CN117344806A - 一种孔-瞬变电磁法在钻孔灌注桩中的检测应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种孔‑瞬变电磁法在钻孔灌注桩中的检测应用方法，能够对钻孔灌注桩所在区域的不良地质体进行检测和验证，根据检测结果进行钻孔灌注桩施工，能够降低钻孔灌注桩施工的安全风险，保证施工质量，缩短工期，节约成本。该方法包括以下步骤：获取钻孔灌注桩施工区域的地质资料，在施工区域内划设Y1桩施工位置，在Y1桩范围内钻设一个一定深度的Y1钻孔，获取Y1钻孔资料；在Y1钻孔周围布设测线；在测线上布置测点；设定瞬变电磁采集的参数，进行数据采集；对采集的数据进行分析；对分析结果进行验证，若分析结果与验证结果一致，在其他待施工区域采用步骤一到步骤五相同的方式进行孔‑瞬变电磁法探测，根据探测结果进行钻孔灌注桩施工。
Description
技术领域
本发明涉及桩基工程技术领域，尤其涉及一种孔-瞬变电磁法在钻孔灌注桩中的检测应用方法。
背景技术
钻孔灌注桩是指采用不同的成孔方案，在土、砂、石中形成一定直径的井孔，达到设计标高后，将钢筋笼骨架悬吊于井孔中，浇筑混凝土形成的桩基础，钻孔灌注桩的施工质量与地质条件息息相关。我国是世界上碳酸盐分布面积最大且岩溶发育最典型的区域之一，在岩溶地区进行钻孔灌注桩施工时，如果不查明地下的不良地质体（岩溶形态和地貌特征）发育情况，会造成塌孔、地面沉降、埋钻、周围建筑开裂等严重事故。
目前，应用最广泛的地质勘察手段有钻孔取芯、地质雷达和瞬变电磁法等方法；其中，钻孔取芯成本高，仅能探测钻孔位置的地质情况，探测范围有限，存在“一孔之见”，若要扩大探测范围，则要增加钻孔数量、钻孔宽度，钻芯取芯成本高，工期长；地质雷达虽然可以扩大探测范围，但其最大探测深度只有30m，探测深度有限，对于更深的地质探测则无法实现。
瞬变电磁法是一种时间域电磁感应方法，其原理是：在发送回线上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡（衰减）过程，该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向掌子面传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。瞬变电磁法具有成本低、操作简便、探测深度大、对含水含泥溶洞等具有很强的敏感性且不易收到外部干扰等特点，被广泛应用于隧道超前地质预报、防渗墙质量检测、矿井含水断层探测、地下溶腔探测、地下管线探测和隧道塌陷区探测等领域。然而，传统的瞬变电磁探测为单一的探测形式，探测过程中容易受到干扰，对于钻孔灌注桩的地质探测，无法在探测的同时验证探测结果，无法保证钻孔灌注桩的施工质量。
因此，提高钻孔灌注桩施工区域地质探测结果的准确性，对于提高桩基的施工质量、降低安全风险、缩短工期具有重要意义。
发明内容
本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种孔-瞬变电磁法在钻孔灌注桩中的检测应用方法，采用孔-瞬变电磁法在钻孔灌注桩施工之前进行逐孔探测，能够降低钻孔灌注桩的施工安全风险，保证施工质量，缩短工期，节约成本。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。
一种孔-瞬变电磁法在钻孔灌注桩中的检测应用方法，包括以下步骤：
步骤一、获取钻孔灌注桩施工区域的地质资料，在施工区域内标定Y1桩位置，在Y1桩范围内钻设一个一定深度的Y1钻孔，获取Y1钻孔资料；
步骤二、在Y1钻孔周围布设测线；
步骤三、在测线上布置测点；
步骤四、设定瞬变电磁采集的参数，进行数据采集；
步骤五、对采集的数据进行分析；
步骤六、对分析结果进行验证，若分析结果与验证结果一致，在其他待施工区域采用步骤一到步骤五相同的方式进行孔-瞬变电磁法探测，根据探测结果进行钻孔灌注桩施工。
