高密度電法在軟土地基勘察中的應(yīng)用

韓曉東

(新疆新紀(jì)元公路設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

軟土地基具有強(qiáng)度低、可壓縮性大、吸水率高等典型特點(diǎn)，對(duì)土木工程的危害主要在于其有著很大的沉降量，在施加壓力后，軟土地基降深可達(dá)數(shù)十厘米，而且呈現(xiàn)不均勻下降[1]。我國(guó)新疆地區(qū)軟土地基分布廣泛且厚度較大，隨著公路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，軟土地基勘察和處理已成為重要議題之一。

1 工程概況

“土-和”高速公路(吐魯番-和田，編號(hào)G3012)位于新疆自治區(qū)境內(nèi)，全長(zhǎng)1 931 km，途經(jīng)庫(kù)爾勒、阿克蘇、阿圖什、喀什、和田，于2015年建成通車。其中阿克蘇段長(zhǎng)度約為234 km，由于阿克蘇地區(qū)松軟土層發(fā)育廣泛，為保證地基承載力滿足施工要求，技術(shù)勘察人員結(jié)合以往地質(zhì)資料，專門對(duì)該路段進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)勘察，并針對(duì)軟土地基的特點(diǎn)制訂了相應(yīng)的處理加固方案。

2 軟土地基勘察要點(diǎn)及方案選取分析

2.1 軟土地基勘察要點(diǎn)及常見(jiàn)問(wèn)題

2.1.1 軟土地基勘探要點(diǎn)分析

在日常公路軟土地基勘察工作中，應(yīng)遵循以下要點(diǎn)：(1)軟土地基的成因類型、埋藏特征及分布規(guī)律，穩(wěn)定基巖的埋深和承載強(qiáng)度等；(2)軟土層的主要結(jié)構(gòu)及對(duì)變形和強(qiáng)度的影響趨勢(shì)；(3)區(qū)域內(nèi)是否存在暗塘、溝、穴等構(gòu)造，以及各類構(gòu)造的分布范圍及埋深；(4)軟土地基處理時(shí)(開(kāi)挖、回填、支護(hù)、打樁等)對(duì)周邊土的應(yīng)力狀態(tài)、承載強(qiáng)度、壓縮性的可能影響；(5)根據(jù)軟土的不同類型及復(fù)雜程度，應(yīng)設(shè)計(jì)不同的勘察探點(diǎn)布置方案，間距過(guò)大影響準(zhǔn)確度，過(guò)小則會(huì)加大勘察成本；(6)探點(diǎn)的深度設(shè)計(jì)不能只根據(jù)地基壓縮層深度確定，還要考慮周邊地質(zhì)條件、地層最大受載等；(7)為保證勘察精確性，需使用不同的方法進(jìn)行檢驗(yàn)[2]。

2.1.2 軟土地基勘探工作常見(jiàn)問(wèn)題分析

通過(guò)總結(jié)大量經(jīng)驗(yàn)，目前軟土地基勘察工作的常見(jiàn)問(wèn)題有以下幾個(gè)：(1)勘察詳細(xì)度不夠，影響結(jié)果可靠性，導(dǎo)致公路投入使用后出現(xiàn)開(kāi)裂、不均勻沉降；(2)未考慮土體之間的相互影響，整體承載力較差，被施壓后地基剪切破壞嚴(yán)重，造成大規(guī)模返工；(3)軟土地基處理措施不合理，承載力無(wú)法滿足施工要求[3]。

2.2 軟土地基勘察方案分析

目前軟土地基的常用勘察技術(shù)包括鉆探法和物探法，其中物探法中以“高密度電法”應(yīng)用最為廣泛。這兩種主流勘察方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1[4]。

表1 鉆探法和高密度電法勘察技術(shù)對(duì)比分析表

綜合分析，本項(xiàng)目為高速公路項(xiàng)目，對(duì)地基承載力要求相對(duì)較低，且周邊區(qū)域地質(zhì)資料相對(duì)充裕，因此專家組決定采用“高密度電法”對(duì)該項(xiàng)目路段可能存在的軟土地基區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)勘察，并采用小型鉆探設(shè)備對(duì)其結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確度。

3 高密度電法勘察技術(shù)的應(yīng)用分析

3.1 高密度電法勘察原理

高密度電法全稱為高密度電阻率法，是一種陣列勘探方法。技術(shù)原理是根據(jù)地基中各類地層的電磁學(xué)性質(zhì)不同(導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性等)，通過(guò)在被測(cè)地面插入數(shù)十上百根電極，由專業(yè)儀器控制電極之間的釋放和接收電流電信號(hào)來(lái)自動(dòng)測(cè)定各地層面的分布情況[5]。電極的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及信息采集均由儀器自動(dòng)完成，智能化程度很高(見(jiàn)圖1)。

