柳 瑤，胡照廣，姜 華，單 煒，*

(1.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 寒區(qū)科學(xué)與工程研究院，哈爾濱 150040；3.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院 哈爾濱 150040)

在凍土地區(qū)修建構(gòu)筑物時，準(zhǔn)確地確定凍土層的分布區(qū)域、規(guī)模、凍土層的上限和厚度，是決定凍土地基的穩(wěn)定性分析和加固治理方案成敗的關(guān)鍵因素。進(jìn)行多年凍土勘查的主要手段是地質(zhì)鉆探，這種方式費時、費力，精度不高。巖土工程勘察規(guī)范[1]對于如何準(zhǔn)確確定多年凍土層的厚度和位置缺乏有效的技術(shù)措施，實踐中對于多年凍土層厚度和位置的鑒別缺乏統(tǒng)一有效的標(biāo)準(zhǔn)和具體指標(biāo)，目前主要依靠大量的鉆探并結(jié)合現(xiàn)場情況和技術(shù)人員經(jīng)驗判別。近年來，國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員嘗試用地球物理勘探方法確定地下凍土分布，并取得一些成果。賀益賢[2](1991)用電測深法探測新藏公路沿線多年凍土的南、北分布界限，效果顯著。劉釗剡[3](1996)用電祖率測深法探測某砂金礦床上夏季永久凍土融化層深度的效果，研究表明用電阻率測深法去探測融化層深度的變化是可行的。唐君輝[4](2005)研究表明電阻率測深法確定凍土層的厚度及其界限效果明顯。肖樓[5]等(2012)研究表明高密度電阻率法在確定凍土位置和上、下限效果很好。目前對電法探測技術(shù)的應(yīng)用，大部分研究應(yīng)用為凍土厚度達(dá)20 m以上、溫度在-5～-2℃的地區(qū)，國內(nèi)研究主要集中在青藏高原和漠河地區(qū)[6-8]，對于凍土溫度在-1～0℃的小興安嶺島狀多年凍土地區(qū)，電法應(yīng)用極少，且對探測結(jié)果解釋存在較大的偏差。本文依托北黑高速公路加寬擴(kuò)建工程選定研究區(qū)，運用高密度電阻率法進(jìn)行了研究路段沿線島狀凍土勘察，并結(jié)合地質(zhì)鉆探資料，對高密度電法應(yīng)用效果進(jìn)行綜合分析。

1 試驗區(qū)概況

1.1 區(qū)域自然地理概況

北黑高速公路路線跨越松嫩平原及小興安嶺，其地理位置為：東經(jīng)126°24′～127°27′、北緯48°20′～50°15′，該地段為中國東北小興安嶺西坡及松嫩平原北部交會地帶，季節(jié)凍土非常發(fā)育，且有島狀多年凍土分布，其特點為：半徑一般為50～200 m；凍土的天然上限一般在1.0～2.0 m，天然上限最大為6.0 m；凍土厚度一般為2.0～4.5 m，最大厚度約為10 m；凍土地溫一般在-1.0～0℃之間，凍土總含水量高，一般為30%～65%，最高含水量達(dá)85%。

1.2 區(qū)域典型斷面地質(zhì)特征

根據(jù)研究區(qū)地形地貌特征和北黑公路路基變形情況，選擇了K161+440和K179+054兩個典型斷面，在兩個斷面的路肩、中央分隔帶、坡腳等位置進(jìn)行地質(zhì)鉆探，并埋設(shè)了溫度、水分傳感器等測量儀器，對試驗研究路段地表以下20 m深度內(nèi)地溫土體含水率變化情況進(jìn)行定期監(jiān)測。表1為K161+440斷面中央分隔帶鉆孔鉆探資料，由表1可知，地面以下存在凍土層，凍土分布在距路面14.0～17.8 m深度之間，成分主要是粘土和泥巖。圖2為K161+440斷面的左路肩、中央分隔帶、右路肩測孔2013年3月27日地溫曲線圖，由當(dāng)?shù)貧庀筚Y料可知，當(dāng)?shù)丶竟?jié)凍結(jié)深度為2.5 m左右，測量日地表地溫為-5～-2℃；多年凍土層地溫為-1～0℃。通過現(xiàn)場取土測得不同土層的含水量見表1。

