高密度电阻率法对盐渍土的检测效果分析

第１８卷　第５期　２０１１伍　安全与环境工程　Ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．１８　ＮＯ．５　Ｓｅｐ．　２０１１　９月　高密度电阻率法对盐渍土的检测效果分析　姚　远，吴元莉，孙　博　（中国地质大学工程学院，武汉４３００７４）　摘要：在天然状态下，盐渍土为较好的地基，一旦因自然条件的改变就会产生严重的溶陷、膨胀和腐蚀，使建筑　物裂缝、倾斜或结构被腐蚀破坏。本文主要从高密度电阻率法和地质雷达法的探测精度问题展开讨论，通过对瓜　州干河口风电场盐渍土所进行的高密度电阻率法和地质雷达法无损检测数据的分析和对比，表明高密度电阻率法　对盐渍土的检测效果较地质雷达法更优。　关键词：盐渍土；高密度电阻率法；地质雷达法　中图分类号：Ｐ６３１．３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—１５５６（２Ｏ１１）Ｏ５—０１１５—０４　Ｈｉｇｈ・・ｄｅｎｓｉｔｙ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｓａｌｉｎｅ　Ｓｏｉｌ　ＹＡＯ　Ｙｕａｎ，ＷＵ　Ｙｕａｎ－１ｉ，ＳＵＮ　Ｂｏ　（Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｓｉｃｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｎａｔｕｒａｌ　ｓｔａｔｅ，ｓａｌｉｎｅ　ｓｏｉｌ　ｉｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ．Ｏｎｃｅ　ｉｔ　ｉｓ　ｃｈａｎｇｅｄ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｎａｔｕｒａ１　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ。　ｔｈｅｒｅ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ，ｄｉｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｒｏｓｉｏｎ，ｔｈｕｓ　ｌｅａｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｅｖｅｒｅ　ｄａｍａｇｅ　ｔｏ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ．　Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｈｉｇｈ—ｄｅｎｓｉｔｙ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　ｒａｄａｒ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ａ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｇｕａｚｈｏｕ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｈｉｇｈ—ｄｅｎｓｉｔｙ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｖｅｒ　ｇｒｏｕｎｄ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　ｒａｄａｒ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｓａｌｉｎｅ　ｓｏｉｌ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓａｌｉｎｅ　ｓｏｉｌ；ｈｉｇｈ—ｄｅｎｓｉｔｙ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ　ｍｅｔｈｏｄ；ｇｒｏｕｎｄ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　ｒａｄａｒ　ｍｅｔｈｏｄ　０　引　言　我国盐渍土主要分布在西北干旱地区，如、　青海、甘肃、宁夏、内蒙古等地势低平的盆地，青藏高　原的一些湖盆洼地，另外在沿海地区也有相当面积　的分布。　