工程物探技術(shù)在巖土工程中的應用

  一、前言

 

  近二十年來(lái),工程物探技術(shù)取得了飛速的發(fā)展,集中體現在根據彈性波理論、電磁波理論和電學(xué)原理發(fā)展而來(lái)的各種工程物探技術(shù)。其主要有淺層地震反射波法、淺層地震折射波法與彈性波測井、面波法、多道瞬態(tài)面波法、多波地震映象法、高密度電法、地質(zhì)雷達技術(shù)、TEM法、電磁波層析成象技術(shù)(CT)、樁基無(wú)損檢測技術(shù)、地下管線(xiàn)探測技術(shù)等。這些新技術(shù)已被廣泛應用于各行各業(yè)的工程建設項目上,解決了諸多以前用傳統勘察方法無(wú)法解決的巖土工程技術(shù)難題。工程物探作為一種新的、有效勘探、檢測手段被越來(lái)越多的巖土工程、設計人員所接受。 但是,各種工程物探方法的有效性決定于它對探測對象物性的適用性,物性條件的適用性越強,解決問(wèn)題的可靠性越大,因此,為了有效地解決某些巖土工程復雜的技術(shù)難題,必須采用多種工程物探手段聯(lián)合使用,互相補充、互相驗證,即綜合工程物探技術(shù)。

 

  二十多年來(lái),眾多工程物探技術(shù)發(fā)展的成熟程度不盡相同。在巖土工程專(zhuān)業(yè)方面應用最廣泛的主要是由彈性波理論發(fā)展而來(lái)的面波勘探技術(shù)、多波地震映像技術(shù)、淺層地震反射波和折射波勘探技術(shù)、彈性波測井技術(shù)和彈性波無(wú)損檢測技術(shù),它們被廣泛應用于巖土工程勘察、巖土工程治理和工程質(zhì)量檢測。

 

  二、工程物探技術(shù)在巖土工程中的應用

 

  1、巖土工程勘察 由于工程物探技術(shù)可以利用連續加密測點(diǎn)的資料從而獲得連續的地質(zhì)界面,因此能有效地解決傳統鉆探手段以點(diǎn)帶面劃分地質(zhì)界面方法常帶來(lái)的漏判、劃分不準確等缺點(diǎn),并且能有效地解決傳統勘探手段難于解決的諸多巖土工程問(wèn)題,如地下不明物體、洞穴、滑動(dòng)面、軟弱結構面、斷層、破碎帶等在地下的分布特征、形態(tài)、埋藏深度、位置。相對 傳統的鉆探方法,工程物探技術(shù)的使用受場(chǎng)地、地形條件的限制較少,具有節省時(shí)間、節省費用、勘探精度高等特點(diǎn)。合理地選擇、運用工程物探技術(shù)與傳統勘探手段相結合,無(wú)疑是在激烈的勘察市場(chǎng)競爭中制勝的法寶之一。

 

  在巖土工程勘察工作中應用最為廣泛、發(fā)展最快的是彈性波技術(shù)。由于它是利用介質(zhì)傳遞彈性波的特點(diǎn)來(lái)揭示地下物體界面,當地下物體的界面物性差異較大時(shí),彈性波就會(huì )從運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面表現出異常來(lái)。例如:SWS工程勘察與工程檢測儀,其成果可以繪制地下剪切波速度等值線(xiàn)圖,清晰再現地下介質(zhì)的物性。其次是電磁波技術(shù)和電法技術(shù),其主要代表是地質(zhì)雷達勘探方法和高密度電法。工程物探方法的適用范圍和適用條件在國家標準《巖土工程勘察規范》(GB50021-2001)的有關(guān)條文和條文說(shuō)明已有明確的規定,在此不一一贅述。

 

  采用彈性波速度測井技術(shù)和場(chǎng)地常時(shí)微動(dòng)測試可以獲得建設工程抗震設計、建設場(chǎng)地和地基地震效應評價(jià)所需的巖土動(dòng)力參數和設計地震動(dòng)參數,如動(dòng)剪切模量、剪切波速、動(dòng)泊松比、動(dòng)彈性模量、卓越周期、結構自振周期等。他們是建筑場(chǎng)地的類(lèi)別劃分、地震作用和結構抗震驗算的主要依據。

