Application of time-lapse cross-hole seismic full waveform inversion method in cement mixing pile detection

YaoHui LIU; Enhedelihai; YaPing HUANG; YunHuo ZHANG; Ping YANG

doi:10.6038/pg2024HH0529

Progress in Geophysics >

2024 , Vol. 39 >Issue 5: 2078 - 2089

DOI: https://doi.org/10.6038/pg2024HH0529

Application of time-lapse cross-hole seismic full waveform inversion method in cement mixing pile detection

YaoHui LIU ^,¹^,²^,³ ,
Enhedelihai ²^,⁴ ,
YaPing HUANG ¹ ,
YunHuo ZHANG ²^,⁵ ,
Ping YANG ³

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¹ School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221000, China
² Department of Civil and Environmental Engineering, National University of Singapore, Singapore 119077, Singapore
³ College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200082, China
⁴ College of Geo-Exploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China
⁵ Geotechnical and Tunnel Division, Land Transport Authority Singapore, Singapore 219428, Singapore

Received date: 2024-01-16

Online published: 2024-12-19

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Abstract

Cement mixing piles are common method of treating soft soil foundation in coastal areas. However, there are some problems in practical engineering, such as cutting corners and unstable pile quality. Current methods for detecting mixed piles are high cost, have a low sampling-ratio and can permanently damage the integrity of the pile body. Non-destructive and accurate detection methods are urgently needed. In this paper, three methods of time-lapse cross-hole full waveform inversion (separate inversion, continuous inversion and double difference inversion) are proposed by combining cross-hole seismic, full waveform inversion and time-lapse seismic exploration. These methods are applied to the expansion project of Singapore Changi Airport, and the detection effects of various methods are analyzed and compared. The test results show that the cross-hole wave velocity test is easily disturbed by the environment and it is difficult to reflect the actual range of the pile foundation. The background field has a certain influence on the resolution of full waveform inversion. Continuous inversion can effectively highlight the location and scope of the pile foundation and double difference inversion can further weaken the influence of background field on the basis of continuous inversion, so as to improve the imaging accuracy.

Key words： Full waveform inversion; Time-lapse geophysics; Cement mixing pile; Nondestructive testing; Cross-hole seismic

Cite this article

YaoHui LIU , Enhedelihai , YaPing HUANG , YunHuo ZHANG , Ping YANG . Application of time-lapse cross-hole seismic full waveform inversion method in cement mixing pile detection[J]. Progress in Geophysics, 2024 , 39(5) : 2078 -2089 . DOI: 10.6038/pg2024HH0529

0 引言

我国国土面积广阔，地表存在着各种成因的软土地层，其空隙率大，可压缩性强，致使地基力学性质较差、承载力较低，极易造成其上覆公路路面、机场跑道、建筑物等的变形沉降破坏(曹杰等, 2017).各种成因的软土地基为公路、机场、房屋等建设带来了严峻挑战，需对软土地基进行各类加固处理，以提高其承载力和整体稳定性.水泥搅拌桩是处理软土地基的常用方法，然而目前的水泥搅拌桩存在偷工减料、成桩质量不稳定等问题(陈龙等, 2023)，传统的检测手段精度有限且易对桩基造成破坏，因此，目前亟需精准、高效、无损的水泥搅拌桩检测方法.

全波形反演方法是地震勘探领域的一种常用成像方法，其通过计算地震波在地下传播的完整波形信息，反演地下介质物理属性(李冀蜀等, 2023; Krampe et al., 2019; Kwon et al., 2015; Rasht-Behesht et al., 2022).与传统反演成像方法相比，全波形反演利用了波形中的振幅、相位等信息，有效提升了反演成像的精度和分辨率，因而成为近年来地震勘探领域的研究热点(李燕梅等, 2022; He and Liu, 2020; da Costa et al., 2019). 崔永福等(2016)通过地震波全波形反演有效改善了火成岩下伏构造的成像精度，实现了缝洞型储层的准确探测. Tran等(2013)使用面波全波形反演方法探测了佛罗里达大学一处地下管涵的边界范围，证明了全波形反演方法在浅地表探测中的应用潜力. 刘耀徽等(2021)比较了多道面波分析法、微动法及全波形反演方法在地下岩石障碍物探测中的成像效果，研究结果表明面波全波形反演算法的成像精度远高于多道面波分析法及微动法.

