薛 建， 黃 航， 梁文婧

(吉林大學 地球探測科學與技術學院,吉林 長春 130026)

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工程與環(huán)境地球物理創(chuàng)新型開放性實驗設計

薛 建， 黃 航， 梁文婧

(吉林大學 地球探測科學與技術學院,吉林 長春 130026)

工程與環(huán)境地球物理是一門應用性和動手能力都很強的學科，在學習過程中，只有課堂上的理論學習是遠遠不夠的，需要通過實踐才能真正理解和全面掌握。為了彌補課程實驗數(shù)不足，解決缺少具有實際地質(zhì)原型的實驗場地等問題，以野外現(xiàn)場室內(nèi)化，地質(zhì)問題微型化的方式，推出多個創(chuàng)新型開放性實驗，這些實驗在加強學生的專業(yè)技能訓練，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識方面發(fā)揮了較大的作用。

創(chuàng)新型開放性實驗； 地震波場認識； 隧道襯砌質(zhì)量檢測； 高密度電法； 基樁小應變動測

0 引 言

工程與環(huán)境地球物理學在教學的內(nèi)容設置上，除了傳統(tǒng)的專業(yè)知識教學外，更加注重方法技術的實踐，和對新儀器、新方法技術的學習，如面波勘探，探地雷達，高密度電法等，這些都是近年來在工程與環(huán)境地球物理勘探中重要的新方法新技術，要全面地掌握這些方法技術，課堂上短暫的理論學習和一兩節(jié)課程實驗是不夠的，需要通過更多的實踐環(huán)節(jié)才能真正理解和全面掌握[1]。

開展工程與環(huán)境地球物理的探測實驗，一方面要求有先進的儀器設備，另一方面要求有反映實際地質(zhì)問題的實驗場地。而缺少反映實際地質(zhì)問題的實驗場地，更加限制了實驗的開展。為了解決上述問題，我們依托地球物理模型實驗室的大型實驗水槽和大型實驗沙槽設施，和瞬態(tài)波形記錄儀、網(wǎng)絡分析儀、探地雷達、高密度直流電法儀等儀器設備，采用野外現(xiàn)場室內(nèi)化，地質(zhì)問題微型化的方式，先后推出了“典型構造地震波場超聲波物理模型實驗”、“沙槽埋設物探地雷達探測實驗”、“高密度電法水槽模型實驗”、“公路質(zhì)量隱患探測實驗”、“基樁小應變動測模擬實驗”、“公路質(zhì)量隱患探測實驗”等創(chuàng)新型開放性實驗。學生利用課余時間，3～5人一組，通過預約，在教師指導下自由選擇和完成這些實驗。在實驗中，學生學會了儀器設備的操作使用、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和資料解釋方法，系統(tǒng)地掌握了實驗的全過程，鞏固了課堂上學到的理論知識，強化了專業(yè)技能訓練，培養(yǎng)了理論聯(lián)系實際和獨立分析、解決問題的能力,同時，也為學生今后從事該項研究打下了扎實的實踐基礎。以下討論上述創(chuàng)新型開放性實驗的設計與實現(xiàn)。

1 典型構造地震波場超聲波物理模型實驗

典型地質(zhì)構造物理模型的超聲波實驗，是通過實驗獲得地震波場資料，利用地震勘探理論知識對地震波場進行合理的解釋。該實驗對地震勘探的課程學習有重要的幫助作用[2-3]。

實驗的儀器由微機、瞬態(tài)波形記錄儀、脈沖發(fā)生器、信號放大器和壓電晶體換能器等儀器組成；實驗的物理模型采用在100 cm×0.3 cm×30 cm的有機玻璃板上粘貼金屬泊、鉆孔等方式加工而成，模擬的地質(zhì)構造有背斜、向斜、斷層、臺階、孔洞、脈狀、互層、楔形等，圖1為構造模型示意圖。

物理模型的觀測采用自激自收和多次覆蓋兩種方式。實驗時將物理模型平鋪在工作臺上，在模型與工作臺之間鋪墊軟紙作為吸收材料，在模型的觀測面(A-B)上涂凡士林保持模型和探頭之間的良好耦合。實驗時，按照設計好的觀測系統(tǒng)，沿著觀測面，手工移動發(fā)射探頭和接收探頭，逐炮逐道地采集實驗數(shù)據(jù)，獲得地震波場記錄。

