从岩土体原位检测、探测、监测到感知_施斌.pdf

书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2022/30(6)-1811-08施斌，朱鸿鹄，张丹，等 2022 从岩土体原位检测、探测、监测到感知J 工程地质学报，30(6):18111818 doi:1013544/jcnkijeg20220714Shi Bin，Zhu Honghu，Zhang Dan，et al 2022 From in-situ rock-and-soil testing，exploration，monitoring to sensingJ Journal of Engineering Geology，30(6):18111818 doi:1013544/jcnkijeg20220714从岩土体原位检测、探测、监测到感知*施斌朱鸿鹄张丹程刚(南京大学地球科学与工程学院，南京 210023，中国)(华北科技学院计算机学院，北京 101601，中国)摘要本文阐述了岩土体原位观测的重要性，简要回顾了岩土体原位观测技术的演化历史，将观测技术分为 5 类，即测量、遥测、检测、探测和监测，并分别讨论了这 5 类观测技术的特点与不足;据此，进一步阐述了岩土体多场感知的概念，重点讨论了多场感知技术的内涵与特点，认为时空连续的岩土体感知技术是地质与岩土工程原位观测的一个新范式;最后，简要介绍了实现岩土体多场感知的分布式光纤感测技术及其应用。关键词岩土体;原位观测;多场感知;分布式光纤感测技术;分类中图分类号:P642文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20220714*收稿日期:20121010;修回日期:20221102基金项目:国家自然科学基金重点项目(资助号:42030701)，国家自然科学基金杰出青年科学基金项目(资助号:42225702)，中央引导地方科技发展资金项目(资助号:226Z5404G)This research is supported by the State Key Program of National Natural Science Foundation of China(Grant No 42030701)，the National ScienceFund for Distinguished Young Scholars(Grant No 42225702)and Central Government Guides the Local Science and Technology Development FundProject(Grant No 226Z5404G)第一(通讯)作者简介:施斌(1961)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为地质工程、岩土工程 E-mail:shibinnjueducnFOM INSITU OCKANDSOIL TESTING，EXPLOATION，MONITO-ING TO SENSINGSHI BinZHU HonghuZHANG DanCHENG Gang(School of Earth Sciences and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210023，China)(School of Computer Sciences，North China Institute of Science and Technology，Beijing 101601，China)AbstractThis paper expounds the importance of in-situ observation of rock-and-soil It reviews the evolution his-tory of the in-situ rock-and-soil observation technology The rock-and-soil observation technology can be divided intofive categories，namely survey，remote sensing，testing，exploration and monitoring The characteristics and short-comings of these five categories of observation technology are discussed respectively Based on this，the concept ofmulti-field sensing of rock-and-soil is further expounded The connotation and characteristics of multi-field sensingtechnology are discussed emphatically It is concluded that the time-space continuous sensing technology is a newparadigm of in-situ rock-and-soil observation in the field of geological and geotechnical engineering Finally，thedistributed fiber optic sensing technology and its application to realize multi-field sensing of rock-and-soil are brieflyintroducedKey wordsock-and-soil;In-situ observation;Multi-field sensing;Distributed fiber optic sensing technology;Classification0引言今年是刘国昌先生诞辰 110 周年，他创立的区域稳定工程地质理论为我国重大工程的区域稳定性评价奠定了重要的理论基础。