探索研究復雜工程地質勘察中的新技術

彭 偉，徐 磊，徐陵陵

(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司)

1 引言

2 勘察軟土的地質技術重點

2.1 測試軟土的性能參數(shù)

正常情況下，先對軟土在僅受重力的情況下進行預固結處理，然后在不固結，不排水的條件下做三軸剪切應力試驗。這樣就提高了最終測試結果的精度，同時也對試驗參數(shù)有了更高的要求。試驗參數(shù)有初始固結壓力、回收彈性指數(shù)、壓縮比率、壓縮系數(shù)。對于固結系數(shù)可以通過試驗的方法測定，比如快速固結法。同樣也可以引進其他先進的科學技術，調高試驗效率。試驗過程中，在不同的勘察階段對不同的巖土工程所采取的測試方法是不一樣的?？傮w來說試驗類別可歸納為根據(jù)以往經(jīng)驗推算結果、觀測原型后向后推測分析、對原位的測試、在室內進行的土工試驗等。試驗過程中的初始條件要盡量和現(xiàn)實情況相吻合，比如應變條件、應力變化速率、排水條件以及起始應力條件。

2.2 原位測試和鉆探取樣要相互結合起來

鑒于軟土地質的復雜工況，在這些地區(qū)用原位測試試驗替代很多可以替代的鉆孔。這樣不僅可以提高勘探的效率，而且能減短試驗勘察周期，減少鉆探取樣的工作量?？碧街羞M行原位測試時要用十字板剪切和靜力接觸試驗相結合的手段。在軟土這樣的復雜地區(qū)采取靜力接觸是很有效率的試驗方法，雖然標準的貫入式試驗在軟土這樣的復雜勘探地質上不適用，但對于軟土地質中的硬性土質和砂土層卻是有效的。勘探過程中時常會遇上埋在地質下面的溝穴和池塘，針對這種情況則需要采用動力接觸的方法進行操作。在巖土工程劃分地質圖層中鉆探是其最重要最關鍵的環(huán)節(jié)，通常來說在軟土層進行取樣操作都是采取薄壁取土器靜壓法，在取樣一直到試驗的整個過程中，必須要保證樣本的完好無損。這包括使樣本不被擾動、形狀變形以及樣本中水分的流失等等因素。取樣過程中用標準貫入器取樣法對細砂層取樣，同時要挑選具有代表性的地段和巖層用薄壁取土器取出三件以上的原狀砂樣，再把樣品拿到實驗室進行顆粒分析及粘粒含量測定。

2.3 底層勘探深度的確定和勘探地點的分布

工程人員為了確定勘探地點的深度要根據(jù)當?shù)氐牡刭|構造條件、不同建筑的建筑類型及其特點、可能的基礎類型等參數(shù)來確定，而不是教科書式的按照地基壓縮法來計算。同時工作人員還要考慮到將來可能的地基處理方案，綜合各方因素最后確定勘探深度。

工程人員在進行勘探地點的安排時應該根據(jù)地質構造的不同特征以及當?shù)氐鼗膹碗s程度做出不同的勘探地點分布方案，整體上對勘探地點的控制區(qū)域不宜超出30 m的范圍。

2.4 陸地的測量和調研

為了完成陸地的測量和調研，工程人員要完成的任務有很多，首選是分析軟土分布地區(qū)的地貌、地形以及底層沉積這三個重點之間的關系。其次是弄清軟土層內部土質的成因類型、土壤質地的分布范圍以及底層基地的性質。此外工作人員還要知道軟土層的厚度、埋藏深度以及軟土層和上下土層之間的性質關系。最后要得出底層之下水的性質、水的埋藏深度以及這些水是如何流入又如何流出的。由于在地面存在已經(jīng)建成的建筑物，這對地基會產(chǎn)生一定的應力作用，所以工程人員還要分析這樣的應力強度的大小以及應力強度對底層變形的影響，然后給出合理的改善措施。

3 復雜土質的工程地質特性

(1)雜填土，按照雜填土的成分分類的話，雜填土可分為工業(yè)垃圾、建筑垃圾和生活垃圾。也就是說雜填土就是人類生活過程中因為各項事業(yè)而產(chǎn)生的垃圾物。其特征是構成成分復雜，大小不均，土質空隙很大，土質疏松且密度很不均勻等等。

(2)膨脹土，膨脹土的重要特征是有很大的膨脹特性，即一般情況下可以膨脹很大也可以收縮得很小，而且膨脹和收縮之間是可以互換的，可逆的。它在遇到水的情況下能夠膨脹很大，失去水后又能收縮的一種塑性很高的特殊土質。

動物疫病監(jiān)測通常由疫病預防控制機構組織開展，是對動物疫病進行風險評估的重要方法。通過動物疫病監(jiān)測工作能使相關部門制定相應的防疫策略，并對疫病的消滅方法進行指導[1]。另外，可以使我國相關部門根據(jù)疫病的具體情況權衡利弊，選擇一種損失較小的處理方式，以對動物疫病進行有效的預防和控制。

(3)飽和粉土、粉細砂，飽和粉細砂、飽和粉土是在經(jīng)歷漫長的第四世紀時期而慢慢的沉積下來的土質。此土質的特性是土質結構很松軟，在靜力載荷條件下可以有很大的變形量，但在振動載荷加載的情況下，土質中的超孔隙壓力會在一定時期突然升高，最后使土壤顆粒間的有用壓力值降低很大一部分，這時土壤顆粒會處在懸浮的狀態(tài)，這使得土壤被液化，最終有可能會讓土質結構產(chǎn)生沉陷而失去承載能力。由于這一點，工程人員都會對液化層的分布范圍、飽和粉細砂以及飽和粉土的液化做最大程度的調查。

