探地雷达用于人工挖孔桩桩底岩溶探测的应用研究

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1、第20卷第2期地质灾害与环境保护Vol.20,No.22009年6月JournalofGeologicalHazardsandEnvironmentPreservationJune2009文章编号:1006-4362(2009)02-0074-05探地雷达用于人工挖孔桩桩底岩溶探测的应用研究胡朝彬1,3,邓世坤2,王宝勋1,3,张进1,张长斌1(1.天津华北地质勘查局,天津300181;2.中国地质大学地球物理与空间信息学院,武汉430074;3.天津华勘基础工程检测有限公司,天津300181)摘要:

2、在岩溶地区进行楼房建设、工厂修建、修路架桥时,其桩基的设计很多采用人工挖孔嵌岩灌注桩(人工挖孔桩)。通过对人工挖孔桩桩底目前几种探测手段的对比分析,运用探地雷达方法对桩底进行岩溶探测有其独特的优势。文章首先介绍了探地雷达桩底探测的具体方法,并根据介质介电常数的变化分析了探地雷达天线在桩底的辐射特征;其次,对桩底的两种地质模型进行了正演模拟;最后对岩溶地区人工挖孔桩底实测探地雷达剖面进行了分析解释。关键词:探地雷达;人工挖孔桩;桩底检测;天线辐射特征;正演模拟中图分类号:P642文献标识码:A人工挖孔桩

3、广泛应用于岩溶地区,它有很多优点,这类桩占地小、受力性能可靠,不需大型机具设备,施工操作工艺简单,单桩承载力高,造价低廉,不受大型机具数量的限制,无环境污染[1]。我国岩溶地区分布广,近年来,在岩溶地区从事的工程建设项目愈来愈多,在进行大型立交桥、高层建筑、桥梁等承载力要求较高的重型工程时,其桩基的设计很多采用人工挖孔嵌岩灌注桩(人工挖孔桩)。挖孔桩桩径一般为0.8～2m,有的已经超过3.5m。对人工挖孔桩桩底面以下3倍桩径或5m深度内需查明岩溶发育情况,判断基岩是否完整。岩溶地基基础勘测是工程建设的

4、重要内容,它直接关系到工程建设的可行性和安全性。目前,人工挖孔桩桩底的几种探测手段有:钻孔取芯、钎探、桩底静载荷试验、肉眼观察以及地面物探方法。钻孔取芯与钎探有作业面窄、效率低、费用高等缺点,一般作为补充复核的检测手段。桩底静载荷试验的观测周期长、设备笨重、费用高,每个场地仅能代表性的抽检几个桩孔,不能满足单桩单柱的测试要求。肉眼容易误判,而地面物探方法不能满足分辨率及精度的要求。采用探地雷达技术在人工挖孔桩底进行桩底岩溶检测,实践证明在桩底以下5m能够达到要求的分辨率和精度。中国地质大学(武汉)邓

5、世坤教授在这方面做了大量的实践工作,山东正元公司的张顺东[2]、刘勇[3]等也做了一些相关的实践与研究。探地雷达(groundpenetratingradar,简称GPR)是一种轻便、快捷、高效的浅层地球物理探测技术。它也是一种采用中心频率在10MHz～2.5GHz范围的高频电磁波来探测地下或建筑物内结构与特征的电磁探测技术[4,5]。对探地雷达应用于人工挖孔桩桩底检测的可行性展开分析研究具有非常重要的意义。1探地雷达的桩底探测探地雷达桩底基岩无损检测的测量方式主要为反射剖面法。为了发现地下基岩的异常

6、采用剖面法扫描方式,雷达桩底探测有场地狭小的特点,对桩底基岩进行探测时我们总结了桩底面中心旋转探测与圆环探测两种方式。对桩径在0.8～1.4m之间的,多采用桩底面中心旋转探测方式,探测时发射与接收天线平行并置,放置于桩底,由人工操作,按照某一起始方位同步朝同一方向转动发射与接收天线,发射与接收天线对在转动过程中保持相互平行且距离固定不变;对桩底在不同方位上进行扫描探测,天线对每次转收稿日期:2008210209改回日期:2008211221第20卷第2期胡朝彬、邓世坤、王宝勋,等:探地雷达用于人工挖孔

7、桩桩底岩溶探测的应用研究75动角度为10°～20°,以保证在每一桩底探测次数不少于10次,这样可以增加雷达探测数据的可靠性[6]。当桩径大于1.4m时,一般采用圆环型探测方式,在布设圆环型测线时,发射天线(T)和接收天线(R)在测量的起点做好标记,以固定间隔距离沿测线同步移动。发射天线和接收天线每同时移动一次便获得一个测点的雷达记录,进而得到由一个个记录组成的雷达反射波时间剖面图像。该记录可反映出测线下方不同电性界面的反射信号,反映出测线下方整个剖面的反射界面的起伏变化及介质分布[7]。桩底面中心旋转

8、探测与圆环型探测两种方式的现场探测均采用加拿大Sensor&Software公司制造的EKKOPRO型探地雷达系统。选择天线中心频率为200MHz;天线间距为0.5m;探测过程中扫描时间范围为200ns;圆环型探测一般还要设定测点距(道间距)为0.2m;每个测点上采用垂直叠加次数为64次/道,以保证能够取得较好的信噪比。2探地雷达天线在桩底的辐射特征探地雷达天线的辐射波场具有强烈的方向性。根据偶极子在地下介质中的辐射场的解析表达式[8]:在空气中:θ-ε