中国岩土工程物探的成长与展望

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中国岩土工程物探是岩土工程的一个重要组成部分，是岩土工程勘探和岩土工程监测、检测的重要手段。中国岩土工程物探是在工程物理勘探（也叫工程物理探测，简称工程物探）的基础上发展起来的。
    1．工程物探的建立与发展阶段
    中国工程物探初建于五十年代，是工程勘察的一个组成部分，当时作为水文地质勘察和工程地质勘察的重要勘探手段之一。经过五十年代和六十年代的大发展，工程物探机构和队伍几乎遍布于全国各地区、各部门的大中型，特别是大型工程勘察单位。使用的仪器和技术手段主要是仿照前苏联的一套，限于当时技术发展水平，总的来说是精度较低，手段较少，因而在一些工程地质技术人员中误传着：“物探，物探，说了不算”的不公正说法。
    2．调整提高阶段
    该阶段（七十年代、八十年代）分化为二方面来体现。一方面，由于工业与民用建筑水文地质勘察任务普遍大幅度萎缩，不少工程勘察单位水文地质工程物探任务也相应减少，甚至没有，而由于实行经济承包责任制，有一部分工程地质队领导为了“肥水不流外人田”，工业与民用建筑工程地质勘察中应用工程物探手段一般很少，再加当时工程物探常规手段还不够先进，物探技术人员的技术素质有不少还不适应工程勘察的需要，所以许多工业与民用建筑系统的工程物探技术人员陆续改行，或则撤消工程物探机构；另一方面，许多部门、地区工程勘察单位的工程物探有识之士，在领导的支持下，坚守岗位，引起国内外先进的仪器设备，紧密结合中国工程勘察推行岩土工程、改革开放的良好时机，扩大业务范围，向岩土工程测试、监测、检测转化，把工程物探队（或部分力量）改组为岩土工程测试（监测、检测）中心之类的机构，工程物探的作用和地位得到了肯定，从而使工程物探发展提高到一个新的阶段
    3．岩土工程物探
    该阶段（九十年代）在前阶段发展的基础上，由于方向正确，经过广大岩土工程物探领导和技术人员的共同奋斗，取得了突出的成就，受到了主管部门、建设单位和工程界的赞许，确立了岩土工程物探的地位。欲善其功，必先利其器。由于计算技术和数字技术等高科技的发展和应用，本阶段中国岩土工程物探仪器装备、测试技术和资料处理分析等方面有了突破性的进展。以北京市水电物探研究所刘云桢所长等人为代表，经过多年的探索、实践，于1993年率先较系统的提出了多道瞬态面波技术，实现了岩土工程浅层勘探薄层高分辨、高精度效果的目的。其研制的SWS多波列数字图像工程勘探与工程检测系统及其相关技术在1998年11月被国家科技部等主管部门定为国家重点新产品。据国内外有关方面反映，该产品达到国际先进水平。经过大量岩土工程实践的检验，不论是岩土工程勘察中的地层探测、水域勘察、还是环境岩土工程勘察中岩土层异常体、异常带的探查，以及岩土工程治理的监测、检测等方面都取得了良好的进展。就以兰州中川民用机场扩建工程飞行区详细勘察为例，该工程由中国市政工程西北设计研究院（勘测处人北京市水电物探研究所、福建建筑设计院勘察分院共同承担。该场地历史上由于当地农民采砂，遗留了大量砂井、砂巷、砂坑，其分布位置无规律，大小深浅不一，后经平田整地与浇灌，变成暗埋地下，形态及充填状态各异，对跑道与站坪的稳定性有长期不良影响，形成安全隐患。如何准确查明和正确评价、提出合理的治理方案，是该工程岩土工程勘察的难点和重点。他们制定了以物探和地面调查为先导。以钻探取土鉴别、触探测试及载荷试验为验证评价手段，以六十年代原始地形资料为质量检查依据的综合探查方案。经过三次前期物探方法优选试验，并进行常规手段检验后，通过专家论证确定，在黄土覆盖较厚的中段和南段采用SWS多波物探技术，以高密度地震影像法及瞬态面波法相结合进行探查，在0.93平方公里范围内共布设物探测线249km，发现物探异常126处，经2989个验证孔，15632m钻探与静探测试进尺确定暗埋塌落空洞型砂井、砂巷共118个，其中空洞6处，最大空洞体积200m3；对黄土覆盖较薄的北段，按照地面调查圈定的范围，采用钻探与动探验证，探明暗埋沙坑81个。该工程勘察查明了暗埋体的分布位置、平面分布范围、埋深、充填物的成份、状态及其工程性质，提出了正确的评价和治理建议。该工程勘察参加全国第七届优秀工程勘察状评选，初审评审组的专家一致认为：该工程勘察采用先进的SWS多波列数字图像工程勘探与工程探测系统及其相关技术进行探查，具有创新特点，效果良好，成绩明显，经上级评委会审定，获得银质奖。岩土工程勘察中主要由工程物探高新技术成果而获得全国优秀工程勘察奖的，可以说是少有的。这也从一个侧面反映了岩土工程物探发展到了一个新阶段。
