工程与环境地球物理创新型开放性实验设计

薛 建， 黄 航， 梁文婧

(吉林大学 地球探测科学与技术学院,吉林 长春 130026)



工程与环境地球物理创新型开放性实验设计

薛 建， 黄 航， 梁文婧

(吉林大学 地球探测科学与技术学院,吉林 长春 130026)

工程与环境地球物理是一门应用性和动手能力都很强的学科，在学习过程中，只有课堂上的理论学习是远远不够的，需要通过实践才能真正理解和全面掌握。为了弥补课程实验数不足，解决缺少具有实际地质原型的实验场地等问题，以野外现场室内化，地质问题微型化的方式，推出多个创新型开放性实验，这些实验在加强学生的专业技能训练，培养学生的创新意识方面发挥了较大的作用。

创新型开放性实验； 地震波场认识； 隧道衬砌质量检测； 高密度电法； 基桩小应变动测

0 引 言

工程与环境地球物理学在教学的内容设置上，除了传统的专业知识教学外，更加注重方法技术的实践，和对新仪器、新方法技术的学习，如面波勘探，探地雷达，高密度电法等，这些都是近年来在工程与环境地球物理勘探中重要的新方法新技术，要全面地掌握这些方法技术，课堂上短暂的理论学习和一两节课程实验是不够的，需要通过更多的实践环节才能真正理解和全面掌握[1]。

开展工程与环境地球物理的探测实验，一方面要求有先进的仪器设备，另一方面要求有反映实际地质问题的实验场地。而缺少反映实际地质问题的实验场地，更加限制了实验的开展。为了解决上述问题，我们依托地球物理模型实验室的大型实验水槽和大型实验沙槽设施，和瞬态波形记录仪、网络分析仪、探地雷达、高密度直流电法仪等仪器设备，采用野外现场室内化，地质问题微型化的方式，先后推出了“典型构造地震波场超声波物理模型实验”、“沙槽埋设物探地雷达探测实验”、“高密度电法水槽模型实验”、“公路质量隐患探测实验”、“基桩小应变动测模拟实验”、“公路质量隐患探测实验”等创新型开放性实验。学生利用课余时间，3～5人一组，通过预约，在教师指导下自由选择和完成这些实验。在实验中，学生学会了仪器设备的操作使用、数据采集、数据处理和资料解释方法，系统地掌握了实验的全过程，巩固了课堂上学到的理论知识，强化了专业技能训练，培养了理论联系实际和独立分析、解决问题的能力,同时，也为学生今后从事该项研究打下了扎实的实践基础。以下讨论上述创新型开放性实验的设计与实现。

1 典型构造地震波场超声波物理模型实验

典型地质构造物理模型的超声波实验，是通过实验获得地震波场资料，利用地震勘探理论知识对地震波场进行合理的解释。该实验对地震勘探的课程学习有重要的帮助作用[2-3]。

实验的仪器由微机、瞬态波形记录仪、脉冲发生器、信号放大器和压电晶体换能器等仪器组成；实验的物理模型采用在100 cm×0.3 cm×30 cm的有机玻璃板上粘贴金属泊、钻孔等方式加工而成，模拟的地质构造有背斜、向斜、断层、台阶、孔洞、脉状、互层、楔形等，图1为构造模型示意图。

物理模型的观测采用自激自收和多次覆盖两种方式。实验时将物理模型平铺在工作台上，在模型与工作台之间铺垫软纸作为吸收材料，在模型的观测面(A-B)上涂凡士林保持模型和探头之间的良好耦合。实验时，按照设计好的观测系统，沿着观测面，手工移动发射探头和接收探头，逐炮逐道地采集实验数据，获得地震波场记录。

图1 案例形成框架图

实验的重点在于体验物理模型实验的数据采集过程，认识直达波、一次反射波、面波等在出现时间、频率、速度方面的差异，获得对地震波的感性认识；掌握地震勘探数据采集观测系统的意义和实现方法；对比物理模型，分析背斜构造时间剖面上波的发散现象，向斜构造时间剖面上波的聚焦现象，阶梯构造时间剖面上波的绕射现象，断裂构造时间剖面上同相轴错断和断点绕射现象[4-5]。

2 沙槽埋设物探地雷达探测实验

工程与环境地球物理教学中，探地雷达[6-7]的课堂教学只有几个学时，如果不配以足够的课外实验，课堂上学的知识很快会被忘掉。沙槽埋设物探测开放性实验为学习和掌握探地雷达的数据采集、数据处理和异常的分析解释方法创造了条件。

