巖土勘察中地理信息3D 模擬系統(tǒng)的應(yīng)用

高明

（中國市政工程東北設(shè)計研究總院有限公司，長春130021）

1 引言

巖土勘察是指運用測試的方法對建筑場地進行調(diào)查與判斷，研究修建各種工程建筑物的地質(zhì)條件和建設(shè)對自然地質(zhì)環(huán)境的影響。在巖土勘察中更是融入了地理信息系統(tǒng)等計算機技術(shù)來輔助工作，但仍存在不足之處，此次針對傳統(tǒng)巖土勘察中存在的不足，優(yōu)化設(shè)計巖土勘察方法。為提高巖土勘察中的信息獲取量，本文將地理信息3D 模擬系統(tǒng)應(yīng)用在巖土勘察中，進而提高巖土勘察信息獲取量。

2 在巖土工程勘察中應(yīng)用的必要

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，城鄉(xiāng)建設(shè)與工程建設(shè)的步伐和規(guī)模都以前所未有的速度展開，大量的建設(shè)項目使工程勘察活動在深度和廣度上都達到了相當?shù)囊?guī)模，這些成果資料是非常寶貴的信息資源，不僅對過去的工程建設(shè)起到過重要作用，而且還有很高的重復利用價值?？辈旆譃槌蹩焙驮斂钡入A段，初勘階段如有勘察區(qū)域的地質(zhì)工程資料，可省去很多時間和工作，也有利于詳勘方案的制訂和實施，可提高勘察水平。因此，已有的勘察資料對勘察工作非常有利用價值。

3 地理信息3D 模擬系統(tǒng)概述

本文研究的系統(tǒng)在實際應(yīng)用中對空間數(shù)據(jù)有較強的基礎(chǔ)表現(xiàn)能力，主要是由于巖土勘察的過程受到計算機等運行環(huán)境的支持，采集的巖土勘察數(shù)據(jù)具有時效性。地理信息3D 模擬系統(tǒng)的應(yīng)用需要遵循3 個原則：（1）一致性原則，是指系統(tǒng)作為地理信息展示的整體，在全程變量設(shè)置等方面需統(tǒng)籌全局，統(tǒng)一安排；（2）實用性原則，系統(tǒng)應(yīng)以現(xiàn)實為基礎(chǔ)，確保提供信息具有實用性；（3）先進性原則，充分融合各種先進技術(shù)，實現(xiàn)資源共享，提高系統(tǒng)的可用性。其綜合數(shù)據(jù)的表述特征，可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的正確運算、精準分類、定向存儲[1]。因此，應(yīng)積極將地理信息3D 模擬系統(tǒng)應(yīng)用在巖土勘察中，基于此，本文設(shè)計一種新型基于地理信息3D 模擬系統(tǒng)的巖土勘察方法。

4 基于地理信息3D 模擬系統(tǒng)的巖土勘察方法

將地理信息3D 模擬系統(tǒng)應(yīng)用于巖土勘察，在明確巖土工程勘察空間信息屬性的基礎(chǔ)上，可通過迭代分析巖土勘察數(shù)據(jù)，完成勘察數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并通過系統(tǒng)對巖土勘察信息進行有效調(diào)用，提高信息的利用率。在基于地理信息3D 模擬系統(tǒng)的巖土勘察中，需要充分分析巖土勘察底層承載力，明確地質(zhì)層的荷載情況，判斷巖土的物理學特征，以確保勘察結(jié)果在應(yīng)用中的安全性。

4.1 迭代分析巖土勘察數(shù)據(jù)

在巖土勘察中，使用提出的3D 模擬系統(tǒng)進行巖土勘察過程中的地質(zhì)劃分時，應(yīng)基于矢量層面對數(shù)據(jù)進行更新，綜合巖層與地質(zhì)周邊信息，對地質(zhì)勘察區(qū)名、地質(zhì)勘察編號、地質(zhì)勘察覆蓋面積、核心勘察區(qū)等數(shù)據(jù)進行獲取并分析。在此基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，將地理信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可支持巖土勘察格式數(shù)據(jù)。在完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換后，將系統(tǒng)作為巖土勘察的工具，進行地質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取。巖土工程勘察空間信息屬性如表1 所示。

表1 巖土工程勘察空間信息屬性

結(jié)合表1 所示，基于地理信息3D 模擬系統(tǒng)迭代分析巖土勘察空間信息。通過迭代分析巖土勘察空間矢量數(shù)據(jù)的表達式，實現(xiàn)基于地理信息3D 模擬系統(tǒng)對巖土勘察數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

4.2 基于地理信息3D 模擬系統(tǒng)相互調(diào)用巖土勘察數(shù)據(jù)

在基于地理信息3D 模擬系統(tǒng)迭代分析巖土勘察數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在巖土勘察工作中，將屬性作為參照數(shù)據(jù)，通過調(diào)用數(shù)據(jù)實現(xiàn)對巖土地質(zhì)的勘察。在此基礎(chǔ)上，運用3D 系統(tǒng)對地質(zhì)信息進行成像，直觀檢索巖土信息，并使用系統(tǒng)提供的專家處理技術(shù)，以此實現(xiàn)對地質(zhì)信息的交互與有效調(diào)用。因此，地理信息3D 模擬系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對巖土勘察信息的相互調(diào)用，以此提高巖土勘察中的信息利用率。

4.3 分析巖土勘察底層承載力

通過基于地理信息3D 模擬系統(tǒng)相互調(diào)用巖土勘察數(shù)據(jù)，分析巖土勘察底層承載力。巖土所承受荷載不同，地基巖土的變形情況也不同，地基承載力與受土質(zhì)以及土層順序等因素的影響，且與巖土底層形狀、地下水位等因素相關(guān)。巖土底層承載力計算公式為：

