浅谈公路工程地质勘察的主要方法和步骤

摘要: 作者结合多年的公路勘察、设计实践,总结了工程地质勘察流程的主要程序,归纳了工程地质勘察研究对象的重点及主要工作方法和步骤。

关键词:地质勘察工程地质体分析选择与布置收集资料

公路工程地质勘察工作是一项前期和基础工作,通过勘察、测试,分析公路走廊带范围内的工程地质条件,评价地基的承载能力,从静力学的角度提供基础设计和施工所需要的工程地质资料,着重解决保证基础对路基和其上构造物是否有足够的承载能力的有关问题及灾害环境下重大工程安全性的时空预测与分析评估。它的优劣程度直接影响到相关项目的设计与实施,所以必须制定一套合理的流程标准来规范其行为。

公路工程地质勘察流程(见图1) 共分以下7 个步骤:收集资料、综合分析、建立地质体宏观模型、工程地质体分析、勘探方法的选择与布置、综合勘察手段的实施、归纳工程地质结论与建议。

准备阶段理论运用及初步抽象阶段理论结合实践与感性化阶段

理论联系实践的具体化阶段实践回到理论寻求指导阶段

概略工程地质测绘

实践与理论反馈过程 总结实践成果用理论表达阶段

外业的操作实施

图1 公路工程地质勘察流程

1 收集资料

收集路线通过地区既有的有关资料,是前期的重要内容,也是勘察的一种主要方法。资料是否齐全对以后的勘察效果和质量有相当大的影响。资料包括以下几部分: ①拟建公路资料,包括公路等级、路线通行方案、专家意见等。②区域地质资料,包括岩土、地质构造、筑路材料等。③地形地貌资料,主要为地形图,地形与地貌的类型、成因、特征及发展过程。④区域水文地质资料,如地表水流水文资料,地下水类型、分带及分布情况,埋藏情况、变化规律。⑤各种特殊地质地段及不良地质现象的分布与发育特征。⑥地震资料,如沿线及附近地区地震历史、地震烈度、峰值加速度及与地质构造、地貌的关系。⑦其他资料,如区内代表性工程的主要工程措施与经验、室内试验成果、气象、人文工程活动等。

2 综合分析

对收集的资料进行综合分析与研判解释是一个很重要的步骤,它可以初步掌握路线所经地区的主要工程地质条件概况和特点,如地层层序、厚度、时代、成因及其分布情况;岩性、风化破碎程度及风化层大致厚度;土石类别、工程性质及对工程的影响。根据地貌形态特征,可以推断当地岩土与水文地质等条件,各地质单元形成原因和条件;从岩石的矿物组成、显微特征、岩体结构、物理力学性质、渗透性等诸方面可研究与评价路线的工程横向分带性,系统研究各分带的工程地质特征能及早针对各带提出相应的工程对策。同时也会提出诸如以下的问题:地形是否复杂、地貌单元是否单一、岩土结构是否简单、有无特殊岩土层、基岩风化严重与否、基岩顶面起伏状况、区域地质构造发育程度、地下水对工程有无不良影响、路线走廊带是否稳定等工程地质条件的复杂程度问题。总之可以预见性地发现可能存在的主要工程地质问题,并通过对此类问题的研究、分析和工程经验的消化、吸收,减少今后工作的盲目性,对评价和合理选取岩体参数以及指导工程设计具有实际应用意义,对系统论证建在其上的构筑物的合理设计、工程措施和安全运行也具有重大意义,有一定的后果前瞻性,提高了工作效率和工作质量。

