地面物探在巖溶地基工程勘察中的應用

1、第24卷第4期中國巖溶2005年12月CARSOLOGICASINICA.24No.4VolDec.2005文章編號:1001-4810(2005)04-0338-06地面物探在巖溶地基工程勘察中的應用以桂林某花園綜合樓為例覃政教(,桂林)摘要:,存在土洞、軟土等工程隱患,很難一一查清這些隱患的分布特。但物探方法有多種,在選必須根據(jù)場地條件、探測目標、方法性能及工作成本等來綜合考慮,選擇適用的方法(或方法組合),才有可能取得令人滿意的探測效果。桂林某花園綜合樓地基主要以紅粘土為主,軟土、土洞發(fā)育,紅粘土之下,桂林組灰?guī)r表面起伏強烈,溶洞發(fā)育。根據(jù)場地地質特征及基坑開挖特點,本勘察采取淺層地震折

2、射、反射波法,并配合高密度電阻率測量,較好地查明了場地軟土和土洞的分布位置,為綜合樓的地基處理提供了可靠的地質依據(jù)。關鍵詞:軟土;土洞;巖溶地基;地震法;高密度電法中圖分類號:P319.1;TU446文獻標識碼:A0引言自上世紀七十年代初以來,我國的地球物理勘探工作者就開始對物探用于解決巖溶地區(qū)探測問題作過許多嘗試和攻關。經(jīng)過近四十年的努力,物探方法和技術取得很大發(fā)展,高密度地震映像法、陸地聲納法(屬地震方法的變型)、高密度電法、探地雷達、孔間超聲波CT、電磁波吸收CT、管波探測法在地質災害隱患、隱伏巖溶、工程結構體完整性探測等方面都取得了很大的成效。與此同時,還研制出了不少技術先進、功能優(yōu)良

3、、適用于巖溶物探的儀器和新的數(shù)據(jù)處理及解譯方法1。盡管如此,由于物探是通過儀器獲取地下物性差異的信息并成圖(像)來預測被探測介質體內(nèi)的目標的,方法使用的條件性較強,而且?guī)r溶地區(qū)情況異常復雜,不同的場地地質條件相差很大,物探使用的限制性更為明顯。因此,如何選取適宜的物探方法和如何做到對異常屬性的正確判定,是我們面臨并需要不斷深入研究的科學問題。本文以桂林某花園綜合樓的地基隱患為例,就常用的地面物探在巖溶工程勘查的應用及效果作一探討。1桂林某花園綜合樓工程概況桂林某花園綜合樓位于桂林市信義路與西鳳路交口的東南側,地貌屬于巖溶峰林平原區(qū)。場地東部寬為32.5m,西部為54.2m(圖1),基礎長78m

4、。建筑物高8層,屬 級建筑物。根據(jù)鉆探揭示,場地土層自上往下依次為:雜填土層:厚1.36.6m,分布于整個場地;硬塑紅粘土層21:厚0.413.5m,屬中等偏低壓縮性土,頂面埋深1.36.2m,除ZK5、ZK8兩孔缺失外,其余鉆孔均見有分布;可塑紅粘土層22:厚1.07.9m,頂面埋深41010.0m,屬中等壓縮性土,分布于大半場地;軟塑紅粘土層23:厚0.58.1m,頂面埋深3166.0m,屬高壓縮性土,僅見于ZK2、ZK3、ZK5等幾個鉆孔;流塑紅粘土層24:厚3.34.8m,頂面埋深4127.0m,屬高壓縮性土,僅見于ZK4、ZK7、ZK8、ZK13等幾個鉆孔;下伏基巖:為上泥盆統(tǒng)桂林組

5、灰?guī)r(D3g)?；鶐r埋第一作者簡介:覃政教(1955-),男,高級工程師,主要從事物探方法應用研究及巖溶工程地質災害危險性評估研究。收稿日期:2005-03-22第24卷第4期覃政教:地面物探在巖溶地基工程勘察中的應用339深相差較大,有溶溝(槽)、“鷹嘴巖”發(fā)育,鉆探時在少數(shù)幾個孔中見流塑紅粘土層,反映該場地地下水沿裂隙溶蝕通道活動強烈。該場地巖土工程勘察先后鉆探孔27個,并推斷出了軟土的分布范圍(圖1)。后來又作密集點距為2m的網(wǎng)格狀釬探,發(fā)現(xiàn)了一些軟土和土洞(圖2)。隨后圖1桂林某花園綜合樓工程勘察鉆孔位置及勘探成果平面圖Fig.1Locationofengineeringprospec

