CN107642114A - 桩基浇注前桩底隐患探查方法及其探查装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种桩基浇注前桩底隐患探查方法及其探查装置，通过在桩基浇注前，在桩孔内液体表面以下以桩孔的中心轴线为中心横向阵列排布传感器，形成水平传感器面阵列；在水平传感器面阵列下方，以桩孔的中心轴线为中心竖直阵列排布震源点，形成垂直阵列震源点；通过震源发射信号，震源点发射地震波；传感器接收地震波并将信号传输给多路同步地震仪；多路同步地震仪接收信号完成数据采集。本发明在未浇注的桩孔中获取了利于地震波上、下行波分离的地震记录，通过行波分离算法和地震偏移成像算法，进而获得桩基桩底工程地质隐患的相关信息，利于后续信息的提取和处理得出桩基桩底工程地质隐患。

Description

桩基浇注前桩底隐患探查方法及其探查装置

技术领域

本发明属于应用地球物理学技术领域，具体涉及一种桩基浇注前桩底隐患探查方法及其探查装置。

背景技术

工民建工程、交通水利等建设工程中广泛使用桩基，桩端持力层稳定可靠是桩基承载力发挥的重要保障，现有的国家相关规范规程对桩底持力层有严格的规范规定，如《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)、《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63-2007)等。

地下地层地质结构复杂多变，包括钻探在内的常规地质勘查难以精细准确查明每个桩基底部承载介质的质量，为此，《建筑桩基技术规范》规定，作为端承桩每桩桩底必做超前钻探。但是超前钻探探查具有如下缺点：一方面施工成本高费工费时；另一方面只有一孔之见。当地下地质构造复杂时还是难以准确查明桩底的隐伏病害，从而给应力高度集中的桩基安全带来隐患，一旦桩基下沉破坏，桩基治理和建筑修复将耗费大量人力、物力和财力。

未浇注的桩基桩底探查的方法有两类，第一种是前述提及的超前钻探，第二种是地球物理探测方法，包括地质雷达探测、电法探测、超声波探测和地震波探测等等；这两种探测方法施工作业极为不便，尤其是在桩孔中存在水或泥浆液时；通常情况下，桩基内外介质电性复杂多变，难以形成可靠的探测成果。第三种方法的代表是“一种桩底溶洞声纳探测装置及方法(201410276785.5)”，超声波探头虽然形成了有方位标示的阵列面，但是，超声波源发射的直接耦合波、桩面上的表面波与桩底下隐患反射波相互干涉，难以从中提取反射信息，加上桩底面凹凸起伏而且还有部分沉渣，超声传感器难以与桩面形成良好耦合，超声波发射功率，接收信号质量也难以保证，因此获取的数据信噪比低，资料解释困难。第四种方法的代表是“一种桩底岩溶无损探测方法”(201010539461.8)，采用地震波探测，在桩底清理干净的前提下，布设传感器进行地震反射波测试，利用反射波时间域和频率域的信息来提取桩底岩溶存在与否的信息，但这种方法要在桩底布设传感器，对于钻孔中存在泥浆和水的桩孔很难实施，震源或传感器的耦合效果也难以保证。

另外，201110147297.0公开一种桩基质量检测方法及其装置，该方法和装置根据缺陷反射上行波信号的相关性进行偏移叠加，形成桩顶面激发和接收的反射信号，获取桩基下部缺陷位置和性质。当桩体浇筑前，对于桩基桩底隐患检测不适用。

目前桩基工程界尚没有可靠的技术手段和装备来解决桩底地质隐患探查难题。分析未浇注桩基桩底隐患探查难题之所以不能有效解决的难点有：一是探查作业空间有限，场地环境条件恶劣，震源和传感器要克服干扰，并要有足够的精度；二是采集信号干扰源多，有效信号与之相互干涉，导致信噪比低。结合场地施工作业条件，合理设计科学的数据采集方法和信号处理算法，是解决探查难题的关键。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种桩基浇注前桩底隐患探查方法及其探查装置，通过在未浇注的桩孔中获取了利于地震波上、下行波分离的地震记录，通过行波分离算法和地震偏移成像算法，获得桩基桩底工程地质隐患的相关信息，利于后续信息的提取和处理得出桩基桩底工程地质隐患。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供一种桩基浇注前桩底隐患探查方法，具体过程如下：

