探讨岩土测试中物探技的应用

　　摘要:主要论述物理勘探及检测技术对岩土工程领域的必要性。简述了声波技术与岩土工程领域的三个作用点,介绍了声波技术在岩土工程领域中的发展过程,提出了物理勘探和检测技术在岩土工程领域。
　　关键词：物探技术、声波技术、岩土工程
　　1物探技术引入岩土工程领域的必要性
　　原状岩土体的现场采取技术向来是岩土工程中的研究课题,近年来取得了可喜的进展。以原状土的现场取土来说,从敞口厚壁取土器到固定活塞薄壁取土器及薄壁连续取土器,经过几十年的艰苦努力,虽然已经有了一套比较完善的粘性土取土技术,但下面两点困难尚难以解决。
　　(1)尽管可以把取样扰动和切样扰动降低到最小限度,但是试样从地层深部取出因应力释放而引起的扰动是无法避免的。
　　(2)精细的取土和试验技术只有少数研究单位可以做到,难以普遍推广应用。事实上,经常有人把通过粗糙的取土技术和拙劣的试验技术取得的土质参数作为设计依据,以致在良好地质条件下仍然大量采用桩基。遗憾的是这种技术在边坡工程中也可造成巨大的投资浪费,比如,一些边坡按工程类比法确定的支挡措施尚为轻型,但由于获得的岩土体参数过低，最后设计的支挡工程重、大、繁杂,造成大量人力、物力浪费。要想获得局部地区岩土体参数的可靠数据,只有通过原位测试技术。沈珠江院士认为,通过钻孔取土测定的参数是不怎么可靠的,设计人员在利用这些参数时必须小心对待,并指出,今后在编写有关教科书和相应的规范时应当明确指出这一点。可见原位测试技术应为本领域内发展的主方向。原位测试的具体方法,静力载荷试验和钻孔旁压试验已取得了长足的发展,但在饱和土内进行试验时,应当同时测定孔隙压力消散过程。而简单易行的静力触探的测试技术,无疑更具有优势,但有关测试结果的解释必须在结构性模型基础上进一步深入研究。与其他行业方兴未艾的无创测试一样,能够在不对岩土体产生较大扰动的情况下,测试其参数的技术方法应有很好的应用前景,这样测得的岩土体参数才是其处于特定地质背景或工程背景下的真实参数。
　　2声波技术与岩土工程领域的结合笔者认为,声波测试技术在对岩土体进行无创测试方面有独特的应用优势和理论优势。声波技术及其它物探技术应与地学实践更深层次的结合,比如,研究的如下方面也许会取得较好效果。
　　(1)新型支挡工程发展很快,但相应工程条件下岩土力学性能仍只停留在理论研究,甚至是假设阶段。由于现场试验元件及试验条件的限制,这方面的常规现场测试,基本上无法进行,室内试验中,更由于测试元件的限制,无法开展。而这种情况下,运用声波测试便可以得到较好解决。
　　(2)运用常规方法测得的数据,往往包含了多方面的信息,特别是借助大型仪器测到的数据,既包括了岩土体本身的信息,也包括了仪器本身,甚至周围环境变化的信息,可以说它是一个各种信息(波)的集合。这种情况下,运用物探的相关筛分滤波理论,应该可以在一定程度上除去不需要的信息,而使有用信息更明显,更易于发现其中的规律。
　　(3)近年来,国内不少专家、教授利用声波发射和声波频谱分析方法研究岩石脆性破坏的过程和机理,其结果与岩石力学方法研究岩石微裂隙的产生、形成和扩展所得的结果是一致的,而声波方法可供利用的声学信号更多,因此可望利用声学信号进行岩石动弹性力学参数和破碎机理的全面分析研究。
　　
　　3声波技术在岩土领域的发展声波不仅对各类岩石都有一定的穿透力和分辨力,而且它在介质中传播时,与介质相互作用,使接收波中携带了与岩石物理力学性质相关的各种信息,所以,作为一种信息载体,声波是最理想的。
