巖土工程地質(zhì)勘察中的原位測(cè)試技術(shù)分析

宋馬可

（江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院，江蘇 淮安）

引言

巖土勘察作業(yè)在施工、項(xiàng)目建設(shè)、土地資源開發(fā)等領(lǐng)域有著不可取代的重要地位，勘察時(shí)，通常采用的方法包括實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)法或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法，原位測(cè)試技術(shù)則是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法中的核心技術(shù)，通過(guò)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的科學(xué)運(yùn)用，可以在巖土勘察的過(guò)程中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土體的物理性質(zhì)及指標(biāo)有一個(gè)較為詳盡的認(rèn)識(shí)，在不影響巖土層基本性質(zhì)的前提下，得到并掌握更多的勘察成果，為后續(xù)工程的開展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。然而，由于現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)涉及的技術(shù)類型較多，因此，必須由專業(yè)的技術(shù)人員選擇合理的測(cè)試技術(shù)，才能最大限度地發(fā)揮其原位測(cè)試技術(shù)在巖土工程勘察中的優(yōu)勢(shì)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，很多現(xiàn)代技術(shù)都被運(yùn)用到了原位測(cè)試工作中，技術(shù)種類與測(cè)試方式也越來(lái)越多。雖然原位測(cè)試技術(shù)較傳統(tǒng)試驗(yàn)技術(shù)有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但在進(jìn)行技術(shù)推廣的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，其技術(shù)缺陷也較為顯著，主要包括以下三個(gè)方面。其一，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中涉及的應(yīng)力環(huán)境比較復(fù)雜，例如，當(dāng)試驗(yàn)?zāi)硞€(gè)參數(shù)時(shí)，勘探人員很難通過(guò)特定的方法直接測(cè)定某個(gè)指標(biāo)的具體數(shù)值，造成了試驗(yàn)建模過(guò)程的簡(jiǎn)化，使試驗(yàn)誤差增大[2]。其二，巖土體的載荷具有動(dòng)態(tài)性，現(xiàn)有的測(cè)試方法無(wú)法滿足實(shí)際工作要求。其三，原位測(cè)試技術(shù)的實(shí)際作業(yè)周期長(zhǎng)，成本高。為解決原位測(cè)試技術(shù)的現(xiàn)有缺陷，全面提高勘察質(zhì)量，本研究將在此次研究中，以某巖土工程項(xiàng)目為例，引進(jìn)原位測(cè)試技術(shù)，對(duì)工程地質(zhì)勘察的方法展開設(shè)計(jì)。旨在通過(guò)此次研究，為深化地質(zhì)勘察的綜合水平提供技術(shù)參考。

1 巖土工程地質(zhì)勘察中原位測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置

為滿足巖土工程勘察作業(yè)需求，設(shè)計(jì)方法前，進(jìn)行原位測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的布置，相關(guān)內(nèi)容如圖1 所示[3]。

圖1 巖土工程地質(zhì)勘察中的原位測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置

在上述圖1 所示內(nèi)容的基礎(chǔ)上，選擇地震波速度測(cè)定法，對(duì)該工程場(chǎng)地的土層進(jìn)行原位測(cè)試。測(cè)試裝置主要包括三個(gè)方面，分別為激振系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)和處理系統(tǒng)[4]?？紤]到地震儀集成了信號(hào)自動(dòng)增益技術(shù)、顯示技術(shù)與處理技術(shù)，因此，在進(jìn)行原位測(cè)試前的鉆孔作業(yè)時(shí)，要保證巖土工程鉆孔的垂直，有必要的情況下，還可以使用泥漿護(hù)壁或下套管的形式保護(hù)孔壁。