时间推移地震勘探是石油天然气开采领域的常用方法，通过在油气田不同开采阶段开展地震资料的可重复性采集和一致性处理，利用不同批次资料间的差异分析储层变化规律，达到监测油气藏动态，指导下一步油气开发的目的(廖仪等, 2019; 陈筱等, 2023). 与传统地震勘探方法相比，时移地震勘探精度更高，对周围环境的抗干扰性更强(Fu and Innanen, 2022). Chen等(2008)分析了含油饱和度和有效压力变化对地震纵波和横波速度的影响机理，利用叠前时移地震信息监测了不同储层参数的动态变化规律. Egorov等(2017)使用时移地震勘探成功监测了1500 t二氧化碳在地下1500 m的封存状态.然而，目前的时移地震及全波形反演研究大多集中于石油、天然气等大尺度(数千米~数百千米)勘探领域，其在小尺寸(数米~数十米)的岩土工程领域的应用研究相对较少.另外，时移地震、跨孔地震及全波形反演三种方法的交叉研究也尚不多见.

新加坡樟宜机场扩建项目涉及大量软土地层，需使用水泥搅拌桩进行前期处理.为精准检测搅拌桩的成桩质量，本文将跨孔地震法、全波形反演方法和时移地震法相结合，提出三种时移跨孔全波形反演方法，并将其应用于现场试验，分析了新方法的可靠性.

1 工程背景与试验设计

1.1 水泥搅拌桩基本原理

软土地基处理的常用方法有换土垫层法、深层挤密法、强夯法、高压旋喷法以及深层搅拌法等.其中水泥土搅拌法因具有可以最大限度地利用原土，不产生附加沉降，对土无侧向挤压，工期短，造价低等优势而被广泛应用于软土地基处理中，比如基坑工程围护挡墙和防渗帷幕、竖向承载的复合地基、大体积水泥稳定土等(李国维等, 2019).

水泥土搅拌法是利用水泥(或石灰)等材料为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就将软土与固化剂(浆液或粉体)强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有一定强度和稳定性的水泥加固土，从而提高地基强度和增大变形模量(Sukontasukkul and Jamsawang, 2012).

水泥土搅拌施工可分为以下几步：钻机就位→预搅下沉→制备水泥浆→喷浆搅拌提升→重复搅拌下沉和提升→清洗→移位至下一根，如图 1所示.

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图1 水泥搅拌桩施工步骤示意图

Fig 1 Construction steps of cement mixing pile

水泥搅拌桩常用检测方法包括桩身取芯法、开挖检查法、轻便触探法、荷载试验法、动测法等方法.其中轻便触探法、动测法、荷载试验法通过间接方法判断桩身完整性及成桩质量，在很大程度上依赖以往经验，精度较差.桩身取芯法及开发检查法等方法直观有效，但是成本较高，同时可能对桩身完整性和承载力有一定破坏(Sun et al., 2020; 孙肇然, 2023).因此，目前亟需无损有效的搅拌桩检测方法.

1.2 工程背景

软弱黏性土层不仅是我国沿海地区广泛分布的不良地质土层，限制着我国沿海城市的建设发展，也是新加坡围海造陆工程的一大隐患.在新加坡樟宜机场扩建工程中，在冲填土地层中发现局部地区含有软弱黏土层，极易造成其上覆机场跑道、建筑物等的变形沉降破坏，严重危害工程建设安全.因此在进行机场建设前需使用水泥搅拌桩对对软黏土地基加固处理，并检测水泥搅拌桩的成桩效果.

1.3 水泥搅拌桩跨孔地震检测试验

为了验证跨孔地震在水泥搅拌桩检测中的应用效果，在新加坡工地附近开展了水泥搅拌桩检测大尺寸模型试验.在试验场地中设置了一处搅拌池(图 2a)，用于水泥搅拌桩的制作，搅拌池及其周边均为软土地层.由于新加坡处于热带地区，降雨量及蒸发量都较大，日常状态下搅拌池用覆盖层进行覆盖，以防水分蒸发，为搅拌工作带来困难(图 2b).本次试验所用搅拌机为新加坡国立大学自主研制的水泥桩搅拌机，如图 2c所示.