翻开刘先生 1983 年撰写的 区域稳定工程地质 一书，一个鲜明的特色就是作者从工程地质观点出发，采用地质力学的原理来综合研究区域稳定性的问题，强调地质与力学的结合。非常凑巧的是，前段时间我们团队部分成员一起重温了 E Goodman 撰写的 Karl Terzaghi:The Engineer as Artist 一书，该书于 2020 年已由朱合华和史培新翻译为中译本，取名为工程艺术大师:卡尔太沙基。将太沙基称为工程艺术大师，我们认为非常贴切，点出了岩土工程学的本质特点。作为土力学之父的太沙基，十分强调力学与工程地质的结合。他认为:土力学或岩体力学中未解决的大部分问题，与其依靠理论研究或室内试验来解决，还不如在野外现场通过坚强而精细的观察与调查获得解决。从上述二位大家的论著中，可见无论是研究区域稳定工程地质，还是岩土力学，只有将力学与工程地质学密切结合，才能真正解决岩土工程和地质工程问题;同时，他们都强调了野外和原位观测的重要性，它是推动工程地质、岩土力学和岩土工程学科发展的基础性工作。有感于这二位大家的学术思想，我们撰写这篇文章，简要回顾了岩土体原位观测技术的演化过程，对它们进行了分类，并分析了各类别的特点与不足;提出并阐述了岩土体多场感知的概念、内涵与特点，最后介绍了分布式光纤感测技术及其应用，以此纪念刘国昌先生对我国区域工程地质发展的贡献。1岩土体原位观测的重要性无论是区域稳定工程地质研究，还是岩土力学与岩土工程稳定性研究，都与岩土体有关。区域稳定性的实质是该区域内岩土体的稳定性，而所有岩土工程的基础都坐落在岩土体上，因此岩土体的稳定性决定了岩土工程的稳定性。岩土体与土木工程中的人造结构系统如钢筋混凝土结构和钢结构不同，它是自然历史的产物，在岩石圈、大气圈、水圈和生物圈的共同作用下，经过了漫长的地质历史时期演化而来，是一个固、气、液多相体系。岩体坚硬，构造不规则;土体松软，具有多孔和低强度等特征，它们不断地受到自然界和人类工程活动的多场作用和影响。岩土体一般规模大、深度深;结构界面复杂、空间变异性大;多场作用，影响因素混杂。岩土体作为一个有机组成的自然体，它的体积大小是一个相对概念。作为各类基础工程和人类活动的载体，岩土体甚至没有明确的边界，它的边界常常根据地貌、地质条件和力学性质等因素，人为进行确定。因此，岩土体的上述特点，使得人们几乎不可能在实验室中开展岩土体的原型试验，没有一个实验室能容纳一个完整的滑坡，也几乎无法复制岩土体复杂的原状结构与构造特征。因此，要精准获取岩土体在多场作用下的演化信息，唯一的途径就是加强岩土体的原位观测。原位观测的重要性还体现在其观测数据的真实性。如果观测手段可靠准确，那么所获得的观测数据和结果具有岩土体的本征性，而在实验室中通过岩土模型试验获得的观测数据，可以用来揭示岩土体的某些变化规律，但一般不能直接用来评价原位岩土体的稳定性和破坏过程。因此，岩土体原位观测数据的获取直接关系到人们对岩土体强度与稳定性评价和灾害成因机理认知的准确性。原位观测也是防治地质灾害、解决岩土工程问题的关键一环。目前，防灾减灾的途径主要有两条:一条是灾害风险控制，即通过对地质灾害和岩土工程目标区的工程地质条件分析、分区和风险评价，采取各种地质灾害防治和岩土工程措施，防患于未然，预防各类地质灾害和岩土工程问题的发生;另一条是临灾预警预报，即通过各种监测手段，对一些具体的地质灾害(如滑坡和泥石流等)及岩土工程问题(如基坑失稳等)进行临灾预警，疏散人群，转移财产，并采取相应的防治措施，以减少损失。显然，在上述两条途径中，始终都离不开岩土体原位观测这一基础性工作。事实上，岩土体的原位观测一直受到工程地质、岩土力学与岩土工程界的高度重视，但由于岩土体组成、结构和构造的高度复杂性、随机性和隐蔽性，以及在多场作用下变化的多样性，目前原位观测技术在时间和空间上尚无法完全覆盖岩土体内部错综复杂的物质界面、状态界面和运动界面的定位与动态观测，而这些界面控制着岩土体的稳定性。因此，发展岩土体多场原位观测技术，创新地质与岩土工程观测范式，势在必行!2181Journal of Engineering Geology工程地质学报20222岩土体原位观测技术的演进根据一些资料，作者简要地总结了岩土体原位观测技术的演化历史，见图 1。据史记夏本纪记载，早在 4000 多年前，大禹采用了“准”、“绳”、“规”、“矩”等一些最古老的工具治理洪水，开展了有历史记录以来最早的大地测量工作。相对于目测方法，工具的应用使岩土体的观测更加客观、准确。公元前 5 世纪有了关于放大镜的记载(Kriss et al，1998)，后来放大镜作为地质工作者的“三大件”之一，用于岩土体细观结构的野外观察和岩性的现场鉴别。之后，相继出现了放大倍率更高的光学显微镜、电子显微镜等，实现了对岩土体在微观尺度下的精细观测。1608 年，荷兰出现了最早的望远镜。望远镜的发明推动了光学测量仪器(如光学水准仪、经纬仪)的发展和广泛使用，成为大地测量工作中的重要工具，为研究地球的形状和大小以及精准确定地面(包含空中、地下和水下)点空间位置、观测岩土体的时空变化提供了科学技术手段(张正禄，2005)。1947 年，第一台光电测距仪在瑞典诞生，从此，世界进入了电子大地测量时代，大大提高了岩土体测量精度和自动化程度。图 1岩土体原位观测技术的演化之路Fig 1Evolution of in-situ observation technology of rock-and-soil对深部岩土体的观测应归功于钻探技术的发展。钻探技术始于我国秦代(公元前 255 年)四川自贡，当时主要是为了解决喝水和吃盐的问题，到1835 年我国的钻探技术已非常先进，钻成了世界上第一口深超千米的天然气卤水井，而且对西方勘探与开发石油天然气起到了启迪促进作用(刘广志，19