淺埋樁基的高密度電法數值模擬與探測

2024-12-31 00:00:00崔蕭

科技創新與應用 2024年20期

摘 "要：在已拆除建筑的地塊上重新擬建新建筑時，為方便基樁施工和基坑的開挖需要對地塊內遺留的建筑基礎進行清除，在缺失相關資料的情況下，對地塊內基樁的探查一直是個難題。該文采用有限差分技術建立相應的數學模型，并進行高密度電法的正演模擬。在正演模擬的基礎上采用高密度電法對地下基樁進行探測，對判定的基樁位置采用鉆孔磁梯度法進行驗證，通過磁梯度驗證，表明在無基礎資料的條件下高密度電法探測淺埋樁基礎是可行的。

關鍵詞：高密度電法；正演模擬；淺埋樁基；有限差分；鉆孔磁梯度法

中圖分類號：P631.3 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2024）20-0142-04

Abstract： When a new building is to be rebuilt on the demolished building， it is necessary to remove the building foundation left in the site in order to facilitate the foundation pile construction and foundation pit excavation. in the absence of relevant data， the exploration of foundation piles in the land has always been a difficult problem. In this paper， the corresponding mathematical model is established by finite difference technique， and the forward simulation of high-density electrical method is carried out. On the basis of forward simulation， the high-density electrical method is used to detect the underground pile， and the position of the foundation pile is verified by the drilling magnetic gradient method. The magnetic gradient verification shows that the high-density electrical method is feasible to detect the shallow buried pile foundation without basic data.

Keywords： high-density electrical method; forward simulation; shallow buried pile foundation; finite difference; borehole magnetic gradient method

在城市發展和變遷過程中，大片區域的拆建已很常見。在拆除原有建筑時，地表以上部分可以清理得很干凈，地表以下的基樁遺留的較多。對一些老建筑而言，雖然有原始的基礎結構圖，但沒有基樁的具體坐標，甚至一些工程連設計資料都已缺失。建設單位很難通過原始資料查清地塊內埋藏的樁基數量和樁基位置。如安踏上海總部項目，在打樁和基坑開挖過程中發現許多廢棄基樁，導致多次設計變更，這不僅給建設單位帶來預算的增加，還導致項目工期的延長。

對城市地下基樁的探查一直是物探工作中的難點，筆者也采用過其他物探方法，如地質雷達法，但在上海地下水較淺的地區，地質雷達法的探測效果一直不理想。鉆孔磁梯度法結果最準確，但是缺點也很明顯，在不知道樁基大概位置的情況下，磁梯度法的成本將無法得到有效控制[1-2]。高密度電法因其探測范圍大、自動采集數據程度高且工作成本較低，是物探普查探測時的首選方法[3-4]。文章討論了高密度電法探測地下基樁的可行性，首先建立與實際地物條件相似的數學模型，在正演模擬基礎上，進行了實際工程項目的探測試驗。最后對高密度成果異常位置進行磁梯度驗證探測，驗證的結果表明，在無基礎資料的條件下高密度電法探測淺埋樁基礎是效率較高的有效探測方法[5-6]。

1 "高密度電法的技術原理

高密度電阻率法是在常規直流電阻率法勘探的基礎上，借助于陣列思想，逐步形成的一種集電測深和電剖面為一體的，可一次布設后使用多種裝置、多種排列的直流電法勘探手段。其本質仍是直流電阻率法勘探[4]。

假定探測對象為半無限空間的均勻介質，則對于一個點電流源的地中電流場，假設在電阻率為ρ的均勻各向同性的無限介質中，有一點電極A，其電流為I，在球坐標系中，可得電流密度矢量j及電位U

式中：K稱為裝置系數，由供電電極A、B和測量電極M、N的相對位置決定，可根據工作需要設計A、B、M、N間的相對位置關系，構成不同的工作裝置。

2 "正演模擬原理

本次正演模擬采用的是有限差分法，它是使用的二維模型將地下劃分為許多矩形網格塊，如圖1所示。有限差分法基本上確定了電位矩形網格的節點，其中水平方向由L個節點組成，垂直方向由M個節點組成。網格模型有L-1列和M-1行矩形塊，這些塊可以具有不同的電阻率值[7]。通過使用足夠細的網格，可以模擬復雜的地質結構。

3 "數學模型的正演模擬

根據樁基探測中的實際情況設置了3種模型，分別為均質地層模型、均質地層含長樁模型和均質地層含短樁模型。3種模型的背景參數一致，采用51根串聯電極，電極距為1.0 m，溫納裝置[8]。為了色標細節更加豐富，模型設置了10種電阻值，用于表示涉及的各個結構物。

3.1 "均質地層模型

均質地層模型的設定主要是為了解無樁基情況下均質地層正演模擬電阻率分布情況，便于和下面2種含樁基地層的正演結果進行對比分析，也是控制變量分析的常用方法。模型及正演結果如圖2和圖3所示。

考慮到地表一般含有雜填土的實際情況，模型中也在淺地表層設置了高電阻值，正演模擬結果顯示在淺地表呈明顯相對高阻態，隨著深度的增加，視電阻率值分層呈相對低阻，高阻低阻層次分明，剖面中無其他異常電阻率分布，符合模型設定的實際情況。