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图2 水泥搅拌桩检测现场试验

(a)湿润状态下的搅拌池; (b)搅拌池的日常维护; (c)自主研发搅拌机.

Fig 2 Field test of cement mixing pile detection

(a)Stirring pool in wet state; (b) Daily maintenance of mixing tank; (c) Independent research and development of mixer.

在注浆池附近布设了多个钻孔用于跨孔测量，本次试验选用其中间距为30 m的两个钻孔，钻孔及搅拌桩平面分布图如图 3a所示.跨孔地震试验所用震源及检波器数量为18，震源及检波器间距均为1 m，所用震源为机电控制震源(BIS-SH-DS)，通过瞬间释放高压空气激发地震波，所用检波器为三分量检波器，如图 3所示.另外，为了验证三维面波全波形反演的检测效果，在跨孔地震试验后曾尝试在搅拌池上方布置三维地震测线，然而因布线尺寸有限，检测效果不佳，本文不再展示相关成果.

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图3 跨孔地震试验

(a)平面布置图; (b)剖面图; (c)现场布设情况; (d)钻孔及搅拌池情况.

Fig 3 Cross-hole seismic test

(a) Plant view; (b) Sectional drawing; (c) Site layout; (d) Drilling and mixing pool situation.

在跨检测试验的两个月前，曾实施过一次搅拌桩注浆试验，但是由于当时所用浆液配比不佳，加之恰逢新加坡雨季，连续的暴雨使软土含水量激增，导致浆液注入后无法有效凝固，最终搅拌桩成桩失败.当时注入的水泥浆液并未取出，仍残留在搅拌池中，可能会对本次桩基检测产生一定影响.因此，在正式注浆搅拌前，利用跨孔地震对注浆前的地层情况开展了第一次探测.

注浆前探测完成后，开始制作水泥搅拌桩，搅拌桩的设计直径为600 mm，设计深度为10 m，依照上文图 1所述施工步骤进行成桩.成桩完成后静置7天，利用跨孔地震进行注浆后检测.处理所得地震数据，开展钻孔取样，验证跨孔地震成像精度.

2 时移地震全波形反演原理及处理流程

全波形反演算法使用了地震记录中绝大部分的有效信息, 可以通过利用全波场的信息有效提升成像精度, 尤其适合于数据量小、精度要求高的岩土工程探测.众多学者已在相关论述中对全波形反演进行了详细阐述(Feng et al., 2021; Tohti et al., 2022; Thiel et al., 2019)，其基本原理是基于波动方程正演模拟技术，通过将预测模型的正演地震数据与真实观测地震数据进行匹配，以数据残差最小化作为目标函数来反演地下介质的地球物理参数.全波形反演的具体流程如图 4所示(Liu et al., 2021)，其中弹性波的正演模拟可用式(1)~(5)的二维弹性波动方程计算(Virieux, 1984)：

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图4 全波形反演流程图

(a)分别反演; (b)连续反演; (c)双差法反演.

Fig 4 Flowchart of full waveform inversion

其中，V_x和V_z为颗粒速度，b为比密度，μ和λ为拉梅系数，τ_xx，τ_xz和τ_zz为剪应力.目标函数如式(6)所示，文本的全波形反演中使用预处理算子加快收敛速度，使用共轭梯度法更新介质参数，使用抛物线线性搜索法计算步长(刘耀徽等, 2021).式(6)为：

其中，u^syn是拟合波形，u^obs是观测波形，s_r是震源，x_r是检波器，T是总时间.

时间推移地震是指在油气藏的生产中，对同一区域在不同的时间进行重复地震勘探，通过分析所获得的地震响应差异，来获得储层中的参数变化情况(He et al., 2020; Li et al., 2021).在本文案例中，土体在浆液凝固过程中，物性会产生明显差异，虽然与油气开采在应用环境方面有较大区别，但基本原理相似，时移地震勘探的研究思路同样适用于水泥搅拌桩的动态检测.因此，在全波形反演算法的基础上，将其与时移地震相结合，总结了三种适用于水泥搅拌桩检测的时移全波形反演方法：分别反演、连续反演和双差法反演.

