Geofyzikální metody měření v geotechnice by OKTAEDR

Ladi sl avJančovi č, Pet rDost ál , Pavl í naFr ýbová

GEOFYZI KÁLNÍ METODY MĚŘENÍ VGEOTECHNI CE

GEODRILL s.r.o. Bělohorská 2115/6 636 00 Brno

GEOFYZIKÁLNÍ METODY MĚŘENÍ V GEOTECHNICE

Autoři:

RNDr. Ladislav Jančovič Mgr. Petr Dostál Mgr. Pavlína Frýbová

Spoluautoři a garanti workshopu na VUT:

Ing. Helena Brdečková Ing. Věra Glisníková, CSc.

Vedoucí projektu:

RNDr. Jaroslav Bachratý

Ředitelka společnosti:

Ing. Markéta Hrubanová

Edice:

Mgr. Kristýna Bílá

BRNO, 2014

ISBN 978-80-214-4910-7 Projekt: OKTAEDR – partnerství a sítě stavebnictví Registrační číslo projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0012. Řešitel: VUT v Brně, FAST, Veveří 95, 602 00 Brno, tel.: 541 147 501, e-mail: oktaedr@fce.vutbr.cz

OBSAH Úvod ................................................................................................................. 6 1 Přehled používaných geofyzikálních metod ............................................ 8 2 Geoelektrické metody .............................................................................. 9 2.1 Stejnosměrné metody ...................................................................... 10 2.1.1 2.1.2 2.1.3

2.2

Odporové profilování – OP ...............................................................11 Vertikální elektrické sondování – VES ..............................................13 Multielektrodové uspořádání – VES ..................................................15

Elektromagnetické metody .............................................................. 17

2.2.1 2.2.2

Dipólové elektromagnetické profilování – DEMP ............................17 Georadar – GPR ...............................................................................18

Seismické metody .................................................................................. 21 3.1 Mělká refrakční seismika – MRS .................................................... 22 3.2 Sledování pružných vlastností hornin.............................................. 23 3.3 Metoda přímých vln......................................................................... 26 4 Ostatní geofyzikální metody .................................................................. 27 5 Kriteria aplikace metod pro geotechnické účely .................................... 31 5.1 Kriteria výběru vhodné geofyzikální metody .................................. 31 3

5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.1.7 5.1.8

5.2

Vliv základní geologické stavby na výběr metod ...............................31 Požadavek na způsob zpracování dat formou map nebo řezů ...........32 Požadavek na zjištění vybraných geotechnických parametrů ...........33 Měřené veličiny a jejich převod na geologické parametry................34 Hustota dat a hloubkový dosah, možnosti 2D a 3D zpracování ........34 Vliv měřené oblasti a možnosti potlačení šumu.................................35 Možnosti srovnání s jinými metodami geotechnického průzkumu.....36 Ekonomika a efektivita průzkumu ......................................................36

Zásady aplikace geofyzikálních metod............................................ 37

5.2.1 Legislativní podmínky........................................................................37 5.2.2 Vhodnost a přínos aplikovaných metod .............................................37 5.2.3 Akvizice a kontrola kvality dat, ověření výsledků ..............................38 5.2.4 Aplikace geofyziky jako předběžného, průběžného a následného průzkumu ..........................................................................................................38 5.2.5 Aplikace podle prostředí a možnosti měření .....................................39 5.2.6 Optimalizace nákladů geotechnického průzkumu .............................39 5.2.7 Ekologické faktory .............................................................................40 5.2.8 Bezpečnost práce ...............................................................................40

5.3

Limitující faktory aplikovatelnosti geofyzikálních metod .............. 40

5.3.1 úloha 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6

Matematický model a jeho limity, nepřímost měření, obrácená 40 Terénní faktory – dostupnost, morfologie, geometrie měření ...........41 Rušivé faktory – elektromagnetický a mechanický šum.....................41 Antropogenní vlivy ............................................................................42 Klimatické podmínky .........................................................................42 Ekonomické limity .............................................................................43

Použití geofyzikálních metod pro geotechnické účely ........................... 44 6.1 Geologicko-geotechnická charakteristika zájmového území .......... 44 6.1.1 6.1.2 6.1.3

Geologická stavba zájmového území .................................................44 Stanovení geotechnických parametrů zemin a hornin .......................45 Hydrogeologický režim v pokryvu a podloží .....................................46

6.2 Geofyzikální práce při řešení inženýrsko-geologických a geotechnických úkolů ................................................................................. 48 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4

