聲吶技術在巖溶地區樁基持力層工程中的應用

0 引言

巖溶地區地質條件復雜，傳統鉆探方法在樁基持力層勘測中存在盲區，難以全面掌握巖溶發育特征。聲吶技術作為新型無損檢測手段，通過聲波在不同介質中傳播特性的差異，能夠有效識別地層結構和巖溶發育情況。近年來，隨著聲吶設備精度的提高和信號處理技術的發展，該技術在工程勘測領域展現出獨特優勢。本文以某高層建筑巖溶場地工程為例，對比分析傳統鉆探方法與聲吶探測技術在結果準確性和經濟效益的差異。

1聲吶探測原理與方法

1.1聲吶探測系統組成

聲吶探測系統由換能器陣列、信號發射接收單元和數據采集處理單元構成。換能器陣列產生高頻聲波信號，經地層介質反射后返回接收單元。

1.2聲波傳播基礎理論

聲波在不同密度和彈性模量的介質中傳播時，由于聲阻抗差異會產生反射和散射，形成特征回波信號[1]。聲波傳播過程中的能量衰減與介質性質密切相關，通過分析回波信號的幅值、頻率和相位特征，可識別地層結構和巖性特征。

1.3巖溶地層聲波響應特性

聲波在巖溶地層中的傳播機理主要體現在波速差異、能量衰減和頻譜特性3個方面。

1.3.1 波速差異特征

在完整基巖中，縱波速度可達 4500～6000m/s ；而在巖溶發育區域，由于孔隙和裂隙的存在，波速顯著降低至 2000～3500m/s 。

1.3.2能量衰減規律

聲波能量在傳播過程中受到散射和吸收作用，巖溶

發育區域表現出較強的衰減特性，衰減系數與巖溶化程度呈正相關。

1.3.3 頻譜特性

巖溶地層對不同頻率的聲波具有選擇性衰減作用，高頻成分衰減更為顯著，導致信號頻譜發生畸變。

1.4聲吶信號處理技術

聲吶信號處理采用時頻分析方法，通過小波變換和希爾伯特變換提取信號特征。通過建立聲學參數與巖溶特征的定量關系，實現對地層結構的精確識別。信號處理過程包括噪聲抑制、時變增益補償和頻譜分析，并采用自適應濾波算法提高信噪比，確保數據質量。

2聲吶信號與巖溶特征關系

2.1信號特征參數提取

2.1.1 多域信號特征分析

聲吶信號特征參數的提取采用多域分析方法，包括時域參數、頻域參數和波形參數。其中，時域參數中的信號幅值反映了聲波能量強度，包絡特征體現了信號的整體形態變化，信號到時則表征了聲波在介質中的傳播速度。通過希爾伯特變換可獲取信號的瞬時幅值和相位信息，為地層結構識別提供重要依據[2]。頻域參數分析基于快速傅里葉變換，提取信號的主頻、頻帶寬度和能量譜密度等特征量。主頻反映了信號的主要頻率成分，頻帶寬度表征了信號的頻率分布范圍，能量譜密度描述了信號在頻域的能量分布特征。

2.1.2波形參數量化與提取

波形參數通過計算波形因子、峰值因子和脈沖因子等統計特征量，量化聲吶信號的波形特征。波形參數對信號的非平穩性和瞬態特性具有良好的表征能力，可有效識別巖溶發育引起的異常信號。此外，聲吶信號處理中引入了小波變換方法，通過多尺度分析提高了特征提取的準確性。

2.1.3信號預處理

信號去噪采用自適應閾值方法，有效抑制了隨機噪聲和混疊干擾。時變增益補償技術用于修正聲波的幾何擴散和介質吸收衰減，保證信號幅值的一致性。

2.1.4參數優化與建模

信號特征參數的綜合分析采用模式識別算法，建立參數空間與巖溶特征的映射關系。特征參數標準化處理采用Z-score方法，消除量綱影響。參數相關性分析采用主成分分析方法，降低參數冗余度。

