地球物理方法在工程地质探测中的应用-地球物理通论

15.1.1 工程地质研究内容

人类工程活动与地质环境间的相互关系，首先表现为地质环境对工程活动的制约作用。地球上现有的工程建筑物，都建造于地壳表层一定的地质环境中。地质环境包括地壳表层以及深部的地质条件，它们以一定的作用方式影响工程建筑物，如地震、滑坡等地质灾害。

人类的各种工程活动，又会反馈作用于地质环境，使自然地质条件发生变化，影响建筑物的稳定和正常使用，甚至威胁到人类的生活和生存环境。例如，滨海城市大量抽汲地下水所引起的地面沉降。

由此可见，人类的工程活动与地质环境之间处于既相互联系，又相互制约的矛盾之中。研究地质环境与人类工程活动之间的关系，促使两者之间的矛盾转化和解决，就成了工程地质学的基本任务。具体地说，工程地质勘查的主要任务是：

（1）阐明建筑地区的工程地质条件，并指出对建筑物有利和不利因素。

（2）论证建筑物所存在的工程地质问题，并进行定性和定量评价，得出确切结论。

（3）选择地质条件优良的建筑场地，并根据场地工程地质条件对建筑物配置提出建议。

（4）研究工程建筑物兴建后对地质环境的影响，预测其发展演化趋势，提出利用和保护地质环境的对策和措施。

（5）根据所选定地点的工程地质条件和存在的工程地质问题，提出有关建筑物类型、规模、结构和施工方法的合理建议，以及保证建筑物正常施工和使用应注意的地质要求。

（6）对工程质量进行检测，为改善工程质量的措施方案提供工程缺陷分析依据。

岩土工程在建筑过程中和建筑完成后的岩土工程质量检测，也是工程地质的重要研究内容之一，岩土工程检测是指利用室内（或现场）试验、原位测试、现场（原型）观测、工程物探、实体试验、工程测量、水文观测、水文地质试验或专用检测手段等其中的一种或几种技术方法，对建筑物本身或单一构件、岩土体或地基基础、边坡、滑坡等的变形、环境岩土工程问题或岩土工程施工进行检测，对岩土工程治理的质量、效果以及岩土工程事故进行检验、检测等各种有关试验检测工作的总称。

15.1.2 工程地质检测的主要问题和所使用的综合物探方法

根据工程地质研究内容，综合地球物理方法需解决以下几个问题，详见表15．1。

表15.1 综合物探方法选择参照表

（续表）

（续表）

（续表）

注：潘玉玲对本表作了部分修改、补充。

（1）查明覆盖层厚度及其变化、基岩面的起伏，测定覆盖层的物性参数，对覆盖层进行分层。

（2）查明风化层深度和划分风化带。

（3）探测隐伏构造、破碎带，追索断层。

（4）查明水文地质条件，测定水文地质参数。

（5）测定岩土体的物理力学参数。

（6）岩溶、洞穴、废弃地下工程的探测。

（7）滑坡、软弱夹层的探测。

（8）岩土体地基及基础施工检测。

（9）地下峒室围岩质量检测。

（10）桩基检测、灌浆质量效果检测。

（11）天然建筑材料的勘察。

（12）地下埋设物（古墓、地下管线等）探测。

15.1.3 常时微动和估算岩土力学参数的地球物理方法

1）常时微动及其评价地基类别

地基（地表和地下）的微动可反映出场地的状况，这是因为由各种振动源所产生的波动传播特征包含了地基的固有特性。现已查明，微动是由面波和体波组成的，周期为1s以下的常时微动，主要反映了场地结构的动力学特性。

常时微动与其他物探方法相比，有场源频谱丰富、观测简便易行、不受场地限制和随时随地都可获取大量信息的特点。这种方法与其他精度较高的物探方法相比，只能从整体上给出地基或建筑物的动态特性，而这也正是它的独到之处，因为地震工程学正是这样来考察地基特性的。地面微动所包含的信息里，确实有地基土层的许多固有特征。这些特征反映了弹性介质的性质，而且与地面运动（地震）的某些特征有联系。从这一点上讲，研究常时微动的特征以及进一步探索地面强震的性质都是有积极意义的。

常时微动测量，一般可在地表、地下和建筑物中进行，如图15．1所示。

图15.1 常时微动的测量方法示意图

1—放大器；2—示波器；3—磁带机；4—短周期拾震器；5—长周期拾震器；6—井中拾震器

常时微动与地基的固有振动特性密切相关，因此，在土木工程建筑和地震区划中，经常利用常时微动的观测结果进行地基分类。这种方法是由日本工程地震专家金井清教授提出的，后来田中爱一郎等对该方法作了补充。他们根据在各种场地进行大量常时微动观测的结果，利用平均周期与最大周期、卓越周期与卓越振幅，提出了两种关于地基类别的判定方案，即甲、乙两种方案，如图15．2所示。