    二、岩土工程物探的展望
    在新世纪的头十年到二十年里，岩土工程物探将有更迅速更全面的发展。以岩土工程多波列勘探新技术为代表，在仪器设备、测试技术和资料处理、评价等方面将取更全面的进展。在这里对岩土工程物探的展望，提出几点粗浅的看法。
    1．扩大和提高岩土工程多波勘探仪器装备的精度和适用范围
发挥岩土工程物探探测速度快、测点密度大，成本相对较低等优势，进一步提高岩土工程多波勘探察方法精度，使岩土层的探测精度能达到钻探取得的精度甚至更高，逐步达到岩土工程勘察中以岩土工程物探为主，以钻探为铺的革命性新格局；进一步扩大其在环境岩土工程和岩土工程监测、检测以及在海洋（离岸）岩土探测中的应用范围。
    2．开发新的高精度、多功能的测试仪器装备和相关技术 根据工程勘察（岩土工程）对岩土工程物探技术创新的需要，岩土工程物探仪器装备研制部门将开发出新的达到国际水平的高精度并与原位测试、钻探相结合的新型仪器和相关技术，将大大推动岩土工程勘探与岩土工程测试技术面貌的改变。
    3．岩土工程物探技术人员既要精通本职的理论知识，积累丰富的实践经验，又要逐步掌握岩土工程其他方面的理论、技术知识与实际工作能力。这样既可提高工程质量，又可向岩土工程有关方面延伸。但是要强调一点，要扎扎实实地掌握必要的理论和技术知识，积累实践经验，不能盲目地承担力不能及的工程任务，不然，有可能会产生严重的后果，这种实例在有的地方已发生。
    4．要充分认识岩土体的非均质性、探测体分布的复杂性、测试曲线的多解性，测试成果的精度除了取决于测试仪器设备的先进水平，还取决于资料整理判释者的技术水平的高低和实践经验的丰富程度。为此，需要不断总结经验，防止判释失误。在以往的工程实例中，判释错误的例子，甚至采用所谓引进国外先进仪器设备，作出的结论，经验证认定是错误的，不是极个别的。这就要求成果准确可靠，不能失误。

 

探讨解决岩土工程勘察中存在的技术问题

 

1 前言
我国工程地质勘察专业经过近二十年的努力，已实现了向岩土工程勘察方向发展，技术人员的知识得到了更新换代，岩土工程技术不管从勘探手段、测试设备、试验仪器、计算机技术的应用还是技术人员知识的广度和深度都有了很大的提高。但是，应该看到随着我国经济改革的进一步深入，勘察市场竞争越来越激烈。不少勘察单位由于种种原因不愿意购置先进设备，低价中标使许多勘察单位不愿意采用先进手段和先进设备。近年来，勘察技术进步有停滞不前的趋势。许多与工程密切相关的课题得不到解决。
2 岩土工程勘察中存在的主要技术问题
随着我国国民经济不断高速发展，众多基础建设项目和现代化超高层建筑物不断兴建，基础和基坑开挖深度越来越深，各种公共建筑物的建筑风格迴异，其平面和立面变化大，给结构和勘察专业带来诸多的新课题，采用传统的勘察方法和传统的勘察手段已经很难满足设计的需要，存在着许多急需解决的岩土工程勘察技术问题。这些问题主要以下几个方面；
(1) 界面划分问题：主要有岩土体和岩石风化程度的界面划分，地质构造和软弱结构面的判定，以及不良地质体的地质界面等。
(2) 地质形态问题：主要有不明地下物体、空洞及其分布形态、埋藏位置和埋藏深度的确定。
(3) 岩土参数问题：主要是那些难于取到原状岩土样和难于进行室、内外试验的岩土层即粗颗粒土、残积土和风化岩等。其岩土设计参数（承载力、变形指标等）难于确定。
(4) 综合能力问题：主要表现在一部分勘察技术人员缺乏对勘察各专业的野外和室内原始资料的整理、分析、利用的能力，缺乏如何辨别真伪、去伪存真、补充印证、归纳总结的能力，缺乏建筑、结构设计方面的知识，常造成勘察的目的性不明确，所提供的资料不能满足设计的需要。