2.2巖溶發育定量評價

2.2.1巖溶聲學響應機理

在巖溶地區聲學探測研究中發現，聲波在巖溶介質中傳播時表現出明顯的衰減、頻散和散射特性。前期研究表明，聲波衰減特性能反映巖溶裂隙發育程度，頻散現象與巖溶結構密切相關，散射強度則體現了巖溶介質的不均勻性。

2.2.2巖溶發育指數

基于上述特征，建立巖溶發育指數，其計算公式為：

D=w₁α+w₂β+w₃γ

式中： D 為巖溶發育指數，無量綱； α 為衰減系數，單位為 dB/m ，表征聲波在傳播過程中的能量損失率； β 為頻散系數，無量綱，反映不同頻率聲波傳播速度的離散程度； γ 為散射強度，無量綱，表示散射波能量與入射波能量之比； W₁，W₂. ， W₃ 分別表示各參數的權重系數，通過層次分析法確定。

巖溶發育指數 D 值越大，表明巖溶發育程度越強。衰減系數 α 通過信號幅值隨深度的衰減規律計算，反映了聲波在傳播過程中的能量損失情況。計算采用指數衰減模型，并考慮了溫度和壓力的影響。頻散系數 β 基于群速度色散曲線求取，表征了不同頻率成分的傳播速度差異，色散曲線擬合采用多項式回歸方法[3]。散射強度γ 通過散射波場能量與入射波場能量的比值確定，描述了巖溶介質對聲波的散射作用強度，能量計算考慮了多次散射效應。

2.2.3巖溶發育程度等級

評價體系引入了模糊數學理論，建立隸屬度函數描述巖溶發育程度的模糊特征。通過統計分析方法，將巖溶發育程度劃分為3個等級：輕微巖溶化 （Dlt;0.3） 、中等巖溶化（ （0.3?Dlt;0.6） 和強烈巖溶化 （D?0.6） 。定量評價過程中采用蒙特卡洛模擬方法，分析了參數不確定性對評價結果的影響。評級標準的制定基于大量工程數據分析，具有較強的實用性和可靠性。

2.3持力層判定方法

2.3.1基于巖溶發育指數的判定準則

持力層判定方法綜合考慮了巖溶發育指數和工程地質要求。基于巖溶發育指數 D 值，結合地層巖性和承載力特征，建立了持力層判定準則。判定過程中考慮了巖石強度、完整性系數和風化程度等因素，采用RockMassRating系統對巖體質量進行評價。當 Dlt;0.3 時，地層為完整基巖，巖體完整性好，單軸抗壓強度大于30MPa ，彈性模量高，適合作為樁基持力層。當 0.3?D lt;0.6 時，地層存在輕微巖溶化現象，需結合地質鉆探資料評估其承載力特征，重點分析巖溶裂隙發育程度和充填情況[4]。當 D?0.6 時，地層強烈巖溶化，存在溶洞或軟弱夾層，力學性能差，不宜作為持力層。

2.3.2 可靠度分析方法

持力層判定還需考慮樁端持力層的埋深要求和樁基礎設計荷載等因素。判定過程采用可靠度理論，引入了安全系數和變異系數，量化分析荷載效應和承載力的隨機性。在地基承載力特征值計算中，采用統計方法，并充分考慮樣本量和置信度的影響。同時，基于聲吶探測和巖溶發育評價結果，對樁位進行優化布置，避開強烈巖溶化區域。持力層判定標準的確定考慮了工程規范要求和地區經驗，建立了適應性強的判定體系。

2.3.3 反饋修正機制

在工程施工過程中，通過對比聲吶探測結果與實際鉆孔驗證數據，不斷優化判定參數。采用貝葉斯更新方法，實時調整判定模型的參數權重，使判定結果更符合工程實際。這種動態優化機制在10個工程實例中得到應用，顯著提高了判定的可靠性。

3 工程實例研究

3.1工程概況

某高層建筑工程位于典型巖溶地區，基巖埋深15～30m 不等，主要巖性為灰巖，局部夾泥質灰巖。場地范圍內巖溶發育不均勻，基巖面起伏較大。建筑總建筑面積 52000m² ，地上25層，地下2層，最大柱荷載為 12500kN 。地質勘察資料顯示，場地內巖溶以溶洞、溶槽為主，最大溶洞直徑達 4.2m 。上覆土層以黏土、砂質黏土為主，厚度 8～15m ，標準貫入擊數平均值為15擊。樁基礎設計要求樁端持力層承載力特征值不小于2000kPa ，設計采用C30鉆孔灌注樁，樁徑 1.2m 。地下水位埋深較淺，年變幅 1.2～3.5m ，對基礎施工有較大影響。場地工程地質條件復雜，地基處理難度大。