6、tingdrillingholeandplanemapofexplorationresultforthecomprehensivebuildinginagarden,Guilin1.鉆孔及編號;2.技術孔及編號;3.基礎設計基軸線及編號;4.鉆探勘察推斷的軟土分布區(qū)圖2釬探點布置及成果(據(jù)施工單位資料)Fig.2Locationfordrillsteelandexplorationresult中國巖溶2005年340進行墊層處理,但在基礎施工過程中,出現(xiàn)了直徑約2m的塌陷坑(照片1),而且所墊的幾立方米砂不知去向,工程不得不停工。為此設計部門建議對該場地進行物探補充勘查,要求探明基坑以下6m深

7、度范圍內(nèi)的地質情況,勘探重點為基坑內(nèi)已做砂墊層處理的軟土及土洞分布區(qū)。主,溶溝、溶洞探測以反射波法為主,此外還應配合高密度電阻率測量系統(tǒng)進行探測4。2.2工作方法2.2.1條件試驗由于物探進場時整個基坑開挖完畢,東部已做好墊層處理,西部正在進行土釘墻護壁施工的掃尾工作,因此,本物探以基坑底面作為工作面(照片2),工作現(xiàn)場的特點是低密度、使彈性波、電磁波嚴6m),余下的可塑,但硬塑、可,分布厚薄差異大,局部地段相距一兩米巖面高差可達數(shù)米,且有“埋藏石牙”、“鷹嘴巖”發(fā)育。鑒于這些因素,不能照搬過去針對層狀的一系列技術,必須針對場地條件來決定觀測方法和觀測程序。2方法選擇及工作方法2.1方法選擇從

8、形式上可歸為兩大類,。地阻率法、25的有CT技術(CT)、鉆孔波速測試、管波探測、大直徑樁孔底完整性探測等。這些方法各有優(yōu)缺點,每種方法都有一定的適用范圍、局限性和優(yōu)勢。選擇哪一種或哪幾種組合則需根據(jù)探測目的、場地條件、勘察階段和等級、工作成本及各方法的性能來綜合考慮,特別是場地條件,包括地層物性、層間速度變化模式、表層介質條件、探測目標體可能所處空間位置、大小及地面測線展開長度與所要探測的目標深度之間關系等。對于桂林某花園綜合樓工程物探方法的選用,設計部門曾向業(yè)主推薦探地雷達方法。探地雷達法是一種電磁測深技術,近年來發(fā)展較快,由于該方法的儀器設備幾乎全數(shù)字化,無論采用連續(xù)剖面測量還是采用逐點

9、測量方式,現(xiàn)場都可從監(jiān)測屏幕上直接看到比較形象的彩色剖面顯示,對于道路路基或路面檢測、水庫庫底及滲漏檢測、冰層厚度調查、地下管線測量等等能發(fā)揮很好作用。但是,由于探地雷達使用的是高頻段電磁信號,條件限制很多。前已述及,本場地軟、流塑土較發(fā)育,軟、流塑粘土具有一定的電流傳導性,對高頻產(chǎn)生較大的濾波效應,因此很難達到預定的探測深度要求;此外不均勻土體及其下部的“埋藏石牙”、“鷹嘴巖”等都會造成電磁波的波形畸變,很難在眾多的畸變波中辨別出有用的異常?？梢?探地雷達方法并不很適用于本場地。由于物探測線在基坑底面布置,相對于物探工作面基巖埋藏變淺(基坑開挖深度6m),基巖面折射波盲區(qū)也變小,對淺層地震折

10、射波法探測較為有利6。即當基巖面上部或土層內(nèi)發(fā)育有明顯的土洞,來自覆蓋層內(nèi)及基巖面的折射波,其動力學特征將會發(fā)生顯著變化,便于異常信息捕捉。在綜合各方條件的基礎上,筆者認為對該場地土洞的探測應以折射波法為照片1桂林某花園綜合樓地基M軸和2-1軸交點附近塌坑Phto.1Collapseatthejointoftwoaxes,Mand2-1,onthefoundationofthecomprehensivebuildinginagarden,Guilin照片2桂林某花園綜合樓地基施工現(xiàn)場Phto.2Thefoundationoftheconstructionsiteinthecomprehensi

