高密度电阻率法在路基工程中的应用
2021-07-07常建勇
常建勇
(山西省交通规划勘察设计院有限公司,山西 太原 030032)
随着我国工程建设领域技术的不断发展,许多传统的检测手段因其准确性差,效率低下不能满足工程要求而逐渐被取代。高密度电阻率法作为一种地球物理学勘测方法,具有探测范围广、精度好、对结构不产生破坏等优点,在路基平整度检测、空洞探测与岩溶地质地区隧道勘测等方面被不断使用,取得了令人满意的效果。
1 高密度电阻率法的工作原理
高密度电阻率法的原理与常规电法基本相同,即地质体本身是一种绝缘体,其内部夹杂水分的多少决定了其电阻率的大小[1]。因此在电压为一设定值时,一个电流值只对应于一个含水率[2],根据这个基本的电性原理,可通过向探测目标施加直流电流来研究探测区稳定电场下电阻率的分布规律和目标体的空间分布情况[3]。
分析计算时,首先计算电压U的拉普拉斯方程来确定电场分布[4]:
根据式(1)便可求出M,N两点的电位:
则AB在MN间所产生的电位差为:
则均匀大地电阻率:
式中:K为装置系数,满足式(6):
2 高密度电阻率法的探测方法与特点
高密度电阻率法的测量装置是一种组合式剖面装置,其装置的不同主要在于电极排列方式的变化,常用的有温纳排列、偶极排列、微分排列等。温纳排列方式一般设置4个电极,其中两端为供电电极AB,中间的MN是测量电极。各电极的距离满足AM=MN=NB=1/3AB=na(n=1,2,…;a为电极间距)[5]。工作时将4个电极同时向右移动,便可以得到一个探测剖面;接着电极再次向右同时移动,得到另一个探测剖面。按照这一操作不断扫描测量至电极间距为最大间隔系数,可以得到一个倒梯形的检测断面。
图1 温纳装置探测示意图
在评价路基的压实质量时,工程上常用的方法是灌砂(水)法,操作简便,原理简单,但这种方法不适用于填石路堤等有大孔洞或大孔隙材料的压实质量检测[6]。灌砂(水)法在检测过程中难免会漏测缺陷部位,不能充分反应压实质量[7];利用探地雷达进行波法检测属于无损检测,简单快捷,但是目前仍不清楚波在各种土体中的传播规律,波法检测的试验结果还不能与传统静力试验建立统一的标准,推广应用范围较小,因此波法目前仅用于路基路面结构裂缝的检测[8];高密度电阻率法属于无损检测,操作复杂,准备工作多,但测量范围大、精度好,可以获得比较丰富的地质地球物理信息,适用于线性工程,并且可以实时处理数据[9],是比较适合于检测路基路面质量的地球物理学探测方法。各检测手段的特点对比如表1所示。
表1 各检测方法的特点对比
3 高密度电阻率法的应用实例
3.1 路基压实度质量检测
路基压实度是路基施工质量中的关键指标,影响着路基沉降变形和稳定性[10]。利用高密度电阻率法检测填方路基的压实度时,其具体步骤如下:
a)对现场土样进行击实试验并测定其电阻率,得到电阻率、含水量、干密度三者之间的关系。
b)在路基上布设电极进行电阻率测试,得到其电阻率的分布情况并制作电阻率等值线图。
c)根据电阻率、含水率、干密度三者之间的关系,将电阻率等值线图转化为击实干密度等值线图。
d)评价填方路基的压实质量。
检测区路基的填方厚度为0.5 m,最大干密度为18.4 kN/m3,最佳含水率为18%,对应的电阻率为90 Ω·m左右。该路基电阻率的分布情况如图2。
图2 检测区路基电阻率分布情况
制作含水量不同的试件,进行击实试验并测定其电阻。将填土的含水量和对应的电阻率进行统计分析,可进一步得到含水量和电阻率二者的关系:
式中:w为试件的含水量,%;ρ为填料的电阻率,Ω·m。
其对应的曲线如图3所示。
图3 填土电阻率和含水量
为了确定干密度与电阻率的关系,首先绘出压实干密度与含水量的关系图,如图4所示。由关系图可得到压实干密度与含水量的关系式:
图4 填土含水量与干密度
式中:γd为试件的击实干密度,kN/m3;w为填料的含水量,%。
将式(7)带入到式(8)可得击实干密度与电阻率的关系:
式中:γd为试件的击实干密度,kN/m3;ρ为填料的电阻率,Ω·m。
其对应的曲线如图5所示。
图5 填土电阻率与干密度
则根据以上公式可进一步得到路基压实干密度分布断面,如图6所示。
图6 路基压实干密度分布断面
