工程物探技术在岩土工程中的应用

  一、前言

 

  近二十年来,工程物探技术取得了飞速的发展,集中体现在根据弹性波理论、电磁波理论和电学原理发展而来的各种工程物探技术。其主要有浅层地震反射波法、浅层地震折射波法与弹性波测井、面波法、多道瞬态面波法、多波地震映象法、高密度电法、地质雷达技术、TEM法、电磁波层析成象技术(CT)、桩基无损检测技术、地下管线探测技术等。这些新技术已被广泛应用于各行各业的工程建设项目上,解决了诸多以前用传统勘察方法无法解决的岩土工程技术难题。工程物探作为一种新的、有效勘探、检测手段被越来越多的岩土工程、设计人员所接受。 但是,各种工程物探方法的有效性决定于它对探测对象物性的适用性,物性条件的适用性越强,解决问题的可靠性越大,因此,为了有效地解决某些岩土工程复杂的技术难题,必须采用多种工程物探手段联合使用,互相补充、互相验证,即综合工程物探技术。

 

  二十多年来,众多工程物探技术发展的成熟程度不尽相同。在岩土工程专业方面应用最广泛的主要是由弹性波理论发展而来的面波勘探技术、多波地震映像技术、浅层地震反射波和折射波勘探技术、弹性波测井技术和弹性波无损检测技术,它们被广泛应用于岩土工程勘察、岩土工程治理和工程质量检测。

 

  二、工程物探技术在岩土工程中的应用

 

  1、岩土工程勘察 由于工程物探技术可以利用连续加密测点的资料从而获得连续的地质界面,因此能有效地解决传统钻探手段以点带面划分地质界面方法常带来的漏判、划分不准确等缺点,并且能有效地解决传统勘探手段难于解决的诸多岩土工程问题,如地下不明物体、洞穴、滑动面、软弱结构面、断层、破碎带等在地下的分布特征、形态、埋藏深度、位置。相对 传统的钻探方法,工程物探技术的使用受场地、地形条件的限制较少,具有节省时间、节省费用、勘探精度高等特点。合理地选择、运用工程物探技术与传统勘探手段相结合,无疑是在激烈的勘察市场竞争中制胜的法宝之一。

 

  在岩土工程勘察工作中应用最为广泛、发展最快的是弹性波技术。由于它是利用介质传递弹性波的特点来揭示地下物体界面,当地下物体的界面物性差异较大时,弹性波就会从运动学和动力学两个方面表现出异常来。例如:SWS工程勘察与工程检测仪,其成果可以绘制地下剪切波速度等值线图,清晰再现地下介质的物性。其次是电磁波技术和电法技术,其主要代表是地质雷达勘探方法和高密度电法。工程物探方法的适用范围和适用条件在国家标准《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)的有关条文和条文说明已有明确的规定,在此不一一赘述。

 

  采用弹性波速度测井技术和场地常时微动测试可以获得建设工程抗震设计、建设场地和地基地震效应评价所需的岩土动力参数和设计地震动参数,如动剪切模量、剪切波速、动泊松比、动弹性模量、卓越周期、结构自振周期等。他们是建筑场地的类别划分、地震作用和结构抗震验算的主要依据。

 

  2、岩土工程检测

 

  工程物探技术在岩土工程检测方面的主要作用是地基加固效果的质量检测、大坝的碾压密实度、路基的密实度、混凝土构件、基桩的质量检测和评价。常用的方法有瞬态面波法、地质雷达、弹性波速度测井等,主要通过弹性波速度和电磁波速度与原位测试试验值以及密实度之间建立相关关系,通过施工前后的检测结果进行对比分析。此外,根据弹性波和电磁波在介质中传递的速度变化可以对大坝及建构筑物等混凝土构件的裂缝进行检测,掌握裂缝状况和有关参数,判断对在建构筑物的危害程度及研究相应的补强措施。

 

  另外还可以检测混凝土路面、沥青路面、垫层的厚度等。 桩基无损检测是工程物探技术在建设工程施工质量控制应用最为广泛的一种重要技术手段。主要的测桩方法分为动力测桩法和声波测桩法两种,它是根据弹性波传递速度变化来判断砼质量、桩身缺陷和缺陷的位置、桩的施工长度和桩的形状等,具有成本低、速度快,适合大面积检测,并且可以随机抽样,而在国内外被广泛采用。

 

  三、工程物探资料的分析和解释

 

  工程物探数据的野外采集是工程物探工作的关键。如何把野外采集的有关数据通过内业的分析、计算、解释成工程地质资料对物探工程师来说更为重要。解释成果的正确与否直接影响到岩土工程师对岩土工程问题的分析、判断和处理方案的选择,事关工程的安全。这就需要物探工程师除了拥有深厚的本专业知识外,还要有丰富的岩土工程专业知识。

