探索研究复杂工程地质勘察中的新技术

彭 伟，徐 磊，徐陵陵

(长江勘测规划设计研究有限责任公司)

1 引言

2 勘察软土的地质技术重点

2.1 测试软土的性能参数

正常情况下，先对软土在仅受重力的情况下进行预固结处理，然后在不固结，不排水的条件下做三轴剪切应力试验。这样就提高了最终测试结果的精度，同时也对试验参数有了更高的要求。试验参数有初始固结压力、回收弹性指数、压缩比率、压缩系数。对于固结系数可以通过试验的方法测定，比如快速固结法。同样也可以引进其他先进的科学技术，调高试验效率。试验过程中，在不同的勘察阶段对不同的岩土工程所采取的测试方法是不一样的。总体来说试验类别可归纳为根据以往经验推算结果、观测原型后向后推测分析、对原位的测试、在室内进行的土工试验等。试验过程中的初始条件要尽量和现实情况相吻合，比如应变条件、应力变化速率、排水条件以及起始应力条件。

2.2 原位测试和钻探取样要相互结合起来

鉴于软土地质的复杂工况，在这些地区用原位测试试验替代很多可以替代的钻孔。这样不仅可以提高勘探的效率，而且能减短试验勘察周期，减少钻探取样的工作量。勘探中进行原位测试时要用十字板剪切和静力接触试验相结合的手段。在软土这样的复杂地区采取静力接触是很有效率的试验方法，虽然标准的贯入式试验在软土这样的复杂勘探地质上不适用，但对于软土地质中的硬性土质和砂土层却是有效的。勘探过程中时常会遇上埋在地质下面的沟穴和池塘，针对这种情况则需要采用动力接触的方法进行操作。在岩土工程划分地质图层中钻探是其最重要最关键的环节，通常来说在软土层进行取样操作都是采取薄壁取土器静压法，在取样一直到试验的整个过程中，必须要保证样本的完好无损。这包括使样本不被扰动、形状变形以及样本中水分的流失等等因素。取样过程中用标准贯入器取样法对细砂层取样，同时要挑选具有代表性的地段和岩层用薄壁取土器取出三件以上的原状砂样，再把样品拿到实验室进行颗粒分析及粘粒含量测定。

2.3 底层勘探深度的确定和勘探地点的分布

工程人员为了确定勘探地点的深度要根据当地的地质构造条件、不同建筑的建筑类型及其特点、可能的基础类型等参数来确定，而不是教科书式的按照地基压缩法来计算。同时工作人员还要考虑到将来可能的地基处理方案，综合各方因素最后确定勘探深度。

工程人员在进行勘探地点的安排时应该根据地质构造的不同特征以及当地地基的复杂程度做出不同的勘探地点分布方案，整体上对勘探地点的控制区域不宜超出30 m的范围。

2.4 陆地的测量和调研

为了完成陆地的测量和调研，工程人员要完成的任务有很多，首选是分析软土分布地区的地貌、地形以及底层沉积这三个重点之间的关系。其次是弄清软土层内部土质的成因类型、土壤质地的分布范围以及底层基地的性质。此外工作人员还要知道软土层的厚度、埋藏深度以及软土层和上下土层之间的性质关系。最后要得出底层之下水的性质、水的埋藏深度以及这些水是如何流入又如何流出的。由于在地面存在已经建成的建筑物，这对地基会产生一定的应力作用，所以工程人员还要分析这样的应力强度的大小以及应力强度对底层变形的影响，然后给出合理的改善措施。

3 复杂土质的工程地质特性

(1)杂填土，按照杂填土的成分分类的话，杂填土可分为工业垃圾、建筑垃圾和生活垃圾。也就是说杂填土就是人类生活过程中因为各项事业而产生的垃圾物。其特征是构成成分复杂，大小不均，土质空隙很大，土质疏松且密度很不均匀等等。

(2)膨胀土，膨胀土的重要特征是有很大的膨胀特性，即一般情况下可以膨胀很大也可以收缩得很小，而且膨胀和收缩之间是可以互换的，可逆的。它在遇到水的情况下能够膨胀很大，失去水后又能收缩的一种塑性很高的特殊土质。

动物疫病监测通常由疫病预防控制机构组织开展，是对动物疫病进行风险评估的重要方法。通过动物疫病监测工作能使相关部门制定相应的防疫策略，并对疫病的消灭方法进行指导[1]。另外，可以使我国相关部门根据疫病的具体情况权衡利弊，选择一种损失较小的处理方式，以对动物疫病进行有效的预防和控制。

(3)饱和粉土、粉细砂，饱和粉细砂、饱和粉土是在经历漫长的第四世纪时期而慢慢的沉积下来的土质。此土质的特性是土质结构很松软，在静力载荷条件下可以有很大的变形量，但在振动载荷加载的情况下，土质中的超孔隙压力会在一定时期突然升高，最后使土壤颗粒间的有用压力值降低很大一部分，这时土壤颗粒会处在悬浮的状态，这使得土壤被液化，最终有可能会让土质结构产生沉陷而失去承载能力。由于这一点，工程人员都会对液化层的分布范围、饱和粉细砂以及饱和粉土的液化做最大程度的调查。

