淺談工程物探在地質勘察中的應用

【摘要】工程物探在水文地質、工程地質勘察中越來越受重視。本文以某體育場工程為例，介紹地震勘探，電法勘探，縱、橫波速，卓越周期測定等物探方法在工程地質勘察中的應用效果。

【關鍵詞】工程地質；地震勘探；電法勘探；卓越周期

1.概況

在工程地質勘察中，斷層、裂隙、破碎帶直接危害工程的安全。此外，工程設計的施工方案、投資預算、建筑類型的劃分均需要了解地下構造情況及測定土基土（巖）層的縱、橫波速、場地卓越周期等物理參數(shù)。因此查明地下構造情況，進行地基土（巖）層的物理參數(shù)的測定是工程地質勘察的一項主要任務。

擬建某體育場是一座按國際標準設計的中型體育場，總建筑面積為32100m2，看上去中南北和東西軸長為231.2m和186.2m，工程主體2～3層，總高度為27m，平面為橢圓型，整體造型為東西高、南北低的對稱馬鞍型。

該場區(qū)內地表水發(fā)育，地形凹凸不平，起伏較大，高差為10.3m，地貌為渾河一級沖階地。地層上部為堆積的砂、礫層，局部有3～5m厚地回填土覆蓋在砂礫層上，下部為弱風化角閃片麻巖和混合花崗巖。

在初步設計階段提出的工程地質勘探任務是：

（1）判明場地及周圍有無影響建筑物穩(wěn)定性的不良地質現(xiàn)象（如斷層、破碎帶、古河道、古池塘、坑道等）并查明其產(chǎn)狀，及對擬建建筑物穩(wěn)定性影響做出評價。（2）查明場地各類土層的分布及第四第沉積厚度。（3）提供場區(qū)內各地基土（巖）層的物理參數(shù)。

根據(jù)堆積的砂、礫層與下伏基巖有著導電性及波阻抗等物性差異，考慮到部分地段砂、礫石出露地表導致接地電阻增大，不宜做電法勘察。故在砂礫石出露地表地段采用地震勘探方法，在回填地段采用電法勘探來查明不良地質構造創(chuàng)面理參數(shù)的測定。

2.工作方法及應用效果

（1）地震勘探。為了解場地的地質構造及下伏基巖深度變化情況，全區(qū)共布置了6條地震測線。因受場地條件限制剖面走向不完全一致，總體為南北向、東西向各3條。

①野外采用地震折射波法進行工人，每排列長69m，道間距3m，用地震獵槍在端點進行激發(fā)。（在異常地采用2次以上的激發(fā)，以保證異常的可靠性）為便 于對比，在測線兩側均增加了“追逐系統(tǒng)”。

使用儀器為日本“OYO”公司生產(chǎn)的MCSEIC—1600型24道工程地震儀。

（2）電法勘探。為了解剖場地的地質構造情況，全區(qū)共布置直流電法測線4條。由于受場地回填土限制，測線方向基本為東西向。

①每條電法剖面均采用聯(lián)合剖面裝置和電測深裝置。聯(lián)合剖面法采用A0=60m，MN=40m；A0=110m，MN=40m兩種電極距。點距均為10m。為克制地形影響，采用“比值法”進行改正。電測深法最大AB/2為55m，MN/2為0.5m。供電電壓為直流500V，供電電流大于500mA。

②在Ⅵ，Ⅶ剖面均有聯(lián)剖正交點出現(xiàn)，Ⅵ-Ⅵ′剖面正交點明顯，畸離帶較寬。在南北延長方向的Ⅱ，Ⅷ剖面無正交點反應，故推斷F2斷裂構造走向延長不大，斷裂帶寬較窄。電測深測定各剖面基巖深度在6.5～11.5之間，與鉆探控制深度吻合。

依據(jù)地震、電法資料綜合分析，查明全區(qū)共F1，F(xiàn)2兩條NE向斷裂構造，走向長150～200m，水平寬度2～3m，傾向NW，傾角75°～80°.基巖下20m深度范圍無軟弱下臥層存在?；鶐r深度在6.5～12m之間。

（3）縱、橫波速測定?？v、橫波速的測定近來來廣泛應用于國內外重點工程。在工程設計中，為評價地基土的承載力、穩(wěn)定性、液化以及地震設防等問題，通常都要測定反映巖土的動力特性及彈性力學指標的彈性模量E，剪切模量G，泊松比μ等參數(shù)。

