論數(shù)字化巖土工程勘察應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)

摘要:巖土工程研究的對(duì)象是巖體和土體。巖體在其形成和存在的整個(gè)地質(zhì)歷史過(guò)程中，經(jīng)受了各種復(fù)雜的地質(zhì)作用，因而有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境。而不同地區(qū)的不同類型的巖體，由于經(jīng)歷的地質(zhì)作用過(guò)程不同，其工程性質(zhì)往往具有很大的差別。巖石出露地表后，經(jīng)過(guò)風(fēng)化作用而形成土，它們或留存在原地，或經(jīng)過(guò)風(fēng)、水及冰川的剝蝕和搬運(yùn)作用在異地沉積形成土層。在各地質(zhì)時(shí)期各地區(qū)的風(fēng)化環(huán)境、搬運(yùn)和沉積的動(dòng)力學(xué)條件均存在差異性，因此土體不僅工程性質(zhì)復(fù)雜而且其性質(zhì)的區(qū)域性和個(gè)性很強(qiáng)。因此，本文在分析了傳統(tǒng)勘察技術(shù)的不足，并介紹了巖土工程數(shù)字化勘察技術(shù)，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析討論了數(shù)字化勘察技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞:巖土工程;數(shù)字化勘察;應(yīng)用方法

數(shù)字化巖土工程勘察是指應(yīng)用當(dāng)代測(cè)繪技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和CAD技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)及其軟件，把一個(gè)工程項(xiàng)目的所有信息(勘察、設(shè)計(jì)、進(jìn)度、計(jì)劃、變更等數(shù)據(jù))有機(jī)地集成起來(lái)，建立綜合的計(jì)算機(jī)輔助信息流程，使勘察設(shè)計(jì)的技術(shù)手段從手工方式向現(xiàn)代化CAD技術(shù)轉(zhuǎn)變，作到數(shù)據(jù)采集信息化、勘察資料處理數(shù)字化、硬件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、圖文處理自動(dòng)化，逐步形成和建立適應(yīng)多專業(yè)、多工種生產(chǎn)的高效益、高柔性、智能化的工程勘察設(shè)計(jì)體系。該技術(shù)體系用系統(tǒng)工程觀點(diǎn)，把勘察、設(shè)計(jì)的圖紙、圖像、表格、文字等以數(shù)字化形式存貯，供各專業(yè)設(shè)計(jì)使用。

一、勘察資料收集

1、勘探深度及勘探間距

基礎(chǔ)形式及結(jié)構(gòu)形式不同， 勘探深度不同。如: 一般5層～6層磚混結(jié)構(gòu)住宅， 勘探孔深15 m基本可滿足要求，而5層框架結(jié)構(gòu)商場(chǎng)由于柱網(wǎng)的柱荷載大， 基礎(chǔ)面積大甚至可能采用樁基， 則勘探孔深度15 m一般不夠。可依據(jù)原則為一般性鉆孔的勘察深度應(yīng)能控制主要受力層， 不應(yīng)小于5 m; 對(duì)高層建筑面言， 一般性勘察孔應(yīng)達(dá)到基底以下015倍～110倍的基礎(chǔ)寬度， 并深入穩(wěn)下分面的地層， 并滿足控制性鉆孔深度應(yīng)超過(guò)地基變形的計(jì)算深度。對(duì)于鉆孔間距除滿足巖土工程勘察規(guī)范GB5002122001要求外， 對(duì)于若采用端承型樁基礎(chǔ)， 若相鄰兩個(gè)勘察點(diǎn)揭露的樁端持力層層面坡度大于10%或持力層起伏較大、地層分布復(fù)雜時(shí)應(yīng)適當(dāng)加密鉆孔加以控制。

2、野外地層劃分

野外地層的正確劃分是室內(nèi)資料整理的關(guān)鍵因素， 對(duì)較大型的工程由于施工多采取多鉆機(jī)平行作業(yè)形式， 技術(shù)人員較多， 各勘探班組往往各行其事， 最后資料匯總后難以統(tǒng)一， 給室內(nèi)整理帶來(lái)很大困難。為避免這種間題應(yīng)將所有技術(shù)人員首先集中到一起共同勘探一至二個(gè)鉆孔， 統(tǒng)一編錄形式， 并派專人現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)勘探區(qū)域整體野外分層連線， 發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)研究處理。