优选地，所述步骤二具体为：在Y1钻孔周围的地面上平行布设多条测线，对每条测线进行编号，每条测线的长度相同，相邻测线之间的间隔相同或不同。
优选地，多条测线的布置方式为：在Y1桩所在位置布置一条或多条测线，在Y1钻孔所在位置或靠近Y1钻孔位置布置一条或多条测线，在Y1桩的一侧靠近Y1桩所在位置布置一条或多条测线，在Y1桩的另一侧远离Y1桩所在位置布置一条或多条测线。
优选地，所述步骤三在测线上布置测点时，在每条测线上均匀布置多个测点，对每个测点进行编号，每条测线的两端均布置有测点，相邻测点之间的间距为0.5~1m。
优选地，所述步骤五具体为：分别对每条测线上各个测点位置采集的数据进行整合，得到每条测线的多测道剖面图；分别对每条测线上各个测点位置采集的数据进行成像，得到每条测线的视电阻率图；对所有采集的数据进行视深度三维成像，得到视深度三维立体图。
优选地，所述步骤六对分析结果进行验证的具体步骤为：根据Y1钻孔标定的瞬变电磁探测结果，在Y1桩位置进行冲孔打桩，获取桩孔不同深度位置的渣样，将获取的渣样与瞬变电磁探测结果进行比对，判断瞬变电磁探测结果与实际位置的渣样是否一致；若一致，对其进行进一步验证；若不一致，改进探测方式，在其他位置进行重复探测，以获得准确的探测数据或者结束探测。
优选地，所述进一步验证步骤为：在桩孔底部进行声呐探测，探测桩底以下的地质情况；探测时，在桩底泥浆中通过声呐探测设备发射声呐弹性波，当声呐在桩底或桩间一定范围内遇到不良地质体时，产生声呐回波，通过仪器数据采集系统将回波数据信号储存，并通过专用处理软件进行实测波形回放及计算，然后根据声呐回波的特性判定不良地质体的类型。
优选地，所述步骤四中的参数包括发射频率、叠加次数、线圈长度和采样频率；设定参数后，分别采集每条测线上不同测点位置的电压。
优选地，所述Y1桩的桩孔深度不小于Y1钻孔深度。
优选地，所述Y1钻孔垂直打入地层。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：
本发明的孔-瞬变电磁法能够有效探测钻孔灌注桩施工区域的不良地质体情况，为钻孔灌注桩施工提供数据支持，有利于降低钻孔灌注桩的施工安全风险，保证施工质量。
本发明的孔-瞬变电磁法将钻探与瞬变电磁探测相结合，能够在对灌注桩进行探测的同时，对钻探进行验证，大大提高了解释的准确性，相比于传统单一的钻探法或瞬变电磁法，本发明的方法为钻孔灌注桩瞬变电磁探测提供了一种“孔-瞬变电磁探测”的解释思路，降低了工程成本，丰富了岩溶地质条件的探测手段。
本发明可以采用同点组合方式（框内回线、重叠回线）进行观测，可以与探测目标达到最佳耦合，所得到异常的幅度大，形态简单，受旁侧影响小，提高了对地质体的横向分辨率。
附图说明
图1是本发明示例性实施例的采用孔-瞬变电磁法进行钻孔灌注桩地质探测的流程图。
图2是本发明示例性实施例的对孔-瞬变电磁法的探测结果进行验证的流程图。
图3是本发明示例性实施例的孔-瞬变电磁法观测系统布置示意图。
图4是本发明示例性实施例的测线1多测道剖面图。
图5是本发明示例性实施例的测线2多测道剖面图。
图6是本发明示例性实施例的测线3多测道剖面图。
图7是本发明示例性实施例的测线4多测道剖面图。
图8是本发明示例性实施例的测线5多测道剖面图。
图9是本发明示例性实施例的测线1视电阻率图。
图10是本发明示例性实施例的测线2视电阻率图。
图11是本发明示例性实施例的测线3视电阻率图。
图12是本发明示例性实施例的测线4视电阻率图。
图13是本发明示例性实施例的测线5视电阻率图。
图14是本发明示例性实施例的视深度三维立体图。
图15是本发明示例性实施例的桩底声呐探测图。
图16是本发明示例性实施例的钻孔岩层柱状图。
实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1，本发明示例性实施例的通过孔-瞬变电磁法进行钻孔灌注桩地质探测包括以下步骤：