圖1 案例形成框架圖

實驗的重點在于體驗物理模型實驗的數(shù)據(jù)采集過程，認識直達波、一次反射波、面波等在出現(xiàn)時間、頻率、速度方面的差異，獲得對地震波的感性認識；掌握地震勘探數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)的意義和實現(xiàn)方法；對比物理模型，分析背斜構造時間剖面上波的發(fā)散現(xiàn)象，向斜構造時間剖面上波的聚焦現(xiàn)象，階梯構造時間剖面上波的繞射現(xiàn)象，斷裂構造時間剖面上同相軸錯斷和斷點繞射現(xiàn)象[4-5]。

2 沙槽埋設物探地雷達探測實驗

工程與環(huán)境地球物理教學中，探地雷達[6-7]的課堂教學只有幾個學時，如果不配以足夠的課外實驗，課堂上學的知識很快會被忘掉。沙槽埋設物探測開放性實驗為學習和掌握探地雷達的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和異常的分析解釋方法創(chuàng)造了條件。

實驗沙槽尺寸為10.0 m×2.0 m×1.2 m，槽內(nèi)裝滿河砂，砂中埋有金屬管線、非金屬管線、直立放置的金屬板、傾斜放置的塑料板和夯土墻體。

實驗時，在砂子表面沿著砂槽的長軸布置測線，使用SIR-3000探地雷達和900 MHz天線開展實驗。在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，訓練學生正確操作儀器，合理設置數(shù)據(jù)采集參數(shù)；在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，訓練學生掌握探地雷達的數(shù)據(jù)處理過程，熟練地使用探地雷達數(shù)據(jù)處理軟件。

實驗的重點在于訓練學生掌握各種目標體異常的形態(tài)特征、推斷目標體的規(guī)模、埋深和屬性[8-9]。圖2給出了實驗沙槽探測的目標體分布與雷達探測剖面圖，圖2(B)中A 、B、C、D為4個管線的異常，都是雙曲線形狀，但繞射波的能量不同，在同等埋深下，金屬管線的繞射波能量較強；E為直立鐵板的異常，繞射波能量強，在實驗中我們給出鐵板的埋深，用于計算電磁波在砂子中的傳播速度；F為傾斜塑料板的異常，反射波同相軸呈傾斜狀，塑料板的頂部呈繞射形狀，反射和繞射波能量均較弱；G為粘土墻體的異常，雙曲線形狀，頂部較寬，繞射波能量較強。

(A) 沙槽內(nèi)探測目標分布剖面圖

(B) 探地雷達探測剖面圖

3 隧道襯砌質(zhì)量模擬檢測實驗

隧道襯砌質(zhì)量檢測是探地雷達的主要應用內(nèi)容之一[10]，為了學習隧道襯砌質(zhì)量檢測方法，掌握各種質(zhì)量缺陷的異常特點和對異常的分析解釋[11]，在實驗砂槽的墻壁上設計有加鋼筋段、加厚段和空洞等異常體，模擬隧道襯砌的上的鋼筋，襯砌的厚度變化和質(zhì)量缺陷。

實驗時，沿墻走向布置測線，使用SIR-3000探地雷達和900 MHz天線開展實驗。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，進行濾波、反褶積等數(shù)據(jù)處理，消除空間干擾波見圖3。圖3(A)給出了隧道襯砌模擬檢測的目標分布,圖3(B)給出了雷達探測剖面圖，圖3(B)中A為鋼筋的異常，為密集的繞射波，呈鋸齒狀排列；B為墻內(nèi)的介質(zhì)不密實異常,雙曲線形狀，繞射波能量較弱；C為墻體后面的空洞異常，雙曲線形狀，繞射波能量較強；D為加厚段，反射波同相軸發(fā)生錯斷，反射時間變大；E為墻內(nèi)的空洞異常，雙曲線形狀，繞射能量較強。

(A) 探測目標分布

(B) 探地雷達探測剖面圖

該實驗是針對混凝土襯砌質(zhì)量檢測設計的，通過實驗不僅可以學習隧道襯砌檢測方面的專業(yè)知識，同時也對雷達剖面上的各種異常有了清楚的認識，為今后開展類似的研究工作打下了基礎。

