論數字化巖土工程勘察應用的實現

摘要:巖土工程研究的對象是巖體和土體。巖體在其形成和存在的整個地質歷史過程中，經受了各種復雜的地質作用，因而有著復雜的結構和地應力場環境。而不同地區的不同類型的巖體，由于經歷的地質作用過程不同，其工程性質往往具有很大的差別。巖石出露地表后，經過風化作用而形成土，它們或留存在原地，或經過風、水及冰川的剝蝕和搬運作用在異地沉積形成土層。在各地質時期各地區的風化環境、搬運和沉積的動力學條件均存在差異性，因此土體不僅工程性質復雜而且其性質的區域性和個性很強。因此，本文在分析了傳統勘察技術的不足，并介紹了巖土工程數字化勘察技術，在此基礎上重點分析討論了數字化勘察技術實現應用的關鍵技術。

關鍵詞:巖土工程;數字化勘察;應用方法

數字化巖土工程勘察是指應用當代測繪技術、數據庫技術、計算機技術、網絡通信技術和CAD技術，通過計算機及其軟件，把一個工程項目的所有信息(勘察、設計、進度、計劃、變更等數據)有機地集成起來，建立綜合的計算機輔助信息流程，使勘察設計的技術手段從手工方式向現代化CAD技術轉變，作到數據采集信息化、勘察資料處理數字化、硬件系統網絡化、圖文處理自動化，逐步形成和建立適應多專業、多工種生產的高效益、高柔性、智能化的工程勘察設計體系。該技術體系用系統工程觀點，把勘察、設計的圖紙、圖像、表格、文字等以數字化形式存貯，供各專業設計使用。

一、勘察資料收集

1、勘探深度及勘探間距

基礎形式及結構形式不同， 勘探深度不同。如: 一般5層～6層磚混結構住宅， 勘探孔深15 m基本可滿足要求，而5層框架結構商場由于柱網的柱荷載大， 基礎面積大甚至可能采用樁基， 則勘探孔深度15 m一般不夠。可依據原則為一般性鉆孔的勘察深度應能控制主要受力層， 不應小于5 m; 對高層建筑面言， 一般性勘察孔應達到基底以下015倍～110倍的基礎寬度， 并深入穩下分面的地層， 并滿足控制性鉆孔深度應超過地基變形的計算深度。對于鉆孔間距除滿足巖土工程勘察規范GB5002122001要求外， 對于若采用端承型樁基礎， 若相鄰兩個勘察點揭露的樁端持力層層面坡度大于10%或持力層起伏較大、地層分布復雜時應適當加密鉆孔加以控制。

2、野外地層劃分

野外地層的正確劃分是室內資料整理的關鍵因素， 對較大型的工程由于施工多采取多鉆機平行作業形式， 技術人員較多， 各勘探班組往往各行其事， 最后資料匯總后難以統一， 給室內整理帶來很大困難。為避免這種間題應將所有技術人員首先集中到一起共同勘探一至二個鉆孔， 統一編錄形式， 并派專人現場負責勘探區域整體野外分層連線， 發現異常及時研究處理。

3、 地下水位觀測

實際地下水位量測存在以下幾個間題: 第一， 應同時觀測地下水位， 量測時間須在最后一個鉆孔施工24h后;第二， 地下水位觀測應考慮周圍地下水開采情況的影響，若量測時間正好處于附近抽水井抽水下降漏斗時， 所量測到的地下水位肯定偏深; 第三， 水位量測應與鉆孔座標、標高回測相結合。我們知道勘探孔口周圍地面實際不是一個水平面， 水位量測參照孔口位置不同， 水位埋深也不一樣， 因此而產生的誤差幾厘米是難以避免的， 這根本無法滿足按規范要求地下水位量測精度為±2 cm的要求， 也更無法測定地下水的正確流向。解決方法是孔口座標、標高回測同時以標高回測時的孔口位置為準向下量測地下水位深度。