场观测基坑土体的基本情况，但这种探测方法的缺点　是只能探测小部分区域的地层情况，无法对整块建筑　场地的地层进行准确探测，且成本高、耗时久。基础　无损检测是指利用一些电子仪器，在不破坏土体表层　的情况下，对下部地层进行探测的一种方法。现阶段　无损检测的方法主要有地质雷达法和高密度电阻率　法两种　］。为此，本文对盐渍土基础无损检测这两种　方法的探测精度进行了研究和对比，并通过实例验证　盐渍土地区的工程建设受腐蚀的危害相当严重　和普遍，并且伴随着地基的溶陷［１］。盐渍土地基发　生溶陷对房屋建筑物、构筑物和地下管道等都可能　造成危害，如盐胀时对基础浅埋的建筑物、室内地　面、地坪、挡土墙、围墙、路面和路基等可造成破坏。　因此，探测盐渍土在地下的位置，对于工程建筑物地　基设计、施工以及施工过程中需要注意的问题具有　重要的意义。　了高密度电阻率对盐渍土的检测效果较地质雷达法　更优。　１高密度电阻率法　１．１高密度电阻率法　目前探测盐渍土的方法主要是现场挖掘探坑和　基础的无损检测。现场挖掘探坑就是指挖掘探坑现　收稿日期：２０１１—０２—０８　修回日期：２０１１—０７—２０　’　高密度电阻率法是以岩土介质的电导差异为基　础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电流场的　作者简介：姚远（１９８８一），男，硕士研究生，主要研究方向为盐渍土工程性质与改良。Ｅ—ｍａｉｌ；ｙｙ８０９６６５８＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｉｌ１．ｃｎ　１１６　安全与环境工程　第ｌ８卷　分布规律来达到找矿或解决某些地质问题的目的的　一种方法。它通过电极的不同排列方式达到测量剖　面和测量深度的不同要求，是目前电阻率法探测精　度较高的方法之一。与传统电阻率方法相比，高密　度电阻率法具有效率高、测点密集、反映地电段面的　信息更丰富、资料解释误差小等特点。　高密度电阻率法常用的测量方式主要有：温纳　法（Ｗｅｎｎｅｒ）、二极法（Ｐｏｌｅ－Ｐｏｌｅ）、三极法（Ｐｏｌｅ—　Ｄｐｏｌｅ或Ｄｐｏｌｅ－Ｐｏｌｅ）、偶极装置（ＤＰｏｌｅ—ＤＰｏｌｅ）和斯　隆贝格法（Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ）。高密度电阻率法的探测　深度随着供电电极ＡＢ距离的增加而增大，当隔离　系数　逐次增大时，ＡＢ电极距离也逐次增大，对地　下深部介质的反映能力亦逐步增加　］。　１．２　高密度电阻率法数据反演　高密度电阻率法对现场实测的高密度剖面的数　据主要进行计算机自动二维反演。二维反演程序基　于圆滑约束最小二乘法的计算机反演计算程序，使　用了基于准牛顿最优化非线性最小二乘法新算法，　使得数据量大情况下的计算速度较常规最小二乘法　快１Ｏ倍以上。这种算法的一个优点是可以调节阻　尼系数和平滑滤波器以适应不同类型的资料。反演　程序使用的二维模型把地下空间分为许多模型子　块，然后确定这些子块的电阻率，使得正演计算出的　视电阻率拟断面与实测拟断面相吻合。而对于每一　层子块的厚度与电极距之间可给一定的比例系数，　最优化方法主要靠调节模型子块的电阻率来减小正　演值与实测视电阻率值的差异，这种差异可用均方　误差（ＲＭＳ）来衡量。然而，有时最低均方误差值的　模型却显示出了模型电阻率值巨大的和不切实际的　变化，从地质勘察角度而言，这并不总是最好的模　型。通常，最谨慎的逼近是选取迭代后均方误差不　再明显改变的模型，这通常在第三次和第五次迭代　之中出现。　１．３高密度电阻率法的工作方法及原理　一～一一一舳　高密度电阻率法野外工作时，将多电极按一定　的间隔布置，观测过程中电极按一定规律组合，一次　布置电极可实现不同的装置观测。