对比路基填方的高密度电阻率法和灌水法的测试结果,可以看出厚度为0.5 m的路基全区的电阻率在80~100 m左右,与电阻对应的压实含水量为17%~20%,可以判断出干密度大于18.3 kN/m3,则该施工区域的路基压实度达到了预定标准。当深度大于1 m时,可以看到电阻率分布不均匀,这一方面原因是随着深度的增加精度逐渐下降,另一方面原因是地下深处土质情况复杂,因此不具备参考性。
3.2 路基空洞检测模拟
在路基工作区内,由于路基填土土质、路基施工时碾压不足、地下溶洞塌陷和行车荷载振动等原因[11],可能形成路基空洞,如果不及时处理,可能导致整个路基的破坏。
本次模拟试验是在某土方路基施工路段上埋设一空木箱来模拟空洞病害。为了更好地对比病害区与正常路基的探测结果,根据病害的位置布置两条测线。其中测线A在正常路基上方,测线B布置在病害区上方。
本次试验的电极排列方式为温纳排列,破面层数为9层,选用的供电电压96 V,装置的供电时间设置为100 ms,测量方式为拱顶断面测量。测线A的测试反演结果如图7所示,各区域的电阻率显示正常,高电阻率区域与低电阻率区域差值不大,电阻率从浅层到深层的分层现象明显,这是因为路面结构分层的影响。
图7 电阻率分布(测线A)
从测线B的测试反演结果可以看出在水平方向14.5 m、深度3.19 m左右处出现了一个视电阻率很高的区域,电阻率超过548 Ω·m,属于电阻率异常区域,并且整个测量断面只存在一个高电阻率区域。将木箱的位置与反演结果进行对比,确定测线B上存在的电阻率异常区域即为空洞病害区。对比后发现,在水平方向上,电阻率异常区域的位置与埋设木箱的位置一致,但是由于电极布设方式或是接地条件的影响,导致两个位置在深度上并不完全吻合。
图8 电阻率分布图(测线B)
4 高密度电阻率法探测过程中的负电位差问题
4.1 负电位差的产生
岩土界面的接触形式有很多种,当土层中含水率较高的黏土比例较大时,基岩界面紧密接触,电性差异小,这种接触情况一般不存在过滤电场[12]。而当岩石上覆土层为碎石且基岩起伏面倾斜时,其接触面上就可能存在局部的空腔,伴随着地下水沿着基岩面的流动,就会产生明显的过滤电场[13-14]。
溶洞是由雨水或地下水长期溶解侵蚀可溶岩所形成,按照含水的情况分为不充水、部分充水和全充水3种状态。在溶度完全不充水的情况下,溶洞以下的裂隙附近会聚集带正电荷的粒子;部分充水情况下,溶洞底部附近会聚集带正电荷的粒子。这两种情况下自然电场的分布基本相同,当水流流经溶洞区域时,产生沿水流方向的自然电场[15]。当施加人工直流电场时,会对自然电场产生偏转或压缩。
当人工电场和过滤电场的方向相同时,电位差为二者相加;相反时,电位差为二者相减,此时有可能出现负的电位差[16]。在地球物理学探测中,判断倾斜基岩面的深度时,可以参考探区负电位差的情况;在遇到“低阻圈闭高阻”这种异常情况时,可以根据负电位差和电阻率剖面图来判断是否存在岩溶孔洞;从检测深度上来说负电位差反应的溶洞深度更加接近实际深度[17]。
4.2 负电位差在实际工程中的应用
在重庆市酉阳县丁市镇岩溶地下水勘察中,对比了电位差分布图与电阻率分布图后得到了比较接近于实际规模的溶洞大小[18]。图9是通过ZK7测区的实测剖面。该剖面位于岩溶槽谷之中,探测区基岩出露的情况频繁。图9显示的电阻分布图可以看出,距起点295~376 m之间、高程487 m以下存在一电阻率异常区域。该区域异常形态为“低阻圈闭高阻”,结合其他工程地质情况确定出该异常区域为一少水或不含水溶洞。实际钻探结果证实,高程453~430 m段均为溶洞,无地下水,初见溶洞深度与负电位差异常一致。
图9 ZK7电阻率分布(高阻圈闭低阻现象)
5 结论
考虑高密度电阻率法的原理及其在实际工程中的应用,得到以下结论:
a)高密度电阻率法检测可用于路基施工质量控制,结果可靠。
b)高密度电阻率法提供的勘探结果,只是电阻率物性参数的分布,利用这些结果时,需考虑到物探结果的多解性,将物探结果与地质、钻探资料综合分析。
c)当岩石上覆土层为碎石且基岩起伏面倾斜时,其接触面上就可能存在局部的空腔,伴随着地下水沿着基岩面的流动,会产生明显的过滤电场。人工电场和过滤电场的方向相反时,有可能出现负电位差。
d)在地球物理学探测中,判断倾斜基岩面的深度时,可以参考探区负电位差的情况;在遇到“低阻圈闭高阻”这种异常情况时,可以根据负电位差和电阻率剖面图来判断是否存在岩溶孔洞。