Stabilita svahů – svahové deformace ................................................48 Průzkum tras liniových staveb ...........................................................49 Průzkum pro vodohospodářské stavby ..............................................50 Průzkum základových půd pro plošnou zástavbu ..............................51

6.3 Podzemní umělé a přirozené překážky a jejich lokalizace .............. 52 Literatura ........................................................................................................ 54

SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1.1 Příloha 1.2 Příloha 1.3 Příloha 1.4 Příloha 1.5 Příloha 1.6 Příloha 2.1 Příloha 2.2 Příloha 2.3 Příloha 2.4 Příloha 3.1 Příloha 3.2 Příloha 3.3 Příloha 3.4 Příloha 4.1 Příloha 4.2 Příloha 4.3 Příloha 4.4 Příloha 4.5 Příloha 5.1 Příloha 5.2 Příloha 5.3

Geologická stavba: Odporový řez Geologická stavba: Mapa izohyps povrchu pevného podloží Geologická stavba: 2D odporový řez Geologická stavba: Odporový a rychlostní řez Geologická stavba: Seismický rychlostní řez Geologická stavba: 3D zobrazení povrchu pevného podloží Geotechnické parametry: Sdružený seismokarotážní graf Geotechnické parametry: Rychlostní řezy mezi vrty Geotechnické parametry: Rychlostní profily podél vrtů Geotechnické parametry: Typy základových půd Hydrogeologický režim: 2D odporový řez Hydrogeologický režim: Mapa izolinií průběhu potenciálního rozdílu Hydrogeologický režim: Mapa izolinií zdánlivého měrného odporu Agresivita prostředí: Korozní průzkum – výsledky GF měření Stabilita svahů: Výsledky geofyzikálního měření Stabilita svahů: Seismický rychlostní řez Stabilita svahů: Radarový řez Stabilita svahů: Souhrnný korelační GF řez Stabilita svahů: Mapa izolinií zdánlivé vodivosti Liniové stavby: Mapa izolinií zdánlivého měrného odporu Liniové stavby: Seismický rychlostní řez Liniové stavby: Radarový řez

Příloha 5.4 Příloha 5.5 Příloha 6.1 Příloha 6.2 Příloha 6.3 Příloha 6.4 Příloha 6.5 Příloha 7.1 Příloha 7.2 Příloha 7.3 Příloha 7.4 Příloha 8.1 Příloha 8.2 Příloha 8.3 Příloha 9

Liniové stavby: Těžitelnost podle rychlosti šíření seismických vln Liniové stavby: Mapa mocnosti štěrků v [dm] Vodohospodářské stavby: Mapa izolinií zdánlivého měrného odporu Vodohospodářské stavby: 2D odporový řez Vodohospodářské stavby: Mělká refrakční seismika Vodohospodářské stavby: Mapa izolinií zdánlivého měrného odporu Vodohospodářské stavby: Radarový řez Základové půdy: Odporový a rychlostní řez Základové půdy: Odporový řez Základové půdy: Radarový řez Základové půdy: Mapa hloubky báze navážky Podzemní objekty: Rychlostní řez mezi vrty Podzemní objekty: Mapa izolinií zdánlivého měrného odporu Podzemní objekty: Radarový řez Fotodokumentace z workshopu

ZKRATKY AB DEMP DOP GPR HG IG KOP MEU MN MRS NT OP SOP SP VES VDV VP WOP

rozteč proudových elektrod (odporové metody) dipólové elektromagnetické profilování dipólové odporové profilování metoda georadaru hydrogeologický inženýrsko-geologický kombinované odporové profilování multielektrodové uspořádání měřící (potenční) elektrody (odporové metody) mělká refrakční seismika metoda nabitého tělesa odporové profilování symetrické odporové profilování metoda spontánní polarizace vertikální elektrické sondování metoda velmi dlouhých vln metoda vyzvané polarizace Wernerovo odporové profilování

Fakulta stavební Vysokého učení technického v Brně zahájila 1. 6. 2012 řešení projektu „OKTAEDR – partnerství a sítě stavebnictví“. Projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky a je zaměřen na tvorbu a udržování partnerské sítě. Tato síť bude vzájemně propojovat Fakultu stavební Vysokého učení technického v Brně, významná výzkumná a vývojová pracoviště, partnery z oblasti podnikatelského sektoru i oborová sdružení. Cílem sítě je umožnit rozšíření vzájemné spolupráce, vytvoření nových podmínek pro přenos teoretických i praktických znalostí a zkušeností mezi výzkumem a stavební praxí. Partnery projektu „OKTAEDR – partnerství a sítě stavebnictví“ jsou:       

MOTRAN Research, s. r. o., Českomoravský cement, a.s., Centrum dopravního výzkumu, v. v. i., OHL ŽS, a.s., Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, ESOX, spol. s r.o., Svaz vodního hospodářství ČR.