4 高密度電法水槽模型實驗

高密度電法[12-13]實驗是工程與環(huán)境地球物理的一項重要實驗，然而由于缺少埋有已知地質(zhì)目標的實驗場地，簡單的數(shù)據(jù)采集實驗，無法讓學生建立起地質(zhì)目標與高密度圖像間的內(nèi)在關系，掌握不到高密度電法探測的精髓。為了改變這種狀況，我們在一個尺寸為4 m×3.5 m×2.8 m的水槽內(nèi)布置微電極，在微電極下方懸掛物理模型模擬地下地質(zhì)體，在實驗室內(nèi)開展高密度電法實驗。

物理模型有塑料管、塑料板、塑料球體和銅板等，用于模擬地下地層、空洞或斷裂等高、低阻的地質(zhì)體。通過改變模型的入水深度，模擬地質(zhì)體埋深的變化。通過改變模型與水面的角度，模擬地質(zhì)體傾角的變化。

實驗儀器為DUK-2A型高密度電法測量系統(tǒng)，采用溫納剖面法測量。在數(shù)據(jù)采集時，根據(jù)圖像上測點的變化體會溫納裝置的跑極過程；數(shù)據(jù)采集完成后，采用專業(yè)反演軟件進行電阻率反演，學習專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件的使用；數(shù)據(jù)處理完成后，結(jié)合物理模型分析和解釋高密度斷面圖。圖4給出了入水4 cm與水面夾角約20°的塑料板的高密度電阻率反演剖面，在水平位置1.3 m處下方的高阻異常較好地反映出塑料板模型在水下的形態(tài)特征。

圖4 傾斜塑料板的高密度電阻率反演剖面圖

顯然，通過對各種形態(tài)物理模型的高密度電法實驗，可以掌握不同形態(tài)地下地質(zhì)體的高密度電阻率圖像特征，建立起地下地質(zhì)體與電阻率異常的內(nèi)在關系。

5 基樁小應變動測模擬實驗

基樁小應變動測技術在生產(chǎn)實踐中已經(jīng)應用了數(shù)十年，在保證建筑物安全，防止工程事故上起到了重要的作用。然而在工程與環(huán)境地球物理教學中，由于缺少模型樁和實驗場地，這項重要的實驗難以在實驗室內(nèi)開展，造成了教學與實踐相脫節(jié)，學生得不到應有的學習和訓練。為了開展該項訓練，我們使用尼龍棒模擬混凝土基樁，在實驗室內(nèi)開展基樁小應變動測技術的學習和實踐。

基樁小應變動測模擬實驗的儀器由微機、信號放大器、L4534A瞬態(tài)波形記錄儀、壓電晶體換能器(或加速度計)和小型手錘組成。也可以使用基樁動測分析儀開展實驗。模型樁由Φ80 mm和Φ100 mm，長度1.6 m左右的尼龍棒，采用切割、鉆孔等方式加工而成，類型有完整模型樁、擴頸模型樁、縮頸模型樁、離析模型樁和斷裂模型樁。模型樁樣圖見圖5所示。實驗時采用凡士林將換能器粘貼到模型樁的頂部，采用手錘敲擊激發(fā)彈性波，瞬態(tài)波形記錄儀記錄換能器接收到的震動信號并顯示在微機屏幕上。

小應變基樁動測的資料解釋是根據(jù)彈性波在一維體中傳播的波動方程進行的，當彈性波沿法線入射時，在波阻抗界面上的反射系數(shù)為：

波阻抗界面上質(zhì)點位移的大小和方向為：

式中，Ψλ為入射波位移的大小和方向。

圖5 模型樁示意圖

根據(jù)上述理論和大量的實踐可知，完整樁的測試曲線規(guī)則，呈指數(shù)衰減，只有樁底反射波；擴頸樁的測試曲線不規(guī)則，有樁間反射波，樁間反射波初至與入射波相位相反；縮頸樁的測試曲線不規(guī)則，有樁間反射波，樁間反射波初至與入射波相位相同；斷樁的測試曲線不規(guī)則，有樁間反射波，呈震蕩衰減，無樁底反射波；離析樁的測試曲線不規(guī)則，有樁間反射，樁間反射波初至與入射波相位相同。部分模型樁的測試曲線見圖6，其波形與理論及實際相吻合[14-16]，較好地反映了不同缺陷類型的波形特征。

