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對(duì)某建筑物樁基檢測(cè)技術(shù)的探究
摘 要：樁基是建筑的基礎(chǔ)，由于樁基是地下施工，受施工環(huán)境的影響可能導(dǎo)致樁體本身出現(xiàn)離析、斷樁等現(xiàn)象。樁體如果出現(xiàn)問題就會(huì)影響樁基的整體質(zhì)量，對(duì)建筑的基礎(chǔ)埋下一定的安全隱患，因此對(duì)樁基進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)收是保證其質(zhì)量的有效措施。本文主要介紹了對(duì)其長(zhǎng)度和進(jìn)入直接承受壓力土層的深度進(jìn)行檢測(cè)的電磁波技術(shù)。
關(guān)鍵詞：層析成像;檢測(cè)技術(shù);樁基工程
既有建筑物隨著時(shí)間的推移，外界環(huán)境的影響，不同程度上都存在一定的沉降或者變形，不僅影響整體的美觀而且還對(duì)人們的安全有很大的影響，因此，為了保證建筑物的整體質(zhì)量以及延長(zhǎng)使用年限，需要對(duì)其基礎(chǔ)進(jìn)行處理、加固，尤其是作為建筑主要承載力的樁基。由于樁基所承載的建筑壓力比較大，因此施工前一定要對(duì)其現(xiàn)狀進(jìn)行檢測(cè)，尤其是樁長(zhǎng)以及進(jìn)入直接承受壓力土層的深度。為了準(zhǔn)確確定樁長(zhǎng)以及進(jìn)入直接承受壓力土層的深度，需要在基樁的兩側(cè)進(jìn)行地質(zhì)鉆孔，根據(jù)巖芯進(jìn)行地質(zhì)分層，并劃分風(fēng)化層，然后使用井間電磁波層析成像技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。采用該技術(shù)能夠保證地基既有的狀態(tài)，不會(huì)對(duì)既有建筑造成不良影響。
一、電磁波層析成像技術(shù)原理
電磁波層析成像技術(shù)原理，主要的理論基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)和天線理論，具體如圖1所示。
圖1 電磁波層析成像工作原理
在光學(xué)射線近似條件下，電磁波在有耗介質(zhì)中衰減幅值的傳輸方程可表示為：
(1)
式中，E0為偶極子天線的初始輻射常數(shù)，表示為：
(2)
偶極天線的方向性因子為：
(3)
對(duì)于常用的半波天線，方向性因子為：
(4)
在接收點(diǎn)放置一相同天線，當(dāng)兩鉆孔平行時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)的觀測(cè)值為：
(5)
式中：E0為波源初始輻射值;r為發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)間的路徑長(zhǎng);f(θ) 為方向因子;θ為方向角; e為接收天線的等效高度;β為探測(cè)區(qū)域介質(zhì)的吸收系數(shù);E為測(cè)得的場(chǎng)強(qiáng)的幅值。
吸收系數(shù)為：
(6)
吸收系數(shù)與巖石物性參數(shù)的關(guān)系如下式：
(7)
從式(7)可知，吸收系數(shù)受介質(zhì)的電導(dǎo)率σ、介電常數(shù)ε、磁導(dǎo)率μ 以及電磁波圓頻率ω的影響，所以在一定頻率下，吸收系數(shù)是地下不同地質(zhì)體由于其不同的電導(dǎo)率、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率綜合影響的結(jié)果。
電磁波層析成像是將射線通過的空間進(jìn)行網(wǎng)格化，建立如下反演控制方程：
[D][B]=[Y] (8)
式中：D為M×N階矩陣，M 為觀測(cè)次數(shù)，N 為重建區(qū)域的網(wǎng)格個(gè)數(shù)，D 的元素dij為i次觀測(cè)中傳播路徑被j 個(gè)網(wǎng)格截得的距離，i=1，2，…，M，j=1，2，…，N; B 為N 維向量，其元素βj為第j 個(gè)網(wǎng)格的吸收系數(shù);Y為M 維列向量，其元素yi = ln (E0・fi/Ei/Ri)。fi為第i次觀測(cè)中天線方向和場(chǎng)矢量方向有關(guān)的因子，Ei為第i次觀測(cè)的場(chǎng)強(qiáng)幅值。
對(duì)于樁基礎(chǔ)，其材料為鋼筋混凝土，它與表層土和基巖在電阻率、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率方面有顯著差異，對(duì)電磁波的吸收同樣存在明顯差異，其吸收系數(shù)比其周圍巖土體的吸收系數(shù)要大得多，這是由于鋼筋對(duì)電磁波有強(qiáng)烈的吸收作用引起的，在同樣間距(間距為3m) 和同樣的頻率條件下，其電磁波吸收系數(shù)是巖土體的5～8倍。表層松散土層與基巖對(duì)同一頻率的電磁波吸收系數(shù)也存在差異。