高密度电阻率法　野外工作主要采用多种装置形式，包括对称四极、双　向三极、三极、二极、偶极、微分、中间梯度装置等。　高密度电阻率法勘探的装置选择很关键，排列　装置选择得合适与否，将直接关系到是否测试出探　测目的所反映出的异常。选择哪种装置主要取决于　探测任务，一般来说，分层探测宜选择对称四极、三　极装置，对称四极装置也适用于探测局部目的体；非　水平构造带、岩性分界探测宜选择双向三极、微分、　三极、二极装置；探测浅层目的体宜选择偶极装置。　在实际工作中，可根据需要将这些排列装置联合使　用也可单独使用进行测量。　高密度电阻率法供电为直流电，测量结果为地　层电阻率，因此实际上属于直流电阻率法，其工作原　理见图１［３］。　五　堕　］　电极系　…　一・　一¨・￣￣ｇ￣ｑｌｏｏｏ。’‘　：．・：．・：．・。：．・‘。・。　一　．　．・。　面　图ｌ高密度电阻率法工作原理示意图　Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｈｉｇｈ—ｄｅｎｓｉｔｙ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ　ｍｅｔｈｏｄ　１．４高密度电阻率法在工程中的应用　根据高密度电阻率法的原理，地表可以通过不　同电极距的布设来采集到反映地下不同点、不同深　度的视电阻率值，而视电阻率值即蕴含着各种地质　体的分布信息，并采用计算机对数据进行处理、影像　成图和综合分析解释，即可确定出地下各种不同地　质体的分布范围以及在地表的投影位置。因此，利　用组成地下介质层间的电性差异，高密度电阻率法　被广泛运用在工程地质、地质勘察等很多研究领域。　下面以瓜州风电场为例来说明高密度电阻率法在检　测盐渍土所处位置方面的应用。　２　工程实例　２．１瓜州风电场工程地质概况　瓜州风电场场址位于疏勒河右岸（北岸），属北　山山系山前倾斜冲洪积平原的戈壁滩地貌，其地势　北东高、南西低，海拔高程从北山山系的２　５００　ｍ降　至疏勒河床的１　１００　ｍ；戈壁滩地地势开阔，地形较　平缓，在疏勒河两侧的山前倾斜冲洪积平原的戈壁　滩地上，发育有大小不一的冲沟。　瓜州电场工程区在大地构造分区上位于塔里木　地台最东端之菱角部位（一级构造单位），属于塔里　木地块的安西一敦煌地轴，属构造基本稳定区。　瓜州县一带主要河流有疏勒河等，均发源于祁　连山北麓，由冰雪融化水和雨水补给。研究区气候　特别干燥，风大，有“风库”之称，一般风力３～４级，　最大可达８级以上；年平均降水量为６５．３　ｍｍ，年　平均蒸发量为２　８４７．７　ｍｌＴｔ，蒸发量远大于降雨量。　该区为贫水区，含水层的富水性受地形地貌、地层岩　性、地质构造和气候的影响及制约。　第５期　姚　远等：高密度电阻率法对盐渍土的检测效果分析　本次勘察主要是为了查明场地盐渍土所处的层　面以及分布状况。由于地质雷达法和高密度电阻率　法探测简单且探测范围大，因此主要选用这两种无　损检测方法对研究区进行勘测。　２．２高密度电阻率法现场探测　仪器：采用ＧｅｏＰｅｎＥ６０ＣＮ型号的仪器。　剖面排列：高密度电阻率法现场测试区域为已　开挖的第二列基坑ＳＩ　１０８（基坑木牌号）坑北边７　ｍ　起至ＳＩ　１０７之间共３２０　ｍ（剖面１　～５　），ＳＩ　１０３坑　北边１０　ｍ起至ＳＩ　１Ｏ２之间共１２８　ｍ（剖面６＃～　７　），共测试７条剖面。一条剖面总长度为６３　ｍ，两　个探针之间的距离为１　ｍ，且呈纵向直线排列，其测　试现场布置见图２。　探针Ｉ号　探针２号　探针３号　探针６３号探针６４号　起　终　占　点　６３　ｍ　图２高密度电阻率法测试现场布置图　Ｆｉｇ．２　Ｐｌｏｔ　ｐｌａｎ　ｏｆ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ　ｍｅｔｈｏｄ　２．３地质雷达法现场探测　仪器：采用中国电波传播研究所研制的Ｉ　ＴＤ一　２０００型探地雷达，场地探测所用天线为ＧＣＩＯＯＭ屏　蔽式地面耦合式一体化天线。　