步骤一、获取钻孔灌注桩施工区域的地质资料；
以曹家坌互通主线桥的某一桩基（记为Y1桩）为例进行说明，Y1桩的位置为（112.70E，25.14N），该桩基所处的地势相对平缓，局部陡峭，坡度为20~40°；Y1桩位置钻设有Y1钻孔，根据Y1钻孔资料，参考图16，在地下24.2~33.5m位置，围岩主要是中风化炭质灰岩，节理破碎，溶洞发育。
步骤二、在Y1钻孔周围布设测线；
布线时，在Y1钻孔周围的地面上平行布设多条测线，对每条测线进行编号，相邻的测线之间的间隔为1.5~2m，每条测线的长度为15~30m，每条测线的长度相同，沿测线长度方向，Y1钻孔靠近测线中部位置设置。多条测线的布置方式为：在Y1桩所在位置布置一条或多条测线，在Y1钻孔所在位置或靠近Y1钻孔位置布置一条或多条测线，在Y1桩的一侧靠近Y1桩所在位置布置一条或多条测线，在Y1桩的另一侧远离Y1桩所在位置布置一条或多条测线。
例如，参考图3，在Y1桩的一侧靠近Y1桩位置布置一条测线，记为测线1，在Y1桩所在位置布置两条测线，分别记为测线2和测线3，其中，测线2靠近Y1钻孔位置设置，测线3远离Y1钻孔位置设置，在Y1桩的另一侧远离Y1桩位置布置两条测线，分别记为测线4和测线5；相邻的两条测线之间的距离相同或不同，每条测线的长度为20m，相邻测线之间的间隔为1.5 m。
步骤三、在测线上布置测点；布置测点时，在每条测线上均匀布置多个测点，对每个测点进行编号，每条测线的两端均布置有测点，相邻测点之间的间距为0.5~1m。
步骤四、设定瞬变电磁采集的参数，进行数据采集；
由于感应涡旋流场在地表引起的磁场为整个“环带”各个涡流层的总效应，这种效应可以用一个简单的电流环相等效，通常称作“烟圈”。它的半径a及所在深度d的表达式为：
（1）
式中，，/>为电导率，/>为磁导率。
由于，故“烟圈”将以47°倾斜锥面扩展，向下传播速度为：
（2）
计算均匀半空间的瞬变电磁响应时，可以把“烟圈”看作为一系列的二次发送线圈，由于它在某时刻的半径、深度及电流可以根据式（1）（2）计算出，因而可计算出在某时刻沿地面测线的响应值，以及在某个测点的响应值随时间变化的规律。
瞬变电磁的探测深度与发送磁矩，覆盖层电阻率及最小可分辨电压有关：
（3）
式中，H为探测深度，M为发送磁矩，为表层电阻率，/>为最小可分辨电压。
根据上述关系，设置现场瞬变电磁法数据采集的参数为：发射频率为25Hz、叠加次数为128次、发射和\或接收线圈长度为1.8m、采样频率为1.25MHz；设定参数后，分别采集每条测线上不同测点位置的电压。
进行数据采集时，可以将接收线圈依次放置在测线1上的每个测点位置处，依次将每个测点位置数据采集后，再采用相同的方式依次对测线2到测线5上各测点位置的数据进行采集。也可将多个相同的接收线圈对应放置在多条测线的第一个测点位置，配合多台相同的测量设备同时进行测量，从而提高测量效率，移动接收线圈时，使每条测线上的接收线圈同时移动，并使每个接收线圈沿各自测线的长度方向依次移动到其余的测点位置处，直至所有测点位置的数据采集完成。也可在每条测线的测点位置处布置接受装置（接收传感器），通过发射线圈将所有测线包围，使所有测线处于发射回线的范围内，发射线圈通电后，通过接受装置一次性测得所有测点位置的数据，进一步提高测量效率。
在测点位置布置线圈时，可以采用收发一体式线圈，即发射回线和接收回线共用一个线圈，或者发射线圈与接收线圈重叠设置，或者接收线圈同轴设置在发射线圈内，发射线圈采用边长1.5m*1.5m的矩形线圈（尺寸可以更大或更小，如边长为1m *1m~1.8m *1.8m）；当发射线圈与接收线圈重叠设置时，接收线圈与发射线圈的形状、尺寸相同；当接收线圈同轴设置在发射线圈内时，接收线圈的尺寸小于发射线圈的尺寸。
步骤五、对采集的数据进行分析；