图15.2 常时微动判定地基类别的方法

（a）各种地基类别的波形；（b）甲方案；（c）乙方案

金井清等还针对4种地基类别作了说明。即地基从Ⅰ类到Ⅳ类逐渐变软，常时微动周期变长。在日本判定的4种场地类别如下：

第Ⅰ类：基岩、硬砂砾层和第三纪前地层构成的地基。

第Ⅱ类：砂砾层、掺砂硬质黏土层和洪积层构成的地基。(www.xing528.com)

第Ⅲ类：冲积层。

第Ⅳ类：腐殖土，特别软弱的冲积层和填土层。

2）估算岩土力学参数的地球物理方法

在此仅阐述地震波速与岩石力学参数的关系。

岩石及低饱和度的土体中，弹性波的速度受岩土介质骨架的控制，因而能够反映地层的工程性质。岩土力学参数可以表示为纵波速度vp、横波速度vs和密度ρ的函数，如

泊松比

动弹模量

动切变模量

岩土工程界对横波速度与原位测试的岩土工程性质之间进行相关研究，获得一些经验关系，如横波速度vs值与标贯值N63．5之间的关系：

式中，a、b为地区性的统计常数。标准贯入的锤击数（简称标贯值）是判定土的力学性质及确定地基允许承载力的参数。该参数通过动力触探方法获得，其做法是先将标准贯入器打入土层15cm，此时不计锤击数；再将63．5kg穿心锤提升高度76cm自由下落，计算贯入器再入土30cm深时所需的锤击次数，该锤击数即称标准贯入击数N63．5，又如，表征地基振动特性次数卓越周期T0与覆盖层厚度和横波速度有关，其关系为

式中，n为地层层数；Hi与vsi分别为分层层厚及其横波速度。

通常由地震测井获取地震波速度，按测量方式可分为地面激发井中测量（Ps测井）与井中激发另井测量（跨孔地震）两种方法获取地震波速度。

3）应用实例

（1）强夯复合地基加固质量检测实例。广州石化总厂拟于厂内原油罐区东侧鱼塘洼地建航煤油罐，但由于场地土的强度低，不能满足油罐基础荷载要求，采用强夯碎石柱复合地基的处理方案进行地基加固，为了了解强夯后地基加固效果，在强夯前、后应用瑞利波、地质雷达、钻孔波速测试等物探方法与其他方法进行质量检测。现简要介绍物探检测的成果。

在强夯碎石柱复合地基质量检测中，采用工程物探与原位测试相结合的方法，则可克服常规的原位检测方法不足之处，达到节省时间、节约开支的目的，同时对其质量可进行全面、可靠的综合评价，提高检测质量。

（A）瞬态瑞利波检测：本次测量按测线布置，检波距为1．0m，测线长25m，采用18lb小锤和400kg落锤两种震源，以保证高低频率瑞利波能量均衡以及有足够探测深度。根据实测波列提取不同深度瑞利波速度，以vR-H曲线表示。瑞利波速由夯前vR＝123m/s增加到夯后vR＝230m/s，清楚显示了强夯效果。再用夯后的vR-H曲线的拐点深度可求出碎石柱底面的大体位置。

求取地基土的承载力Rs是本次瑞利波解释的重要内容。其做法是由瑞利波vR与横波波速vs的关系vR＝0．95vs，把vR转化为vs；再由统计的标贯值N63．5与vs的关系式N63．5＝（A、B为相关系数，通过实测统计而得）求得N63．5值；然后根据《工程与民用建筑地质勘察规范》中有关N63．5与Rs的关系表，查出各测试层的承载力值Rs。另外，还可以用变形模量E0与N63．5的经验公式E0＝2．95求得场地土的变形模量E0。

根据vR-H曲线及上述经验公式，可求得强夯碎前、后地基土波速（vs）、承载力（Rs）、变形模量（E0）等参数以及碎石柱的长度（H），结果如表15．2所示。

表15.2 瑞利波检测结果

注：表格中横线下的数字为平均值。

从表15．2中数据可以看出，A、B两区经强夯碎石柱后形成了平均超过6m的碎石柱层，并在碎石柱层形成的同时，其下土层的强度相应得到增强；由强夯前后vR-H曲线对比可得出加固深度在12m以上。可见，经强夯碎石柱处理后场区的工程地质性质得到了明显的改善，以A区为例，vs平均波速由夯前的125m/s增加到239m/s，几乎增加了一倍；承载力Rs由91kPa增加到378kPa，增加3倍多；变形模量由6．9MPa增加到17．0MPa，提高了1．5倍。

（B）地质雷达检测：地质雷达检测目的是确定碎石柱长度和密实度。本次测量采用剖面测量，测线长25m，测点距0．25m，采用加拿大EKKOⅣ型仪器。测量结果以雷达反射波时间剖面表示。图15．3为典型碎石柱的地质雷达图像。由图可见，碎石柱内反射同相轴连续性好，波形均匀。由图可得出碎石柱长度约7．0m，柱体密实度好。

