土層介質(zhì)電性響應(yīng)特征及其精細(xì)探查研究

汪 武,付茂如,歐元超

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

土層介質(zhì)電性響應(yīng)特征及其精細(xì)探查研究

汪 武,付茂如,歐元超

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

淺表土層介質(zhì)的精細(xì)劃分可為土體的工程性質(zhì)研究提供基礎(chǔ),通常利用靜力觸探、鉆探取芯等方式對土層結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，確定其厚度、分布等特征參數(shù);結(jié)合鉆孔剖面地質(zhì)資料，進(jìn)行地電場參數(shù)數(shù)值模擬，分析土層介質(zhì)電性響應(yīng)特征;采用并行電法進(jìn)行現(xiàn)場測試，劃分土層介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用效果良好。

土層劃分； 正反演； 電性響應(yīng)； 并行電法

隨著城市地下空間、地面建筑以及軌道交通等工程的高速發(fā)展，巖土工程性質(zhì)引起了建筑公司、巖土相關(guān)設(shè)計(jì)院及施工單位的高度重視。淺表土層的土體結(jié)構(gòu)劃分及土層介質(zhì)的物性量測標(biāo)定對工程建筑的基建施工、后期工程維護(hù)有重要的意義。淺層土體作為工程基建載體，承載建筑固有的自重，必然會(huì)產(chǎn)生一定的地基沉降形變，進(jìn)而引發(fā)了一系列的土體彈塑性形變，所以巖土工程性質(zhì)的研究及不同性質(zhì)結(jié)構(gòu)土體劃分成為了國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者研究的重點(diǎn)。王恩福等[1]基于震害相關(guān)的地基土性狀和基礎(chǔ)條件討論了巖土工程勘察中的場地土和場地類別劃分的主要依據(jù)，并通過場地土層地震反應(yīng)分析從而論述進(jìn)一步進(jìn)行場地劃分的可能性和必要性，討論了基礎(chǔ)埋深和覆蓋層厚度等因素對場地劃分的影響，可見建筑場地土體結(jié)構(gòu)及性質(zhì)劃分對于工程建筑存在必要性。

小范圍內(nèi)淺表土層介質(zhì)的精細(xì)劃分是巖土工程研究的一個(gè)分支，地下土層精細(xì)劃分有利于進(jìn)一步查明地下土質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造，對土體工程的穩(wěn)定性評價(jià)以及工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義[2]，其為土體工程性質(zhì)研究提供了一定的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)外在土層劃分方面的研究普遍采用原位測試技術(shù)，其中靜力觸探技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，其在數(shù)據(jù)連續(xù)性測試、測試精度、抗干擾性及再現(xiàn)性等方面有優(yōu)勢，但現(xiàn)場操作耗時(shí)費(fèi)力，工作效率不高，通常配合鉆探取芯技術(shù)對土層結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，確定土層厚度、分布等特征參數(shù)。應(yīng)用地球物理勘探手段對土層劃分和結(jié)構(gòu)探查的文獻(xiàn)較多，只是其探查分辨精度有限，學(xué)者們在此方面的應(yīng)用研究取得了大量的成果，證實(shí)了該種探查方法的科學(xué)性、可行性和實(shí)用性。周黎明等[3]利用高密度電法在海堤堵壩的拋石體與土層分界面進(jìn)行探查研究，結(jié)果表明能很好地確定土石分界面，驗(yàn)證了高密度電法在此類不同介質(zhì)層面探測中的有效性。黃勇等[4]利用溫納等距四極法測試土體電阻率，分析研究了含水量、孔隙比、壓縮模量等對土層電阻率的影響及相關(guān)性，結(jié)果表明相關(guān)性良好。陳相府等[5]通過地震橫波勘探技術(shù)結(jié)合波速測井方法對第四紀(jì)松散層一地區(qū)地層層序進(jìn)行劃分，分析了巖土層與反射界面的對應(yīng)關(guān)系。馮玉巖等[6]對黃河水下三角洲粉土層進(jìn)行循環(huán)荷載實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)記錄粉土體的孔壓變化和電性變化，基于土體電阻率對土體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)反應(yīng)，分析響應(yīng)過程中土體變形特性，通過一定深度范圍內(nèi)土體電阻率的不均勻變化情況揭示土體分層變化規(guī)律。鑒于已有的研究基礎(chǔ)，為進(jìn)一步解析土體不同特性介質(zhì)的分層特征，本次實(shí)驗(yàn)選擇淮河河漫灘土層，利用并行電法現(xiàn)場檢測模型土體電阻率，通過高精度電剖面測試研究土體二維空間電阻率分布特征，討論方法的適用性，為同類地質(zhì)條件分析研究提供參考。

