巖土工程勘察數(shù)字化技術(shù)研究與實(shí)踐

曹夢(mèng)琪

中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心浙江總隊(duì) 310022

摘要：近年來(lái)，隨著我國(guó)城市建設(shè)的快速發(fā)展，高層建筑及大中型構(gòu)筑物建設(shè)步伐加快，巖土工程勘察作為其擬建（構(gòu)）筑物可行性分析、設(shè)計(jì)、施工及地基基礎(chǔ)處理提供參數(shù)的準(zhǔn)確定性及合理性顯得較為重要，這些數(shù)據(jù)的來(lái)源于第一手現(xiàn)場(chǎng)資料及其試驗(yàn)室結(jié)果，因此了解巖土工程勘察的各項(xiàng)巖土的特性及對(duì)存在的問(wèn)題的研究，有利于服務(wù)到實(shí)際工作當(dāng)中。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，巖土工程勘察數(shù)字化技術(shù)逐漸得到廣泛應(yīng)用。本文分析了傳統(tǒng)勘察技術(shù)的不足，并介紹了巖土工程數(shù)字化勘察技術(shù)，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析討論了數(shù)字化勘察技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：巖土工程；數(shù)字化勘察；應(yīng)用方法

一、巖土工程勘察方法概述

數(shù)字化巖土工程勘察是指應(yīng)用當(dāng)代測(cè)繪技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和CAD技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)及其軟件，把一個(gè)工程項(xiàng)目的所有信息（勘察、設(shè)計(jì)、進(jìn)度、計(jì)劃、變更等數(shù)據(jù)）有機(jī)地集成起來(lái)，建立綜合的計(jì)算機(jī)輔助信息流程，使勘察設(shè)計(jì)的技術(shù)手段從手工方式向現(xiàn)代化CAD技術(shù)轉(zhuǎn)變，作到數(shù)據(jù)采集信息化、勘察資料處理數(shù)字化、硬件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、圖文處理自動(dòng)化，逐步形成和建立適應(yīng)多專(zhuān)業(yè)、多工種生產(chǎn)的高效益、高柔性、智能化的工程勘察設(shè)計(jì)體系。該技術(shù)體系用系統(tǒng)工程觀點(diǎn)，把勘察、設(shè)計(jì)的圖紙、圖像、表格、文字等以數(shù)字化形式存貯，供各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)使用。

二、勘察資料收集

2.1.勘探深度及勘探間距

根據(jù)基礎(chǔ)形式及結(jié)構(gòu)形式的不同，勘探深度不同。如：一般5～6層磚混結(jié)構(gòu)住宅，勘探孔深15m基本可滿(mǎn)足要求，而5層框架結(jié)構(gòu)商場(chǎng)由于柱網(wǎng)的柱荷載大，基礎(chǔ)面積大甚至可能采用樁基，則勘探孔深度15m一般不夠。地層工程地質(zhì)性質(zhì)不同，勘探深度也不同。埋藏較淺且工程地質(zhì)性質(zhì)好的密實(shí)碎石土及基巖地區(qū)勘探孔深度較淺，而工程地質(zhì)性質(zhì)差的淤泥及松散雜填土地區(qū)勘探孔深度較深，這就要求在勘探前對(duì)勘探區(qū)域地層大致情況有所了解。地基復(fù)雜程度不同，勘探點(diǎn)間距不同。在勘探時(shí)遇復(fù)雜地基情況，應(yīng)按規(guī)范要求加密勘探點(diǎn)，不能局限于經(jīng)濟(jì)或時(shí)間等因素而堅(jiān)持原勘探方案不變，勢(shì)必難以查明場(chǎng)地工程地質(zhì)情況，埋下工程隱患。這種情況在工程勘察市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)劇烈而盲目壓價(jià)的地區(qū)較為嚴(yán)重。