(4)軟弱粘性土，軟弱粘性土的特征是土質的含水量很高、沉降過程中穩(wěn)定時間較長且變形大、承載能力低、滲透系數(shù)小、壓縮系數(shù)高、抗剪強度低以及孔隙比大。軟弱粘性土第四世紀中后期開始形成的是三角洲相、瀉湖相、湖沼相和海相構成的沉積物。

(5)濕陷性黃土，根據(jù)濕陷性黃土受力情況可以把它分為自重和非自重濕陷性黃土兩類。它有多鈣質結核、垂直節(jié)理發(fā)育、大孔隙結構、疏松以及質地均一性，濕陷性黃土是由風積的一種顏色呈黃色的堆積物，土質在地球引力應力或地球引力應力和其他應力組合作用的情況下，一旦遇到水后土質結構會迅速被破壞掉，最終使得土質下沉甚至瓦解。

4 新技術在復雜地質工程勘察中的應用

4.1 三維GIS技術

工程勘探上主要把GIS技術分為以下幾個方面。

首先是三維空間分析，三維空間分析指的是三維布爾操作，也就是常說的差、并、交、切割斷面等，還有就是三維計算，包括距離、計算體積、方向、表面積等。

其次是三維對象管理，三維對象管理是建立在三維數(shù)據(jù)基礎上的三維對象變化、三維對象模型可視化選擇與查詢以及三維對象建模。

最后是三維數(shù)據(jù)管理，三維數(shù)據(jù)管理的主要內容包括三維坐標轉換、數(shù)據(jù)基本分析、其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)的轉換、人庫數(shù)據(jù)的有效整合和查詢以及三維數(shù)據(jù)錄入等。

4.2 靜力觸探技術

從工程操作人員的反饋信息來看，靜力觸探測試的穩(wěn)定性很好，而且最后數(shù)據(jù)的精確度很高，用這一方法求土的物理力學性質是完全可以行得通的。根據(jù)靜力觸探和室內試驗、鉆探和其它原位測試技術對比，可得出如下一些經(jīng)驗關系式。

(1)求一般黏性土與砂土地基的承截能力

根據(jù)旁壓試驗與靜力觸探和載荷試驗對比資料，可以得到以下的方程

一般黏性土地基承截力

砂土地基承力

式中：Nk的取值范圍為15～20。

(2)求軟土的某些物理力學性質指標

軟土地基承載力

靈敏度

不排水剪切強度

式中：qC為錐頭阻力;CU為軟土不排水抗剪強度。

4.3 二維效果地電影像技術

高精度二維地電影像技術的核心原理是電磁理論。電磁理論從19世紀發(fā)展到現(xiàn)在已有一百多年的歷史，根據(jù)電磁場理論，在電阻率為無限半空間的地球表面，如有一點電源A，其電流強度為+I，那么在距點A為γAM點的電位為

從公式可以看到，一般像上述情況的各項性質相同，電性分布均勻并且為各向同性質的無限半空間的地球表面的一個點電源。它的電位分布圖，如圖1可以描述為一個以地面點電源為中心位置的，與距該點距離成反比的同圓心的半球體。

圖1 均勻半空間電源電場圖

以上結論的前提是地面以下的電阻率是均勻值，當這個前提條件不存在時，比如說其電阻率是根據(jù)位置而變化的話，這一變化的電阻率必定要對地面的電源點A的電場產(chǎn)生很強烈的干擾作用，最后使得點電源的電場分布產(chǎn)生變形，而不是圖1所示的那么均勻，而是在圖1的基礎上再疊加一個干擾電場，最終結果是非均勻且無規(guī)律的。

二維效果地電影像技術正是利用了以上的理論，在希望探測的地點附近布置好相應的探測系統(tǒng)裝置，通過這些裝置再觀測到電流歸一化的電位純擾值，最后利用這些數(shù)據(jù)，通過數(shù)值模擬的方法仿真出地表以下電阻率的分布規(guī)律。當?shù)玫竭@些電阻率后，就可以用電阻率的分布規(guī)律反算出該地區(qū)的地質構造特征了。

5 結語

為了解決勘探復雜工程地質的實際問題，經(jīng)過科學技術人員的努力探索，最后探索出了比較有突破的技術即三維GIS技術，靜力觸探技術，二維效果地電影像技術。三維GIS技術則不同以往的二維技術，三維的GIS技術能夠把整個空間都布滿，其核心是借鑒了人們的眼睛對不同觀察點觀看效果不同的模仿，從而使得三維效果更加具有實體性。觸探的理論知識是比較復雜的，現(xiàn)在還沒有哪位科學人員能夠很精確的解釋出這個原理。而高精度二維地電影像技術的核心原理是電磁理論。通過這些技術的更新，我們的工業(yè)水平也必定可以提到一個新的高度。

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［1］吳言軍，陳愛新.淺析山區(qū)公路隧道的工程地質勘察操作［A］.第二屆全國巖土與工程學術大會論文集(上冊)［C］，2006.

［2］吳健生，朱谷昌，曾新平，等.三維GIS技術在固體礦產(chǎn)勘探和開發(fā)中的研究與應用［J］.地質與勘探，2004，(1).

［3］肖林萍，趙玉光.復合型滑坡體系統(tǒng)的工程地質勘察及其穩(wěn)定性分析［A］.2002年中國西北部重大工程地質問題論壇論文集［C］，2002