步骤1)：桩基浇注前，在桩孔内液体表面以下以桩孔的中心轴线为中心横向阵列排布传感器，形成水平传感器面阵列；

步骤2)：在水平传感器面阵列下方，以桩孔的中心轴线为中心竖直阵列排布震源点，形成垂直阵列震源点；

步骤3)：通过震源发射信号，震源点发射地震波；

步骤4)：传感器接收地震波并将信号传输给多路同步地震仪；

步骤5)：多路同步地震仪接收信号完成数据采集。

进一步地，所述多路同步地震仪将接收的地震记录传输至计算机(计算机为外接的计算机或者多路同步地震仪内置的计算机)，通过计算机中软件对数据进行处理获得桩底隐患的相关情况。

更进一步地，所述计算机中软件对数据进行处理采用如下方式：利用地震勘探上、下行波分离算法分离或压制道集记录中的直达波干扰信号，提取来自桩底下方隐蔽地层结构反射上来的行波信号，根据缺陷反射行波信号的相关性进行偏移叠加运算，形成桩底下方隐蔽地层结构的反射信息，获取桩底下隐患深度位置和性质。

进一步地，所述震源发射信号采用依次从上向下或从下向上逐点发射，分次激发震源点发射地震波。

更进一步地，所述传感器以桩孔的中心轴线为对称中心环形对称布设形成一组水平传感器面阵列或等间距深度的多组水平传感器面阵列，实现传感器接收一组或等间距深度的多组地震波，表现为一次激发获得一至多道等间距深度点的记录。

更进一步地，所述水平传感器面阵列将接收的同一组水平传感器面阵列的记录组合成一组信号作为炮集记录、多个深度的炮集记录组合成等炮点个数的多组炮集记录一并存储在多路同步地震仪。

更进一步地，所述多路同步地震仪接收多组炮集记录并传输给计算机，计算机处理软件抽取某个方位的传感器数据构成抽道集记录，并利用地震勘探上、下行波分离算法分离或压制抽道集记录中的直达波干扰信号，提取来自桩底下方隐蔽地层结构反射上来的下行波信号，根据缺陷反射下行波信号之间的相关性进行偏移叠加运算，形成桩底下方隐蔽地层结构的反射信息，获取桩底下隐患深度位置和性质。具体表现为：在行波分离算法之后，即获取了干净的下行波信号之后；每个方位的传感器数据都单独构成一个抽道集纪录，并分别进行行波分离；分离之后的多组下行波信号，既可以单独进行也可以综合进行偏移叠加或地震成像运算，形成桩底下放隐蔽地层结构的反射信息，进而获取桩底下方各个方位的隐患深度位置和性质。

进一步地，所述桩孔内充满液体，所述液体为泥浆或水。

进一步地，所述震源点之间为等间距或变化间距设置，以利于参与上、下行波分离和后续地震波场偏移运算。

进一步地，所述步骤3)中，震源发射信号前，在桩孔内的液体表面覆盖吸声装置。本发明的传感器设置在液面以下，是由于液体表面干扰较大不利于信号接收。在液体表面覆盖吸声装置，利于抗干扰。

进一步地，所述桩孔内没有泥浆或无法注水，在桩孔的桩底的中心轴向竖直施钻炮孔，在炮孔中等间距竖直布设垂直阵列震源点，在桩底表面布设水平传感器面阵列。

另一方面，本发明提供一种桩基浇注前桩底隐患探查装置，包括桩孔、多路同步地震仪、震源，设置在桩孔中的传感器和震源点；

所述传感器以桩孔的中心轴线为中心横向陈列排布，通过信号电缆与多路同步地震仪连接；

所述震源用于在震源点处激发地震波；

所述震源点以桩孔的中心轴线为中心竖直阵列排布，通过信号电缆与震源连接；

所述震源与多路同步地震仪通过导线连接。

进一步地，所述桩孔内充满液体，所述液体为泥浆或水。优选地，所述传感器设置在液体表面以下的位置。

进一步地，所述桩孔内液体表面覆盖吸声装置。更进一步地，所述吸声装置的材料优选为柔性吸声材料，例如海绵、软棉布等。

进一步地，所述震源点按等间距或变化间距竖直设置在传感器下方形成垂直阵列震源点。更进一步地，所述震源点至少为2个。

进一步地，所述传感器为水听器、速度传感器、加速度传感器、压电传感器、电容传感器、磁电式传感器或光学类传感器。更进一步地，所述水听器为水上地震勘探用传感器、声呐传感器或光纤传感器。