二、工程概況
本文研究的建筑長(zhǎng)108m，寬55m，共3層。設(shè)計(jì)室內(nèi)地坪標(biāo)高321.80m，采用框架結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)荷載約3000kN/樁，共86根樁，樁距9.0m，樁徑1200～1800mm，樁承臺(tái)尺寸1500mm×1500mm×800mm～2100mm×2100mm×800mm。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，場(chǎng)地為填方區(qū)，填土厚度15～25m，覆蓋層最大厚度(填土厚度與原生粉質(zhì)粘土厚度)近28.5m，其中，填土堆齡時(shí)間約1年，結(jié)構(gòu)松散。基巖為泥巖夾砂巖，巖層傾角平緩。
該建筑物樁基礎(chǔ)采用旋挖鉆機(jī)成樁，基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)施工完畢后，發(fā)現(xiàn)部分樁的樁周地面附近逐漸出現(xiàn)圓形開裂，樁附近墻面出現(xiàn)較大裂紋。尤其是60、61、62、74 號(hào)樁附近區(qū)域( 見圖2)，變形特別明顯且持續(xù)增大。為了控制建筑的變形，對(duì)其基礎(chǔ)和處理層應(yīng)進(jìn)行工程處理。
圖2 電磁波層析成像技術(shù)工作布置示意圖
為了確定工程處理方案，必須查清樁長(zhǎng)以及進(jìn)入直接承受壓力土層的深度。在場(chǎng)地上，設(shè)計(jì)采取了多種物探方法，最終確定采用鉆孔電磁波層析成像技術(shù)。
三、野外工作方法
電磁波層析技術(shù)野外工作時(shí)采用定發(fā)裝置，即發(fā)射機(jī)先固定不動(dòng)，接收機(jī)每接收一對(duì)射線的數(shù)據(jù)就往下移一點(diǎn)再進(jìn)行接收，當(dāng)接收機(jī)接收完該剖面的所有數(shù)據(jù)后，發(fā)射機(jī)再往下移一點(diǎn)進(jìn)行發(fā)射，如此循環(huán)，直到該剖面測(cè)試結(jié)束。如圖1所示。本次電磁波層析成像探測(cè)孔布置在工程樁的對(duì)角(見圖2)，每樁布置2個(gè)鉆孔，鉆孔深度為進(jìn)入中風(fēng)化基巖5m，鉆孔間距為3m。
電磁波層析成像技術(shù)探測(cè)工序及應(yīng)注意的問題：①測(cè)量放孔位置和距離時(shí)應(yīng)采用測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確確定; ②鉆探成孔要求孔斜<1%，終孔孔徑不小于90mm，對(duì)易塌段下導(dǎo)管，保證孔內(nèi)暢通，孔底沉渣厚度小于20mm，套管采用塑料材料; ③數(shù)據(jù)采集( 鉆孔間)，激發(fā)點(diǎn)自孔底開始，發(fā)射點(diǎn)間距、接收點(diǎn)間距一般為0. 50 ～1. 0m，發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)間距不超過3 ～ 15m。首先應(yīng)作最佳激發(fā)、接收條件試驗(yàn)，保證收到波列清晰、首波起跳明顯的波形，否則應(yīng)調(diào)節(jié)發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)間距。發(fā)射點(diǎn)間距、接收點(diǎn)間距大小確定的依據(jù)是保證反演的吸收系數(shù)圖能準(zhǔn)確分辨異常的大小和形態(tài)，精度滿足要求并能兼顧快速采集數(shù)據(jù)的要求; ④野外獲得的原始波形，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行波形對(duì)比、初至判讀，當(dāng)發(fā)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)不滿足要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行重新采集; ⑤當(dāng)鉆孔距離一定時(shí)，應(yīng)進(jìn)行天線試驗(yàn)選擇。天線選擇既要保證收到的波形清晰和起跳明顯，又要保證對(duì)異常探測(cè)精度的要求。天線頻率越低傳播距離越遠(yuǎn)，但對(duì)探測(cè)異常范圍要求越大，精度越低。