2 場(chǎng)地中地質(zhì)剖面劃分

為滿足檢測(cè)中相關(guān)工作的具體需求，進(jìn)行巖土工程勘察場(chǎng)地中地質(zhì)剖面的劃分。劃分前，將激勵(lì)板安放在靠近鉆孔（＜鉆孔1 m）的位置，在激勵(lì)板上放置＞400 kg 的重物，使激勵(lì)板能夠產(chǎn)生足夠的振動(dòng)載荷。在此基礎(chǔ)上，對(duì)三分量檢測(cè)器的各個(gè)信道進(jìn)行一致性、隔離等方面的檢查，以保證檢測(cè)器能夠正常工作。測(cè)試時(shí)，應(yīng)按照工程特點(diǎn)和地質(zhì)層狀條件，每下深1 m 布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，由下至上，根據(jù)工程場(chǎng)地實(shí)際情況與原位測(cè)試要求進(jìn)行。為了使測(cè)試場(chǎng)地底部形成對(duì)應(yīng)的剪切波，需要對(duì)激勵(lì)板的兩邊進(jìn)行敲擊[5]。完成上述處理后，為避免試驗(yàn)結(jié)果存在較大的偏差，需要在試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行再次觀測(cè)。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，將測(cè)量數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)分析軟件中，通過(guò)此種方式，得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。需要注意的是，在出現(xiàn)干擾影響很大的情形時(shí)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，而在干擾影響很小的時(shí)候，則可根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)，來(lái)判斷波第一次到達(dá)時(shí)的時(shí)間。根據(jù)不同深度下場(chǎng)地剪切波的到達(dá)時(shí)間，劃分地質(zhì)范圍。其中剪切波的波速計(jì)算公式如下。

式中：

vs表示場(chǎng)地剪切波的波速；

l 表示勘察地層深度；

m 表示剪切波的到達(dá)時(shí)間；

Δk 表示原狀土干擾因子。

根據(jù)vs的具體取值，劃分場(chǎng)地中地質(zhì)剖面，如vs較大，說(shuō)明場(chǎng)地剪切波的波速較大，波的傳播受影響較小，地層埋深較淺，以此類推。

3 變形模量與物理指標(biāo)測(cè)試

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，為排除勘察中原位測(cè)試技術(shù)中地質(zhì)結(jié)構(gòu)變形對(duì)勘察結(jié)果的影響，按照下述公式，參照無(wú)限體表面彈性理論，計(jì)算場(chǎng)地的變形模量。

式中：

E 表示原位測(cè)試中場(chǎng)地的變形模量；

ω表示巖土工程地質(zhì)勘察中的土體系數(shù)；

p 表示承壓板形狀系數(shù)；

d 表示土體泊松比；

s 表示土體對(duì)應(yīng)沉降。

在此基礎(chǔ)上，在現(xiàn)場(chǎng)使用旁壓試驗(yàn)的方式，確定地基土的具體參數(shù)，根據(jù)地基土參數(shù)，繪制對(duì)應(yīng)的Pvs曲線（P 表示地層初始水平應(yīng)力），根據(jù)P-vs曲線上的不同點(diǎn)位取值，可以確定地層或土體對(duì)應(yīng)的極限壓力、旁壓模量等參數(shù)，通過(guò)此種方式，掌握巖土工程對(duì)應(yīng)土體的物理指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)原位測(cè)試技術(shù)在工程項(xiàng)目勘察中的應(yīng)用。

4 實(shí)例應(yīng)用分析

完成上述設(shè)計(jì)后，為實(shí)現(xiàn)對(duì)該方法應(yīng)用效果的檢驗(yàn)，以某地區(qū)大型巖土工程項(xiàng)目為例，采用設(shè)計(jì)實(shí)例應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的方式，進(jìn)行此工程項(xiàng)目所在地的勘察?？辈烨埃瑢?duì)工程項(xiàng)目所在地的基本情況進(jìn)行分析，分析后發(fā)現(xiàn)，勘查區(qū)域?qū)?yīng)路段的大小河道交錯(cuò)縱橫，形成了一條縱橫交錯(cuò)的脈絡(luò)，部分路段魚塘遍布。線路總體方向?yàn)闁|、西向，屬于平原地區(qū)，在地區(qū)構(gòu)造上屬于斷陷區(qū)。浮山斷層是珠江三角洲斷陷區(qū)的主要構(gòu)造單元，其北界受斷陷區(qū)近東西向羅浮山斷層的控制。在其東西向分別有白妮- 沙灣、珠江口、西江等斷層，斷層在東西向均有明顯的差異，所有的斷層對(duì)巖土工程施工與勘察沒有任何影響。