3、 地下水位觀測(cè)

實(shí)際地下水位量測(cè)存在以下幾個(gè)間題: 第一， 應(yīng)同時(shí)觀測(cè)地下水位， 量測(cè)時(shí)間須在最后一個(gè)鉆孔施工24h后;第二， 地下水位觀測(cè)應(yīng)考慮周圍地下水開采情況的影響，若量測(cè)時(shí)間正好處于附近抽水井抽水下降漏斗時(shí)， 所量測(cè)到的地下水位肯定偏深; 第三， 水位量測(cè)應(yīng)與鉆孔座標(biāo)、標(biāo)高回測(cè)相結(jié)合。我們知道勘探孔口周圍地面實(shí)際不是一個(gè)水平面， 水位量測(cè)參照孔口位置不同， 水位埋深也不一樣， 因此而產(chǎn)生的誤差幾厘米是難以避免的， 這根本無(wú)法滿足按規(guī)范要求地下水位量測(cè)精度為±2 cm的要求， 也更無(wú)法測(cè)定地下水的正確流向。解決方法是孔口座標(biāo)、標(biāo)高回測(cè)同時(shí)以標(biāo)高回測(cè)時(shí)的孔口位置為準(zhǔn)向下量測(cè)地下水位深度。

二、數(shù)字化巖土工程勘察應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)探討

1、巖土工程數(shù)字化建模方法

巖土工程地質(zhì)建模的方法目前采用的主要有表面模型法，表面模型法(也叫數(shù)字表面模型)的歷史較早，它的基本內(nèi)容就是通過(guò)精確的表示出工程地質(zhì)體的外表面來(lái)表示均質(zhì)地質(zhì)體的建模方法，也是目前廣泛使用的建模方法。表面模型法的數(shù)據(jù)來(lái)源是通過(guò)測(cè)點(diǎn)獲得的一系列離散的測(cè)點(diǎn)資料，包括測(cè)點(diǎn)的幾何特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)，然后利用數(shù)據(jù)解釋結(jié)果重構(gòu)地質(zhì)體界面。可以抽象為把一系列同屬性的點(diǎn)按照一定的規(guī)則連接起來(lái)，構(gòu)成網(wǎng)狀曲面片，進(jìn)而確定整個(gè)地質(zhì)體的空間屬性，有很多方法用來(lái)表示表面，常用的方法主要有數(shù)學(xué)模型法和圖示模型法，本論文主要討論圖示模型法。常用的圖示模型法有邊界表示法、規(guī)則格網(wǎng)法、等值線法、不規(guī)則格網(wǎng)法等，其中不規(guī)則格網(wǎng)法是本系統(tǒng)選用的模型表示法，將做詳細(xì)分析討論。

不規(guī)則格網(wǎng)法(TIN)是將區(qū)域內(nèi)有限個(gè)點(diǎn)將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡(luò)。區(qū)域中任意點(diǎn)落在三角面的頂點(diǎn)、邊上或三角形內(nèi)，如果任意點(diǎn)不在頂點(diǎn)上，則該點(diǎn)的數(shù)字屬性值通常通過(guò)線性插值的方法得到(在邊上用邊的兩個(gè)頂點(diǎn)的高程，在三角形內(nèi)則用三個(gè)頂點(diǎn)的高程)，所以TIN是一個(gè)三維空間的分段線性模型，在整個(gè)區(qū)域內(nèi)連續(xù)但不可微。有許多種表達(dá)TIN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)方式，這里采用一個(gè)簡(jiǎn)單的記錄方式是:對(duì)于每一個(gè)三角形、邊和節(jié)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)記錄，三角形的記錄包括三個(gè)指向它三個(gè)邊的記錄的指針，邊的記錄有四個(gè)指針字段，包括兩個(gè)指向相鄰三角形記錄的指針和它的兩個(gè)頂點(diǎn)的記錄的指針;也可以直接對(duì)每個(gè)三角形記錄其頂點(diǎn)和相鄰三角形。每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括三個(gè)坐標(biāo)值的字段，分別存儲(chǔ)X，Y，Z坐標(biāo)。這種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:對(duì)于給定一個(gè)三角形，查詢其三個(gè)頂點(diǎn)屬性和相鄰三角形所用的時(shí)間是定長(zhǎng)的。它在沿直線計(jì)算地形剖面線時(shí)具有較高的效率，當(dāng)然可以在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加其它變化，以提高某些特殊運(yùn)算的效率。