进一步地，所述震源为电火花震源、机械震源、磁致伸缩震源或其他声波震源。

进一步地，所述传感器以桩孔的中心轴线为对称中心环形对称布设形成一组水平传感器面阵列或等间距深度的多组水平传感器面阵列。更进一步地，所述传感器为1～24个。当传感器为1个时，所述传感器设置在桩孔的中心轴线上；当传感器在2个及以上时采用对称排布，形成水平传感器面阵列。更进一步地，所述传感器采用串联、并联或串并联结合的形式进行安装。

进一步地，所述多路同步地震仪为弹性波采集器。

进一步地，所述桩孔内没有泥浆或无法注水时，在桩孔的桩底中心轴向竖直施钻炮孔，在炮孔中等间距竖直布设垂直阵列震源点，在桩底表面布设水平传感器面阵列。更进一步地，所述炮孔深度为2～5米。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供一种桩基浇注前桩底隐患探查方法及其探查装置，从获取有效信号和压制有效信号中的噪声两方面出发：一方面通过设置水平传感器阵列和垂直阵列震源点获取丰富的桩孔底部的介质隐患的反射信号；另一方面通过采用行波分离算法有效压制干扰信号，提出有效信息，从而保证探查信号的高信噪比；两方面综合为地震资料解释处理提供良好的条件。

本发明的探查方法通过阵列信号组合、道集记录行波分离、相关反射信号偏移叠加等综合技术提高了桩底隐患探查中缺陷反射信号提取和判读的准确性，提高探查结果的可信度。

本发明的探查方法及其探查装置适合于工/民建和水利、交通等基础建设领域的桩基浇注前桩底探查作业。

附图说明

图1是本发明装置的优选的结构示意图；图中，桩孔1、多路同步地震仪2、震源3、传感器4、震源点5、吸声装置6、隐患点7、中心轴线8；

图2a是本发明用8个传感器对称布设形成一组水平传感器面阵列的俯视图；

图2b是本发明所述的多组水平传感器面阵列的侧视图；

图3包含有下行波和上行波的1号传感器道集记录；

图4从图3中分离出来的上行波信号；

图5从图3中分离出来的下行波信号；

图6利用图4中上行波信号进行偏移成像结果。

具体实施方式

下面以具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明不受下述实施例的限定。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种桩基浇注前桩底隐患探查装置，包括桩孔1、多路同步地震仪2、震源3，设置在桩孔1中的传感器4和震源点5；

所述传感器4以桩孔1的中心轴线为中心横向陈列排布，通过信号电缆与多路同步地震仪2连接；所述传感器4以桩孔1的中心轴线为对称中心环形对称布设形成一组水平传感器面阵列或等间距深度的多组水平传感器面阵列。优选地，所述传感器4为1～24个。当传感器4为1个时，所述传感器4设置在桩孔1的中心轴线上；当传感器4在2个及以上时采用对称排布，形成水平传感器面阵列，可以是如图2a所示一组水平传感器阵列的排布方式，也可以是如图2b所示的多组水平传感器阵列的排布方式，在实际工作中标示其相对方位，配合探查结果用于判读异常方位。采用多组水平传感器阵列的排布方式时，震源点位于所有传感器阵列面的上方，可实现一次激发获得多深度点的一炮多道记录。优选地，所述传感器4采用共深度点传感器串联、并联或串并联结合的形式进行安装，组合成一道信号，用于探查精度要求不高的情况下作为一个深度点单道炮集记录，多个震源深度点激发后的记录合成一个道集记录，或者单炮激发多个面阵列深度点记录合成一个道集记录。所述传感器4为水听器、压电传感器、电容传感器、磁电式传感器或光学类传感器。所述水听器为水上地震勘探用传感器、声呐传感器或光纤传感器。

所述震源3用于在震源点5处激发地震波，所述震源3为电火花震源、机械震源、磁致伸缩震源或其他声波震源；

所述震源点5以桩孔的中心轴线为中心竖直阵列排布，通过信号电缆与震源3连接；所述震源点5至少为2个。按等间距或变化间距竖直设置在传感器4下方形成垂直阵列震源点，间距可作为参数参与上下行波分离和后续地震波场偏移运算。