图15.3 碎石柱上的地质雷达图像

图15.4 跨孔横波测井速度剖面图

（C）跨孔横波测井：主要用于检测地层横波速度。测试时将剪切锤激震器置于其中一孔，另一孔放置检波器以接收激震源传来的横波。激震器和检波器水平同步移动。其测试结果如图15．4所示。强夯碎石柱前、后vs的变化，A区：6m以上土层夯前为123～159m/s，夯后为239～262m/s；深度7～21m土层，夯前为198～208m/s，夯后为206～227m/s。B区：夯前6m以上土层为154～175m/s，夯后7m以上土层为241～249m/s；夯前深度7～22m土层为197～209m/s，夯后深度8～14m土层为214～219m/s，15～21m为205～209m/s。

因此，总体上，在A区深度0～6m为碎石柱区，即强夯形成的碎石柱长约6m，深度7～13m的范围为强夯压缩区；在B区深度7m以上为碎石柱区，即碎石柱长约7m，而深度8～14m的区域为强夯压缩区。

（2）井中瞬变电磁法调查混凝土内部钢筋缺陷。图15．5为韩国沿海地区应用井中瞬变电磁仪检查混凝土内部钢筋缺陷实例。图中纵轴为深度；横轴为不同通道的磁场变化量。在深度575cm及1925cm附近出现锐利波峰（箭头所示），推断钢筋笼在该深度发生了变形。

图15.5 井中电磁波法调查钢筋笼缺陷

图15.6 井中雷达探测基脚

（3）井中雷达调查旧建筑物基础。为了维修或保护需要，经常需要对旧建筑物基础进行调查。图15．6所示为日本应用井中雷达调查埋设基质的下端深度的雷达图像。纵坐标为深度，横坐标为雷达反射波走时。从图中可以看出在深度4m附近有来自基脚下方碎石的清楚反射波。结果推断碎石正上方3．7m深度为基质下端深度。经开挖验证，大体在推断深度上出现基质下端。

（4）地震跨孔层析成像技术调查江中隧道沉降与位移。上海合流污水工程9．1标江底隧道位于上海外高桥附近的长江上，距江岸800m，江水流速5m/s，水深约12m。隧道为钢筋混凝土结构，外径4．9m，管片厚35cm，波速范围为3000～5000m/s。

1992年12月施工时，流沙通过管片接缝涌进隧道，施工被迫停止；之后向隧道内充水，以保护隧道的安全。为此探测该段隧道（810～826环）的现状，以便制定方案，进行修复。

江底的底层从上往下依次为淤泥质黏土、黏土、黏质粉土及粉砂土。该地层介质对波的能量吸收率比较高，波速约在1000m/s。

本次工作采用跨孔层析成像技术，孔间距15m，炮间距500cm，接收器间距25cm，震源为电火花震源，数据采集系统是ES2401数字式地震仪，仪器参数的选择以突出有效异常、压制干扰为原则，进行现场试验选择。

本次工作对11对孔进行了跨孔测试，其中3对对穿孔，8对斜穿孔。

图15．7是跨孔地震层析成像结果图。在各对孔的层析图中均有一圆环形高速带（波速2400～3200m/s），这与混凝土的波速一致，因此，这些高速带基本反映的是隧道在地下的分布情况。除此之外，在层析图上还有一些分布不规则的高速区，经分析认为是建平台时向江中抛的石块所产生的异常。把各环的埋深及底界面连接起来，就得到该隧道的纵剖面图，把其平面坐标投影到平面上，即可得到隧道的平面位置图（图15．8）。显然在818环附近沉降最严重，相对于810环沉降量有1．2m，相对位移达80cm。

图15.7 合流污水9.1标跨孔地震层析成像结果

图15.8 合流污水9.1标隧道纵剖面图（a）与平面位置图（b）

（5）常时微动在滑坡地质调查中的应用。在滑坡地区常做常时微动面积测量，求出各测点的频谱，根据已知的稳定区和活动区的资料，对频谱进行分类，进而对整个测区作出评价，划分出稳定区、活动区和亚稳定区。

如果滑坡土块的S波速度vs已知，则根据常时微动的优势周期和1/4波长法则［参见式（15．5）］计算滑动界面的深度。如果滑动界面深度已知，也可用1/4波长法则算出该点滑动土的平均S波速度。

另外，还可运用常时微动的频谱，对滑坡地区的物性进行研究。如将滑坡体作为黏弹性体来考虑，由速度振幅算出内摩擦（Q）值。在滑块崩坍地区附近黏滞系数为（5～10）× 105Pa·s，Q值为1～2。在一般地区，黏滞系数为104Pa·s，Q值为10～20。

在滑坡危险区，如果设立台站长期进行常时微动监测，可探测滑体的蠕变，也可为预报滑坡提供重要信息。