Registrační číslo projektu: Název projektu: Realizace: Řešitel:

CZ.1.07/2.4.00/31.0012 OKTAEDR – partnerství a sítě stavebnictví 1. 6. 2012 – 31. 5. 2014 Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební

ÚVOD Tato publikace je součástí semináře „Geofyzikální metody měření v geotechnice“, pořádané Ústavem geotechniky FAST VUT v Brně v rámci projektu „OKTAEDR – partnerství a sítě stavebnictví“. Cílem publikace je poskytnout základní a obecné informace o používaných geofyzikálních metodách a jejich možném praktickém použití v geotechnice. Nejedná se o učebnici pro geofyziky, ale publikace by měla sloužit jako stručný průvodce pro zájemce, kteří by v budoucnu mohli ve své průzkumné činnosti využívat výsledky geofyzikálního měření. V závěrečné části publikace jsou v přílohách uvedeny ukázky praktických aplikací vybraných geofyzikálních metod používaných v geotechnice. Obrázky použité v přílohách pocházejí ze zpráv z let 1982 až 2014, uložených v archivech bývalé Geofyziky a.s. Brno, firmy GF Instruments, s.r.o. a GEODRILL s.r.o.

1 PŘEHLED POUŽÍVANÝCH GEOFYZIKÁLNÍCH METOD Užitá geofyzika se zabývá fyzikálními poli zemského tělesa. Pomocí geofyzikálních metod sleduje fyzikální pole a příslušné fyzikální parametry, které umožňují blíže charakterizovat fyzikální stav horninového masivu. Podle sledovaného fyzikálního parametru a charakteru pole se geofyzikální metody dělí na [6]:

Geofyzikální metody - měření fyzikálních parametrů horninového prostředí Gravimetrické

Měření tíhového pole a interpretace rozložení hustot geologického prostředí z tíhových anomálií

Magnetometrické Sledování geomagnetického pole Země, měří se velikost totálního vektoru a jeho prostorové a časové variace Geoelektrické

Sledování různých elektrických umělých a přirozených polí, popis prostředí na základě elektrických a elektromagnetických vlastností

Seismické

Zkoumání šíření uměle vyvolaných elastických vln, generované pomocí kladiva, padostroje, explozí, ...

Radiometrické

Měření přirozené radioaktivity (úhrnné aktivity a spektrometrie)

Geotermické

Vyšetřování teplotního pole Země

Měření ve vrtech (karotáž)

Fyzikální vlastnosti podél vrtného profilu a v blízkém okolí

pro IG (geotechnický) průzkum metody vhodné a často používané pro IG (geotechnický) průzkum metody částečně vhodné (speciální aplikace)

2 GEOELEKTRICKÉ METODY Geoelektrické metody jsou hojně používané v inženýrské geologii. Patří sem velký počet dílčích metod s řadou modifikací, které umožňují řešit široký okruh geologických problémů. Elektrické [9]: -

vlastnosti hornin jsou určeny třemi základními parametry [6], ρ - elektrickým měrným odporem (rezistivitou) ε - permitivitou (dielektrickou konstantou) η - polarizovatelností (elektrochemickou aktivitou)

Sledované pole může být stejnosměrné nebo střídavé, přirozené nebo umělé s použitím zdroje.

Geoelektrické metody

Stejnosměrné

Elektromagnetické

Elektrochemické

nejrozšířenější metody Odporové

OP VES MEU OP VES MEU DEMP VDV GPR SP VP ()

DEMP (VDV)

(SP) (VP)

GPR

odporové profilování vertikální elektrické sondování multielektrodové uspořádání (dvojrozměrné zobrazení) dipólové elektromagnetické profilování metoda velmi dlouhých vln (pasivní metoda, využívá navigační vysílače, které v současné době vysílají omezeně) georadar (specifická elektromagnetická metoda) spontánní polarizace (měření přirozeného stejnosměrného elektr. pole, které vzniká samostatně) vyzvaná polarizace (vyhledávání objektů, které se mohou polarizovat uměle vyvolanými proudovými impulzy) metody v IG průzkumu méně používané