表1 K161+440斷面中央分隔帶鉆孔的地質(zhì)資料

2 研究方法及數(shù)據(jù)分析

2.1 高密度電阻率法的應(yīng)用

高密度電阻率法是傳統(tǒng)電阻率法與數(shù)據(jù)自動反演相結(jié)合的方法，它是建立在巖土體的導(dǎo)電性差異的基礎(chǔ)上[9-10]。高密度電阻率法適用于測試淺層電阻率，野外測量時電極通過一次布置完成，數(shù)據(jù)采集由程序控制自動進(jìn)行，一次布置完電極后，可以進(jìn)行多種電極裝置的測量，從而獲得豐富的地電斷面信息。運用2DRES二維高密度電法反演軟件對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法反演[11]，測試中單位電極距選擇為3.0 m，垂直放大倍數(shù)為1.0；在K161+440斷面，在道路的中央分隔帶和右路肩順路走向布置了兩條測線(左路肩測線接地電阻過大，未獲得電阻率圖像)，在K159+450斷面，在道路的右坡腳順路走向布置了一條測線，電極編號布置為：從小里程向大里程方向1～60依次布置，且都以試驗斷面位置點為中心；采用溫納法測試，四個斷面探測時間均為2013年3月27日。

圖1 K161+440溫度曲線圖

2.2 K161+440斷面的探測

如圖2所示為K161+440電法測線布置圖。如圖3所示為K161+440斷面電阻率圖。對比圖1和圖3可以得出：溫度小于0℃的位置，電阻率都呈現(xiàn)明顯的高阻性。如圖4所示為K161+440斷面中央分隔帶電阻率圖，由圖4可知在距離1號電極58～152 m(K161+400～K161+494)處，深度13.6～17.4 m之間明顯為高電阻率，特別是在深度13.6 m處電阻率突然增大約150Ω·m，呈現(xiàn)明顯的跳變性；在深度17.4 m處也明顯呈現(xiàn)跳變，突然變小約120Ω·m。根據(jù)電阻率圖我們可以推測：在K161+400～K161+494范圍內(nèi)、深度13.6～17.4 m處是多年凍土層(如圖4所示)。為了更確切、直觀地了解K161+440中央分隔帶位置(鉆孔點)的地下電阻率變化，提取出該點不同深度的電阻率值片斷，并繪制出該點電阻率-深度曲線圖，如圖5所示。由圖5我們可以清晰的知道K161+440中央分隔帶位置處電阻率和溫度隨深度的變化，結(jié)合該點地質(zhì)鉆探資料(見表1)綜合分析可得到該點處電阻率分層如下：第一層為季節(jié)性凍土層，凍深約2.5 m，由于其處于地表，且地溫為-6～0℃，含冰量較大，電阻率也較大，測值在180～300Ω·m范圍內(nèi)變化，一旦季節(jié)性凍土層融化，由于潮濕多水，其電阻率僅為10～30Ω·m；第二層為非凍土層，深度2.5～13.6 m，上層為砂土，下層為粉質(zhì)粘土，含水量較大，均在15%以上，溫度2.0～5.0℃，其電阻率較小，僅為20～80Ω·m；第三層為多年凍土層，深度13.6～17.4 m，含水量較大，一般為30%～65%，凍土溫度為-1～0℃，電阻率在180～250Ω·m范圍線內(nèi)變化；第四層為非凍土層，成分為泥巖，含水量偏高，溫度2.0～4.0℃，電阻率偏小，在25～100Ω·m范圍內(nèi)。由高密度電阻率圖像推測凍土層的深度范圍是13.6～17.4 m，鉆探資料顯示凍土深度范圍是14.0～17.8 m，兩個結(jié)果的凍土層的厚度相差無幾，凍土層上、下限位置相差在0.5 m之內(nèi)，由此可知，高密度電阻率法探測該處凍土層的效果比較好。