3 建立地质体宏观模型

地球在漫长的内力地质作用下构架了现有宏观地质体,形成了大量规模不等的地质结构体、结构面,同时也造就了地质灾害发生的物质基础。通过对所收集资料的综合分析,可建立一个路线走廊带的地质体宏观模型,该模型是一个由地形地质图和纵断面图相互叠加的立体。按地质体与重大工程的多尺度结构及其赋存环境多源信息综合集成的方法和技术,对地质体进行三维建模处理,并对地质结构面及其多尺度关联、地质体的差异特性和分类及相似性进行研究,进而研究区域工程地质模型。在其上可概略性地总结地形与地貌特征、岩土性质(如软质岩和硬质岩) 及散体状岩土体的分布与发育规律、不良地质现象的分布范围。然后按地貌、岩土组构与构造活动性进行初步横向分带与分段,并根据各模型段所体现的规律特征抽象成一个全线工程地质分段一览表,编制地质体宏观模型工程地质分段说明。在地质体模型上摆放路线就可充分认识到地质体与工程体接触界面分形形貌和力学机理,通过对多因素藕合的地质体与工程体进行整体稳定性分析,可选出拟用的工程大概施工方案及安全监控措施,总结各分形地质段的主要工程地质条件及其对路线与构造物的影响。建立地质体宏观模型是前期工作最重要的步骤,自此后大部分勘察工作都在计划之内,具有理论指导实践的意义。

图2 地质体宏观模型示意图

4 工程地质体分析

地质体宏观模型上摆放路线和主要构造物后就有具体的微地貌及小范围内工程地质条件的问题,也就是具有针对性的单个工程地质体的问题,这是公路工程地质勘察的重点,此步必须在野外踏勘,进行概略性工程地质测绘(踏勘) 后方有深层次的认识。首先是研究小尺度单个工程地质体的快速建模与表征方法,总结其基本模式与识别标志,并结合采用分形与随机扰动叠加的方法,用小尺度地质体基本模式,利用地质类比法重构中尺度地质体,综合分

析工程体与地质岩土体的特征及其相互关系,提出合理的原则性勘察指导思想。

工程地质测绘主要包括:土的成因、物理化学性质、工程分类及在水平与垂直方向上的变化规律;岩层的产状和接触关系,主导性软弱结构面的发育情况及对路线、路基的影响;地质构造如断裂、褶皱位置、构造线走向、产状等形态特征和地质力学特征对构造物的影响;地表水水位、流量、冲刷、洪水位与淹没情况;地下水类型、分布、循环条件对公路工程的影响;特殊地质、不良地质的分布范围、形成条件、发育程度、分布规律及对公路工程的影响。

对工程地质体的分析是动态的,应结合工程地质条件和工程体的属性、特征进行综合考虑,对象包括以下几个方面:一般路基、陡坡路堤、深路堑、高路堤、特殊路基、桥位、隧道、构造物、筑路材料等。

4．1 一般路基:其勘察重点是基底土的液塑限类型、颗粒组成类别、密实程度及含水情况;松散可压缩岩土层、可液化土层的分布范围和成因类型、位置与厚度;水位高低及路基不均匀沉降的可能性。

4．2 陡坡路堤:其勘察重点是上边坡松散岩土体的工程地质特征及稳定性、下边坡工程地质条件与防护工程类型及稳定性、整个山坡在应力改变后的稳定性,调查、评价对堆积体运动有较大影响的与坡面方向垂直的结构面,确定最佳路堑与路堤坡比,同时考虑绕避或路线高度调整带来的连锁反应。

4．3 (深) 路堑:其勘察重点是上覆土层特征及土与基岩接触面的横向坡度与稳定情况;岩石软硬及破碎程度等基本性状、风化带划分及其厚度,主导性优势软弱夹层和软弱结构面的性质及其与路线的相对关系;原有人工边坡的边坡值及其稳定性;水文地质条件和不良工程地质条件的主要特征;路堑边坡的上、下防护问题,并应确定路堑边坡比、土石工程分类及相关工程措施;对路堑开挖后果应作进一步考虑,是否有激化深层次的山体和边坡滑移或坡面失稳的潜在可能;同时利用弃方作路基填料应作相关分析评价。

4．4 (高) 路堤:其勘察重点是确定基底一定深度内各地层的厚度和物质成分特征,覆盖层与其下基岩接触面的形态和坡度,以及硬壳层、软弱土层的尺度和物理力学性质,明确有关不良现象及环境水对路堤的危害程度,并提出处理措施。同时评价堆积体是否存在垂直下陷与水平侧向位移以及路堤堆积体的防护问题,必要时还应对填料作出说明。