2.1 Stejnosměrné metody Zkoumají rozložení elektrického potenciálu, nebo gradientu potenciálu stejnosměrného proudu [6], [9]. Metoda odporová – je nejrozšířenější stejnosměrná metoda. Základním sledovaným parametrem je měrný odpor ρ [Ωm]. Měrný odpor hornin závisí na řadě faktorů. Mezi nejdůležitější patří mineralogické složení, pórovitost, nasycení vodou, koncentrace roztoků zaplňujících póry, struktura a textura horniny a míra zvětrání. Při měření elektrického pole se pomocí elektrod zajistí galvanické spojení se zemí. Odporové metody používají umělá elektrická pole, která vznikají zavedením stejnosměrného proudu „I“ do země pomocí proudových elektrod (označují se písmeny A, B). Potenciál „∆U“ se měří pomocí uzemněných potenčních (měřících) elektrod M, N. Využitím modifikovaného Ohmova zákona je určen zdánlivý měrný odpor: ρz = k. ∆U/I, kde “k“ je veličina závislá na geometrii rozložení elektrod. Zdánlivý měrný odpor odpovídá celkovému odporovému stavu prostředí do určité hloubky a je ovlivněn skutečnými měrnými odpory všech vrstev v daném hloubkovém intervalu. zdroj

miliampérmetr milivoltmetr

(A, B - proudové elektrody, M, N - měřící elektrody)

Obrázek č. 1

Princip odporových metod

Vzdálenosti pozice jednotlivých elektrod určují rozměry uspořádání. Změnou délky uspořádání se mění hloubkový dosah, tj. čím větší jsou rozměry uspořádání AB, tím větší je hloubkový dosah.

2.1.1

Odporové profilování – OP

Odporovým profilováním se rozumí způsob pohybu zvoleného uspořádání elektrod v přímém směru po profilu. Zpravidla se všechny elektrody pohybují po profilu současně se stejnou vzájemnou vzdáleností. Vzdálenost proudových elektrod AB se volí tak, aby bylo možné získat informace o hloubkách h = AB/4. Odporové profilování má široké využití, s ohledem na možnost vytvářet různá uspořádání elektrod (např. mapování, sledování kontaktu, vyhledávání tektonických linií). Podle rozmístění elektrod lze vytvořit různé typy uspořádání. Volba typu uspořádání se volí podle vhodnosti použití pro řešení zadaného problému. Nejčastěji používané typy odporového profilování jsou: 

Symetrické odporové profilování „SOP“ – Schlumbergerovo uspořádání elektrod A

Schlumberger

M N

AM=NB > MN



Wennerovo odporové profilování „WOP“

Wenner

AM=MN=NB



AM(NB) > MN = proudová mimo linii

Kombinované

Kombinované odporové profilování „KOP“ – podobné uspořádání jako Schlumberger. Proudový okruh se střídavě zapojuje přes elektrody A a B , při stejných potenčních elektrodách MN. Získají se současně dvě hodnoty zdánlivého měrného odporu pro jedno staničení podél profilu. A

M N



Dipólové odporové profilování „DOP“

Dipólové

AB= MN < BM

Měřeným parametrem u metody odporového profilování je zdánlivý měrný odpor ρz [Ωm] – (ohm metr) pro určitou konstantní hloubku, danou vzdáleností proudových elektrod. Získaná data se vyhodnocují formou křivek podél jednotlivých profilů. V případě většího množství paralelních profilů lze výsledky zpracovat do plošné mapy izolinií zdánlivého měrného odporu. Mapa izolinií ρz

pf 3

pf 4

ρ z [Ωm]

pf 5

Křivka ρz podél profilu

pf 2 0

30 m

pf 1 0

Obrázek č. 2

40m

Výsledky zpracování metody OP

Vertikální elektrické sondování – VES

2.1.2

Tato metoda slouží ke sledování zvrstveného prostředí, které je tvořeno horizontálními vrstvami o různých měrných odporech. Při sondování zůstává střed uspořádání elektrod na místě. Během měření se mění vzdálenost elektrod symetricky podle středu v přímé linii. Postupným zvětšováním vzdálenosti proudových elektrod dochází k růstu hloubkového dosahu. AB/2 AB/2

střed uspořádání zůstává na místě Obrázek č. 3

Princip metody VES

Podobně jako u odporového profilování (OP) lze pro sondování použít různá uspořádání elektrod. Nejčastěji se používá uspořádání elektrod Schlumberger (kap. 2.1.1.).