实验沙槽尺寸为10.0 m×2.0 m×1.2 m，槽内装满河砂，砂中埋有金属管线、非金属管线、直立放置的金属板、倾斜放置的塑料板和夯土墙体。

实验时，在砂子表面沿着砂槽的长轴布置测线，使用SIR-3000探地雷达和900 MHz天线开展实验。在数据采集环节，训练学生正确操作仪器，合理设置数据采集参数；在数据处理环节，训练学生掌握探地雷达的数据处理过程，熟练地使用探地雷达数据处理软件。

实验的重点在于训练学生掌握各种目标体异常的形态特征、推断目标体的规模、埋深和属性[8-9]。图2给出了实验沙槽探测的目标体分布与雷达探测剖面图，图2(B)中A 、B、C、D为4个管线的异常，都是双曲线形状，但绕射波的能量不同，在同等埋深下，金属管线的绕射波能量较强；E为直立铁板的异常，绕射波能量强，在实验中我们给出铁板的埋深，用于计算电磁波在砂子中的传播速度；F为倾斜塑料板的异常，反射波同相轴呈倾斜状，塑料板的顶部呈绕射形状，反射和绕射波能量均较弱；G为粘土墙体的异常，双曲线形状，顶部较宽，绕射波能量较强。

(A) 沙槽内探测目标分布剖面图

(B) 探地雷达探测剖面图

3 隧道衬砌质量模拟检测实验

隧道衬砌质量检测是探地雷达的主要应用内容之一[10]，为了学习隧道衬砌质量检测方法，掌握各种质量缺陷的异常特点和对异常的分析解释[11]，在实验砂槽的墙壁上设计有加钢筋段、加厚段和空洞等异常体，模拟隧道衬砌的上的钢筋，衬砌的厚度变化和质量缺陷。

实验时，沿墙走向布置测线，使用SIR-3000探地雷达和900 MHz天线开展实验。数据采集结束后，进行滤波、反褶积等数据处理，消除空间干扰波见图3。图3(A)给出了隧道衬砌模拟检测的目标分布,图3(B)给出了雷达探测剖面图，图3(B)中A为钢筋的异常，为密集的绕射波，呈锯齿状排列；B为墙内的介质不密实异常,双曲线形状，绕射波能量较弱；C为墙体后面的空洞异常，双曲线形状，绕射波能量较强；D为加厚段，反射波同相轴发生错断，反射时间变大；E为墙内的空洞异常，双曲线形状，绕射能量较强。

(A) 探测目标分布

(B) 探地雷达探测剖面图

该实验是针对混凝土衬砌质量检测设计的，通过实验不仅可以学习隧道衬砌检测方面的专业知识，同时也对雷达剖面上的各种异常有了清楚的认识，为今后开展类似的研究工作打下了基础。

4 高密度电法水槽模型实验

高密度电法[12-13]实验是工程与环境地球物理的一项重要实验，然而由于缺少埋有已知地质目标的实验场地，简单的数据采集实验，无法让学生建立起地质目标与高密度图像间的内在关系，掌握不到高密度电法探测的精髓。为了改变这种状况，我们在一个尺寸为4 m×3.5 m×2.8 m的水槽内布置微电极，在微电极下方悬挂物理模型模拟地下地质体，在实验室内开展高密度电法实验。

物理模型有塑料管、塑料板、塑料球体和铜板等，用于模拟地下地层、空洞或断裂等高、低阻的地质体。通过改变模型的入水深度，模拟地质体埋深的变化。通过改变模型与水面的角度，模拟地质体倾角的变化。

实验仪器为DUK-2A型高密度电法测量系统，采用温纳剖面法测量。在数据采集时，根据图像上测点的变化体会温纳装置的跑极过程；数据采集完成后，采用专业反演软件进行电阻率反演，学习专业数据处理软件的使用；数据处理完成后，结合物理模型分析和解释高密度断面图。图4给出了入水4 cm与水面夹角约20°的塑料板的高密度电阻率反演剖面，在水平位置1.3 m处下方的高阻异常较好地反映出塑料板模型在水下的形态特征。