2、數(shù)字化巖土勘察工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

基于GIS的巖土工程勘察涉及到的原始數(shù)據(jù)主要為地理信息方面的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源包括:

(1)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)這些數(shù)據(jù)主要包括:

①自然區(qū)劃圖。

該圖反映被研究區(qū)域的地理區(qū)劃、河流、道路、居民區(qū)、山川、公共設(shè)施等等自然地理信息。

②地形、地貌圖。

該圖反映被研究區(qū)域的自然地貌情況。

(2)巖土工程勘察數(shù)據(jù)這些數(shù)據(jù)主要包括:

所研究區(qū)域的工程地質(zhì)勘探資料。

經(jīng)過(guò)篩選、處理的各勘探點(diǎn)包括地理、環(huán)境、土的物理力學(xué)指標(biāo)在內(nèi)的所有信息。

各類建筑場(chǎng)地的地層信息，比如液化等級(jí)、液化指數(shù)、特征周期、年代、沉積相等。

結(jié)合上述分析，數(shù)字化巖土勘察工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以按以下幾個(gè)步驟實(shí)施構(gòu)建:

①巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)的概念模型設(shè)計(jì)。

巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)管理作為巖土工程勘察數(shù)字化系統(tǒng)的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作是一個(gè)數(shù)據(jù)密集、處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用問(wèn)題，為了能獲得反映信息世界的概念性數(shù)據(jù)模型，將與實(shí)體和聯(lián)系相關(guān)的功能與行為剝離出來(lái)，僅從現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)體的數(shù)據(jù)側(cè)面來(lái)建立模型即研究數(shù)據(jù)對(duì)象與屬性及其關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上建立相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)。

②數(shù)據(jù)庫(kù)建立實(shí)現(xiàn)。

巖土工程一體化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)有三類:用戶輸入的原始數(shù)據(jù)、系統(tǒng)生成的中間數(shù)據(jù)及最終數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)由測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)組成，而測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)又由測(cè)點(diǎn)幾何屬性數(shù)據(jù)(位置)和測(cè)點(diǎn)信息屬性數(shù)據(jù);中間數(shù)據(jù)包括根據(jù)原始數(shù)據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)生成的地層層面等值線模型、三維表面模型、剖面模型等，根據(jù)這些模型可以生成用戶需要的各種圖件，還可以進(jìn)行各種信息查詢操作;最終數(shù)據(jù)種類繁多，主要是根據(jù)用戶需要由中間數(shù)據(jù)生成，包括圖形資料和文檔資料(如地質(zhì)勘察報(bào)告等)。

對(duì)巖土工程勘察方法實(shí)施改進(jìn)，逐步過(guò)渡到數(shù)字化勘察技術(shù)，并推廣其廣泛應(yīng)用，這是勘察工程發(fā)展的必然趨勢(shì)，但是這其中還有一段很長(zhǎng)的路要走，不僅僅是因?yàn)槠渲羞€有一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題尚未完全攻克，而且我國(guó)目前在數(shù)字化勘察、勘探方面的專業(yè)人才也很匱乏，因此，必須加大數(shù)字化巖土工程勘察技術(shù)人才的培養(yǎng)，并加快該技術(shù)的研究應(yīng)用，以真正實(shí)現(xiàn)巖土工程的數(shù)字化勘察的廣泛應(yīng)用。