Инженерные изыскания с использованием метода преломленных волн в модификации сейсмотомографии

Введение

Для принятия решений о наилучшем использовании территорий во многих областях и прежде всего для гражданского строительства большое значение имеют адекватные данные о строении верхней части геологического разреза. Использование участка с неудовлетворительными подповерхностными условиями может привести к обрушению или разрушению построенного на нем здания, к соответствующим материальным потерям и к гибели людей.

Исследования показали, что большинство крупных городов и густонаселенных районов расположено на слабых грунтах (эстуариевых, современных или других отложениях с похожими характеристиками) [1, 2].

Наиболее часто используемые методы определения характеристик грунтов основаны на бурении, откопке шурфов и на лабораторных исследованиях образцов. Но результаты, полученные с помощью этих подходов, часто ограничиваются точечными данными, и их трудно использовать при изучении весьма обширных территорий [3–7]. К тому же из-за неоднородных подповерхностных условий результаты точечных исследований нельзя относить к другим частям даже относительно небольшого участка будущего строительства.

Поэтому настоятельно рекомендуется тщательно оценивать инженерно-геологические разрезы площадок на их пригодность для строительства и другими методами, особенно геофизическими.

К популярным геофизическим методам, используемым для инженерных изысканий, относятся в том числе методы электрических сопротивлений, многоканальный анализ поверхностных волн (MASW), метод преломленных волн (МПВ) и др. [8]. Одним из основных геофизических методов, использование которых не влияет на строение и состояние грунтовых массивов, является МПВ [9, 10]. Именно поэтому в данном исследовании и был использован этот метод в модификации сейсмической томографии для определения пригодности исследуемой территории для строительства.

Геологические условия исследуемой территории

Исследуемая территория располагается в районе местного самоуправления Эти-Оса в юго-восточной части штата Лагос на юго-западе Нигерии – между 6° 30' 37'' и 6° 30' 18'' с.ш. и между 3° 36' 3'' и 3° 35' 34'' в.д. (рис. 1). Она находится недалеко от восточной окраины нигерийского сектора бассейна реки Бенин в зоне устьев рек и лагун с песчаными барьерными пляжами и сложена переслаивающимися глинами и песками, представляющими собой типичные морские отложения. Эти отложения переходят друг в друга и сильно варьируют как по простиранию, так и по мощности [11].

Рис. 1. Геологическая карта исследуемой территории [2]

Материалы и методы

На территории изысканий было пройдено семь профилей методом преломленных волн в модификации сейсмической томографии. Длина профилей составляла от 48 до 200 м. В качестве источника сейсмических волн применялся молот весом 15 кг. Для сбора данных использовался 24-канальный сейсмограф Terraloc MK-6. Расстояние между сейсмоприемниками составляло 2 м, чтобы обеспечить необходимую глубину исследований. Удары молотом по металлической плашке на поверхности земли выполнялись в разных точках при перемещении вдоль профилей.

Полученные данные были проанализированы с использованием программы SeisImager/2DTM. После их обработки результаты решения обратных задач сейсморазведки (инверсионных преобразований) выводились на экран [12, 13] (рис. 2).

Рис. 2. 2D профиль, исследованный методом преломленных волн в модификации сейсмической томографии

Результаты и обсуждение

Двумерное исследование территории методом преломленных волн в модификации сейсмотомографии позволило описать горизонтальное и вертикальное распределение слагающих ее геологических слоев. В верхней части разреза было выявлено три слоя (см. рис. 2). Их толщина была переменной, что может быть результатом разных геологических процессов [13–15].

Толщина верхнего слоя варьировала от нуля до 5 м (или чуть больше). Этот слой характеризовался низкой сейсмической скоростью и был сочтен неуплотненным [12, 15, 16]. Как показало бурение, он сложен рыхлым сухим песком.

В точках 2 и 38 м по длине сейсмического профиля происходит максимальное «вторжение» геоматериалов первого слоя во второй.

Как показали геотехнические параметры, второй слой является полууплотненным [17–19]. Наблюдается постепенное уменьшение толщины этого слоя к другому концу профиля.

Второй слой сильно вторгся в третий между точками 2 и 26 м по длине профиля.

Третий слой характеризуется самой высокой сейсмической скоростью. Это говорит о том, что он является уплотненным [20, 21]. Его мощность в среднем больше, чем у первых двух слоев. И он является более компетентным, чем два других, – очевидно, вследствие состава или возраста составляющих его отложений.

Результаты, полученные в этом исследовании, хорошо согласовывались с известной информацией по региональной геологии исследуемого района, а также с данными по местной геологии, полученными при бурении скважин, откопке шурфов и полевых испытаний методом CPT.

Заключение

В этом исследовании для описания геологического строения территории изысканий с целью определения глубины залегания слоя, который лучше всего подходит для выдерживания предполагаемых нагрузок от строительных объектов, использовался метод преломленных волн в модификации сейсмотомографии. Результаты были подкреплены данными по местной геологии, полученными с помощью бурения скважин, откопки шурфов и испытаний грунтов методом CPT, а также известной информацией по региональной геологии.

Интерпретация результатов исследований методом преломленных волн показала, что участок предполагаемого строительства до глубины около 18 м сложен тремя слоями. Верхний слой сложен неуплотненным геоматериалом, второй – выветрелым или полууплотненным, третий – уплотненным.

Геотехнические исследования местной геологии показали, что первый от поверхности слой представляет собой рыхлый песок, второй – слабую песчанистую глину, третий (начиная с минимальной глубины 7 м) – более уплотненную песчанистую глину от полутвердой до твердой консистенции.

На основе сопоставления всех полученных результатов был сделан вывод, что нижняя часть второго слоя и третий слой являются наиболее механически устойчивыми в качестве грунтового основания для строительных объектов на исследуемой территории.

