂＝62Hz、f₃＝91.5Hz出现与实例一和实例二类似的倍频现象，取共振频率F_n2＝31Hz，代入长度计算公式得h'₂＝5.48m。

见图9为h₃＝10m模型的频率谱，可以看出在频率谱中点f₁＝16Hz、f₂＝31Hz、f₃＝46.5Hz、f₄＝64.5Hz出现与实例一和实例二类似的倍频现象，取共振频率F_n3＝16Hz，代入长度计算公式得h₃'＝10.62m。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种地下异常体探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在待测区域内确定工区范围，在工区范围内确定激振点和接收点，在激振点处布设激振装置，在接收点处布设检波器；

步骤2，在待测区域工区范围内激振点处进行激振，检波器接收地下异常体反射信号；

步骤3，通过傅里叶变换，将步骤2检波器接收的地下异常体反射信号转换成频率谱；

步骤4，观察频率谱中产生的明显倍频现象，基于倍频波动峰值所对应的点，计算出地下异常体的共振频率；选取在频率谱中产生倍频现象的点，并将这些点之间的频率差数值相近或相同的点作为计算地下异常体共振频率的点，共振频率为地下异常体结构物频率谱中所筛选出的计算点之间的频率之差；

步骤5，确定尺寸计算公式，并将得到的共振频率代入尺寸计算公式中，即检测出待测区域内地基土层中的异常体结构尺寸，所述尺寸公式如下：

其中，h为待测基础桩桩身长度，f_n为待测基础桩共振频率，n为1,2,3……，c为待测基础桩的速度；

步骤6，将步骤2得到的地下异常体的反射信号进行频率成像反演，确定地下异常体结构物所处地层的位置。

2.根据权利要求1所述的地下异常体探测方法，其特征在于：所述步骤5中，尺寸公式通过以下方式获得：

水平方向无线延伸的单层介质在顶部自激自收的Green函数表示为：

取虚部，得：

其中，ρ代表介质密度，k代表波数，h代表单层介质高度；

根据双程旅行时共振频率计算公式：

f_n＝n/τ＝nc/2h

已知c，即求取单层介质高度h。

3.根据权利要求1所述的地下异常体探测方法，其特征在于：所述步骤1中，将激振点设置在待测区域工区范围的中心位置，接收点设置在激振点两侧位置。