高密度電法在軟土地基勘察中的應用

韓曉東

(新疆新紀元公路設計有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

軟土地基具有強度低、可壓縮性大、吸水率高等典型特點，對土木工程的危害主要在于其有著很大的沉降量，在施加壓力后，軟土地基降深可達數(shù)十厘米，而且呈現(xiàn)不均勻下降[1]。我國新疆地區(qū)軟土地基分布廣泛且厚度較大，隨著公路建設事業(yè)的快速發(fā)展，軟土地基勘察和處理已成為重要議題之一。

1 工程概況

“土-和”高速公路(吐魯番-和田，編號G3012)位于新疆自治區(qū)境內，全長1 931 km，途經(jīng)庫爾勒、阿克蘇、阿圖什、喀什、和田，于2015年建成通車。其中阿克蘇段長度約為234 km，由于阿克蘇地區(qū)松軟土層發(fā)育廣泛，為保證地基承載力滿足施工要求，技術勘察人員結合以往地質資料，專門對該路段進行了詳細的地質勘察，并針對軟土地基的特點制訂了相應的處理加固方案。

2 軟土地基勘察要點及方案選取分析

2.1 軟土地基勘察要點及常見問題

2.1.1 軟土地基勘探要點分析

在日常公路軟土地基勘察工作中，應遵循以下要點：(1)軟土地基的成因類型、埋藏特征及分布規(guī)律，穩(wěn)定基巖的埋深和承載強度等；(2)軟土層的主要結構及對變形和強度的影響趨勢；(3)區(qū)域內是否存在暗塘、溝、穴等構造，以及各類構造的分布范圍及埋深；(4)軟土地基處理時(開挖、回填、支護、打樁等)對周邊土的應力狀態(tài)、承載強度、壓縮性的可能影響；(5)根據(jù)軟土的不同類型及復雜程度，應設計不同的勘察探點布置方案，間距過大影響準確度，過小則會加大勘察成本；(6)探點的深度設計不能只根據(jù)地基壓縮層深度確定，還要考慮周邊地質條件、地層最大受載等；(7)為保證勘察精確性，需使用不同的方法進行檢驗[2]。

2.1.2 軟土地基勘探工作常見問題分析

通過總結大量經(jīng)驗，目前軟土地基勘察工作的常見問題有以下幾個：(1)勘察詳細度不夠，影響結果可靠性，導致公路投入使用后出現(xiàn)開裂、不均勻沉降；(2)未考慮土體之間的相互影響，整體承載力較差，被施壓后地基剪切破壞嚴重，造成大規(guī)模返工；(3)軟土地基處理措施不合理，承載力無法滿足施工要求[3]。

2.2 軟土地基勘察方案分析

目前軟土地基的常用勘察技術包括鉆探法和物探法，其中物探法中以“高密度電法”應用最為廣泛。這兩種主流勘察方法的優(yōu)缺點對比見表1[4]。

表1 鉆探法和高密度電法勘察技術對比分析表

綜合分析，本項目為高速公路項目，對地基承載力要求相對較低，且周邊區(qū)域地質資料相對充裕，因此專家組決定采用“高密度電法”對該項目路段可能存在的軟土地基區(qū)域進行詳細勘察，并采用小型鉆探設備對其結果進行檢驗，以保證結果的準確度。

3 高密度電法勘察技術的應用分析

3.1 高密度電法勘察原理

高密度電法全稱為高密度電阻率法，是一種陣列勘探方法。技術原理是根據(jù)地基中各類地層的電磁學性質不同(導電性、導磁性等)，通過在被測地面插入數(shù)十上百根電極，由專業(yè)儀器控制電極之間的釋放和接收電流電信號來自動測定各地層面的分布情況[5]。電極的轉換開關及信息采集均由儀器自動完成，智能化程度很高(見圖1)。

