本发明涉及市政工程技术领域，特别是涉及一种地层密实度探测及病害评价方法。
背景技术：
近年来，道路塌陷事件逐年递增，破坏范围持续扩大，从主干线逐渐向非机动车道和人行步道发展。其中，道路地下损害(地下土体疏松病害)诱发塌陷事件占绝大多数。
目前，地下土体疏松病害探测技术包括：①地质雷达探测方法，探测深度3m～5m，探测深度有限且存在自身反演多解性缺陷，适合地下土体疏松病害定期定性排查；②钻孔取芯方法，此方法工程量大、成芯困难、破坏程度高、耗时长且阻碍交通；③标准贯入试验法，该方法损伤和扰动大，并且静力压入触探测试困难。
以上方法均不适合现代道路地下病害快速、原位、定量探测的发展需要。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种地层密实度探测及病害评价方法，用于实现对道路地下土体损害的快速原位定量探测及病害的实时评价。
为实现上述目的，本发明一个实施方式提供了一种地层密实度探测及病害评价方法，包括：随钻获取钻进参数，所述钻进参数包括钻杆扭矩、钻进压力、钻杆转速和进尺速率；获取孔内多维细观形貌图像信息和钻进深度；形成钻进参数与钻进深度间的量化图谱；形成孔内多维细观形貌图谱；根据孔内细观形貌图谱划分地层层位，并确定每个层位的深度；将各个层位内的钻进参数做均值处理，然后利用均值结合钻进参数与密实度的量化关系确定各层位密实度；由各层位密实度值结合孔内多维细观形貌图谱确定的各层位深度值，生成地层密实度分区图谱；根据病害等级的密实度标准得到各层位病害等级及相应深度。
在一个实施方式中，将三个所述图谱构建成综合图谱，综合显示地层全层位定量、定性信息，进行病害等级的定量和定性综合评价。
在一个实施方式中，所述钻进参数与密实度的量化关系为：
dr＝-0.482×t+0.054×f+0.273×r-0.192×n+36.48；
式中：dr为密实度；t为钻杆扭矩，单位n·m；f为钻进压力，单位n；r为进尺速率，单位cm/(0.5h)；n为钻杆转速，单位r/min。
在一个实施方式中，病害等级的密实度标准为：密实、轻微疏松、中度疏松、重度疏松，分别对应的密实度范围为0.9～1、0.8～0.9、0.7～0.8、<0.7。
本发明提供的技术方案，可以随钻获取各项钻进参数以及钻孔的图像信息，并根据相应量参数信息和图像信息对地层病害进行评价，其探测速度快、成本低、精度高、应用范围广，可以在20-30分钟完成道路底下3-5m地层的全层位病害的随钻随测随诊。
附图说明
图1为本发明实施例提供的地层全层位信息综合图谱示例图。
具体实施方式
下面以具体实施例为例，详细说明本发明的实施方式。
本发明实施例提供的一种地层密实度探测及病害评价方法，包括随钻获取钻进参数，所述钻进参数包括钻杆扭矩、钻进压力、钻杆转速和进尺速率；获取孔内多维细观形貌图像信息和钻孔深度；形成钻进参数与钻进深度间的量化图谱；形成孔内多维细观形貌图谱；根据孔内细观形貌图谱划分地层层位，并确定每个层位的深度；将各个层位内的钻进参数做均值处理，然后利用均值结合钻进参数与密实度的量化关系确定各层位密实度；由各层位密实度值结合孔内多维细观形貌图谱确定的各层位深度值，生成地层密实度分区图谱；根据病害等级的密实度标准得到各层位病害等级及相应深度。具体可通过如下所述的包括随钻多源响应量探测装置、随钻全景多维特征探测装置、随钻多源信息无线收发装置、地层全层位病害评价系统在内的探测和评价系统实现。
所述随钻多源响应量探测装置包括钻进装置，所述钻进装置包括钻机、钻杆、钻头、液压泵站和汽油发电机。钻杆与钻机连接，钻头可以是金刚石钻头或牙轮钻头，连接在钻杆下端。液压泵站与钻机连接，为钻机提供动力，汽油发电机则用于为包括所述随钻多源响应量探测装置在内的整个探测及评价系统提供电力。所述随钻多源响应量探测装置还包括钻进参数探测装置，所述钻进参数探测装置包括扭矩传感器、压力传感器、转速传感器和位移编码器，分别用于获取钻杆扭矩、钻进压力(推进力)、钻杆转速和进尺速率。其中进尺速率通过由位移编码器获得的钻杆位移除以采样时间得到，例如通过在系统程序中加入相应算法得到。
所述随钻全景多维特征探测装置包括全景摄像头，其后方设置套筒，每次钻测结束后，卸掉钻头，通过所述套筒安装在钻杆下端，下放钻孔内，获取孔内多维细观形貌图像信息。所述随钻全景多维特征探测装置还包括深度编码器，与全景摄像头同步使用，获取细观形貌图像的对应钻孔深度。
上述钻进参数探测装置及随钻全景多维特征探测装置均包括无线数据采集器，由所述无线数据采集器将探测装置获得的信息传送至随钻多源信息无线收发装置，随钻多源信息无线收发装置可固定在钻机架的顶端，用于接收各无线数据采集器传送的信息，并将接收的信息发送至地层全层位病害评价系统。随钻多源信息无线收发装置优选采集频率为0.2ms，最大传输距离为300m。