本工程經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用參數(shù)為： 發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)間距小于15m，發(fā)射點(diǎn)間距0.5m，接收點(diǎn)間距為0. 5m，工作頻率為8MHz，野外工作采用定發(fā)裝置。為了確定場(chǎng)地回填土和基巖的吸收系數(shù)，在樁的一側(cè)鉆取兩個(gè)間距為3m 鉆孔，采用大間距探測(cè)測(cè)試巖土層吸收系數(shù)。通過試驗(yàn)得知，場(chǎng)地素填土的吸收系數(shù)為0.9～2.5，粘土的吸收系數(shù)為1.5～2.9，砂巖的吸收系數(shù)為0.9～2.1，泥巖的吸收系數(shù)為1.9～3.5。通過樁兩側(cè)電磁波探測(cè)，孔間距為3m時(shí)，有鋼筋混凝土段電磁波吸收系數(shù)為9.5 ～15.5。
四、資料分析與解釋
4.1 典型樁的分析
根據(jù)工程樁62號(hào)樁和82號(hào)樁電磁波層析成像解釋成果圖(見圖3) 可知，有樁段電磁波的吸收系數(shù)為9.4～15.1，填土、粘土和砂巖段電磁波吸收系數(shù)為0.9～2.5。樁與巖土體的電磁波吸收系數(shù)差異明顯，鋼筋混凝土的吸收系數(shù)是巖土體吸收系數(shù)的5～8倍;素填土來源于場(chǎng)地周圍巖土體，成分復(fù)雜，其電磁波吸收系數(shù)不均勻;原生粘土厚度較薄，電磁波吸收系數(shù)與填土的數(shù)值大小無明顯差異，而基巖的電磁波系數(shù)與填土相比，數(shù)值差異小但比較均勻。因此，利用電磁波吸收系數(shù)大小可準(zhǔn)確劃分基樁的長(zhǎng)度，利用電磁波系數(shù)的均勻性，可大致劃分基巖的埋深。
圖3 電磁層析成像解釋成果
4.2 成果資料統(tǒng)計(jì)分析
對(duì)場(chǎng)地沉降較大區(qū)域的7 根基樁進(jìn)行了電磁波層析成像探測(cè)，從電磁波層析成像探測(cè)成果可知，沉降較大的60、61、62、74 號(hào)樁的樁長(zhǎng)均小于基巖的埋藏深度。分析造成沉降較大原因，是由于場(chǎng)地填土較厚，時(shí)間較短，固結(jié)沉降對(duì)樁產(chǎn)生較大的負(fù)摩擦力，且基樁未嵌巖，因此造成樁沉降較大。
電測(cè)波層析成像探測(cè)解釋的樁長(zhǎng)與工程樁施工驗(yàn)收時(shí)超聲波檢測(cè)的樁長(zhǎng)，除60號(hào)樁和74號(hào)樁外基本一致。經(jīng)地面高密度電法勘測(cè)和孔內(nèi)測(cè)斜工作，發(fā)現(xiàn)60號(hào)樁施工中發(fā)生了樁傾斜、不垂直，74號(hào)樁電磁波的探測(cè)孔發(fā)生傾斜，使得該兩根基樁偏出電磁波探測(cè)剖面，這是造成這2 根基樁電磁波探測(cè)樁長(zhǎng)與超聲波結(jié)果不一致的原因。探測(cè)基樁需要靠電磁波層析成像探測(cè)孔的地質(zhì)取樣的觀察和試驗(yàn)結(jié)果才能判斷，僅依靠該結(jié)果不能準(zhǔn)確劃分巖土層，當(dāng)然也不能判斷直接承受壓力土層的深度。因此，在進(jìn)行電磁波層析成像探測(cè)時(shí)，要加強(qiáng)其探測(cè)孔的地質(zhì)鉆探成果記錄工作。
五、結(jié)語
根據(jù)建筑7根基樁的電磁波層析成像探測(cè)結(jié)果，結(jié)合探測(cè)孔地質(zhì)鉆探資料，得到如下結(jié)論：
(1)基樁為鋼筋混凝土材料，其電磁波的吸收系數(shù)與周圍巖土體相比有顯著差異，利用電磁波C層析成像技術(shù)能夠有效探測(cè)基樁的樁長(zhǎng)。
(2)要準(zhǔn)確判斷基樁進(jìn)入承受壓力土層的深度，一定要將電磁波所測(cè)試的樁長(zhǎng)和其地質(zhì)狀況相結(jié)合。
(3)要保證電磁波探測(cè)的樁長(zhǎng)準(zhǔn)確有效，須保證電磁波兩個(gè)探測(cè)孔平行，且與基樁大致平行，使基樁在電磁波探測(cè)平面內(nèi)。
(4)本次電磁波工作，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電磁波吸收系數(shù)采取的是同鉆孔間距的試驗(yàn)工作，未對(duì)場(chǎng)地的混凝土、鋼筋以及巖土體等材料的電磁波吸收系數(shù)進(jìn)行測(cè)試研究。建議同行能在這方面加強(qiáng)工作，使電磁波探測(cè)技術(shù)在既有建筑基礎(chǔ)探測(cè)中得到廣泛推廣。
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