3.2試驗方案設計

根據場地特點布設15個探測測點，測點間距為

20～25m，探測深度覆蓋樁端持力層以下5m范圍。采用分段掃描方式進行探測，每個測點采集數據量100道，掃描間隔 0.25m 。考慮場地地形條件和地下管線分布，測點布置采用不規則網格形式，重點加密布置在建筑物關鍵受力部位[5]。

為驗證探測結果的可靠性，在關鍵部位布設5個驗證鉆孔，鉆孔深度 35m ，取芯率要求不低于 85% 。探測設備選用高精度數字化聲吶系統（DTSS-3000型），采用多陣列換能器設計，工作頻率范圍 20～500kHz ，發射聲源級150dB，垂直分辨率可達 0.1m ，水平分辨率 0.3m精度滿足工程要求。探測過程中采取嚴格的質量控制措施，包括設備標定、環境噪聲監測和數據采集參數優化等。場地測點布置如圖1所示。

圖1場地測點布置

3.3數據采集與處理

采用數字化采集系統，采樣頻率設置為1MHz，采樣點數4096點，信號量化精度為24位。信號處理流程包括濾波降噪、增益控制和時頻分析3個階段。利用帶通濾波去除高頻噪聲和低頻干擾，濾波帶寬為 50～300kHz 。采用時變增益補償消除幾何擴散和吸收衰減的影響。時頻分析采用小波變換方法，選擇Morlet小波進行信號分解，提取特征參數。

處理過程中進行嚴格的質量控制，包括信噪比檢驗、有效數據篩選和異常值處理。通過交叉驗證確保處理結果的可靠性，并采用三維可視化技術展示巖溶發育空間分布特征。處理結果經過多次迭代優化，最終建立了場地巖溶發育三維模型。巖溶發育三維模型如圖2所示。

3.4結果分析

聲吶探測結果識別出場地內3處強烈巖溶化區域，最大巖溶發育指數 D 值達0.82，位于場地東北角，深度約22.5m處。持力層埋深變化范圍為 18.5～27.3m ，與鉆孔驗證結果的平均誤差為 0.31m 。通過對比分析表明，聲吶探測結果與5個驗證鉆孔資料吻合度較高，持力層判定準確率達 96.5% 。

圖2巖溶發育三維模型

3.5方案優化效果及建議

基于探測結果，對原樁位布置方案進行了優化調整，避開了強烈巖溶化區域。優化后的方案共調整了12個樁位，樁長平均增加 2.8m ，增加工程造價約85萬元，但有效提高了樁基礎設計的可靠性和施工安全性。巖溶發育程度分級統計結果如表1所示。

為系統評估該方法的經濟效益，對比分析了采用傳統鉆探方法與聲吶探測技術的成本差異。在相同探測精度要求下，傳統方法需要布設25個鉆孔，總費用約120萬元；而采用聲吶探測技術結合5個驗證鉆孔的方案，總費用約75萬元，節省成本 37.5% 。

表1巖溶發育程度分級統計結果

在地下水位以下區域，由于聲波傳播介質的變化，探測精度略有降低，平均誤差增加 0.15m 。在巖溶強發育區域，由于多次散射的影響，信號質量會有所下降，需要采用特殊的信號處理方法進行補償。

4結束語

在巖溶地區樁基持力層工程中，聲吶技術通過建立聲學參數與巖溶特征的定量關系，實現了持力層的準確判定。本次工程實例研究表明，基于聲吶信號特征的巖溶發育評價方法具有較高的可靠性，持力層判定準確率達到 96.5% 。該技術為巖溶地區樁基工程提供了的地質信息，具有顯著的工程應用價值，為提高巖溶地區樁基施工質量和安全性提供了重要技術支撐。

參考文獻

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