所述地层全层位病害评价系统包括计算机。所述计算机接收所述随钻多源信息无线收发装置发送的各种信息并存储。所述地层全层位病害评价系统还包括多源信息分析模块、图谱构建模块、地层全层位病害定量评价模块，上述模块的功能均可借助计算机程序实现，例如自编软件、商业软件或商业软件结合自编程序。
图谱构建模块生成钻进参数与钻进深度间的量化图谱，即以钻进深度为纵坐标、以钻进参数为横坐标的曲线图，进一步，可导入形成孔内多维细观形貌图谱，即按钻孔深度排列的细观形貌图像。然后，根据孔内细观形貌图谱划分地层层位，并确定每个层位的深度。所述多源信息分析模块将各个层位内的钻进参数做均值处理，然后利用均值结合钻进参数与密实度的量化关系确定各层位密实度，钻进参数与密实度的量化关系通过室内钻测试验标定得到，具体为：
dr＝-0.482×t+0.054×f+0.273×r-0.192×n+36.48
式中：dr-密实度，t-扭矩(n·m),f-推进力(n)，r-进尺速率(cm/(0.5h))，n-转速(r/min)。
由各层位密实度值结合孔内多维细观形貌图谱确定的各层位深度值，生成地层密实度分区图谱。地层全层位病害定量评价模块基于密实度实测值确定病害等级及相应深度。根据密实度评价病害等级的标准为：密实、轻微疏松、中度疏松、重度疏松，分别对应的密实度范围为0.9～1、0.8～0.9、0.7～0.8、<0.7。在密实度分区图谱中可以用不同的颜色代表不同的密实度区间，例如：四种颜色(绿、黄、红、橙)分别代表四种密实度区间；绿代表0.9～1的密实度、黄代表0.8～0.9的密实度、红代表0.7～0.8的密实度、橙代表<0.7的密实度。由于地层情况复杂，单纯的密实度定量分析不能显示所有可用信息，因此可进一步将上述三个图谱构建成综合图谱，综合显示地层全层位定量、定性信息，并综合定量和定性信息给出进一步的评价结果，使得评价结果更为准确。例如，在下面给出的实例中，最终的评价结果并非仅局限于根据0.92、0.84、0.85、0.79、0.77、0.89这几个密实度值分别得出密实、轻微疏松、轻微疏松、中度疏松、中度疏松和轻微疏松的结果，而是进一步结合定性信息给出更准确的评价，即密实、中等疏松伴有局部空洞、中等疏松伴有局部空洞、重度疏松伴有局部空洞、重度疏松伴有局部空洞和轻微疏松(具体参见下面的实例)。
本发明提供的技术方案，可以随钻获取各项钻进参数、钻孔的图像信息及密实度实测值，并根据相应量参数信息和图像信息对地层病害进行评价，其探测速度快、成本低、精度高、应用范围广，不受地层种类限制，较软较硬地层均可实施，可以在20-30分钟完成道路底下3-5m地层的全层位病害的随钻随测随诊。所获取的密实度为地层全层位密实度，可根据需要提取任一区间地层密实度，且可有效获取监测区域地层代表性芯样。
接下来，在一个实例中，对本发明实施例提供的地层密实度探测及病害评价方法进行举例说明：
某市主干路路面发生不均匀沉降，局部出现凹坑。通过地质雷达对道路下方情况进行定性检测，检测结果显示道路下方4-6m范围内存在异常，为验证雷达检测结果，同时快速制定应急处置方案，需提供道路下方0-6m范围内地层全层位密实度确知信息。通过本发明随钻快速定量获取道路下方0-8m范围内地层全层位密实度，得到了0-8m范围内地层细观形貌图像。基于细观形貌图像，对0-8m范围内的地层进行了层位(区间)划分，基于各层位内钻进参数值得到了各层位内的密实度数值，进一步生成密实度分区图谱，结合密实度实测值和孔内细观形貌结果，定量判定道路下方病害等级，精确获取病害埋深，最终生成道路地下病害精细检测综合图谱及定量及定性评价结果(如图1所示)。
由综合图谱可得相关信息如下：道路下方0-8m范围内地层可划分为六大类，分别是，沥青混凝土面层、水泥稳定碎石层、级配碎石层、碎石层、杂填土层、淤泥质黏土层，各层位的密实度分别为0.92、0.84、0.85、0.79、0.77、0.89，评定结果分别为密实、中等疏松伴有局部空洞、中等疏松伴有局部空洞、重度疏松伴有局部空洞、重度疏松伴有局部空洞、轻微疏松，病害具体埋深分别是：水泥稳定碎石层局部空洞0.4m，级配碎石层局部空洞1.3m，碎石层局部空洞2.5m，杂填土层局部空洞4.6m，淤泥质黏土层局部空洞6.3m。(注：图1所示综合图谱中细观形貌一栏所示各层位中白线框内为局部空洞图像)
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。