所述震源3与多路同步地震仪2通过导线连接，所述多路同步地震仪2为弹性波采集器。

桩孔1中有大量泥浆液存在，若不存在泥浆液，可向桩孔1内注水，用水代替泥浆液完成探查作业，本实施例中的传感器4和震源点5均设置在泥浆液中。

优选地，所述桩孔1表面覆盖吸声装置6。所述吸声装置6优选柔性吸声材料，例如海绵、软棉布等。吸声装置6覆盖在桩孔1的泥浆液表面，用于降低地震波在桩孔泥浆液或水表面的反射波干扰信号。

实施例2

若桩孔中没有泥浆液存在且不便于向桩孔内注水进行探查，在桩孔的桩底中心轴向竖直施钻炮孔，在炮孔中等间距竖直布设垂直阵列震源点，在桩底的炮孔表面布设水平传感器面阵列。所述传感器4为速度传感器或加速度传感器。优选炮孔深度为2～5米。其余装置与实施例1一致。

实施例3

如实施例1所示的桩孔，桩孔的桩径为1.50米，桩孔的深度为15米(采用冲击成孔)，未浇注前桩孔内充满泥浆液；在泥浆液面上敷设与桩径相当厚约5厘米的圆形海绵作为吸声装置，由4个水听器东南西北关于桩孔的中心轴线对称分布形成水平水听器面阵列，水听器一致沉入浆液下2.0m深度；水听器信号输出到4路同步地震仪；在桩孔的中心轴线上，从泥浆液面下3米开始按间距1.0米垂直布设8个震源点，形成垂直阵列震源点，用电火花震源依序从上至下激发地震波并用4路同步地震仪采集8组炮集记录，每一组炮集记录有4个水听器信号，来自东南西北四个方位，从中抽取某一个方位水听器的接收记录，共8道，形成一个方位的道集记录，如此类似获得四个方位的4组道集记录；其中之一如图3所示。从图3中可以看出来自桩底隐患的反射1、反射2信号部分被上行波(主要是直达波)所干扰，在计算机中应用行波波场分离算法可以获得图4和图5所示的上行波和下行波信号，其中图4所述的上行波信号为干扰信号，图5所示的下行波信号是用来分析桩底隐患的信号，利用VSP(vertical seismic profiling垂直地震剖面法)法中的反褶积、偏移叠加或者偏移成像数据处理和解译算法来实现桩底隐患信息反演，形成桩底下方隐蔽地层结构的反射层面显示或构造成像，根据反射信号的振幅、频率、相位变化特征来识别桩底隐患的性质状态。如图6所示中的亮点(极大值)反映了桩底本身的反射界面以及下覆地层中软弱体的存在，各个反射体表面与桩孔的中心轴线的夹角也得到反映。东南西北四个方位信号分别进行波场分离，提取四组来自桩底隐患的反射信号；四组信号既可以分别解释，也可以联合处理解释，对桩底隐患进行深度、方位确定，并根据反射信号的振幅、频率、相位变化特征分析隐患的性质状态。

实施例4：

如实施例1所述的探测装置和实施例3所述的探测方法，桩孔的桩径为1.50米，桩孔的深度为15米(采用冲击成孔)，未浇注前桩孔内充满泥浆液；在泥浆液面上敷设与桩径相当厚约5厘米的圆形海绵作为吸声装置，由4个水听器东、南、西、北关于桩轴线对称分布形成水听器面阵列，将4个水听器并联作为一路信号并接入地震勘探采集仪器(即多路同步地震仪)；在吸声装置下方3.0m深度、桩孔中心轴线上布设电火花震源的震源点，在震源点下方按照每50cm等深度间距垂直布置16个接收点，水听器面阵列垂直下放至每一个深度点时，利用电火花震源激发震源点，采集一个放炮记录。16个深度点分别采集完成后，获得一组由16个放炮记录形成的地震记录集合(即道集记录)，完成数据采集。将抽道集记录应用行波波场分离算法可以提取来自桩底隐患的行波信号，该信号利用VSP法(verticalseismic profiling垂直地震剖面法)中的反褶积、偏移叠加或者偏移成像数据处理和解译算法来实现桩底隐患信息反演，形成没有方位识别能力的桩底下方隐蔽地层结构的反射层面信息，根据反射信号的振幅、频率、相位的变化特征可以做出桩底隐患粗略的推断解释。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种桩基浇注前桩底隐患探查方法，其特征在于，具体过程如下：