2.2.野外地層劃分

野外地層的正確劃分是室內(nèi)資料整理的關(guān)鍵因素，對(duì)較大型的工程由于施工多采取多鉆機(jī)平行作業(yè)形式，技術(shù)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(tǒng)一，給室內(nèi)整理帶來(lái)很大困難。為避免這種間題應(yīng)將所有技術(shù)人員首先集中到一起共同勘探一至二個(gè)鉆孔，統(tǒng)一編錄形式，并派專(zhuān)人現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)勘探區(qū)域整體野外分層連線，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)研究處理。

2.3.地下水位觀測(cè)

實(shí)際地下水位量測(cè)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：第一，應(yīng)同時(shí)觀測(cè)地下水位，量測(cè)時(shí)間須在最后一個(gè)鉆孔施工24h后；第二，地下水位觀測(cè)應(yīng)考慮周?chē)叵滤_(kāi)采情況的影響，若量測(cè)時(shí)間正好處于附近抽水井抽水下降漏斗時(shí)，所量測(cè)到的地下水位肯定偏深；第三，水位量測(cè)應(yīng)與鉆孔坐標(biāo)、標(biāo)高回測(cè)相結(jié)合。我們知道勘探孔口周?chē)孛鎸?shí)際不是一個(gè)水平面，水位量測(cè)參照孔口位置不同，水位埋深也不一樣，因此而產(chǎn)生的誤差幾厘米是難以避免的，這根本無(wú)法滿(mǎn)足按規(guī)范要求地下水位量測(cè)精度為±2 cm的要求，也更無(wú)法測(cè)定地下水的正確流向。解決方法是孔口坐標(biāo)、標(biāo)高回測(cè)同時(shí)以標(biāo)高回測(cè)時(shí)的孔口位置為準(zhǔn)向下量測(cè)地下水位深度。

三、數(shù)字化巖土工程勘察應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)探討

3.1.巖土工程數(shù)字化建模方法

巖土工程地質(zhì)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(shù)字表面模型）的歷史較早，它的基本內(nèi)容就是通過(guò)精確的表示出工程地質(zhì)體的外表面來(lái)表示均質(zhì)地質(zhì)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(shù)據(jù)來(lái)源是通過(guò)測(cè)點(diǎn)獲得的一系列離散的測(cè)點(diǎn)資料，包括測(cè)點(diǎn)的幾何特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)，然后利用數(shù)據(jù)解釋結(jié)果重構(gòu)地質(zhì)體界面。可以抽象為把一系列同屬性的點(diǎn)按照一定的規(guī)則連接起來(lái)，構(gòu)成網(wǎng)狀曲面片，進(jìn)而確定整個(gè)地質(zhì)體的空間屬性，有很多方法用來(lái)表示表面，常用的方法主要有數(shù)學(xué)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(guī)則格網(wǎng)法、等值線法、不規(guī)則格網(wǎng)法等，其中不規(guī)則格網(wǎng)法是本系統(tǒng)選用的模型表示法，將做詳細(xì)分析討論。

不規(guī)則格網(wǎng)法（TIN）是將區(qū)域內(nèi)有限個(gè)點(diǎn)將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡(luò)。區(qū)域中任意點(diǎn)落在三角面的頂點(diǎn)、邊上或三角形內(nèi)，如果任意點(diǎn)不在頂點(diǎn)上，則該點(diǎn)的數(shù)字屬性值通常通過(guò)線性插值的方法得到（在邊上用邊的兩個(gè)頂點(diǎn)的高程，在三角形內(nèi)則用三個(gè)頂點(diǎn)的高程），所以TIN是一個(gè)三維空間的分段線性模型，在整個(gè)區(qū)域內(nèi)連續(xù)但不可微。有許多種表達(dá)TIN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)方式，這里采用一個(gè)簡(jiǎn)單的記錄方式是：對(duì)于每一個(gè)三角形、邊和節(jié)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)記錄，三角形的記錄包括三個(gè)指向它三個(gè)邊的記錄的指針，邊的記錄有四個(gè)指針字段，包括兩個(gè)指向相鄰三角形記錄的指針和它的兩個(gè)頂點(diǎn)的記錄的指針；也可以直接對(duì)每個(gè)三角形記錄其頂點(diǎn)和相鄰三角形。每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括三個(gè)坐標(biāo)值的字段，分別存儲(chǔ)X、Y、Z坐標(biāo)。這種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：對(duì)于給定一個(gè)三角形，查詢(xún)其三個(gè)頂點(diǎn)屬性和相鄰三角形所用的時(shí)間是定長(zhǎng)的。它在沿直線計(jì)算地形剖面線時(shí)具有較高的效率，當(dāng)然可以在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加其它變化，以提高某些特殊運(yùn)算的效率。