圖1 高密度電法勘察現(xiàn)場(chǎng)及原理圖

結(jié)合其他勘查項(xiàng)目，穩(wěn)定基層和松軟基層電阻率差別很明顯，一般密度越大，其電阻率也越大。通過(guò)對(duì)阿克蘇地區(qū)勘察試驗(yàn)，總結(jié)出該區(qū)域軟土分布區(qū)各地層電阻率，具體見(jiàn)表2。

表2 阿克蘇地區(qū)軟土分布區(qū)各地層電阻率參考值表

3.2 高密度電法的具體應(yīng)用分析

(1)所用儀器及性能指標(biāo)

本項(xiàng)目采用DUK-2型高密度電法測(cè)量系統(tǒng)，主要組成為DZD-6型多功能直流電法儀和60道多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。該勘察系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示[6]。

表3 DUK-2型高密度電法測(cè)量系統(tǒng)性能指標(biāo)表

(2)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)和布置

由高密度電法探測(cè)原理可知：要想完整探測(cè)一定深度地層，必須探測(cè)陣列規(guī)模與埋深呈一定比例后才可以。通過(guò)理論計(jì)算和大量試驗(yàn)得出：當(dāng)采用二級(jí)裝置探測(cè)時(shí)，勘察深度h和測(cè)點(diǎn)布置直徑d的比應(yīng)<7/1；當(dāng)采用二級(jí)裝置探測(cè)時(shí)，該比例應(yīng)<3/1。

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料和前期鉆探，本項(xiàng)目測(cè)深范圍在15～20 m，二級(jí)裝置探測(cè)數(shù)據(jù)精度足夠本項(xiàng)目使用。在設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)位置時(shí)，按照20 m探測(cè)深度布置，測(cè)點(diǎn)采用5×5陣列形式，測(cè)點(diǎn)縱橫間距均為2.0 m，周邊無(wú)水體或山體，因此不用考慮該類因素影響。測(cè)點(diǎn)布置方案如圖2所示(局部)。

圖2 測(cè)點(diǎn)位置設(shè)計(jì)(局部)示意圖

在安置測(cè)點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：為保證測(cè)點(diǎn)傳感器牢固，要求挖坑掩埋(≥20 cm)；為了保護(hù)傳感器受損，可以利用防水膠布和塑料膜對(duì)其進(jìn)行包扎；傳感器連線不能錯(cuò)位，測(cè)量前要做檢測(cè)試驗(yàn)；傳感器插在地面時(shí)應(yīng)保證其垂直度，誤差不得超過(guò)±5°；測(cè)點(diǎn)埋設(shè)完成后技術(shù)人員應(yīng)對(duì)間距進(jìn)行核實(shí)。

(3)勘察結(jié)果分析

由圖3的勘察結(jié)果可知：地層由上到下其電阻率逐步增加，說(shuō)明地層密度也在增加。結(jié)合鉆探結(jié)果，該路段黃色區(qū)域及以下地層承載力可完全滿足“土-和”高速公路相關(guān)要求，可以從圖中明顯得出每個(gè)斷面需要處理的軟土層厚度。分析可知：圖3上穩(wěn)定地層埋深約18 m；中穩(wěn)定地層埋深約23.5 m；下穩(wěn)定地層埋深約19.5 m。利用鉆探法進(jìn)行檢驗(yàn)，高密度電法探測(cè)出穩(wěn)定層埋深誤差在0.1 m以下，完全滿足后續(xù)軟土層加固施工要求，因此取得了很好的效果。

圖3 高密度電法勘察結(jié)果示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

高密度電法技術(shù)在當(dāng)前工程地質(zhì)勘察工作中應(yīng)用廣泛，在應(yīng)用時(shí)技術(shù)人員應(yīng)全面掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，若存在水體、山體等影響因素，需要設(shè)計(jì)和調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，因此對(duì)其業(yè)務(wù)素質(zhì)要求很高。本項(xiàng)目應(yīng)用高密度電法的準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上，按照該探測(cè)數(shù)據(jù)處理軟土后公路結(jié)構(gòu)完好，沒(méi)有出現(xiàn)斷裂及下沉現(xiàn)象，說(shuō)明穩(wěn)定基層并沒(méi)有出現(xiàn)下沉。

[1]嚴(yán)加永，孟貴祥，呂慶田，等.高密度電法的進(jìn)展與展望[J].物探與化探，2012，36(4)：576-584.

[2]楊振威，嚴(yán)加永，劉 彥，等.高密度電阻率法研究進(jìn)展[J].地質(zhì)與勘探，2012，48(5)：969-978.

[3]蔡 斌.高密度電法模型研究與工程應(yīng)用[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

[4]黃佳坤，劉宏岳，林朝旭，等.高密度電法在水底隧道工程勘察中的應(yīng)用研究[J].工程勘察，2013，41(9)：84-89.

[5]林朝旭.水域高密度電法在工程勘察中的應(yīng)用探討[C].全國(guó)工程物探與巖土工程測(cè)試學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2011.

[6]彭大志.關(guān)于工程勘察應(yīng)用高密度電法的探究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016(5)：122-122.