此次勘察的線路有兩條，一條是推薦線，一條是對(duì)比線。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程地質(zhì)條件，選擇軟土發(fā)育較為連續(xù)推薦線以外的區(qū)域，開展原位測(cè)試，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，探討該區(qū)域軟土的賦存狀態(tài)和物理力學(xué)指標(biāo)。

采用鉆孔的方式，掌握工程地質(zhì)縱面斷面圖，得到區(qū)域中的軟土縱向展布分布特征，在其垂直方向上，可以將巖土的分布特征劃分為三層，不同軟土層特征如表1 所示。

表1 巖土工程地質(zhì)勘察區(qū)域?qū)?yīng)的軟土層特征分析

掌握勘察區(qū)域巖土工程地質(zhì)軟土層特征的基礎(chǔ)上，使用本研究設(shè)計(jì)的方法，進(jìn)行項(xiàng)目所在地的原位測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，先進(jìn)行巖土工程地質(zhì)勘察中原位測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置，根據(jù)測(cè)試需求，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中相關(guān)儀器設(shè)備技術(shù)參數(shù)的布置，具體內(nèi)容如表2 所示。

表2 原位測(cè)試中相關(guān)儀器設(shè)備技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)工程項(xiàng)目與所在地的實(shí)際情況，進(jìn)行場(chǎng)地中地質(zhì)剖面劃分，最后，通過(guò)變形模量與物理指標(biāo)計(jì)算，完成本研究設(shè)計(jì)方法在測(cè)試環(huán)境中的應(yīng)用。

為檢驗(yàn)此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用效果，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，安排技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行不同指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)比原位測(cè)試技術(shù)的地質(zhì)勘察結(jié)果與技術(shù)人員的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，將其作為檢驗(yàn)本研究方法應(yīng)用效果的關(guān)鍵指標(biāo)，以勘察中的I 層軟土地層為例，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 原位測(cè)試技術(shù)應(yīng)用效果分析

從表3 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用本研究方法進(jìn)行巖土工程地質(zhì)勘察，原位測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果與技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果存在一定的差異，但整體差異較小，不會(huì)對(duì)巖土工程地質(zhì)勘察結(jié)果造成影響。綜合上述結(jié)果可以證明，本研究設(shè)計(jì)的方法應(yīng)用效果良好，按照規(guī)范進(jìn)行巖土工程勘察中的原位測(cè)試工作，可以提高地質(zhì)勘察結(jié)果的真實(shí)性與可靠性。

結(jié)束語(yǔ)

勘察工作中，如采用原位測(cè)試技術(shù)，從具體操作過(guò)程層面分析，此項(xiàng)工作是在勘察現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的，因此能夠極大地減少總體測(cè)試所需時(shí)間，與室內(nèi)試驗(yàn)相比，此項(xiàng)測(cè)試技術(shù)的可行性更高，并且得到的測(cè)試結(jié)果也更準(zhǔn)確，應(yīng)用價(jià)值更高。在室內(nèi)測(cè)試過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室中各種環(huán)境因素都會(huì)對(duì)勘探結(jié)果產(chǎn)生影響，而采用野外原位測(cè)試技術(shù)，則可以有效地消除這些影響，從而確保高效、準(zhǔn)確地測(cè)試結(jié)果。為實(shí)現(xiàn)將此項(xiàng)技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域內(nèi)的推廣，本研究以某巖土工程項(xiàng)目為例，引進(jìn)原位測(cè)試技術(shù)，通過(guò)原位測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置、場(chǎng)地中地質(zhì)剖面劃分、變形模量與物理指標(biāo)計(jì)算，完成了工程地質(zhì)勘察方法的設(shè)計(jì)研究。在此基礎(chǔ)上，對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，合理應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)，可以提高地質(zhì)勘察結(jié)果的真實(shí)性與可靠性。