(5) 技术素质问题：主要是勘察技术人员知识的广度和深度问题，勘察各专业缺乏内部沟通、技术交流，对各自技术服务的对象和技术发展状况不了解，导致碰到重大项目和复杂工程时束手无策，不知应采用何种技术方法和手段去解决所碰到的技术问题。
3 探讨问题的解决方法
要解决上述岩土工程勘察工作中存在的主要技术问题，可以考虑从以下几个方面着手：
(1) 随着电子、电子计算机技术的飞速发展，近十几年来，工程物探专业根据弹性波理论、电磁波理论和电学原理发展了许多新的工程物探方法并相应发展了一大批集适时采集处理，软、硬件功能于一体的工程物探探测设备，它具有采样密度大、速度快、成本低、信息量大等特点。可以利用工程物探可连续加密测点的办法来获得连续的地质界面。从而有效的解决传统钻探手段以点带面划分地质界面时常带来的漏判、划分不准确等缺点；并且可以利用综合工程物探方法有效地解决传统勘察手段难于解决的诸多岩土工程问题，如地下不明物体、洞穴、软弱结构面、滑动面、断层、破碎带等在地下的分布特征、形态、埋藏深度、位置。并且可以提供许多工程建设所需的岩土动力参数和设计地震动参数。相对传统的钻探方法，工程物探技术使用时受场地、地形条件的限制较少，具有节省时间、节省费用、勘探精度高等特点。但是，各种工程物探方法的有效性决定于它对探测对象的适用性，物性条件的适用性越强，解决问题的可靠的性越大，因此，为了有效地解决某些复杂的岩土工程技术难题，必须采用多种工程物探手段和钻探联合使用的方法，起到互相补充、互相验证的作用。合理地选择、运用工程物探技术与传统勘探手段相结合，无疑是解决岩土工程勘察中存在的主要问题的有效手段之一。
（2）加强室内、外测试新技术（如多功能静力触探头、标准贯入试验、波速测试、静载荷试验等）和施工检测、监测技术的使用，通过其所获得的数据和资料，经过分析、对比，建立它们之间的经验关系，并通过工程施工检测、监测所获取的实测资料反算得到的参数作为对比依据，确保所提供的岩土工程设计参数的可靠性。并达到解决那些采用传统勘探手段难于获取可靠的岩土工程设计参数（如粗颗粒土、花岗岩残积土、风化岩的承载力、变形指标）等问题。此外，还可以利用土工离心模拟技术检查工程安全的可靠性；验证堤坝、边坡的变形和稳定性；解决建筑物浅基础的地基变形特征、破坏模式及极限承载力，桩基础的承载力和施工工艺对桩基础承载力及变形的影响；解决挡土结构的变形及破坏机理，土体与结构物之间的相互作用；了解动力工程、砂土液化、单桩和群在水平动荷载作用下的性状。
（3）加强勘察技术人员的再教育和技术培训并形成定期制度，促进其知识的更新换代。勘察单位施行内部岗位轮换制度，促成勘察各专业的技术交流、知识渗透，尽可能组织技术人员参加各种有关的学术活动和讲座，达到扩大勘察技术人员的知识广度和深度的目的。强调计算机技术的应用（如受压层深度计算、承载力计算、土压力计算、各类静力或动力有限元计算、基坑支护设计计算、沉降分析、数理统计、地基与基础协同作用分析、地震反应分析、渗流分析等），采取这些措施无疑可以大大提高他们的技术综合能力。
4 工程实例
某居住小区位于福州市晋安区新店罗汉山——涧田山一带，拟建场地沿山脊走向呈长条状，其长轴方向长度约为2.2KM,短轴方向长度约为0.7KM，占地面积约为1620亩，拟建物主要为多层（3-6层）住宅和（2-3层）别墅，及少部分公共建筑（商场、学校、卫生院、地下室、农贸市场、邮电局、储蓄所、会所、俱乐部等）。业主按使用功能把本项目划分为A-G等七个区，山体北部为A-C区，山体南部为D-G区，场地中部为居住小区的标志性建筑——柱廊和生活桥。
本工程占地面积大，位于丘陵地貌，地形复杂、山体陡峭，基岩埋藏浅，许多地方直接裸露，并且跨越的地层单元多，即有山前的冲洪积物、坡积物、冲积物、淤积物，又有新近场地平整时回填的人工堆积物，其中大部分场地表面分布有厚达十来米（含有直径可达1-2米的巨大块状石头）的人工填土，地层和岩性分布复杂。基岩主要为花岗岩，局部有断层分布，岩石的裂隙较发育，伴有花岗斑岩岩脉、石英正长斑岩岩脉、辉绿岩岩脉穿插其间，垂直山脊走向仅400米宽度内就分布有14条岩脉。各种岩石、岩脉风化程度不一，有的岩脉风化后，其土质松软，形成了复杂的岩土组合。