 

  工程物探资料的分析和解释,以弹性波勘探方法为例。首要的任务是分离和压制妨碍分辩有效波的干扰波,保留能够解决某一特定工程地质问题的有效波。从理论上说,可以通过硬件和软件来实现,但实际上分离和压制是有限度的,而干扰波的存在是永远的。物探工程师只有具有丰富的实践经验,才能在众多的测试数据中识别出干扰波和有效波,去伪存真,得到真实的解释成果。

 

  其次由于物探方法的多解性,因此,工程物探资料的分析、解释成果还必须与钻探、原位测试、室内试验成果等进行对比、验证。在对比中两者不一致的情况时有发生,对此要具体分析,关键是否做出正确解释,比如弹性波物探方法是根据弹性波在岩土体中的传播速度来划分地层界面。但是由于弹性波速度反映的是地层的力学性质,不同的地层可能具有不同的力学性质,也可能具有相同或相近的力学性质。当弹性波速度相同或相近,两个地层紧接在一起时,在解释上便可能出现同一速度层。出现这种情况并不可怕,怕的是由于其它干扰波的叠加、影响造成的假判、误判,造成解释成果出现较大的偏差。

 

  只有通过对比、验证、积累经验,才能促进分析、解释技术水平的提高。物探工程师对物探资料的解释、分析是借助岩土体力学性质变化特征去认识岩土体的内在本质,而岩土工程师是从地质学的角度、岩土体的外表特征去认识和判别岩土体的内在本质。 四、工程物探与岩土工程的关系 工程物探从学科上讲是一个独立的学科,但在工程勘察领域它是一种为岩土工程服务的综合应用技术。

 

  岩土工程师解决岩土工程问题,就好比医生给患者看病一样,通过表面的病情了解、观察,初步判断其病因,然后选择必要的检查手段,如血液、尿液常规检查、CT、X光透视、B超等,根据检验技术人员提供的检查结果,综合分析,最终确定病因或病灶位置,根据诊断结果,采取必要的治疗措施,达到为病人治病的目的。而物探工程师就好比上述提供检查手段和检查结果的技术人员。两者之间是一种相辅相成的关系。 岩土工程师需要物探工程师解决的岩土工程问题归纳有 以下几个方面:

 

  1、界面问题:主要有岩土体的界面划分,地质构造和软弱结构面的判定,以及不良地质体的地质界面等。

 

  2、形态问题:主要有不明地下物体、空洞,以及界面的分布形态、埋藏位置和埋藏深度等。

 

  3、参数问题:岩土工程勘察、设计所需的各种参数,如动力参数、卓越周期、结构自振周期、剪切波速等。

 

  4、施工质量检测:地基加固效果的对比、桩基检测、其它工程质量方面检测。 岩土工程师在接受工程勘察任务后,应根据勘察技术要求、地场岩土条件、需要解决的问题等,确定是否采用工程物探技术手段,确定之后应向物探工程师提出明确的勘察任务,即所需查明的目的层或目的物;物探工程师则应根据目的层和目的物的性质,结合测区的地质构造、地形地貌特征、地震地质条件等因素,选择可行的工程物探方法,然后进行测线设计和工作前的试验工作,确定最佳的采集装置,再正式开展工作。

 

  岩土工程师如何用好工程物探技术?物探工程师如何更好地为岩土工程服务?我们知道,任何一项技术都有它的适用性和局限性,只有了解它、认识它才能用好它,这就需要两个专业经常进行技术交流,知识互相渗透,并且通过工程实践,掌握对方的工作性质、目的、方法和特点,才能更好地服务于对方,达到共同提高、共同进步的目的。

 

  五、结束语

 

  1、工程物探技术经过二十多年的发展,已经从定性分 析逐渐发展到目前的半定量分析及定量分析,许多物探成果可以提供定量的岩土力学参数,直接应用于岩土工程设计、施工,可以并且应该被岩土工程师和结构工程师所接受。

 

  2、各种工程物探技术都有它的适用性与局限性,应根据被探测的目的层或目的物的埋深、规模及其与周边介质的物性差异,合理地选择一种或几种有效的工程物探方法。工程物探成果解释时应考虑其多解性,应区分有用信号与干扰信号。

 

  3、正式开展工程物探工作之前,应认真做好前期试验工作,认真做好对比研究,选择最佳的采集方案和最佳的采集装置,这是保证勘探成果质量的前提条件。

 

  4、工程物探成果应该通过与钻探、原位测试、试验成果进行对比、验证,并建立相对应的经验关系,从而建立起一系列定量分析、判断标准,使工程物探技术和成果更好地应用于岩土工程专业。