4．5 特殊路基:在工程地质勘察的各阶段均为重点,该类病害影响路线方案选择、路线布设与构造物设计,应查明病害类型、规模、性质、发生原因、发展趋势、危害程度,提出绕越依据或处理措施。

4．6 桥位:其勘察重点首先是要能发现深、大断裂破碎带等直接影响桥位稳定的宏观大前提,然后才是具体的桥位与墩台工程地质条件,注重岩土结构层的空间分布与岩土特征及其间的软弱层、断层面、基岩面等优势结构面,应提出合理的持力层与基础形式,同时还应考虑到环境水的影响。

4．7 隧道:应详细调查岩体裂隙的几何特征,如隙宽、粗糙度、充填情况、连通性等,及岩体裂隙剪切力学特性与地下水渗流关系;同时应评价开挖应变局部化过程及结构功能蜕化过程的时变可靠性,并提出衬砌方案及全深度、多断面、多测点的长期连续、智能化监测建议。

4．8 构造物:其勘察重点是整体稳定前提下的具体岩土、水文工程地质条件,应提出各种工程方案与力学参数及不良地质现象的处理措施。

4．9 天然筑路材料:勘察重点包括筑路材料的储量、位置、品质与性质、采运条件及用于公路工程的可能性、实用性。

5 勘探方法的选择与布置

应根据勘察阶段要求的内容和深度、所勘察的道路等级、工程规模及其工作难易程度的不同选择勘察方法,应注意运用新技术、新仪具、新设备、新方法,使工程地质勘察技术具有先进性。其要求是应编制具体工程勘察的施工组织设计,内容必须包括勘察方案说明、勘探点分布一览表与单个的勘探点设计任务书及人员、设备的组织和施工期限。

工程可行性研究阶段以地质调查为主,在路线重要控制点处可布置钻孔与物探。初勘阶段所采用的勘察方法,主要为工程地质调查与测绘及综合勘探。一般情况下,采用物探、钻探、原位测试与室内试验等,以必要的工作量完成本阶段的勘察任务。

此阶段必须对该公路工程有结论性意见,给设计方案的确定提供工程地质依据。详细阶段的勘察方法,以钻探、原位测试和室内试验为主,主要针对具体路段、桥位及构造物基础位置、形式、埋深而进行,主要是以在方案基础上的各种参数提供为主。

6 综合勘察手段的实施

此阶段的任务是具体运用前述理论成果进行勘探,要求必须按勘察方案说明、勘探点分布一览表与单个的勘探点设计任务书进行施工,各种勘察方案与勘探点的勘察必须到位,数据必须真实、准确。同时该过程也是个与理论互动反馈过程,应根据工程地质条件复杂程度的实际情况进行微调,若发现异常及遇到未考虑到的地质状况,在必要时可增加勘探手段和增加工作量。

7 工程地质评价结论与建议

工程地质评价结论与建议是工程项目的勘察成果总结,必须以定性的方式下结论。首先是路线方面的工程地质勘察评价:应对路线走廊、桥位、隧址等工程地质条件控制点、高路堤、深路堑边坡、特殊路基、比选方案及公路环境保护和文物保护做出总体科学论证,并结合全线工程地质特征,做出评价,内容主要有稳定性、经济性、适宜性等定性评价。其次是对单个工程地质体必须作定性和定量评价:岩土体的变形性状及其极限值、岩土体的强度及其稳定性与极限值(包括斜坡及地基的稳定性) 、岩土体及水体与公路工程的共同作用、岩土体后期变化的预估、对工程耐久性的影响。通过宏观力学特征和微观颗粒组构的综合分析,结合工程类比法和专家意见,提出具体的处治方案与物理力学设计参数。同时在建议方面应指出各种偶然因素造成的可能危害和相应的处理措施,以及下一阶段勘察建议。

8 结语

通过以上步骤的实施及在工作中的具体灵活运用,能很快抓住公路工程地质勘察工作中的主要问题,掌握主要工程地质特征及不良工程地质特征等关键因素,通过周密的经济、技术评价分析,为设计和施工提供最合理与最优化的工程地质依据。

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