圖2 K161+440電法測線布置圖

2.3 K159+450斷面的探測

圖6為K159+450電法測線布置圖。圖7為K159+450斷面右坡腳處高密度電阻率圖像，圖8為K159+450斷面右坡腳位置的電阻率和溫度隨深度變化曲線圖值，由此可以得出：K159+450斷面地表以下電阻率值無明顯跳變，電阻率值一般在20Ω·m左右，此斷面無多年凍土層分布。同時，地質(zhì)鉆探結(jié)果也表明：K159+450斷面無多年凍土。此斷面電法勘探結(jié)果與鉆探結(jié)果完全一致。

圖3 K161+440斷面電阻率圖

圖4 推測凍土層位置圖

圖5 K161+440中央分隔帶電阻率-深度和溫度-深度曲線圖

圖6 K159+450電法測線布置圖

圖7 K159+450右坡腳電阻率圖

圖8 K159+450右坡腳電阻率-深度和溫度-深度曲線圖

3 結(jié) 論

(1)在多年凍土層上、下限界面位置電阻率呈現(xiàn)明顯的跳變，跳變值可達(dá)200Ω·m，且多年凍土層呈現(xiàn)明顯的高阻性，一般在200Ω·m以上；在無多年凍土分布區(qū)域，其電阻率變化比較平緩，呈現(xiàn)低阻性。

(2)厚度大于4 m的多年凍土帶，其上、下限位置電阻率值的跳變較大，一般在150Ω·m以上。

(3)高密度電阻率法探測所得多年凍土層的厚度、位置與鉆探結(jié)果基本一致，兩者的上、下限位置相差在0.5 m以內(nèi)，由此可得：高密度電阻率探測技術(shù)作為一種快速、經(jīng)濟(jì)、可靠的現(xiàn)場測試方法，用來確定島狀多年凍土層的位置、厚度效果明顯。高密度電阻率法可快速、準(zhǔn)確地查清島狀凍土的分布，為線性工程定位及采取相應(yīng)工程措施提供準(zhǔn)確參考。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]GB50021-2001.巖土工程勘察規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[2]賀益賢.新藏公路沿線凍土電探的應(yīng)用實例[J].冰川凍土，1991，13(3)：255-260

[3]唐君輝，劉國興，韓江濤，等.電測深法在漠河地區(qū)探測永久凍土層的應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版)，2005(S1)：104-108

[4]劉釗剡，韓德波.電阻率測深在探測凍土層融化深度方面的應(yīng)用[J].工程勘察，1996(2)：64-66.

[5]肖 樓，楊文鋒，董德惠，等.綜合勘察技術(shù)在高緯度地區(qū)多年島狀凍土勘察中的應(yīng)用與研究[J].中國水運，2012(5)：159-161.

[6]徐學(xué)祖，王家澄，張立新.凍土物理學(xué)[M].北京：北京出版社，2010.

[7]周幼武，郭東信，邱國慶.中國凍土[M].北京：地質(zhì)出版社，2004.

[8]陳慈萱，劉 旭.青藏線凍土地區(qū)接地問題探討[J].鐵道通信信號，2006，42(8)：6-8.

[9]劉國興.電法勘探原理與方法[M].北京：地質(zhì)出版社，2005.

[10]姜 華，尚云飛，胡照廣，等.基于高密度電法的滑坡路段地基勘察與穩(wěn)定性評價[J].森林工程，2011，27(3)：70-73.

[11]Loke M H，Barker R D.Least-squares deconvolution of apparent resistivity pseudosections[J].Geophysics，1995，60(6)：1682-1690.