弹性波在基岩检测中的试验研究

弹性波在基岩检测中的试验研究

胡龙胜

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司,广州　510230)

摘要:介绍跨孔波速测试方法和CT 探测技术方法原理,并将其应用于对冲孔桩的冲孔前后岩体破坏研究,结合实际冲孔过程进行探测研究,研究结果表明弹性波可以用于探测岩体破坏,探测结果可以定量分析岩体破坏程度,而且结果直观,达到高精度和高分辨率的精细探测要求。关键词:弹性波;CT ;跨孔;基岩

中图分类号:TU459.3 文献标识码:A 文章编号:100429592(2006)0420052203

T est and Study of Elastic W ave in B ase Rock Detection

HU Long 2sheng

(CCC Fourth H arbor Consultants Co.,Ltd.,G uangzhou 510230,China)

Abstract :The measuring and testing met hod for t he wave speed of span bore hole and t he technical

met hod and principle for CT detecting are int roduced.Which are applied to t he st udy of rock damage be 2fore and after percussion boring and detection st udy are given combining wit h t he process of act ual percus 2sion boring.The result shows t hat t he elastic wave can be used to detect t he rock damage.Because it can analyze rock damage quantitatively and t he result is very audio 2visual ,reach t he requirement s of high accu 2racy and resolving power.

K ey w ords :elastic wave ;CT ;span hole ;base rock

收稿日期:2006211218

作者简介:胡龙胜(19772),男,工程师,主要从事工程物探工作。

1　前言

大直径钻、挖、冲孔灌注桩基础,桩端一般选择具有一定厚度的完整基岩作持力层,若仅以常规工程地质钻探和地面工程物探勘察资料作为设计、施工依据,很可能忽视在挖、冲孔灌注桩过程中使桩端支承在破碎基岩的现象,出现理论计算的承载力不够所带来的建筑工程安全隐患。因而对开挖区基岩破坏性状进行探测可以为工程建设和安全生产提供可靠的基础资料,具有极其重要的指导意义[1]。我们采用跨孔波速测试和跨孔地震C T 层析成像相结合的方法开展对基岩破坏程度的研究,在工程勘察中取得了明显的应用效果。

弹性波层析成像[2](Comp uterized Tomo 2grap h ,简称C T )是利用弹性波在不同介质中传播速度的差异,通过井间弹性波走时的数据采集和计算机数学处理(迭代反演),重建介质速度的二维图像,

从而推断井间介质的岩性、应力状态以及精细结构。实践证明该方法是一种高精度、高分辨率的精细探测方法,在岩土工程中应用前景广阔。跨孔波速测试方法是利用弹性波在不同介质中传播速度差异,来计算其纵波的波速大小。

2　试验原理

2.1　地球物理前提和方法选择

岩体弹性波速度(一般指纵波速度)与岩体的受力状态及结构性质关系密切,岩体的应力状态的变化势必引起岩体声速的变化。一般说来,不同岩性的岩体的声速不同,即使是同一岩性岩体,由于其结构状态的变化,波场响应也会发生变化。特别是当岩体遭受破坏时,应力场变化较大,相应地声速明显减小;岩体破坏程度越大,声速降低越大,甚至由于严重衰减而使弹性波在岩体中传播距离变短。因此,通过测量岩体的声速,可以进行岩体的结构性质和受力状态的探测。同时,对于岩体破坏过程来说,选择应力变化的不同时段进行测量,可以进行破坏

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过程的动态探测。

根据钻探资料,物探测试段地层主要为中风化玄武岩层和中风化凝灰质砂岩。中风化玄武岩层纵波波速为2500～4800m/s ;中风化凝灰质砂岩为2000～3500m/s 。如果强度下降,纵波波速就会下降。这种波速差异的存在,为地球物理方法提供了良好的物理条件。