 

  2、巖土工程檢測

 

  工程物探技術(shù)在巖土工程檢測方面的主要作用是地基加固效果的質(zhì)量檢測、大壩的碾壓密實(shí)度、路基的密實(shí)度、混凝土構件、基樁的質(zhì)量檢測和評價(jià)。常用的方法有瞬態(tài)面波法、地質(zhì)雷達、彈性波速度測井等,主要通過(guò)彈性波速度和電磁波速度與原位測試試驗值以及密實(shí)度之間建立相關(guān)關(guān)系,通過(guò)施工前后的檢測結果進(jìn)行對比分析。此外,根據彈性波和電磁波在介質(zhì)中傳遞的速度變化可以對大壩及建構筑物等混凝土構件的裂縫進(jìn)行檢測,掌握裂縫狀況和有關(guān)參數,判斷對在建構筑物的危害程度及研究相應的補強措施。

 

  另外還可以檢測混凝土路面、瀝青路面、墊層的厚度等。 樁基無(wú)損檢測是工程物探技術(shù)在建設工程施工質(zhì)量控制應用最為廣泛的一種重要技術(shù)手段。主要的測樁方法分為動(dòng)力測樁法和聲波測樁法兩種,它是根據彈性波傳遞速度變化來(lái)判斷砼質(zhì)量、樁身缺陷和缺陷的位置、樁的施工長(cháng)度和樁的形狀等,具有成本低、速度快,適合大面積檢測,并且可以隨機抽樣,而在國內外被廣泛采用。

 

  三、工程物探資料的分析和解釋

 

  工程物探數據的野外采集是工程物探工作的關(guān)鍵。如何把野外采集的有關(guān)數據通過(guò)內業(yè)的分析、計算、解釋成工程地質(zhì)資料對物探工程師來(lái)說(shuō)更為重要。解釋成果的正確與否直接影響到巖土工程師對巖土工程問(wèn)題的分析、判斷和處理方案的選擇,事關(guān)工程的安全。這就需要物探工程師除了擁有深厚的本專(zhuān)業(yè)知識外,還要有豐富的巖土工程專(zhuān)業(yè)知識。

 

  工程物探資料的分析和解釋,以彈性波勘探方法為例。首要的任務(wù)是分離和壓制妨礙分辯有效波的干擾波,保留能夠解決某一特定工程地質(zhì)問(wèn)題的有效波。從理論上說(shuō),可以通過(guò)硬件和軟件來(lái)實(shí)現,但實(shí)際上分離和壓制是有限度的,而干擾波的存在是永遠的。物探工程師只有具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗,才能在眾多的測試數據中識別出干擾波和有效波,去偽存真,得到真實(shí)的解釋成果。

 

  其次由于物探方法的多解性,因此,工程物探資料的分析、解釋成果還必須與鉆探、原位測試、室內試驗成果等進(jìn)行對比、驗證。在對比中兩者不一致的情況時(shí)有發(fā)生,對此要具體分析,關(guān)鍵是否做出正確解釋,比如彈性波物探方法是根據彈性波在巖土體中的傳播速度來(lái)劃分地層界面。但是由于彈性波速度反映的是地層的力學(xué)性質(zhì),不同的地層可能具有不同的力學(xué)性質(zhì),也可能具有相同或相近的力學(xué)性質(zhì)。當彈性波速度相同或相近,兩個(gè)地層緊接在一起時(shí),在解釋上便可能出現同一速度層。出現這種情況并不可怕,怕的是由于其它干擾波的疊加、影響造成的假判、誤判,造成解釋成果出現較大的偏差。

 

  只有通過(guò)對比、驗證、積累經(jīng)驗,才能促進(jìn)分析、解釋技術(shù)水平的提高。物探工程師對物探資料的解釋、分析是借助巖土體力學(xué)性質(zhì)變化特征去認識巖土體的內在本質(zhì),而巖土工程師是從地質(zhì)學(xué)的角度、巖土體的外表特征去認識和判別巖土體的內在本質(zhì)。 四、工程物探與巖土工程的關(guān)系 工程物探從學(xué)科上講是一個(gè)獨立的學(xué)科,但在工程勘察領(lǐng)域它是一種為巖土工程服務(wù)的綜合應用技術(shù)。