-

Авторы выражают благодарность за всестороннюю поддержку Университету Ковенанта (Нигерия).

Источник для перевода

Adewoyin O.O., Joshua E.O., Akinyemi M.L., Omeje M., Adagunodo T.A., Joel E.S. Engineering site investigations using surface seismic refraction technique // IOP Conference Series. Earth and Environmental Science. Vol. 655. Proceedings of the 4th International Conference on Science and Sustainable Development (ICSSD 2020) “Advances in Sciences and Technology for Sustainable Development”, 3–5 August 2020, Center for Research, Innovation and Discovery, Covenant University, Ota, Nigeria. Article 012098. DOI:10.1088/1755-1315/655/1/012098. URL: iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/655/1/012098/pdf.

Список литературы, использованной авторами переведенной статьи

1. Adepelumi A.A., Olorunfemi M.O. Engineering geological and geophysical investigation of the reclaimed Lekki, Peninsula, Lagos, South West Nigeria // Bulletin of Engineering, Geology and the Environment. 2000. Vol. 58. P. 125–132.
2. Adewoyin O.O., Joshua E.O., Akinwumi I.I., Omeje M., Joel E.S. Evaluation of geotechnical parameters using geophysical data // Journal of Engineering and Technological Science. 2017. Vol. 49. № 1. P. 95–113.
3. Alkroosh I.S., Bahadori M., Nikraz H., Bahadori A. Regressive approach for predicting bearing capacity of bored piles from cone penetration test data // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2015. Vol. 7. № 5. P. 584–592.
4. Altindag R. Correlation between P-wave velocity and some mechanical properties for sedimentary rocks // The Journal of the Southern African Institute of Mining and Mettalurgy. 2012. Vol. 112. № 3. P. 229–237.
5. Atat J.G., Akpabio I.O., George N.J. Allowable bearing capacity for shallow foundation in Eket Local Government area, Akwa Ibom State, Southern Nigeria // International Journal of Geosciences. 2013. Vol. 4. P. 1491–1500.
6. Ayolabi E.A., Enoh I.J.E., Folorunsho A. F. Engineering site characterisation using 2-D and 3-D tomography // Earth Science Research. 2012. Vol. 2. № 1. P. 133–142.
7. Cai G., Puppala A.J., Liu S. Characterization on the correlation between shear wave velocity and piezocone tip resistance of Jiangsu clays // Engineering Geology. 2014. Vol. 171. P. 96–103.
8. Cardarelli E., Cercato M., De Donno G. Characterization of an earth-filled dam through the combined use of electrical resistivity tomography, P- and SH-wave seismic tomography and surface wave data // Journal of Applied Geophysics. 2014. Vol. 106. P. 87–95.
9. Das B.M. Principles of foundation engineering (6th Edition). Thomson, 2007. P. 90–91.
10. Deidda G.P., Ranieri G. Seismic tomography imaging of an embankment // Engineering Geology. 2005. Vol. 82. P. 32–42.
11. Eker A.M., Akgun H., Kockar M. K. Local site characterization and seismic zonation study by utilizing active and passive surface wave methods: a case study for the northern side of Ankara, Turkey // Engineering Geology. 2012. Vol. 151. P. 64–81.
12. Eker A.M., Kockar M.K., Akgun H. Evaluation of site effect within the tectonic basin in the northern side of Ankara // Engineering Geology. 2015. Vol. 192. P. 76–91.
13. Grelle G., Guadagno F.M. Seismic refraction methodology of groundwater level determination: “water seismic index” // Journal of Applied Geophysics. 2009. Vol. 68. P. 301–320.
14. Hunt R.E. Geotechnical engineering investigation handbook (2nd edition). 2005. P. 1–3.
15. Lorenzo J.M., Hicks J., Vera E.E. Integrated seismic and cone penetration test observations at a distressed earthen levee: Marrero, Louisiana, U.S.A. // Engineering Geology. 2014. Vol. 168. P. 59–68.
16. Martinez K., Mendoza J.A. Urban seismic site investigations for a new metro in central Copenhagen: near surface imaging using reflection, refraction and VSP methods // Physics and Chemistry of the Earth. 2011. Vol. 36. P. 1228–1236.
17. Mohamed A.M.E., Abdel Hafiez H.E., Taha M.A. Estimating the near-surface site response to mitigate earthquake disasters at the October 6th city, Egypt, using HVSR and seismic techniques //National Research Institute of Astronomy and Geophysics. 2013. Vol. 2. P. 146–165.
18. Mohamed A.M.E., Abu El Ata A.S.A., Azim F.A., Taha M.A. Site-specific shear wave velocity investigation for geotechnical engineering applications using seismic refraction and 2D multi-channel analysis of surface waves // NRIAG Journal of Astronomy and Geophysics. National Research Institute of Astronomy and Geophysics, 2013. Vol. 2. P. 88–101.
19. Mohd H.Z.A., Rosli S., Fauziah A., Devapriya C.W., Mohamed F.T.B. Seismic refraction investigation in near surface landslides at the Kindasang area in Sabah, Malaysia // Procedia Engineering. Elsevier, Sciverse Science Direct, 2012. Vol. 50. P. 516–531.
20. Osazuwa I.B., Chinedu A.D. Seismic refraction tomography imaging of high-permeability zones beneath an earthen dam, in Zaria area, Nigeria // Journal of Applied Geophysics. 2008. Vol. 66. P. 44–58.
21. Pegah E., Liu H. Application of near-surface seismic refraction tomography and multichannel analysis of surface waves for geotechnical site characterization: a case study // Engineering Geology. 2016. Vol. 208. P. 100–113.