1 土層結(jié)構(gòu)及其電性響應(yīng)特征分析

1.1 土層介質(zhì)結(jié)構(gòu)及探查地球物理基礎(chǔ)

實(shí)驗(yàn)場地土體介質(zhì)分布比較均勻，淺表層土主要由沙土組成，少量含有黏土、腐殖質(zhì)土壤。淺層土體物性在一定的控制深度存在差異，主要由小范圍內(nèi)土體介質(zhì)的差異所引起，黏性土、沙土、粉砂土等在含水率、孔隙比、壓縮模量等物理力學(xué)指標(biāo)有所不同，表征為本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用高密度電法所測試不同深度土體的電阻率差異，這就為土體介質(zhì)分層提供了實(shí)測依據(jù)。國內(nèi)外學(xué)者劉國華[7]、蔣建平[8]、Fruhlich Rhoades[9]等人對土體電阻率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，土層的介質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、飽和度、垂直滲透系數(shù)等與電阻率之間存在的一定的關(guān)系，土體不同層狀處不同性質(zhì)土體介質(zhì)的物理、力學(xué)指標(biāo)差異為電阻率測試提供了基礎(chǔ)，進(jìn)而為淺層土體介質(zhì)精細(xì)分層提供了依據(jù)?，F(xiàn)場實(shí)測之前，在人工開挖的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ推拭孢M(jìn)行了土體介質(zhì)分層標(biāo)定，通過肉眼觀察和現(xiàn)場取樣將表層土壤以下80cm范圍內(nèi)土體劃分為五層，具體鑒定結(jié)果見表1所示。將鑒別分層與儀器測試精細(xì)分層結(jié)果進(jìn)行對比，有效討論探查方法的有效性。

表1 地質(zhì)模型構(gòu)建參數(shù)表

1.2 土體介質(zhì)模擬及電性響應(yīng)特征

正演模擬是電法研究中的一項(xiàng)重要手段，其方法包括有限單元法、有限差分法等。有限元法對復(fù)雜邊界問題的正演更接近真實(shí)情況，對網(wǎng)格劃分、厚度遞增系數(shù)、深度系數(shù)等正演參數(shù)設(shè)置合理，便能得到較高的模擬精度。通過正演模擬獲得不同地電模型的響應(yīng)特征，為探查剖面的精細(xì)解釋提供指導(dǎo)[10]。本次研究采用有限單元法進(jìn)行模擬，土層介質(zhì)地電模型構(gòu)建中，依據(jù)現(xiàn)場土體分層垂直剖面信息情況，選取五層均勻電性介質(zhì)進(jìn)行模型初始化，依據(jù)現(xiàn)場小四極測試方法確定層電阻率值，具體的層參數(shù)見上述表1?；贏GI正反演軟件平臺(tái)建立上述地電模型，模型電極距為0.05 m，電極排列方式為聯(lián)剖排列，網(wǎng)格區(qū)間數(shù)設(shè)置為4，厚度遞增系數(shù)和深度系數(shù)均設(shè)置為1.1，模型深度為0.66 m，選用狄利克雷函數(shù)邊界條件模擬。表層模型網(wǎng)格間斷設(shè)置部分高阻來模擬表層土壤擾動(dòng)的高阻異常，第二層網(wǎng)格設(shè)定個(gè)別低阻值區(qū)域，模擬犁底層密實(shí)土壤介質(zhì)，除了第一、二層位之外，以下各層都是均勻等阻值網(wǎng)格電性填充。圖1為該地電模型模擬結(jié)果，可以看出：模型構(gòu)建后反演結(jié)果能較好反應(yīng)土體分層特征，每一層不同物性土體介質(zhì)電性響應(yīng)特征明顯。表層0～8.8cm深度范圍內(nèi)與現(xiàn)場模型搭建時(shí)表層土壤相吻合。8.8～17.9 cm深度阻值較低，由于此犁底層土壤密實(shí)度較高，表征相對低阻。17.9 cm以下深度分層清晰，總體表現(xiàn)隨著深度增加阻值逐漸變大趨勢。整體上看，此地電模型構(gòu)建良好，正演模擬效果能很好解釋現(xiàn)場土體介質(zhì)分層及異常情況，這為現(xiàn)場探測應(yīng)用提供方法基礎(chǔ)。