3.2 "均質地層含長樁模型

模型中樁間距為4 m，樁長至模型底部，在模型淺表層也按實際情況設置了相應的高阻層位。模型如圖4所示。

圖5為均質地層含長樁模型的正演模擬結果。結果顯示，視電阻率剖面圖整體呈上部相對低阻狀態，下部相對高阻狀態。在長樁平面位置上均有閉合態的相對高阻反應，如圖中圓圈位置所示。但是閉合態高阻埋深與模型中樁頂的埋深存在約1 m深誤差，這表明高密度電阻率法可以較準確地探測目標物（目標物尺寸埋深在可探測條件下）的平面位置，但是對目標物的埋深進行精確定位還存在較大誤差，可以通過磁梯度等其他方法進行輔助探測。

3.3 "均質地層含短樁模型

為方便對比分析，圖6模型設置除樁長變為3 m短樁外，其他參數與圖4一致。模型如圖6所示。

圖7為均質地層含短樁模型的正演模擬結果，結果顯示視電阻率剖面圖整體呈上部低阻下部高阻狀態，與長樁模型相似。在短樁的平面位置上出現明顯的V型或U型電阻率等值線異常狀態，如圖中圓圈所示。這表明正演模擬結果可以清晰地將短樁的平面位置顯示出來，但是短樁的影響比長樁較小，相對高阻暫未成閉合狀態。且異常點的埋深與短樁的樁頂埋深與圖5相似，但也存在較大誤差。

根據高密度電法的正演模擬結果結合工程測區實際情況進度探測分析，對相應工程項目具有一定的參考意義。

4 "技術案例

4.1 "項目概況及測區地球物理特征

測區位于上海市崇明區某工地，目前，場地的地上建筑均已拆除。由于建筑年代較早，且產權經過多次變更，只有手繪的預制樁樁位圖，樁位坐標位置已丟失，無法準確定位樁位并進行拔除。經業主委托我方采用高密度電法對地下樁基進行探測，并采用磁梯度法進行輔助驗證。

測區內地層自上而下分為雜填土、吹填土（粉質黏土）、黏質粉土夾粉質黏土、砂質粉土、淤泥質黏土和粉質黏土。地層分布比較均勻，層厚差別小。

根據經驗測區內物質物性參數如見表1。

預制樁樁身為混凝土結構，電阻率比背景地層較大，采用高密度電法理論上是可以將樁基從背景土中區分開的，且預制樁中有鋼筋且樁端有金屬法蘭盤，采用磁梯度法驗證時也應該有明顯反應。

4.2 "高密度電阻率成果及解釋

高密度實施時在原建筑邊線布置了2條測線L1、L2進行試探性探測，然后根據探測結果進行測線調整。測線如圖8所示。儀器采用的是重慶地質儀器廠的DZD-8直流電法儀，72根電極，電極距1 m，溫納裝置。數據處理后的斷面圖如圖9所示。

圖9為測線L1的成果剖面圖，從圖中可以看出地表雜填土呈相對高阻，底部淤泥質黏土和粉質黏土呈相對低阻，整體與測區實際相符合。在高阻態中可以清晰看出U型電阻率等值線呈規律出現。根據正演模擬結果，分析該處可能為樁基所在位置。后面經開挖和磁梯度驗證，確定是預制樁所在位置，圖9中黑色條狀為經驗證過的樁基實際所在視電阻率剖面上的位置，與U型高阻位置相吻合。

4.3 "異常體的磁梯度驗證

在視電阻率剖面圖中選擇3處位置進行磁梯度驗證，樁號為Z1、Z2、Z3，位置如圖10所示。

圖10中橫坐標表示自然地面以下的深度，縱坐標表示磁場和磁梯度值。從圖中可以看出在地表以下6.7 m有鐵磁性反應，表明該深度有金屬物，推測為樁頂埋深位置，經后期拔樁確認樁頂埋深6.7 m。經磁梯度驗證可以較準確地判定高密度高阻異常位置是否為樁基所在位置。

5 "結論

本次樁基探測是在正演模擬前提下采用高密度電法結合磁梯度法進行的，比較準確地探測出了測區內樁基的位置和數量，為施工單位拔樁提供了依據。

高密度電法的正演模擬設置的是非常理想的地質模型，模擬結果反映的是理想化的均質地層，而實際探測環境地層復雜，干擾因素較多，實際探測成果與模擬結果存在出入。

正演模擬和實際探測均顯示高密度電法可以較準確地反映地質異常體的平面位置，對確定異常地質體的埋深還存在一定誤差。

參考文獻：

[1] 趙家福.跨孔超高密度電阻率CT法在建筑物舊有樁基探測中的應用研究[J].工程地球物理學報，2020，17（1）：45-51.

[2] 金花，祝明明，何紅員，等.城區繁忙交通道路下方殘留樁基精確探測技術[J].隧道建設，2017，37（6）：753-760.

[3] 朱云峰.綜合物探在泉州某水庫大壩滲漏探測中的應用[J].勘察科學技術，2020（6）：56-59.

[4] 楊天春，許德根，張啟，等.高密度電法在隱伏溶洞勘探中的應用[J].中國地質災害與防治學報，2016，27（2）：145-148.