1 概述
土建工程与地球物理学密切相关, 尽管在油气勘探和矿产资源勘探中投入巨大, 但物探方法多年来同样在土建工程中得到广泛应用和认可。很显然, 应用的重点在于岩土工程——使用物探方法来勘查那些复杂的并经常处于变化状态中的地下构造, 如水电站大坝、大型桥梁以及建筑物的地基等。
本文主要关注涵盖地基质量保证到桥梁长期运行监测等领域结构勘查。多年来, 诸如地质雷达和各种不同的地震法已经在此领域得到广泛应用, 甚至有些物探方法已经成为标准做法。近年来, 一些现代的物探方法又在不同领域的结构勘查中得到应用, 他们帮助提高结构内部成像的质量, 检测混凝土结构的微小变形。在此领域其他更有影响的学科还包括钢铁和金属的无损检测, 已经广泛应用并且标准化了。总之, 所有这些领域虽然使用不同的称呼和名词, 但都基于同样的数学物理理论。
2 物探方法在土建工程中的当前应用
2.1 岩土工程中的应用
如同其他勘查工程一样, 物探方法在许多岩土工程中扮演同样重要的角色:描绘土壤、岩层和地下水的特征。在岩土工程勘查中, 特别关注的是土壤和岩石的力学性能, 如:剪切模量、容积密度、孔隙度以及岩性、断裂形貌、风化等。随着电磁技术的普遍流行, 地震法是最为成熟的方法。
物探方法的典型应用包括但不限于:基岩和地下水位的检测、不同地下材料的描绘 (如:砂、黏土等) 。从岩土工程师的角度看, 特定岩土设计参数的确定至关重要, 如:抗剪强度、容积密度、渗透率、孔隙度、剪切模量以及其他等, 因为这些在土方以及基础工程设计、边坡防护、抗震工程的计算中需要使用。实际上, 仅仅一项岩土工程中的参数能够通过物探方法直接得到:最上面30米 (Vs30) 的平均剪切波速, 这也是地震易发区域风险评估的核心参数, 而对于所有其他参数需要建立内部之间的关联, 需要进行钻孔、取样和实验室分析。大多数情况下, 这些参数之间的内部关系非常复杂并且非线性。近期使用地质统计法进行的研究可能在这个方面有突破。
一些物探技术在过去已经被标准化了, 在勘探地质学家眼中, 其中一些技术有点过于简单甚至过时了。
2.2 物探方法在土建结构检测中的应用
物探方法在土建工程中应用最为广泛的是地质雷达法, 因为它可以检测施工过程中的细部特征。在检测土建结构中的钢筋及其他成分时, 地质雷达法可以比常规的涡流探测法检探测到更深的部位, 而相对于超声波法, 能得到更高的检测效率。目前一些制造商和供应商已经制造出采用地质雷达法进行土建混凝土检测的专用设备、天线和软件, 面向非专家的用户界面也能使得一般的工程人员在经过短暂培训后即可使用。
表面波光谱分析 (SASW) 已经在过去的20年里得到了广泛的商业应用, 主要原因是其能够延伸到允许模拟二维表面波速及动态低张力剪切模量成像的表面波多站分析 (MASW) 。然而在土建工程中的应用主要局限在路面分析以及较少用的混凝土结构分析, 最近在耐火材料施工分析方面的应用引起了关注。
自潜法 (SP) 是在物探和土建工程中同步发展而来的技术, 物探方面的应用包括近地表层的矿产探测、地下水以及环境污染的检测, 在土建工程中SP法主要用于检测混凝土中钢筋的腐蚀, 这个方法在诸如受盐分影响的桥面等检测中已经是一个标准化的项目。
同时也发现地震学方面的方法在土建工程中得到了应用, 当然大部分仍然处于研究阶段, 应用的案例主要包括采用由外界震动引起的地震波干涉来检测混凝土结构的细部变化。
3 新技术
3.1 波基成像方面的最新进展
近十年来, 使用弹性波或电磁波成像方面的精细技术已经引入到油气勘测领域。其中一些技术相对于最新的超声波或者地质雷达反射检测已经得到大幅度提高, 但这些技术都需要大量的计算时间, 近期第一个在超声波数据的逆时间迁移算法方面的成功案例已经发布。更为强大的全波形倒置技术已经能适应地质雷达对混凝土与砌体的检测。
3.2 地基工程的质量保证
因无法目测和取样检查, 地基的几何完整性和耐久性检测始终是重点。近期, 一些特定类型的地下结构可以采用物探方法进行检测, 垂直地震成型和物探数据处理方面的技术能够帮助改进基础桩基完整性的检测,
3.3 混凝土细部变化检测
混凝土通常被认为是一种耐用的材料, 然而由于遭遇一些破坏, 混凝土的寿命可能会从几十年降到几年, 这些破坏包括动态的破坏 (交通、风、地震) 、化学反应和冻结融解效应, 大多数结构能够很容易复原, 但一些需要监测。过去几年来, 地震学方面的技术已经被应用到混凝土检测中, 其中可用被动式的地震波干涉技术来表现结构逐渐被破坏的过程并评估其反应。同时非线性超声波技术目前仍然停留在实验室阶段, 有望在将来发挥重要作用。
4 结论
物探技术和土建工程的无损检测方面, 仍然有很大的跨专业协同发展空间。新颖的物探技术应用能够帮助克服当前的一些瓶颈, 例如细小甚至微小变化的成像等, 另一方面, 混凝土结构上的测量能够帮助验证物探算法。
摘要：多年来物探方法在土建工程中得到广泛应用, 主要应用领域在岩土工程中, 涵盖现场地质特征及地基设计, 而地质雷达 (GPR) 和地震法已经在结构工程中应用了二十多年, 近年来新推出的物探方法也被应用到不同领域的超声波探查中, 他们帮助提高结构成像的质量和探测混凝土结构中的细微变化。本文给出物探方法在土建工程中的应用概述, 同时讨论一些在声波成像、地基质量保证、混凝土检测等方面最新进展。
关键词：无损检测,土建工程,物探
参考文献
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