式中，ρ 為承載力；a 為常數(shù)，取值0.25；γ 為巖土天然容重；h為極限深度；b 為常數(shù)；c 為黏聚力。

4.4 判斷巖土的物理學特征

運用地理信息3D 模擬系統(tǒng)可以判斷巖土的物理學特征，考慮巖土的三維空間有限性，計算底層巖土承載力。首先需要進行多點勘測，不僅要勘測表層巖土，還需要勘測工程深度范圍內(nèi)容的各巖土層，包括土層的含水率、天然密度、孔隙比等；然后對所有鉆孔編號，將鉆孔編號、坐標位置、孔深、孔口高程等信息錄入模擬系統(tǒng)，對采集各巖土層的信息進行3D 模擬，并判斷巖土物理學特征，對后續(xù)研究具有重要意義。

5 實例分析

上述分析從理論上說明了地理信息3D 模擬系統(tǒng)在巖土勘察中應(yīng)用的有效性，為驗證該方法的實際應(yīng)用價值，進行實例分析，并將本文方法與傳統(tǒng)方法相對比進行驗證。

5.1 實驗準備

構(gòu)建實例分析，測試設(shè)計巖土勘察方法在實際應(yīng)用中的可行性。以某工程地質(zhì)勘察工作為例，項目總面積約500 000m2，地上建筑以廠房為主，總荷載約為50kN/m2，在勘察作業(yè)前，需要對該區(qū)域內(nèi)0～8m 范圍內(nèi)原始土層做換土處理，在勘測區(qū)域布設(shè)320 個鉆孔，控制孔168 個，鉆孔深度在15～30m 不等，選用TOPCON-3010 型全站儀進行定位，確保定位誤差＜0.1m，測試巖土的承載力。

限定的巖土勘察范圍為10～50km2，以每5km2為一個范圍節(jié)點，劃分巖土勘察范圍。在此基礎(chǔ)上，整理實驗環(huán)境信息，構(gòu)建實驗環(huán)境設(shè)備基本參數(shù)表，其中，實驗環(huán)境設(shè)備基本參數(shù)信息，如表2 所示。

表2 實驗環(huán)境設(shè)備基本參數(shù)表

實驗步驟為：（1）迭代分析巖土勘察數(shù)據(jù)，獲取項目基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式；（2）調(diào)用巖土勘察數(shù)據(jù)，運用系統(tǒng)的專家處理技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化；（3）計算巖土勘察底層承載力；（4）判斷巖土物理特征。在此步驟中，將所有鉆孔編號，并在系統(tǒng)中錄入所有項目基本信息及計算所得的底層承載力，由系統(tǒng)自動生成巖土3D 模擬圖，得出巖土物理特征。

使用本文基于地理信息3D 模擬系統(tǒng)設(shè)計方法，可以有效獲取圈定區(qū)域的巖土勘察信息，通過OPERTYLE 軟件獲取信息數(shù)據(jù)數(shù)量，設(shè)為實驗組。再使用傳統(tǒng)方法，有效獲取圈定區(qū)域的巖土勘察信息，同樣使用OPERTYLE 軟件統(tǒng)計獲取信息數(shù)據(jù)數(shù)量，設(shè)為對照組。由此可見，在本次實例分析中設(shè)置的對比指標為巖土勘察信息獲取量，巖土勘察信息獲取量越高證明該巖土勘察方法的信息獲取能力更強。

5.2 實驗結(jié)果分析與結(jié)論

利用地理信息3D 模擬系統(tǒng)，經(jīng)過上述步驟生成如圖2 所示的模擬圖。

圖2 3D 模擬圖

并經(jīng)分析可知，新黃土層呈現(xiàn)黃褐色，土質(zhì)較為均勻，孔隙為針狀，含有微量的鈣、鐵元素，略濕；古土層呈現(xiàn)黃褐色，孔隙為針狀，團粒結(jié)構(gòu)含有鈣質(zhì)條紋；老黃土層顏色幾孔隙情況與新黃土層一致，但含有少量鈣質(zhì)結(jié)合；粉質(zhì)黏土層呈現(xiàn)灰黃色，土質(zhì)均勻，含有大量鈣質(zhì)幾鐵錳結(jié)核，其他物理學特征如表3 所示。

表3 巖土物理學特征

隨著勘查范圍的不斷增大，巖土工程勘察信息獲取量也必然隨之增加，但實驗組的巖土工程勘察信息獲取量一直高于對照組。由此可見，本文基于地理信息3D 模擬系統(tǒng)設(shè)計方法可識別的巖土勘察信息更為全面，可實現(xiàn)對巖土勘察信息的良好統(tǒng)計，并且該方法且具有現(xiàn)實推廣意義。

6 結(jié)語

通過巖土勘察中地理信息3D 模擬系統(tǒng)的應(yīng)用研究，能夠解決傳統(tǒng)巖土勘察中存在的問題。說明地理信息3D 模擬系統(tǒng)能夠指導巖土勘察方法優(yōu)化，進而通過實例分析體現(xiàn)出應(yīng)用價值所在。在后期的發(fā)展中，應(yīng)加大地理信息3D 模擬系統(tǒng)在巖土勘察中的應(yīng)用力度。截至目前，國內(nèi)外針對基于地理信息3D 模擬系統(tǒng)的巖土勘察方法研究仍存在一些問題，在日后的研究中還需要進一步對巖土勘察方法的優(yōu)化設(shè)計提出深入研究，為提高巖土勘察方法的綜合性能提供參考。希望通過本文的研究，能夠為巖土勘察的發(fā)展起到積極的促進作用。