(4)软弱粘性土，软弱粘性土的特征是土质的含水量很高、沉降过程中稳定时间较长且变形大、承载能力低、渗透系数小、压缩系数高、抗剪强度低以及孔隙比大。软弱粘性土第四世纪中后期开始形成的是三角洲相、泻湖相、湖沼相和海相构成的沉积物。

(5)湿陷性黄土，根据湿陷性黄土受力情况可以把它分为自重和非自重湿陷性黄土两类。它有多钙质结核、垂直节理发育、大孔隙结构、疏松以及质地均一性，湿陷性黄土是由风积的一种颜色呈黄色的堆积物，土质在地球引力应力或地球引力应力和其他应力组合作用的情况下，一旦遇到水后土质结构会迅速被破坏掉，最终使得土质下沉甚至瓦解。

4 新技术在复杂地质工程勘察中的应用

4.1 三维GIS技术

工程勘探上主要把GIS技术分为以下几个方面。

首先是三维空间分析，三维空间分析指的是三维布尔操作，也就是常说的差、并、交、切割断面等，还有就是三维计算，包括距离、计算体积、方向、表面积等。

其次是三维对象管理，三维对象管理是建立在三维数据基础上的三维对象变化、三维对象模型可视化选择与查询以及三维对象建模。

最后是三维数据管理，三维数据管理的主要内容包括三维坐标转换、数据基本分析、其他系统数据的转换、人库数据的有效整合和查询以及三维数据录入等。

4.2 静力触探技术

从工程操作人员的反馈信息来看，静力触探测试的稳定性很好，而且最后数据的精确度很高，用这一方法求土的物理力学性质是完全可以行得通的。根据静力触探和室内试验、钻探和其它原位测试技术对比，可得出如下一些经验关系式。

(1)求一般黏性土与砂土地基的承截能力

根据旁压试验与静力触探和载荷试验对比资料，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的取值范围为15～20。

(2)求软土的某些物理力学性质指标

软土地基承载力

灵敏度

不排水剪切强度

式中：qC为锥头阻力;CU为软土不排水抗剪强度。

4.3 二维效果地电影像技术

高精度二维地电影像技术的核心原理是电磁理论。电磁理论从19世纪发展到现在已有一百多年的历史，根据电磁场理论，在电阻率为无限半空间的地球表面，如有一点电源A，其电流强度为+I，那么在距点A为γAM点的电位为

从公式可以看到，一般像上述情况的各项性质相同，电性分布均匀并且为各向同性质的无限半空间的地球表面的一个点电源。它的电位分布图，如图1可以描述为一个以地面点电源为中心位置的，与距该点距离成反比的同圆心的半球体。

图1 均匀半空间电源电场图

以上结论的前提是地面以下的电阻率是均匀值，当这个前提条件不存在时，比如说其电阻率是根据位置而变化的话，这一变化的电阻率必定要对地面的电源点A的电场产生很强烈的干扰作用，最后使得点电源的电场分布产生变形，而不是图1所示的那么均匀，而是在图1的基础上再叠加一个干扰电场，最终结果是非均匀且无规律的。

二维效果地电影像技术正是利用了以上的理论，在希望探测的地点附近布置好相应的探测系统装置，通过这些装置再观测到电流归一化的电位纯扰值，最后利用这些数据，通过数值模拟的方法仿真出地表以下电阻率的分布规律。当得到这些电阻率后，就可以用电阻率的分布规律反算出该地区的地质构造特征了。

5 结语

为了解决勘探复杂工程地质的实际问题，经过科学技术人员的努力探索，最后探索出了比较有突破的技术即三维GIS技术，静力触探技术，二维效果地电影像技术。三维GIS技术则不同以往的二维技术，三维的GIS技术能够把整个空间都布满，其核心是借鉴了人们的眼睛对不同观察点观看效果不同的模仿，从而使得三维效果更加具有实体性。触探的理论知识是比较复杂的，现在还没有哪位科学人员能够很精确的解释出这个原理。而高精度二维地电影像技术的核心原理是电磁理论。通过这些技术的更新，我们的工业水平也必定可以提到一个新的高度。

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［1］吴言军，陈爱新.浅析山区公路隧道的工程地质勘察操作［A］.第二届全国岩土与工程学术大会论文集(上册)［C］，2006.

［2］吴健生，朱谷昌，曾新平，等.三维GIS技术在固体矿产勘探和开发中的研究与应用［J］.地质与勘探，2004，(1).

［3］肖林萍，赵玉光.复合型滑坡体系统的工程地质勘察及其稳定性分析［A］.2002年中国西北部重大工程地质问题论坛论文集［C］，2002