理論和實踐表明：縱波反映了彈性體抗壓縮及伸變形特性，而橫波則反映彈性體抗剪切變形特征。測定出場地的縱、橫波速就可計算出場地的彈性力學指標，為劃分場地類別提供科學依據(jù)。

①縱、橫波速測定常用檢層法。它是一種在地面激振，在鉆孔中接收測量直達波的方法。測試儀器為長春地質學院研制的多功能地震儀，井下檢波器為哈爾濱力學研究所生產(chǎn)的井中三分量檢波器。

②波形鑒別。根據(jù)不同波速和皮形特征予以區(qū)別。給波速度比橫波速度高且為初至波，在一定深度后，縱波振幅較橫波小，頻率高、敲擊木板正、反兩端時，橫波波形相位差為180°，而縱波相位不變。

③波速計算。測點深度在10m以內時

Vs2=

測點深度大于10m時：Vs=

式中，H1—測點1的深度；H2—測點2的深度；t1—孔口地面至測點1間波的旅行時間；t2—孔口地面至測點2間波的旅行時間。

④由實測的各上層的橫波速度，根據(jù)經(jīng)驗公式計算出場地卓越周期為0.26s，與實測場地平均卓越周期相差0.09s，證明經(jīng)驗公式具有一定的實用性。

地面最大加速度的測定同卓越周期測定方法相同，區(qū)別在于地面加速度測定是測定加速度最大振幅值，而卓越周期測定是將加速度振幅值曲線進行頻譜分析，求出主頻后換算出卓越周期。

（4）卓越周期、地面加速度的測定

很多災害是由于場地、地基與工程設施的共振效應而引起的。軟土場地的塑性地基，堅硬場地的似基礎建筑的震害都可能比較嚴重，這種迫害大多數(shù)由于場地的卓越周期與工程設施自振周期所造成的。為了防止這類震害的出現(xiàn)，必須使工程設施的自振周期避開場地的卓越周期。

卓越周期一般通過以下2種方法獲得。

①波速法。當有橫波波速資料時，可用經(jīng)驗公式計算出場地的卓越周期。

②地脈動法。應用高靈敏度地震儀觀測店面脈動新號，將所測信號進行博里葉分析求得卓越周期。

測試儀器為長春地質學院研制的多功能測振儀，地面加速度傳感器為國家工程力學研究所研制的MJ型微加速度計。該觀測系統(tǒng)最小分辨率為10-7g。儀器具有低頻性好、靈敏度高和噪聲低的特點。

測量時加速度傳感器選在平坦地段，均按三分量（X，Y，Z）布設。地脈動信號通過（A/D）轉換器變成數(shù)字量存儲于磁盤中。為避免城市交通和外界震動等干擾，卓越周期測量選在夜深人靜時進行。

從卓越周期、波速測定的資料分析可得以下認識。

①回填土厚度較大地段，其卓越周期較長。

②該場地卓越周期的范圍在0.13-0.18s，平均卓越周期為0.17s。

③該場地覆蓋層厚度一般為12-14m，橫波速度加權平均值為317m/s。判定該場地土類型為中硬場地土，場地類別為II型。

3.結論

綜合分析上述資料，可得出如下結論。

（1）全區(qū)共有2條NE向斷裂構造，走向長150m～200m，水平寬度2～3m，傾向NW，傾角75°～80°.基巖深度在6.5～12m之間?；鶐r下20m深度范圍內無軟弱地層存在。經(jīng)鉆探驗證，推斷的F1斷裂構造，位置及規(guī)模與實際吻合。依據(jù)該斷裂的規(guī)模產(chǎn)狀認為對建筑物的特定影響很小。

（2）該場區(qū)卓越周期的范圍值為0.13～0.18s，平均卓越周期為0.17s。地面最大加速度范圍值為（6.6～15.3）×10-2m/s2，地面平均最大加速度āmax=1.4×10-2m/s2。

（3）由實測的縱、橫波速計算出各層地基土的動力參數(shù)判定該場地類別為Ⅱ類，場地土類型為中硬場地土。

通過某體育場這一工程勘察實例，證明在河濕灘地段應用地震勘探、電法勘探探測地下構造發(fā)育狀況，解決覆蓋層厚度及應用物資方法進行地基參數(shù)測定切實可行的。特別是在砂礫石出露地段應用地震勘探，克服了其他物探方法不宜施工的困難，且較其他方法有較高的精度和分辨度。

縱、橫波速度、卓越周期、地面最大加速度的測定，由于測試點較少及介質的不均勻性影響，導致數(shù)據(jù)的離散性較大，計算出的各地基土（巖）層的動力參數(shù)代表性稍差。