参考图4~图8，分别对5条测线上的测点位置的电压整合后，得到测点-电压曲线图，通过对曲线图的分析可知，每条测线上均有明显异常的响应信号。测线1的12-15处、18-21处；测线2的3-5处、8-21处；测线3的1-3处、6-8处、12-14处、17-21处；测线4的8-12处、15-21处；测线5的4-10处、17-21处都出现了单峰或多峰异常；测线与测线之间也各有差异，测线2、测线3、测线4总体电压值很低，测线1、测线5的总体电压值很高。
参考图9~图14，分别对采集的数据进行成像，通过对成像结果的分析可知，在原生地层状态下，其导电性特征在纵向上有固定的变化规律，而在横向上相对均一。当断层、裂隙和溶洞等地质构造发育时，无论其含水与否，都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律，这种规律的存在，表现出岩石导电性的变化。当存在构造破碎带时，如果构造不含水，则其导电性较差，局部电阻率值偏高；如果构造含水，由于其导电性好，相当于局部存在低电阻的地质体，解释为相对富水。通过电性空间展布特征规律结合地质条件进行构造及富水性解释，将这一特点与钻孔灌注桩钻孔内的探测特征进行对比分析，可以作为钻孔灌注桩的探测依据。
从测线1视电阻率图可以看出Y1钻孔表现为低阻，测线1对钻孔的响应比测线2明显。由于Y1钻孔垂直打入地层，它受到因发射线圈电流变化而产生的磁场方向主要沿着水平地层，因而当钻孔在线圈外部时，瞬变接收线圈可以接受来自钻孔一侧的磁场强度，而当钻孔在线圈内部时，会接收来自钻孔两侧的磁场强度，因为两侧磁场方向相反，进而出现矢量叠加，接收线圈接收到的磁场强度就会变弱，故产生的感生电动势自然也就不同。从测点-电压曲线图也可以看出，在测线同一位置，测线1（钻孔在接收线圈外部）感应出的钻孔信号强度大于测线2（钻孔在接收线圈内部）。
测线2、测线3、测线4电阻相对稳定，比较均一。从视深度三维立体图也能看出来，在50m以上区域，以低阻为主，阻值差较大；在50m以下区域，以高阻为主，阻值差较小。综合切片图与三维图可以做出如下的解释：测线1与测线5在层底深度50m以上不同深度电阻率差异比较大，即层底深度50m范围内有地质异常体发育，可能为溶洞或者软弱夹层。在层底深度50m以下范围均表现出阻值相对稳定，差异较小，可以推测层底深度50m以下持力层较为完整，无溶洞发育。
步骤六、对分析结果进行验证，若分析结果与验证结果一致，在其他待施工区域采用步骤一到步骤五相同的方式进行孔-瞬变电磁法探测，根据探测结果进行钻孔灌注桩施工。
验证的具体步骤为：根据Y1钻孔标定的瞬变电磁探测结果，在标定的Y1桩位置进行冲孔打桩，获取桩孔不同深度位置的渣样，将获取的渣样与瞬变电磁探测结果进行比对，判断瞬变电磁探测结果与实际位置的渣样是否一致；若一致，说明瞬变电磁探测结果准确，对其进行进一步验证；若不一致，说明瞬变电磁探测结果不准确，改进探测方式（如改变测线和测点的布置方式，改变瞬变电磁采集的参数等），在其他位置进行重复探测，以获得准确的探测数据或者结束探测。
进一步的验证步骤为：在桩孔底部进行声呐探测，探测桩底以下的地质情况；探测时，在桩底泥浆中通过声呐探测设备发射声呐弹性波，当声呐在桩底或桩间一定范围内，遇到溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体时，会产生声呐回波，通过仪器数据采集系统将数据信号储存，并通过专用处理软件进行实测波形回放及计算，然后根据声呐回波的特性判定不良地质体的类型。
例如，根据步骤五中的分析结果，发现测线1和测线5的异常区域，在Y1桩位置进行冲孔打桩，获取桩孔深度24.6m、36.5m、47.4m和50.3m位置的渣样，桩孔的深度为51.06m，通过对获取的渣样分析可知，在桩孔深24.2~29.2m范围内发育强风化炭质灰岩、32.6~49.0m范围内发育溶洞和炭质灰岩夹层，溶洞和夹层特别发育，在50m以上区域，渣样中含风化灰岩、含泥、潮湿，50.3m处取出的渣样为灰岩，干燥；实际位置的渣样与瞬变电磁探测结果一致，说明瞬变电磁探测结果准确。在桩底泥浆中通过声呐探测设备发射声呐弹性波进行声纳探测，通过仪器数据采集系统将数据信号储存，并通过专用处理软件进行实测波形回放及计算后，其结果如图15所示，声呐探测的波形较为规整，波形衰减整体正常，桩底以下10m范围内未发现溶洞，声呐探测结果与瞬变电磁探测结果相符合。