3.2.數(shù)字化巖土勘察工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

基于GIS的巖土工程勘察涉及到的原始數(shù)據(jù)主要為地理信息方面的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源包括：

（1）基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)這些數(shù)據(jù)主要包括自然區(qū)劃圖。

（2）該圖反映被研究區(qū)域的地理區(qū)劃、河流、道路、居民區(qū)、山川、公共設(shè)施等等自然地理信息地形、地貌圖，該圖反映被研究區(qū)域的自然地貌情況。

巖土工程勘察數(shù)據(jù)主要包括：

所研究區(qū)域的工程地質(zhì)勘探資料，經(jīng)過(guò)篩選、處理的各勘探點(diǎn)包括地理、環(huán)境、土的物理力學(xué)指標(biāo)在內(nèi)的所有信息。各類(lèi)建筑場(chǎng)地的地層信息，比如液化等級(jí)、液化指數(shù)、特征周期、年代、沉積相等。

結(jié)束語(yǔ)：

結(jié)合上述分析，數(shù)字化巖土勘察工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以按以下幾個(gè)步驟實(shí)施構(gòu)建。

（1）巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)的概念模型設(shè)計(jì)

巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)管理作為巖土工程勘察數(shù)字化系統(tǒng)的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作是一個(gè)數(shù)據(jù)密集、處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用問(wèn)題，為了能獲得反映信息世界的概念性數(shù)據(jù)模型，將與實(shí)體和聯(lián)系相關(guān)的功能與行為剝離出來(lái)，僅從現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)體的數(shù)據(jù)側(cè)面來(lái)建立模型即研究數(shù)據(jù)對(duì)象與屬性及其關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上建立相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)建立實(shí)現(xiàn)。

巖土工程一體化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)有三類(lèi)：用戶(hù)輸入的原始數(shù)據(jù)、系統(tǒng)生成的中間數(shù)據(jù)及最終數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)由測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)組成，而測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)又由測(cè)點(diǎn)幾何屬性數(shù)據(jù)（位置）和測(cè)點(diǎn)信息屬性數(shù)據(jù)；中間數(shù)據(jù)包括根據(jù)原始數(shù)據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)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(jù)這些模型可以生成用戶(hù)需要的各種圖件，還可以進(jìn)行各種信息查詢(xún)操作，最終數(shù)據(jù)種類(lèi)繁多，主要是根據(jù)用戶(hù)需要由中間數(shù)據(jù)生成，包括圖形資料和文檔資料（如地質(zhì)勘察報(bào)告等）。

對(duì)巖土工程勘察方法實(shí)施改進(jìn)，逐步過(guò)渡到數(shù)字化勘察技術(shù)，并推廣其廣泛應(yīng)用，這是勘察工程發(fā)展的必然趨勢(shì)，但是這其中還有一段很長(zhǎng)的路要走，不僅僅是因?yàn)槠渲羞€有一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題尚未完全攻克，而且我國(guó)目前在數(shù)字化勘察、勘探方面的專(zhuān)業(yè)人才也很匱乏，因此，必須加大數(shù)字化巖土工程勘察技術(shù)人才的培養(yǎng)，并加快該技術(shù)的研究應(yīng)用，以真正實(shí)現(xiàn)巖土工程的數(shù)字化勘察的廣泛應(yīng)用。

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