　　20世纪50年代以来,国内、外采用声波检测方法进行岩体检测,以划分风化层、圈定地下岩层的松动范围、评定地下工程的稳定性、评价水库坝址基础质量和进行混凝土非破损测强、进行砂轮质量分级,以及在石油勘探开发中,诸如寻找油气、裂隙带、确定地层孔隙率和检查固井质量等、都取得了实用效果,已成为一种重要的检测方法和手段。20世纪50年代初期,日本在对岩体的调查、评价和分类中,引入了声波检测技术。约在同一时期,原苏联把岩石纵波速度与岩石密度的乘积,称之为波阻抗,作为岩石爆破性的分级指标。到70年代,又把波阻抗和岩石的裂隙性相结合补充了岩石爆破性分级表。1959年,西方学者Maurer曾建议把波阻抗作为岩石可钻性指标。在日本的隧道开拓工程中,广泛使用一种所谓抗爆强度为准则的岩石分级,抗爆强度就是岩石抗剪强度和岩石纵波速度的特定函数值。70年代以来,我国和国外水电、铁道和工程地质界相关人员,选用纵波速度进行岩体分类比较普遍。1997年,王让甲对运用声波技术进行岩石可钻性分级进行了较为系统、全面的阐述和研究。论述了运用声波技术进行岩石可钻性分级的可行性,对以纵波速度划分岩石可钻性分级标准的制订进行了研究,得出可喜的成果。并主张采用动弹性力学参数综合评定岩石可钻性,其中引入了横波的应用。指出纵波速度和横波速度之比是一种非常实用的物理概念,也是一个评价岩石质量的有效指标,每一种岩石具有其相应的波速比值,比值的增大或减少均说明岩性的变化。建国初期,探矿工程的生产技术水平是很低的,称之为“效率低、质量差、成本高”。其后,曾先后运用了硬度测试仪测定岩石硬度,用微钻头测岩样钻速,以及用材料试验机测定岩样的单轴抗压强度等等。声波技术的引入和发展,在此方面进行了长足的改进,形成现在的岩石可钻性分级体系。
　　4物探技术在岩土领域发展中应注意的问题
　　物理勘探的各种方法或途径均可说是一门相对独立的学科,如电法勘探、地震勘探、声波测试等,其数据的产生、采集及处理、应用都具有很强专业性。这种技术引入岩土工程领域后,更多的是作为一种手段,一种方法,而不是一种目的;与此相同,岩土工程也是一个专业性、实践性很强的学科和领域。因此,在实际应用过程中,应注意以下问题。
　　(1)应将利用物理勘探或检测的数据、结果与表征岩土体性质的物理化学参数结合起来,以使这些数据、结果更具实用性和操作性。应将“岩土-物探”模式发展为“岩土-物探-岩土”模式。例如,岩石的纵波波速可以作为岩石可钻性的划分指标,但是,不能对每一处岩石都进行纵波测试以获悉其可钻性,应将划分得出的可钻性指标和该种岩石的基本物理化学或力学指标结合起来,如某矿物的百分含量,岩石密度、单轴抗压强度等等。这样,便可使获得的可钻性指标更利于直接应用,毕竟,岩石基本物理化学指标更易于获得。
　　(2)物理测试与岩土工程学科间的科学技术交流和协作是非常重要的,同时,建立有关的数据库将对以后的研究大有帮助。
　　5结论
　　(1)从现场取样,然后在室内进行岩土参数测试,这种手段由于改变了岩土体试样原有的应力状态,所得的参数固然不能反映实际工程环境下岩土体的力学性质,而物理勘探和检测技术,从一定程度上说,对岩土体基本无损伤破坏,可以说是一种“无创测试”手段。因此,今后将物探技术引入岩土工程中,将有广阔的发展前景。
　　(2)物理勘探的各种方法或途径均可说是一门相对独立的学科,如电法勘探、地震勘探、声波测试等,其数据的产生、采集及处理、应用都具有很强的专业性。这种技术引入岩土工程领域后,应将利用物理勘探或检测的数据、结果与表征岩土体性质的物理化学参数结合起来,以使这些数据、结果更具实用性和操作性。并注意两个领域间的技术交流。

《探讨岩土测试中物探技的应用》

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