(a) 完整模型樁

(b) 離析模型樁

(c) 斷裂模型樁

(d) 縮頸模型樁

6 結(jié) 語

我們采用野外現(xiàn)場室內(nèi)化，地質(zhì)問題微型化的方式，先后推出了“典型構造地震波場超聲波物理模型實驗”、“沙槽埋設物探地雷達探測實驗”、“隧道襯砌質(zhì)量模擬檢測實驗”、“高密度電法水槽模型實驗”、“基樁小應變動測模型實驗”等創(chuàng)新型開放性實驗。加工制作了多個目標體物理模型，將那些只有在野外才能開展的實驗搬到實驗室內(nèi)來完成，解決了因缺少實驗場地和地質(zhì)目標而不能開展實驗教學的實際問題。同時，這些開放性實驗在設計上更加強調(diào)理論與實踐相結(jié)合，強調(diào)實驗的系統(tǒng)性和完整性，實現(xiàn)了由理論教學到生產(chǎn)實踐之間的合理銜接，對工程與環(huán)境地球物理的學習起到了重要的幫助作用，促進了學生對專業(yè)技術系統(tǒng)而全面的掌握，拉近了理論教學與生產(chǎn)實踐之間的距離，提高了學生的綜合素質(zhì)。

[1] 易 兵,薛 建,王元新,等.工程與環(huán)境地球物理課程改革與實踐[J].實驗技術與管理,2013,30(2):18-19.

[2] 趙鴻儒,唐文榜,郭鐵栓.超聲地震模型試驗技術及應用[M].北京:石油出版社,1986.

[3] 郝守玲,趙 群.地震物理模型技術的應用與發(fā)展[J].勘探地球物理進展,2002,25(2):34-42.

[4] 魏建新,孟 平,趙 群.固體物理模擬實驗：波場觀測[J].石油物探,1997,36(2):75-85.

[5] 薛 建.頁面物理模型模擬實驗方法[J].物探與化探,2013,37(4):701-705.

[6] 李大心.探地雷達方法與應用[M].北京:地質(zhì)出版社,2003.

[7] 曾昭發(fā),劉思新,王者江,等.探地雷達原理與應用[M].北京:科學出版社,2006.

[8] 薛 建,劉思新,黃 航，等.探地雷達實驗教學方法研究[J].實驗技術與管理,2013,31(1):172-178.

[9] 謝朝暉.地下不同目標體的探地雷達圖像特征研究[J].工程地球物理學報,2005,2(1):8-11.

[10] 鐘世航.探地雷達在混凝土結(jié)構物檢測中幾個問題的討論[J].地質(zhì)與勘探,2003,39(s):88-93.

[11] 肖宏躍,雷 碗,孫希薷，等.隧道襯砌質(zhì)量缺陷的探地雷達圖像分析[J].工程勘察,2008(8):56-59.

[12] 王興泰.工程與環(huán)境物探新方法新技術[M].北京:地質(zhì)出版社,1996.

[13] 董浩斌,王傳雷.高密度電法的發(fā)展與應用[J].地質(zhì)前緣,2003,10(1):171-177.

[14] 雷 碗,肖宏躍,鄧一謙.工程與環(huán)境物探教程[M].北京:地質(zhì)出版社,2006.

[15] 劉思新,薛 建,易 兵,等.工程與環(huán)境地球物理實習教材[M].北京:地質(zhì)出版社,2012.

[16] 張獻民,劉國輝.低應變瞬態(tài)錘擊樁基無損動測技術[M].北京:地質(zhì)出版社,1995.

Design of Creative and Open Experiments for Engineering and Environmental Geophysics

XUEJian，HUANGHang，LIANGWen-jing

(Collage of Geoexploration Sci. & Tech., Jilin University, Changchun 130026， China)

Engineering and environmental geophysics is a strongly applied and practical discipline. The students not only need to learn the heories in the classroom but also need a lot of practice in the laboratory and fields. Based on the idea of the transfer of field work to the laboratory and the micromation of geological problem, the authors introduced several creative and open experiments to make up for the lack of experiments in the course, and solve the problems such as the lack of the experimental sites with the typical geological prototypes. These experiments play a very important role in strengthening professional skills and training the creative ability of students.

creative and open experiment; knowledge of seismic wave field; inspection of tunnel lining; high-density electrical resistivity method; small strain dynamic testing of piles

2014-09-01

薛 建(1958-),男,吉林榆樹人,高級工程師,應用地球物理國家級實驗教學示范中心副主任,主要從事地球物理模型實驗及工程與環(huán)境地球物理方法技術研究。

Tel.：13069216370；E-mail：xuejian@jlu.edu.cn

G 642.0

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1006-7167(2015)08-0186-04