剖面设置：Ｉ　ＴＤｆｉｌｅ５～Ｉ　ＴＤｆｉｌｅ４５是一个长约　２．５　ｋｍ的连续剖面，其中Ｉ　ＴＤｆｉｌｅ　５～ＬＴＤｆｉｌｅ　１２　对应高密度电阻率法剖面１；Ｉ　ＴＤｆｉＩｅ４６～ＬＴＤ—　ｆｉｌｅ６１是一个长约２　ｋｍ的连续剖面，其中Ｉ　ＴＤ—　ｆｉｌｅ５９～Ｉ　ＴＤｆｉ１ｅ６１对应高密度电阻率法测线１。　４００ｍ　图３地质雷达法测试现场布置图　Ｆｉｇ．３　Ｐｌｏｔ　ｐｌａｎ　ｏｆ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｏｆ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｒａｄａｒ　数据采集：探地雷达检测时，发射和接收天线与　地面保持１０　ｃｍ距离，且沿测线移动，由雷达主机高　速发射雷达脉冲进行快速连续数据采集。　２．４两种方法的探测结果及分析　２．４．１　高密度电阻率法探测结果及分析　由实测电阻率剖面计算的视电阻率剖面见图４。　视电阻率剖面中不同部位的电阻率值是从地面测试　的伪电阻率值，非土体的真实电阻率，但通过视电阻　率剖面可定性分析不同部位电阻率的相对差别。　吕　Ｏ．５１２　＼　２．Ｏ５　３．５８　５．１２　埴　６．６６　８．１９　一　Ⅱ　９．７３　测线长度／ｍ　一一一■■口嘲■一一口一一一一一一　２　８　３２　１２８　５１２　２０４８　８１９２　３２７６８　图４计算的视电阻率剖面图　Ｆｉｇ．４　Ｃｕｔａｗａｙ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｌ　ａｐｐａｒｅｎｔ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ　根据实测数据，采用ＲＥＳ２ＤＩＮＶ（Ｓｅｍｉ　Ｄｅｍｏ）　高密度电阻率２Ｄ反演软件进行电阻率模型反演计　算，其反演的典型模型电阻率剖面见图５。　ｇ　＼　倌　磊　测线长度／ｍ　＿■■■■口豳一－＿口●●●－－一　２　８　３２　ｌ２８　５１２　２０４８　８１９２　３２７６８　图５反演的典型模型电阻率剖面图　Ｆｉｇ．５　Ｃｕｔａｗａｙ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ　ｉｎ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　由图５可以看出，剖面不同部位及不同深度的　电阻率值变化非常大，表明地表以下纵横向电性很　不均匀，其中颜色为浅黄色的层面是盐渍土所在地　层。电性的变化可反映土性的变化，盐渍土层的电　阻率较正常土层要低得多。　２．４．２地质雷达法探测结果及分析　为了更准确、直观地显示地质雷达法测试结果，　需对现场实测剖面进行一系列的室内计算机处理，　即首先对实测图像进行预处理，然后再进行一系列　的数字化信号处理。经过数字信号处理后，可以有　效地压制干扰信号的能量，提高雷达信号的信噪比，　使雷达图像更易于识别地质信息，清晰地反映地质　现象，从而提供更准确的解释结果。采用专用的　ｗＹＳ２（）【）５（工程物探信息系统）面波处理软件，雷达　时间剖面还可进一步进行雷达成像处理，包括反射　成像、散射成像及联合成像，成像处理后的剖面能更　直观地反映地下地质体的形态　］。　地质雷达法第一测线经过处理后的成像剖面图　见图６。由图６可以看出：黄色所指层面以下图像　基本为一种颜色，这是由于地质雷达不能探测到所　指地层以下的层面，就可以显示出来的层面来看，箭　头所指的地层与上覆地层的波长有明显的不同，说　１１８　安全与环境工程　第ｌ８卷　明这层有异常的物质在土体中。　一Ｏ．５　一１．０　璺＿１Ｎ＝　＿５　－２．０　图６　地质雷达法第一测线经过处理后的成像剖面图　Ｆｉｇ．６　Ｆｉｒｓｔ　ＧＰＲ　ｓｕｒｖｅｙ　ｌｉｎｅｓ　注：经过处理后的成像处理剖面中不同的颜色鞭蟹一　对应不同的幅值强度；从左到右表示由弱到强；成像剖面　中横轴代表距离（桩号），纵轴表示剖面深度。　