分别反演是指将注浆前的背景场数据和成桩后的检测数据分别进行反演，然后将两次反演所得结果作差，就可得到所求参数的差异，进而分析注浆前后的土体参数变化，如图 5a所示.

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图5 时移全波形反演流程图

Fig 5 Full waveform inversion flowchart

(a) Separate inversion; (b) Continuous inversion; (c) Double difference inversion.

连续反演是将注浆前地震数据的反演结果作为注浆后地震数据反演的初始模型，然后开展全波形反演迭代，具体流程如图 5b所示.

双差法反演可以看作是在连续反演的方法上进行改进，该方法首先利用注浆前数据的反演结果作为初始模型，将注浆前后波形数据的差值和注浆前反演结果的正演数据进行合并，合并成为一组新的“观测数据”，并对此“观测数据”进行全波形反演.此举的目的是为了突出前后两次采集数据的实际差异，消除掉其他因素的干扰，具体流程如图 5c所示.

本文全波形反演算法所使用的迭代方法为共轭梯度法，所用模型尺寸为40 m×25 m，网格间距为0.2 m×0.2 m，衰减边界宽度2 m，为了减小周边工地施工的影响，提高信噪比，使用了从低频到高频的反演策略，其他反演参数设置可参考课题组前期研究成果(Liu et al., 2021, 2023).反演所使用初始模型为波速200 m/s的均匀模型，主要依据跨孔地震实测结果而定.使用分别反演、连续反演及双差法反演处理注浆前后的跨孔地震数据，并对结果进行分析对比.

3 现场试验结果分析

3.1 跨孔波速测试结果

跨孔波速测试是岩土工程无损检测领域的最常用方法之一，其基本原理是计算不同深度的水平传播的地震波所对应的传播速度，继而依据波速对地下情况进行判别.经过计算，水泥搅拌桩的跨孔波速结果如图 6所示.从图中可以看出，桩基的存在对波速有一定影响，但是影响非常有限，相较而言反而是残余浆液对波速有明显影响.这可能是因为桩基虽然深度范围(0~10 m)更大，但是其直径(0.6 m)较小，反演图像是二维的，但是地震波是在三维空间内传播，因此水平传播的地震波可能会“绕过”直径较小的桩基继续传播，继而造成波速变化不明显.相比之下，残余浆液虽然深度跨度较小，但是呈圆盘型分布，在对应深度范围内对波速的影响更为强烈，这也从侧面说明了跨孔波速测试对水泥搅拌桩的检测精度较差，且极易受到周围环境的影响.跨孔波速测试结果虽然对水泥搅拌桩的灵敏度较差，但是其计算便捷，可以为全波形反演的初始模型提供参考，有效减少迭代陷入局部最小值的概率.

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图6 跨孔波速测试结果

(a)注浆前反演结果; (b)注浆后反演结果; (c)注浆前后波速差异.

Fig 6 Results of cross-hole wave velocity test

3.2 分别反演结果

分别反演的结果如图 7所示，从图 7a中可以看出，使用全波形反演可以比较清晰得看出搅拌桩成桩前的背景场情况，即上次注浆失败后残留的浆液扩散范围.而直接对搅拌注浆后的地层进行成像的结果(图 7b)表明残留浆液对水泥搅拌桩的成像有一定的干扰作用，并导致反演结果中搅拌桩的整体轮廓相对模糊，不易辨认.图 7c为将注浆前后的波速进行相减后得到的波速差值分布图，从图中可以看出去通过这种方法可以有效去除背景场的影响，使桩基的形状和位置更加清晰.图 7c中非注浆区域数据差异几乎为零，说明两次采集数据的一致性很好，采集数据的差异几乎全部由浆液变化引起.

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图7 分别反演结果

Fig 7 Inversion results of separate inversion

(a) Results before grouting; (b) Results after grouting; (c) Wave velocity difference before and after grouting.