以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种孔-瞬变电磁法在钻孔灌注桩中的检测应用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、获取钻孔灌注桩施工区域的地质资料，在施工区域内标定Y1桩位置，在Y1桩范围内钻设一个一定深度的Y1钻孔，获取Y1钻孔资料；
步骤二、在Y1钻孔周围布设测线；
步骤三、在测线上布置测点；
步骤四、设定瞬变电磁采集的参数，进行数据采集；
步骤五、对采集的数据进行分析；
步骤六、对分析结果进行验证，若分析结果与验证结果一致，在其他待施工区域采用步骤一到步骤五相同的方式进行孔-瞬变电磁法探测，根据探测结果进行钻孔灌注桩施工。
2.根据权利要求1所述的孔-瞬变电磁法在钻孔灌注桩中的检测应用方法，其特征在于，所述步骤二具体为：在Y1钻孔周围的地面上平行布设多条测线，对每条测线进行编号，每条测线的长度相同，相邻测线之间的间隔相同或不同。
3.根据权利要求2所述的孔-瞬变电磁法在钻孔灌注桩中的检测应用方法，其特征在于，多条测线的布置方式为：在Y1桩所在位置布置一条或多条测线，在Y1钻孔所在位置或靠近Y1钻孔位置布置一条或多条测线，在Y1桩的一侧靠近Y1桩所在位置布置一条或多条测线，在Y1桩的另一侧远离Y1桩所在位置布置一条或多条测线。
4.根据权利要求2所述的孔-瞬变电磁法在钻孔灌注桩中的检测应用方法，其特征在于，所述步骤三在测线上布置测点时，在每条测线上均匀布置多个测点，对每个测点进行编号，每条测线的两端均布置有测点，相邻测点之间的间距为0.5~1m。
5.根据权利要求2所述的孔-瞬变电磁法在钻孔灌注桩中的检测应用方法，其特征在于，所述步骤五具体为：分别对每条测线上各个测点位置采集的数据进行整合，得到每条测线的多测道剖面图；分别对每条测线上各个测点位置采集的数据进行成像，得到每条测线的视电阻率图；对所有采集的数据进行视深度三维成像，得到视深度三维立体图。
6.根据权利要求1所述的孔-瞬变电磁法在钻孔灌注桩中的检测应用方法，其特征在于，所述步骤六对分析结果进行验证的具体步骤为：根据Y1钻孔标定的瞬变电磁探测结果，在Y1桩位置进行冲孔打桩，获取桩孔不同深度位置的渣样，将获取的渣样与瞬变电磁探测结果进行比对，判断瞬变电磁探测结果与实际位置的渣样是否一致；若一致，对其进行进一步验证；若不一致，改进探测方式，在其他位置进行重复探测，以获得准确的探测数据或者结束探测。
7.根据权利要求6所述的孔-瞬变电磁法在钻孔灌注桩中的检测应用方法，其特征在于，所述进一步验证步骤为：在桩孔底部进行声呐探测，探测桩底以下的地质情况；探测时，在桩底泥浆中通过声呐探测设备发射声呐弹性波，当声呐在桩底或桩间一定范围内遇到不良地质体时，产生声呐回波，通过仪器数据采集系统将回波数据信号储存，并通过专用处理软件进行实测波形回放及计算，然后根据声呐回波的特性判定不良地质体的类型。
8.根据权利要求2所述的孔-瞬变电磁法在钻孔灌注桩中的检测应用方法，其特征在于，所述步骤四中的参数包括发射频率、叠加次数、线圈长度和采样频率；设定参数后，分别采集每条测线上不同测点位置的电压。
9.根据权利要求6所述的孔-瞬变电磁法在钻孔灌注桩中的检测应用方法，其特征在于，所述Y1桩的桩孔深度不小于Y1钻孔深度。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的孔-瞬变电磁法在钻孔灌注桩中的检测应用方法，其特征在于，所述Y1钻孔垂直打入地层。
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