其勘察的难度大，为了查明场地的岩土层分布和地质构造特征，合理地制定勘察方案和选择合理的勘察手段，首先在收集当地地质资料的基础上，进行了大量的工程地质测绘工作。然后根据地质测绘成果和场地工程地质条件编制勘察纲要。再针对场地地形、地貌特征、地质条件及工程特点，选用以钻探、物探为主结合坑探、槽探、洛阳铲、静力触探等多种勘探方法进行勘察工作。本工程共布置勘探点1007个，对场地岩土体进行了一系列的室内外试验和测试工作，野外测试工作主要有浅层载荷板试验、标准贯入试验、动力触探试验、静力触探试验、面波测试、剪切波速测试、抽水试验；室内试验除了常规的岩土试验项目外，还进行了三轴剪切试验、击实试验、渗透试验、水质分析等。具体的勘察工作是；
（1）根据山地地层相对简单，但钻机搬运困难等因素，将物探、井探、槽探手段应用于难于进行钻探的山顶、陡坡等位置，并考虑到井探和槽探的勘探深度有限，因此将物探、井探、槽探等结合起来使用，既达到了勘察目的又节约了勘察成本。
（2）各种勘察手段相互进行对比验证，如通过大量物探与钻探、坑探、井探等的对比试验，取得场地各岩土层的对比参数，提高了物探资料的准确性和可靠性。把室内岩土试验和野外标准贯入试验结果与静载荷板试验成果进行分析、对比，建立它们与地基承载力和变形指标之间的关系等。
（3）根据初步勘察成果判定，本工程有大量的拟建物基础将选择花岗岩残积土作为其持力层，由于场地内花岗岩残积土穿插有大量不同岩性的岩脉，并且其风化程度不同，造成岩土软硬不一。根据经验，采用常规土工试验和标准贯入试验成果提供设计所需的岩土设计参数往往偏低，为了能准确地提供设计所需的岩土设计参数，本次勘察共进行了6台载荷板试验以获取不同花岗岩残积土的承载力特征值和变形模量。其所获得的地基承载力特征值比采用常规方法提供的提高了约1.5倍（180KPa提高到289KPa），变形模量提高了3倍（5MPa提高到15.3MPa）。取得了较大的经济效益。
（4）由于建筑需要，场地平整形成了大量的人工边坡，有的削坡高度达50多米，填方边坡高度达15米。本次勘察对场地内是否存在不良地质作用和潜在不良地质作用进行了大量的深入调查研究，提出了防治措施。对有关边坡的安全和稳定性问题作了专题研究，通过计算分析了边坡的稳定性条件，提供了各种边坡的支护方案和支护设计、施工所需的有关岩土参数，对施工、检测、监测工作提出了合理化的建议。
（5）岩土工程勘察报告着重对地基与基础方案，地基与基础设计参数进行了细致和深入的分析、探讨。根据场地岩土工程条件，结合上部结构荷载分布特征和成桩可能性及基础持力层的工程性质、埋藏深度等，对基础方案进行了经济、技术上的可行性分析和对比。针对不同分区、不同的建筑物，建议选用不同的基础形式和不同的基础持力层。如填方区和软土区建议采用人工挖孔桩，而填土厚度不大及缺失区域（挖方区）则建议采用天然浅基。并对各种基础的承载力进行了估算，对地基变形和建筑物沉降进行了计算。
勘察场地的岩土工程条件变化大，有的填方厚度可达十几米，削坡厚度可达五十多米，形成了许多人工高边坡，虽然对地基的承载力和变形以及边坡的稳定性进行了计算，但是增加的附加荷载和卸载使岩土体的应力历史条件变化很大，岩土工程勘察报告强调了检测和监测工作的重要性。该意见被业主和设计人员所采纳，经过施工检测和施工监测，证明勘察报告所提供的各种岩土设计参数和各种方案经济合理、目的性和针对性强。
5 结束语
（1）工程实践证明；合理地选择、运用工程物探技术与传统的勘探技术相结合，无疑是解决岩土工程勘察存在的技术问题的最佳途径。但是，任何的技术都有其局限性和适用性，要有效地解决某些复杂的岩土工程勘察技术问题，必须采用多种勘察手段联合使用，互相补充、互相验证。
（2）各种间接勘察手段所获取的资料应与传统的勘察方法（如钻探、原位测试、岩土试验等）、施工检测、施工监测成果进行对比、验证，建立相对应的经验关系，从而建立定量分析、判定标准，确保工程勘察质量。
（3）提高工程勘察技术人员业务水平和综合能力的关键是：a) 培养勘察技术人员的技术素质；b) 拓宽专业知识的广度和深度；c) 积极参与工程实践。

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