二、數字化巖土工程勘察應用實現的關鍵技術探討

1、巖土工程數字化建模方法

巖土工程地質建模的方法目前采用的主要有表面模型法，表面模型法(也叫數字表面模型)的歷史較早，它的基本內容就是通過精確的表示出工程地質體的外表面來表示均質地質體的建模方法，也是目前廣泛使用的建模方法。表面模型法的數據來源是通過測點獲得的一系列離散的測點資料，包括測點的幾何特征數據和屬性特征數據，然后利用數據解釋結果重構地質體界面。可以抽象為把一系列同屬性的點按照一定的規則連接起來，構成網狀曲面片，進而確定整個地質體的空間屬性，有很多方法用來表示表面，常用的方法主要有數學模型法和圖示模型法，本論文主要討論圖示模型法。常用的圖示模型法有邊界表示法、規則格網法、等值線法、不規則格網法等，其中不規則格網法是本系統選用的模型表示法，將做詳細分析討論。

不規則格網法(TIN)是將區域內有限個點將區域劃分為相連的三角面網絡。區域中任意點落在三角面的頂點、邊上或三角形內，如果任意點不在頂點上，則該點的數字屬性值通常通過線性插值的方法得到(在邊上用邊的兩個頂點的高程，在三角形內則用三個頂點的高程)，所以TIN是一個三維空間的分段線性模型，在整個區域內連續但不可微。有許多種表達TIN拓撲結構的存儲方式，這里采用一個簡單的記錄方式是:對于每一個三角形、邊和節點都對應一個記錄，三角形的記錄包括三個指向它三個邊的記錄的指針，邊的記錄有四個指針字段，包括兩個指向相鄰三角形記錄的指針和它的兩個頂點的記錄的指針;也可以直接對每個三角形記錄其頂點和相鄰三角形。每個節點包括三個坐標值的字段，分別存儲X，Y，Z坐標。這種拓撲網絡結構的特點是:對于給定一個三角形，查詢其三個頂點屬性和相鄰三角形所用的時間是定長的。它在沿直線計算地形剖面線時具有較高的效率，當然可以在此結構的基礎上增加其它變化，以提高某些特殊運算的效率。

2、數字化巖土勘察工程數據庫系統

基于GIS的巖土工程勘察涉及到的原始數據主要為地理信息方面的空間數據和非空間數據，數據來源包括:

(1)基礎地理數據這些數據主要包括:

①自然區劃圖。

該圖反映被研究區域的地理區劃、河流、道路、居民區、山川、公共設施等等自然地理信息。

②地形、地貌圖。

該圖反映被研究區域的自然地貌情況。

(2)巖土工程勘察數據這些數據主要包括:

所研究區域的工程地質勘探資料。

經過篩選、處理的各勘探點包括地理、環境、土的物理力學指標在內的所有信息。

各類建筑場地的地層信息，比如液化等級、液化指數、特征周期、年代、沉積相等。

結合上述分析，數字化巖土勘察工程數據庫系統可以按以下幾個步驟實施構建:

①巖土工程勘察數據庫的概念模型設計。

巖土工程勘察數據庫管理作為巖土工程勘察數字化系統的一項基礎工作是一個數據密集、處理復雜的數據庫應用問題，為了能獲得反映信息世界的概念性數據模型，將與實體和聯系相關的功能與行為剝離出來，僅從現實世界中實體的數據側面來建立模型即研究數據對象與屬性及其關系，并在此基礎上建立相對應的數據庫表結構。

②數據庫建立實現。

巖土工程一體化系統的數據有三類:用戶輸入的原始數據、系統生成的中間數據及最終數據。原始數據由測點數據組成，而測點數據又由測點幾何屬性數據(位置)和測點信息屬性數據;中間數據包括根據原始數據系統自動生成的地層層面等值線模型、三維表面模型、剖面模型等，根據這些模型可以生成用戶需要的各種圖件，還可以進行各種信息查詢操作;最終數據種類繁多，主要是根據用戶需要由中間數據生成，包括圖形資料和文檔資料(如地質勘察報告等)。

對巖土工程勘察方法實施改進，逐步過渡到數字化勘察技術，并推廣其廣泛應用，這是勘察工程發展的必然趨勢，但是這其中還有一段很長的路要走，不僅僅是因為其中還有一些關鍵技術問題尚未完全攻克，而且我國目前在數字化勘察、勘探方面的專業人才也很匱乏，因此，必須加大數字化巖土工程勘察技術人才的培養，并加快該技術的研究應用，以真正實現巖土工程的數字化勘察的廣泛應用。