3.3 连续反演结果

连续反演的结果如图 8所示，从图中可以看出，相对于直接反演结果(图 7b)，连续反演中异常体和桩体都变得更加明显了，桩体与周围介质之间的区别更加明显，整体的形状和位置也更加清晰.这说明以注浆前的反演结果作为初始模型，可以使后续反演的迭代更集中于桩体本身所带来的波形差异，从而降低背景场的影响.

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图8 连续反演成像结果

Fig 8 Inversion results of continuous inversion

3.4 双差法反演结果

相较于连续反演结果(图 8)，双差法的反演结果(图 9)中浆液残余的影响更小，而桩体的精度和分辨率保持不变，说明就反演效果而言，双差法反演>连续反演>分别反演.在双差法反演结果中，桩体的深度范围为0~10 m，与实际结果较为一致.不过由于图像的显示问题，桩体的直径看起来略大于其真实直径(0.6 m).需要注意的是，本次试验中所选场地为人工回填软土，成分相对较为单一，而在实际工程中，软土地层成分更为复杂，不同深度软土波速差异更大，可能会对水泥搅拌桩的反演成像造成更为严重的干扰.因此，在实际工程中使用双差法、连续法等时移物探方法可能会展现更佳的应用效果，可以更有效地去除背景场干扰，提高搅拌桩成像精度.

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图9 双差法反演检测结果

Fig 9 Inversion results of double difference inversion

3.5 迭代误差分析

三种反演方法在迭代过程中的误差变化如图 10所示，图中的分别反演误差曲线指注浆后对地层进行的直接反演所得误差值，连续反演误差曲线为以注浆前反演结果为初始模型的第二次反演过程中的误差值，双差法反演误差曲线为“新观测数据”的反演误差变化值.一般而言，全波形反演的误差在很大程度上受到原始数据信噪比的影响，然而本次试验使用了从低频到高频的反演策略，另外连续反演和双差反演具有一定的消除环境干扰的作用，因此信噪比对试验结果影响不大.从图中可以看出，分别反演(直接反演)的初始相对误差最大，连续反演其次，双差法反演最低.而双差法的最终相对误差最小，其次为连续反演，分别反演(直接反演)的最终相对误差较大.上述结果也可以在一定程度上证明双差法反演的优越性.

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图10 相对误差变化曲线

Fig 10 Variation curve of relative error

4 结论

水泥搅拌桩的无损检测是软土地基处理领域的传统工程难题.本文将跨孔地震、全波形反演及时移地震相融合，提出了分别反演、连续反演及双差法反演三种时移跨孔地震全波形反演成像方法，并将其应用于新加坡樟宜机场扩建项目的水泥搅拌桩无损检测中.现场试验结果表明跨孔波速测试检测精度有限，极易受到周围环境影响.背景场对水泥搅拌桩的全波形反演成像分辨率有一定影响，依据分别反演处理流程，对注浆前后的反演结果求差可以在一定程度去除背景场的影响.相较于直接对搅拌注浆后的地层进行反演，连续反演可以凸显水泥搅拌桩的形状和位置，双差法反演则可以在连续反演的基础上进一步减小背景场的影响.东南亚地区遍布软土(回填土)，是我国一带一路建设的重要组成部分.本次时移跨孔地震全波形反演成像方法的研究结果，对于东南亚以及我国沿海软土地区的水泥搅拌桩的无损检测工作有重要指导意义.

感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！

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Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within

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0 引言

1 工程背景与试验设计

1.1 水泥搅拌桩基本原理

图1 水泥搅拌桩施工步骤示意图

1.2 工程背景

1.3 水泥搅拌桩跨孔地震检测试验

图2 水泥搅拌桩检测现场试验

图3 跨孔地震试验

2 时移地震全波形反演原理及处理流程

图4 全波形反演流程图

图5 时移全波形反演流程图

3 现场试验结果分析

3.1 跨孔波速测试结果

图6 跨孔波速测试结果

3.2 分别反演结果

图7 分别反演结果

3.3 连续反演结果

图8 连续反演成像结果

3.4 双差法反演结果

图9 双差法反演检测结果

3.5 迭代误差分析

图10 相对误差变化曲线

4 结论

References