11、vebuildinginagarden,Guilin第24卷第4期覃政教:地面物探在巖溶地基工程勘察中的應用341首先在縱橫向各選兩條具代表性的測線專做條件試驗,其目的是:淺層地震法了解各種信噪特點、最佳共偏移距的可變范圍、土層及基巖的視波速和高密度電法了解場地巖土層電性特征,以便選擇合適的裝置進行測量。2.2.2測線布置3結果與討論綜合所有的資料進行分析,并根據(jù)條件試驗已取得的有關參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理與解釋,本物探最終成果如圖3所示。由圖3可以看出,該建筑地基存在5處軟土分布區(qū)(編號A1A5,其中A1、A2、A3是必須要處理的)和8B1B8)。從電阻,233,一在對條件試驗結果和地質(鉆探)資料

12、、場地地面條件進行綜合分析之后,布置東西向測線12條,南北向測線19條,分別用淺層地震反射波法和高密度電法進行觀測,淺層地震反射波法檢波點距1m,高密度電法電極距依據(jù)各測線長度取0.51.0m的部位,),這些問題雖小,但如果不注意,信號保真度將會受到嚴重影響。34、A5等2處軟土分布區(qū)和8處次,一般為0.40.9m,軟土層頂板埋深最小0.6m最大1.55m;次軟土層頂板埋深最小0.5m最大1.2m。軟土的電阻率一般小于408m,受軟土影響地震折射波視波速小于1500m硬塑紅粘土層、可塑紅粘土層、軟塑紅粘土層、流塑s。圖3桂林某花園綜合樓工程勘察物探成果平面圖Fig3.Planemapofphy

13、sicalexplorationresultintheengineeringprospectingforacomprehensivebuildinginagarden,Guilin1.鉆孔及編號;2.技術孔及編號;3.基礎設計基軸線及編號;4.典型測線及樁號;5.塌陷坑;6.物探推斷的軟土分布區(qū);7.物探推斷的次軟土分布區(qū);8.物探推斷的巖溶發(fā)育帶紅粘土層之間沒有明顯的分界線,其中軟、流塑體在同一分布區(qū)厚度亦有差異。此外,根據(jù)物探資料可以推斷出場地西部和東部各有一條北東-南西向的巖溶發(fā)育帶,巖溶強烈發(fā)育已為地下水活動構成一條通道,因此這兩條巖溶發(fā)育帶也就是該場地巖溶地下水的強徑流帶,由于這兩條

14、帶特別是西部強徑流帶的影響,當水文條件變化時,常引起地下水位的反復升降,潛蝕作用逐漸掏空灰?guī)r面上的軟弱土體,形成土洞甚至誘發(fā)塌陷。前面所敘的M軸交2-1軸附近產(chǎn)生的塌陷(漏砂)即發(fā)育于場地東部強徑流帶的軸線上(圖3)。淺層地震反射波法采用小檢波點距滾動采集方式,可以得到多個等偏移距的波反射時間剖面,并檢中國巖溶2005年342出畸波目標,但要對這些目標進行比較準確的定位,還得結合別的方法來驗證,在此筆者以兩段剖面(平面位置見圖3)作一對比說明。圖4是南北向第30號測線的一段剖面淺層地震反射波與高密度電阻率法綜合對比解釋,由圖4可明顯看出,地震波波形發(fā)生畸變的位置,對應于高密度電阻率斷面圖也呈現(xiàn)

15、低阻(綠顏色);而電阻率斷面圖反映為高阻(紅顏色)的部位,地震反射波記錄也出現(xiàn)頻率增高、低頻同相軸減少的現(xiàn)象,兩種探測方法所利用的物性參數(shù)雖然各異,但其結果可以相互印證。圖5是東西向第3號測線綜合對比解釋,圖中,b),異常不明顯,發(fā)育有溶溝,(性。圖5淺層折射波法與高密度電法綜合對比解釋Fig.5Thecomprehensivecontrastexplanationbyseismicrefractionmethodandhighdensityresistivitysurveymethod本次物探成果除在平面圖上圈出軟土、次軟土分布區(qū)(圖3)和巖溶發(fā)育帶之外,還預測了A1、A2、A3各部位軟土層