 

  巖土工程師解決巖土工程問(wèn)題,就好比醫生給患者看病一樣,通過(guò)表面的病情了解、觀(guān)察,初步判斷其病因,然后選擇必要的檢查手段,如血液、尿液常規檢查、CT、X光透視、B超等,根據檢驗技術(shù)人員提供的檢查結果,綜合分析,最終確定病因或病灶位置,根據診斷結果,采取必要的治療措施,達到為病人治病的目的。而物探工程師就好比上述提供檢查手段和檢查結果的技術(shù)人員。兩者之間是一種相輔相成的關(guān)系。 巖土工程師需要物探工程師解決的巖土工程問(wèn)題歸納有 以下幾個(gè)方面:

 

  1、界面問(wèn)題:主要有巖土體的界面劃分,地質(zhì)構造和軟弱結構面的判定,以及不良地質(zhì)體的地質(zhì)界面等。

 

  2、形態(tài)問(wèn)題:主要有不明地下物體、空洞,以及界面的分布形態(tài)、埋藏位置和埋藏深度等。

 

  3、參數問(wèn)題:巖土工程勘察、設計所需的各種參數,如動(dòng)力參數、卓越周期、結構自振周期、剪切波速等。

 

  4、施工質(zhì)量檢測:地基加固效果的對比、樁基檢測、其它工程質(zhì)量方面檢測。 巖土工程師在接受工程勘察任務(wù)后,應根據勘察技術(shù)要求、地場(chǎng)巖土條件、需要解決的問(wèn)題等,確定是否采用工程物探技術(shù)手段,確定之后應向物探工程師提出明確的勘察任務(wù),即所需查明的目的層或目的物;物探工程師則應根據目的層和目的物的性質(zhì),結合測區的地質(zhì)構造、地形地貌特征、地震地質(zhì)條件等因素,選擇可行的工程物探方法,然后進(jìn)行測線(xiàn)設計和工作前的試驗工作,確定最佳的采集裝置,再正式開(kāi)展工作。

 

  巖土工程師如何用好工程物探技術(shù)?物探工程師如何更好地為巖土工程服務(wù)?我們知道,任何一項技術(shù)都有它的適用性和局限性,只有了解它、認識它才能用好它,這就需要兩個(gè)專(zhuān)業(yè)經(jīng)常進(jìn)行技術(shù)交流,知識互相滲透,并且通過(guò)工程實(shí)踐,掌握對方的工作性質(zhì)、目的、方法和特點(diǎn),才能更好地服務(wù)于對方,達到共同提高、共同進(jìn)步的目的。

 

  五、結束語(yǔ)

 

  1、工程物探技術(shù)經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展,已經(jīng)從定性分 析逐漸發(fā)展到目前的半定量分析及定量分析,許多物探成果可以提供定量的巖土力學(xué)參數,直接應用于巖土工程設計、施工,可以并且應該被巖土工程師和結構工程師所接受。

 

  2、各種工程物探技術(shù)都有它的適用性與局限性,應根據被探測的目的層或目的物的埋深、規模及其與周邊介質(zhì)的物性差異,合理地選擇一種或幾種有效的工程物探方法。工程物探成果解釋時(shí)應考慮其多解性,應區分有用信號與干擾信號。

 

  3、正式開(kāi)展工程物探工作之前,應認真做好前期試驗工作,認真做好對比研究,選擇最佳的采集方案和最佳的采集裝置,這是保證勘探成果質(zhì)量的前提條件。

 

  4、工程物探成果應該通過(guò)與鉆探、原位測試、試驗成果進(jìn)行對比、驗證,并建立相對應的經(jīng)驗關(guān)系,從而建立起一系列定量分析、判斷標準,使工程物探技術(shù)和成果更好地應用于巖土工程專(zhuān)業(yè)。