本工作区内各岩土层介质岩性不同,波速不相同,具备使用该种物探方法的地球物理前提。2.2　方法原理2.2.1　跨孔C T 探测如图1所示,在钻孔1放置发射换能器T 1,T 2,T 3,…;在钻孔2放置接收换能器R 1,R 2,R 3,…。根据接收到的弹性波走时数据来反演两孔间的深度分布s (x ,y )或速度v (x ,y ),v (x ,y )=1/s (x ,y )。假设弹性波的第i 个传播路径为

L i ,其走时为t i ,

t i =

∫

Li

1

v (x ,y )d s

(1)

式(1)是一曲线积分,d s 为弧长微元,v (x ,y )和

L i 未知,t i 已知。式(1)是一个非线性问题,在速度场变化不大的情况下,可以近似地把射线路径看作是直线,也就是假设L i 为直线,只反演v (x ,y )。关于式(1)对速度成像反演方法较多,本文采用收敛性好的SIR T 法[3]

。

图1　CT 测线示意图 图2　跨孔波速示意图

成像像元的大小是成像时可以分辨尺度的极限,决定于发射间距和接收间距,一般取接收间距作为像元宽度。为了提高成像分辨率,希望像元越小越好,但是像元越小,测试工作量越大,为了克服这一矛盾,实际计算中进行内插,使像元宽度达到接收间距的一半。根据反演结果,形成钻孔1与钻孔2之间的声波速度场分布,据此可以进行孔间岩体岩性及结构状态的解释。2.2.2　跨孔波速测试

如图2所示,在钻孔1放置发射换能器T1,在

钻孔2放置接收换能器R 1;在一边发送,另一孔内接收,如此类推。在两孔距离已知情况下,利用测波走时,就可计算两孔之间纵波的速度分布情况。

3　试验方法

为了检测冲孔对基岩的破坏程度,选定在冲孔桩附近布置3个钻孔,在冲孔前先测试3对剖面,冲孔结束后再进行测试,将跨孔前后数据进行对比,同时分析CT 探测资料,来确认基岩的破坏情况,为工程施工提供参考。3.1　测试系统

跨孔波速测试和弹性波C T 探测系统由声波仪、计算机、发射机和换能器组成。采用美国GEO 2M ETRICS 公司生产的St ratavisor NZ Ⅱ全数字化信号增强型浅层地震仪,配备HX ΟGMM ΟS45C 型超磁致震源作为发射震源、接收换能器(频率5k Hz ),由计算机控制信号发射和数据采集,并进行速度反演成像计算和显示。弹性波探测的波源一般选择声波或地震波,由于声波的频率比地震波高得多,因而声波的波长短,分辨率高。高分辨率探测一般选用声波作为波源。3.2　测试方法3.2.1　跨孔波速测试方法测试方法采用孔间方法,利用一孔单点发射,另一孔单点接收,某一个发射点观测完之后,发射探头(换能器)移到下一个发射测点,接收排列作相应移动后进行测量,如此继续下去,直到所有发射点观测完毕。实测中,发射点间距一般选取2～4m ,接收点间距0.1m 。3.2.2　CT 探测方法

测试方法采用孔间C T 方法,利用一孔发射,另一孔多点接收,某一个发射点观测完之后,发射探头(换能器)移到下一个发射测点,接收排列作相应移动后进行测量,如此继续下去,直到所有发射点观测完毕。之后,发射孔与接收孔互换,继续上述测量。现场实测中,发射点间距一般选取2～4m ,接收点间距0.5m 。为了提高成像的分辨率,像元宽度取接收点间距,反演计算中可进行内插。为了保证C T 反演的高精度,所有测点被测次数应不少于4

次,且应保证被测区域射线分布基本均匀。

3.3资料处理和解释3.3.1　跨孔资料分析

桩位冲孔前,P 波波速曲线随层位有次序的变化:高程Ο11.02～Ο12.82m 段波速为2353～3493m/s ,平均波速2843m/s ,为较破碎的中风化玄武

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