圖1 高密度電法勘察現(xiàn)場及原理圖

結合其他勘查項目，穩(wěn)定基層和松軟基層電阻率差別很明顯，一般密度越大，其電阻率也越大。通過對阿克蘇地區(qū)勘察試驗，總結出該區(qū)域軟土分布區(qū)各地層電阻率，具體見表2。

表2 阿克蘇地區(qū)軟土分布區(qū)各地層電阻率參考值表

3.2 高密度電法的具體應用分析

(1)所用儀器及性能指標

本項目采用DUK-2型高密度電法測量系統(tǒng)，主要組成為DZD-6型多功能直流電法儀和60道多路轉換開關。該勘察系統(tǒng)的主要技術指標如表3所示[6]。

表3 DUK-2型高密度電法測量系統(tǒng)性能指標表

(2)測點設計和布置

由高密度電法探測原理可知：要想完整探測一定深度地層，必須探測陣列規(guī)模與埋深呈一定比例后才可以。通過理論計算和大量試驗得出：當采用二級裝置探測時，勘察深度h和測點布置直徑d的比應<7/1；當采用二級裝置探測時，該比例應<3/1。

結合區(qū)域地質資料和前期鉆探，本項目測深范圍在15～20 m，二級裝置探測數(shù)據(jù)精度足夠本項目使用。在設計測點位置時，按照20 m探測深度布置，測點采用5×5陣列形式，測點縱橫間距均為2.0 m，周邊無水體或山體，因此不用考慮該類因素影響。測點布置方案如圖2所示(局部)。

圖2 測點位置設計(局部)示意圖

在安置測點時應注意以下幾個問題：為保證測點傳感器牢固，要求挖坑掩埋(≥20 cm)；為了保護傳感器受損，可以利用防水膠布和塑料膜對其進行包扎；傳感器連線不能錯位，測量前要做檢測試驗；傳感器插在地面時應保證其垂直度，誤差不得超過±5°；測點埋設完成后技術人員應對間距進行核實。

(3)勘察結果分析

由圖3的勘察結果可知：地層由上到下其電阻率逐步增加，說明地層密度也在增加。結合鉆探結果，該路段黃色區(qū)域及以下地層承載力可完全滿足“土-和”高速公路相關要求，可以從圖中明顯得出每個斷面需要處理的軟土層厚度。分析可知：圖3上穩(wěn)定地層埋深約18 m；中穩(wěn)定地層埋深約23.5 m；下穩(wěn)定地層埋深約19.5 m。利用鉆探法進行檢驗，高密度電法探測出穩(wěn)定層埋深誤差在0.1 m以下，完全滿足后續(xù)軟土層加固施工要求，因此取得了很好的效果。

圖3 高密度電法勘察結果示意圖

4 結語

高密度電法技術在當前工程地質勘察工作中應用廣泛，在應用時技術人員應全面掌握現(xiàn)場情況，若存在水體、山體等影響因素，需要設計和調整系統(tǒng)參數(shù)，因此對其業(yè)務素質要求很高。本項目應用高密度電法的準確率達到95%以上，按照該探測數(shù)據(jù)處理軟土后公路結構完好，沒有出現(xiàn)斷裂及下沉現(xiàn)象，說明穩(wěn)定基層并沒有出現(xiàn)下沉。

[1]嚴加永，孟貴祥，呂慶田，等.高密度電法的進展與展望[J].物探與化探，2012，36(4)：576-584.

[2]楊振威，嚴加永，劉 彥，等.高密度電阻率法研究進展[J].地質與勘探，2012，48(5)：969-978.

[3]蔡 斌.高密度電法模型研究與工程應用[D].長春：吉林大學，2011.

[4]黃佳坤，劉宏岳，林朝旭，等.高密度電法在水底隧道工程勘察中的應用研究[J].工程勘察，2013，41(9)：84-89.

[5]林朝旭.水域高密度電法在工程勘察中的應用探討[C].全國工程物探與巖土工程測試學術交流會論文集，2011.

[6]彭大志.關于工程勘察應用高密度電法的探究[J].山東工業(yè)技術，2016(5)：122-122.