在使用地质雷达对普通工业与民用建筑、隧道　和道路的检测过程中，地质雷达的实际探测深度远　不止图６中所标明的２　ｍ，这主要是由于地质雷达　是通过声波发射接收来判断地面以下的各种情况，　对地下管道、空洞等方面的检测具有较高的精度，但　是在对地层的判定中由于不同地层问的反射速率差　异不大，因此效果不明显。。ｓ３。　２．４．３　两种方法对盐渍土的检测效果对比　通过高密度电阻率法数据反演和地质雷达法的　图像分析（见图５和图６），可以明显地看出，盐渍土　层所处的位置基本位于地下０．５～１．５　ＩＴＩ处。　采用现场挖掘探坑探测的结果是：工程区地基　土（含集控中心）主要为第四系上更新统洪积松散堆　积物组成，其特征自上而下描述如下：①层为第四系　全新统洪积（Ｑ　）粉细砂层，含少量砾石和黏性土，　多呈灰青色，分布于戈壁滩表部，在地势低洼处缺　失，本层属盐渍类土，土层中见有硫酸盐类结晶（俗　名称芒硝和石膏），呈雪花状或纤维状附着在碎石表　面或空隙中，局部钻孑Ｌ中取出的岩芯干燥后呈白糊　状，其厚度为０．２～２．８　ｍ，平均厚度为０．５　１１１，结构　松散一稍密，干燥，锹易开挖；②层为第四系上更新　统洪积（ＱＩ　）角砾层，含少量黏性土，呈灰青色或褐　黄色，场址区除个别部位缺失外均有分布，粒径一般　为０．５～１　ｃｍ，含量约占４Ｏ　～６Ｏ　，大者３　ＣｌＴＩ左　右，含量约占５　左右，一般呈棱角及次棱角状，中　粗砂充填，成分主要为石英岩、砂岩、灰岩、硅质岩　等，砾石表面多经一定风化作用，本层厚度不等，少　数直接出露地表，大部分层厚在０．５～２．５　ｍ之间。　将无损检测的结果与现场挖掘探坑探测的结果　进行对比可以看出，无损检测所测得的含有盐渍土　的地层处在地下０．５～１．５　ｍ，这与现场挖掘探坑探　测所得的结果基本一致，可见探测盐渍土时使用无　损检测方法是可行的，且具有较高的精度。　将高密度电阻率法与地质雷达法探测盐渍土的　检测效果进行对比，可以看出高密度电法具有以下　优势：　（１）该方法属于人工源直流电法，具有资料信　噪比高、抗干扰能力强的特点，勘探深度范围通常达　几米至几十米。　（２）该方法具有电剖面法和电测深的特点，信　息丰富，浅层电性分辨率高。　（３）该方法能采用多种电极排列方式，方便灵　活，在不同的条件下可采取相应的观测装置。　（４）该方法实现了自动化快速数据采集和现场　微机处理，其工作效率高、测量精度高。　（５）该方法在资料处理中，可对地形影响进行　较好的校正，另外由于是自动化跑极，相对常规直流　电测深，大大减轻了劳动强度，对复杂地形的适应性　较强。　３　结　论　（１）盐渍土是一种含有石膏、芒硝、岩盐（硫酸　盐或氯化物）等易溶盐且其含量大于０．５　的士，它　具有溶陷性、膨胀性和腐蚀性，其地基承载力变化　大，且随着季节和气候的变化而变化。盐渍上十燥　时，盐分呈结晶状态，地基承载力较高，一旦浸水后。　晶体溶解变为液体，承载力降低，压缩性增大；盐渍　土中含硫酸盐类结晶，体积膨胀，溶解后体积缩小，　易使地基土的结构破坏、强度降低，并形成松胀盐　土；由于盐类遇水溶解，使地基容易产生溶蚀现象，　从而降低了地基的稳定性。　（２）通过对比无损检测的两种方法～一高密度　电阻率法和地质雷达法，可以明显地看出在瓜州风　电场的这次探测中地质雷达法具有一定的局限性，　它无法探测地表面１　ｍ以下的地层情况，而高密度　电阻率法可以较好地克服这一缺点，其探测深度范　围可达几米至几十米；在对盐渍土的勘察时，高密度　电阻率法的探测结果与现场挖掘探坑的探测结果基　本一致，表明在探测盐渍土时使用高密度电阻牢法　还具有较高的探测精度。　参考文献：　［１］刘晓东，张虎生，朱伟忠．高密度电法在Ｉ．程物探小的／血７　１　．　工程勘察，２００１，（４）：６４　６６．　［２］谭延玲，孙海民，乔丽．高密度电法在】：程勘察ｒ｝】的膻川［～］．　龙江水利科技，２００６，（４）：１　７９—１８０．　［３］陈泉霖，陈新奇．高密度电法勘察岩土ｉ　程实例［Ｊ］．中　煤Ｈ１地　质，２００４，（６）：１　７９～１８０．　［　］吴灿灿，曹静，王芳．高密度电阻率法的综合腹』｝Ｊ［Ｊ］．科技经济　市场，２００９，（７）：１６．　ｒ５］莫海鸿．杨小平．基础工程ｒＭ］．北京：建筑　出版社，２ｏｏ；；．