步骤1)：桩基浇注前，在桩孔内液体表面以下以桩孔的中心轴线为中心横向阵列排布传感器，形成水平传感器面阵列；

步骤2)：在水平传感器面阵列下方，以桩孔的中心轴线为中心竖直阵列排布震源点，形成垂直阵列震源点；

步骤3)：通过震源发射信号，震源点发射地震波；

步骤4)：传感器接收地震波并将信号传输给多路同步地震仪；

步骤5)：多路同步地震仪接收信号完成数据采集。

2.根据权利要求1所述的探查方法，其特征在于，所述多路同步地震仪将接收的地震记录传输至计算机，通过计算机中软件对数据进行处理获得桩底隐患的相关情况；

所述计算机中软件对数据进行处理采用如下方式：利用地震勘探上、下行波分离算法分离或压制道集记录中的直达波干扰信号，提取来自桩底下方隐蔽地层结构反射上来的行波信号，根据缺陷反射行波信号的相关性进行偏移叠加运算，形成桩底下方隐蔽地层结构的反射信息，获取桩底下隐患深度位置和性质。

3.根据权利要求1所述的探查方法，其特征在于，所述震源发射信号采用依次从上向下或从下向上逐点发射，分次激发震源点发射地震波；

所述传感器以桩孔的中心轴线为对称中心环形对称布设形成一组水平传感器面阵列或等间距深度的多组水平传感器面阵列，实现传感器接收一组或等间距深度的多组地震波，表现为一次激发获得一至多道等间距深度点的记录；

所述水平传感器面阵列将接收的同一组水平传感器面阵列的记录组合成一组信号作为炮集记录、多个深度的炮集记录组合成等炮点个数的多组炮集记录一并存储在多路同步地震仪。

4.根据权利要求3所述的探查方法，其特征在于，所述多路同步地震仪接收多组炮集记录并传输给计算机，计算机处理软件抽取某个方位的传感器数据构成抽道集记录，并利用地震勘探上、下行波分离算法分离或压制抽道集记录中的直达波干扰信号，提取来自桩底下方隐蔽地层结构反射上来的下行波信号，根据缺陷反射下行波信号之间的相关性进行偏移叠加运算，形成桩底下方隐蔽地层结构的反射信息，获取桩底下隐患深度位置和性质。

5.根据权利要求1所述的探查方法，其特征在于，所述震源点之间为等间距或变化间距设置，以利于参与上、下行波分离和后续地震波场偏移运算。

6.根据权利要求1所述的探查方法，其特征在于，所述步骤3)中，震源发射信号前，在桩孔内的液体表面覆盖吸声装置。

7.根据权利要求1所述的探查方法，其特征在于，所述桩孔内没有泥浆或无法注水时，在桩孔的桩底的中心轴向竖直施钻炮孔，在炮孔中等间距竖直布设垂直阵列震源点，在桩底表面布设水平传感器面阵列。

8.一种桩基浇注前桩底隐患探查装置，其特征在于，包括桩孔、多路同步地震仪、震源，设置在桩孔中的传感器和震源点；

所述传感器以桩孔的中心轴线为中心横向陈列排布，通过信号电缆与多路同步地震仪连接；

所述震源用于在震源点处激发地震波；

所述震源点以桩孔的中心轴线为中心竖直阵列排布，通过信号电缆与震源连接；

所述震源与多路同步地震仪通过导线连接。

9.根据权利要求8所述的探查装置，其特征在于，所述桩孔内充满液体，所述液体为泥浆或水，所述桩孔内液体表面覆盖吸声装置；

所述震源点按等间距或变化间距竖直设置在传感器下方形成垂直阵列震源点；

所述传感器为水听器、速度传感器、加速度传感器、压电传感器、电容传感器、磁电式传感器或光学类传感器；

所述震源为电火花震源、机械震源或磁致伸缩震源；

所述传感器以桩孔的中心轴线为对称中心环形对称布设形成一组水平传感器面阵列或等间距深度的多组水平传感器面阵列；所述传感器采用串联、并联或串并联结合的形式进行安装；

所述多路同步地震仪为弹性波采集器。

10.根据权利要求8所述的探查装置，其特征在于，所述桩孔内没有泥浆或无法注水时，在桩孔的桩底中心轴向竖直施钻炮孔，在炮孔中等间距竖直布设垂直阵列震源点，在桩底表面布设水平传感器面阵列。