图4 倾斜塑料板的高密度电阻率反演剖面图

显然，通过对各种形态物理模型的高密度电法实验，可以掌握不同形态地下地质体的高密度电阻率图像特征，建立起地下地质体与电阻率异常的内在关系。

5 基桩小应变动测模拟实验

基桩小应变动测技术在生产实践中已经应用了数十年，在保证建筑物安全，防止工程事故上起到了重要的作用。然而在工程与环境地球物理教学中，由于缺少模型桩和实验场地，这项重要的实验难以在实验室内开展，造成了教学与实践相脱节，学生得不到应有的学习和训练。为了开展该项训练，我们使用尼龙棒模拟混凝土基桩，在实验室内开展基桩小应变动测技术的学习和实践。

基桩小应变动测模拟实验的仪器由微机、信号放大器、L4534A瞬态波形记录仪、压电晶体换能器(或加速度计)和小型手锤组成。也可以使用基桩动测分析仪开展实验。模型桩由Φ80 mm和Φ100 mm，长度1.6 m左右的尼龙棒，采用切割、钻孔等方式加工而成，类型有完整模型桩、扩颈模型桩、缩颈模型桩、离析模型桩和断裂模型桩。模型桩样图见图5所示。实验时采用凡士林将换能器粘贴到模型桩的顶部，采用手锤敲击激发弹性波，瞬态波形记录仪记录换能器接收到的震动信号并显示在微机屏幕上。

小应变基桩动测的资料解释是根据弹性波在一维体中传播的波动方程进行的，当弹性波沿法线入射时，在波阻抗界面上的反射系数为：

波阻抗界面上质点位移的大小和方向为：

式中，Ψλ为入射波位移的大小和方向。

图5 模型桩示意图

根据上述理论和大量的实践可知，完整桩的测试曲线规则，呈指数衰减，只有桩底反射波；扩颈桩的测试曲线不规则，有桩间反射波，桩间反射波初至与入射波相位相反；缩颈桩的测试曲线不规则，有桩间反射波，桩间反射波初至与入射波相位相同；断桩的测试曲线不规则，有桩间反射波，呈震荡衰减，无桩底反射波；离析桩的测试曲线不规则，有桩间反射，桩间反射波初至与入射波相位相同。部分模型桩的测试曲线见图6，其波形与理论及实际相吻合[14-16]，较好地反映了不同缺陷类型的波形特征。

(a) 完整模型桩

(b) 离析模型桩

(c) 断裂模型桩

(d) 缩颈模型桩

6 结 语

我们采用野外现场室内化，地质问题微型化的方式，先后推出了“典型构造地震波场超声波物理模型实验”、“沙槽埋设物探地雷达探测实验”、“隧道衬砌质量模拟检测实验”、“高密度电法水槽模型实验”、“基桩小应变动测模型实验”等创新型开放性实验。加工制作了多个目标体物理模型，将那些只有在野外才能开展的实验搬到实验室内来完成，解决了因缺少实验场地和地质目标而不能开展实验教学的实际问题。同时，这些开放性实验在设计上更加强调理论与实践相结合，强调实验的系统性和完整性，实现了由理论教学到生产实践之间的合理衔接，对工程与环境地球物理的学习起到了重要的帮助作用，促进了学生对专业技术系统而全面的掌握，拉近了理论教学与生产实践之间的距离，提高了学生的综合素质。

[1] 易 兵,薛 建,王元新,等.工程与环境地球物理课程改革与实践[J].实验技术与管理,2013,30(2):18-19.

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Design of Creative and Open Experiments for Engineering and Environmental Geophysics

XUEJian，HUANGHang，LIANGWen-jing

(Collage of Geoexploration Sci. & Tech., Jilin University, Changchun 130026， China)

Engineering and environmental geophysics is a strongly applied and practical discipline. The students not only need to learn the heories in the classroom but also need a lot of practice in the laboratory and fields. Based on the idea of the transfer of field work to the laboratory and the micromation of geological problem, the authors introduced several creative and open experiments to make up for the lack of experiments in the course, and solve the problems such as the lack of the experimental sites with the typical geological prototypes. These experiments play a very important role in strengthening professional skills and training the creative ability of students.

creative and open experiment; knowledge of seismic wave field; inspection of tunnel lining; high-density electrical resistivity method; small strain dynamic testing of piles

2014-09-01

薛 建(1958-),男,吉林榆树人,高级工程师,应用地球物理国家级实验教学示范中心副主任,主要从事地球物理模型实验及工程与环境地球物理方法技术研究。

Tel.：13069216370；E-mail：xuejian@jlu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2015)08-0186-04