16、頂板埋深。提交報告的當天,業(yè)主邀請設計、監(jiān)理、施工等單位的代表一起到現(xiàn)場,在物探推測并認為必須要進行加固處理的三塊軟土分布區(qū)內(nèi),隨意選點進行釬探驗證,并在軟土分布區(qū)外也隨意插了幾釬,結果是:只要釬位落入物探推測的軟土分布范圍內(nèi),都能插到軟土;而在軟土分布區(qū)外,怎么插,插多深都未遇軟土。就平面范圍而言,完全準確。但本次物探成果驗證中有少量釬探孔(約占軟土分布區(qū)圖4地震反射波法與高密度電法綜合對比解釋Fig.4Comprehensivecontrastexplanationbyseismicreflectionmethodandhighdensityresistivitysurveymethod總

17、驗證孔數(shù)的23%)始遇軟土的深度與物探預測的軟土層頂板埋深稍有出入,誤差最大為0.6m。分析認為其主要原因是表層土含水量差異導致電阻率背景值的變幅影響、也導致地震法激發(fā)條件不同所致。第24卷第4期覃政教:地面物探在巖溶地基工程勘察中的應用343集技術尚未能克服土層強大的低通濾波作用而使有4結語物探方法能否發(fā)揮其應有的效能,首先取決于物探人員對各種物探方法的原理及其適用范圍的正確了解,并能夠根據(jù)場地地質及工作環(huán)境條件選用合適的方法及設備,和緊密結合場地工程、水文地質條件進行資料處理與解釋。本實例的物探結果表明,采用淺層地震和高密度電阻率法組合可以能夠較好解決類似場地的巖溶隱患的探測問題,即對于異

18、常的平面位置,兩種方法都能比較準確地圈定;度位置,常相對單一的情況下出頂、,巖溶地區(qū)特別是淺覆蓋巖溶區(qū),“溶溝”、“埋藏石牙”、“鷹嘴巖”發(fā)育,這些“埋藏石牙”、“鷹嘴巖”也可能產(chǎn)生波的畸變,其與灰?guī)r體內(nèi)的巖溶異常(畸變波)的甄別,可根據(jù)精細折射波法(當覆蓋層厚度不大時)或適當極距的高密度電阻率法剖面資料來判別。目前,隱伏巖溶的勘查仍有許多難點,如數(shù)據(jù)采助于勘查的主頻難以提高,采集的數(shù)據(jù)分辨率也就難以有較大的提高。盡管在數(shù)據(jù)處理時可采取像小波比值法那樣的程序來提高信噪比,但仍然很難發(fā)現(xiàn)小到幾十厘米的不規(guī)則巖溶體。在原始記錄中如何識別和提取這種“小巖溶體”的信息,是今后還需不斷進行探索的問題。1

19、,M.,48.2軟弱地層探測的淺層地震勘探方法研究A.中國地球物理學會年刊C.地震出版社,2002:179.3劉曉東,張虎生,黃笑春,等.高密度電法在宜春市巖溶地質調查中的應用J.中國地質災害與防報,2002,13(1):72-75.4覃政教,陳滋康,盧呈杰,等.用淺層地震方法探測隱伏巖溶J.中國巖溶,1987,6(3):213223.5覃政教,鐘曉群,陳滋康,等.淺層地震反射法探測隱伏土、溶洞的初步效果J.中國巖溶,1992,11(1):5662.6陳滋康,覃政教,盧呈杰,等.地震勘探方法在巖溶地區(qū)的應用研究M.廣西師范大學出版社,1988:142.APPLICATIONOFTHEGROUN

20、DPHYSICALEXPLORATIONINKARSTFOUNDATIONENGINEERINGPROSPECTINGACaseStudyfromaComprehensiveBuildinginaGardenofGuilinQINZheng2jiao(InstituteofKarstGeology,CAGS,Guilin,Guangxi541004,China)Abstract:Thegeologicalconditionofengineeringfoundationinkarstregionisrelativelycomplicated.Hiddentroubles,suchassoilhole,softsoil,existintheengineeringfoundations.Normalgeologicprospectingmethods,limitedbythefunctionofitself,maynotbeusedtomakeclearlythosehiddentroubleseasily.However,groundphysicalexplorationisaneconomicalmeasure.Therearemanykindsofphysicalexplorationme