2 精細(xì)探查與土層劃分

2.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榛春影哆吅勇┳匀粻顟B(tài)沉積形成的土體，為便于測試進(jìn)行了模型開挖，其走向長度為6 m，高1.2 m，寬度為0.7 m?，F(xiàn)場采用并行電法測試系統(tǒng)進(jìn)行土體電性數(shù)據(jù)采集，在土層表面中軸線上布置測試剖面。利用64道人工制作的微型銅棒電極，依據(jù)正演模擬參數(shù)設(shè)置電極距為5 cm，測線總長3.15 m，圖2為測試系統(tǒng)及布置圖。采用AM法進(jìn)行電性數(shù)據(jù)采集，設(shè)定采集參數(shù)，共采集了若干組數(shù)據(jù)，地電場信號采集質(zhì)量良好。

圖1 地電模型反演結(jié)果圖

(a) 電法測試系統(tǒng)

(b)現(xiàn)場測線布置

2.2 結(jié)果分析與驗(yàn)證

對AM法采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)過干擾信號剔除、裝置數(shù)據(jù)解編、坐標(biāo)系構(gòu)建、數(shù)據(jù)反演、結(jié)果剖面制作等流程，最后獲得不同方法的電阻率剖面結(jié)果，如圖3所示。其中測試視電阻率剖面所控制的測試深度為1 m左右，反演電阻率剖面圖相對較淺，深度達(dá)到0.85 m左右，這是進(jìn)行解釋的依據(jù)。認(rèn)為電性剖面中不同深度土體層位的電性特征響應(yīng)良好，從上而下電阻率變化整體趨勢大致相同，反演電阻率成圖能很好反映這一擾動(dòng)特征，這也側(cè)面反映了兩種數(shù)據(jù)處理成圖在微區(qū)域異常分辨差異，受不同層位真電阻率、電性體分布狀況、相對位置和供電、測量電極相互位置等因素影響，反演電阻率在一定程度能很好表征整個(gè)介質(zhì)微小電性變化，較視電阻率成像指導(dǎo)性較強(qiáng)。綜合分析，可對0.85m深度范圍土層介質(zhì)進(jìn)行五層劃分，其表層以下每層土體深度控制范圍及分層結(jié)果與開挖剖面相吻合，表明運(yùn)用電法技術(shù)精細(xì)劃分淺層土體介質(zhì)具有可靠性。表2為電阻率剖面的具體解釋及開挖地質(zhì)剖面對比分析。

圖3 電阻率(左)和反演電阻率(右)剖面圖

通過探測與驗(yàn)證結(jié)果表明，高精度電法探測技術(shù)在淺層土體介質(zhì)分層方面具有良好的實(shí)效性，對土層結(jié)構(gòu)的分辨程度較高，在巖土工程應(yīng)用領(lǐng)域，特別是針對土體介質(zhì)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論與建議

通過理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測，獲得土層介質(zhì)電法探查方法技術(shù)應(yīng)用結(jié)果及認(rèn)識，具體來說包括以下幾個(gè)方面。

土層介質(zhì)具有不同的地電場信息，其電阻率值有一定的差異，因此可以利用并行電法進(jìn)行土層結(jié)構(gòu)的精細(xì)分層。運(yùn)用正演模擬可為現(xiàn)場探查應(yīng)用提供技術(shù)參數(shù)確定、反演解釋等方面的指導(dǎo)。

土層介質(zhì)的厚度對并行電法測試具有一定的影響，通常在橫向和垂向具有良好的分辨率，現(xiàn)場探查需做好對橫向介質(zhì)電阻率連續(xù)性的對比分析，進(jìn)一步提高分層效果。

對于土層介質(zhì)劃分結(jié)果還需深入研究，在進(jìn)行厚度判斷時(shí)，對于邊界處的電阻率判斷閥值選取方面仍需結(jié)合鉆孔控制修正，不斷提高介質(zhì)層精細(xì)劃分和解釋的精度。同時(shí)，在微電極系統(tǒng)加工制作上還需不斷改進(jìn)，進(jìn)一步提升現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的有效性，獲得更為理想的應(yīng)用效果。

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S152.2

B

1671-4733(2017)06-0008-03

2017-04-14

汪武(1991-)，男，安徽宿松人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ膛c環(huán)境物探。