ρ1 ρ2 Obrázek č. 4

Hloubkový dosah v závislosti na vzdálenosti proudových elektrod

Měřené hodnoty zdánlivých měrných odporů ρz, v závislosti na délce roztažení proudových elektrod AB/2, umožní sestrojit sondážní křivku VES. Sondážní křivku VES získáme vzájemným vzdalováním elektrod v rámci měření jedné sondy na jednom stanovišti, vztažené ke středu uspořádání elektrod.

ρz 1

100

1000

(Ωm)

AB/2 10

100

Obrázek č. 5

Sondážní křivka VES

Zpravidla je měřeno několik sond VES podél linie na různých stanovištích s určitým krokem. Vzájemná vzdálenost sond VES je volena podle potřeby řešení zadaného úkolu. Řazením sond VES do linie profilu, numerickým zpracováním dat a interpretací křivek je získán hloubkový řez. Sondážní křivky VES jsou většinou interpretovány dvojím způsobem, formou izoohmického a odporového řezu. Izoohmický řez – je získán kvalitativní interpretací. Při sestrojení tohoto řezu jsou vyneseny změřené hodnoty zdánlivého měrného odporu z pod reliéf terénu v závislosti na délce roztažení AB. Hloubka je vztažena k délce roztažení proudových elektrod AB na povrchu, s hloubkovým dosahem h = AB/2 nebo AB/4. Izoohmický řez poskytuje prvotní informace o geoelektrických podmínkách a změnách zdánlivého měrného odporu v hloubkovém řezu.

VES 8

VES 7

VES 6

VES 5

VES 4

VES 3

VES 2

VES 1 1

140 120

AB/4

10 0 80 60

140

12 0

100

80 80

10 0

0 10

17.3 10

metráž (m)

Obrázek č. 6

Izoohmický řez

8 170

106

VES 8

VES 7

111

262

170

110

166

245 89 202

94 168

62 34

150 128

75 360

VES 6

4 46

26 101 33

VES 5

321

76 35

VES 4

VES 3

hloubka (m)

VES 2

VES 1

Odporový řez – je získán kvantitativní interpretací křivek VES. Výsledkem je řez s reálnými hloubkami jednotlivých geoelektrických vrstev a příslušnými hodnotami měrného odporu (). Odporový řez mnohdy odpovídá skutečnému geologickému profilu sledovaného prostředí. V případě menšího kontrastu sledovaného fyzikálního parametru a střídání méně mocných vrstev, nemusí odporové rozhraní přesně sledovat geologické rozhraní.

221

10 10

metráž (m) 20

Obrázek č. 7

2.1.3

Odporový řez

Multielektrodové uspořádání – VES

Multielektrodové uspořádání je nejnovější odporovou metodou. Běžnou aplikaci umožnil rozvoj elektroniky a počítačové techniky. Základní princip je stejný jako v případě dalších odporových metod (OP a VES). Je možné použít širokou škálu různých uspořádání elektrod. Nejčastěji se používají čtyřelektrodová uspořádání (proudové AB + potenční MN).

Zjednodušeně lze říci, že se jedná o kombinaci odporového profilování a metody VES [5]. Před vlastním měřením je podél linie uzemněn větší počet elektrod se stejnou vzájemnou vzdáleností, které jsou připojeny k mnohoelektrodovému kabelu. Řídící jednotka automaticky zapíná příslušné elektrody. Měření probíhá podle určeného algoritmu kontinuálním způsobem v linii profilu. Měřící sekvence je založena na postupném proměření jednotlivých hloubkových úrovní až do požadované hloubky. Prostor pod měřeným profilem je horizontálně i vertikálně pokryt sítí měřených hodnot. Hustota měřených bodů je přímo úměrná vzdálenosti elektrod podél linie profilu. M N

M N

M N a

B 2a

n=2 (druhá vrstva)

n=1 (první vrstva)

n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6 n=7 n=8 n=9

n=3 (třetí vrstva)

elektrody

měřené hodnoty ρz

Obrázek č. 8

Princip měření multielektrodového uspořádání

Měřeným parametrem je zdánlivý měrný odpor z [m]. Naměřená data vstupují do programu, pomocí kterého je provedena interpretace s použitím konečných prvků do odporového modelu prostředí. Výsledkem je odporový řez (hloubková rozhraní + měrné odpory Multielektrodové uspořádání poskytuje dvojrozměrné zobrazení a umožňuje sledovat horizontální i vertikální rozhraní v případě dostatečného odporového kontrastu. Někdy je tato metoda označována jako dvojrozměrná odporová tomografie (2D OT).

hloubka (m)

35 m.

0.25 1.85 3.19 4.80

6.75 20

Obrázek č. 9

124

měrný odpor [Ωm]

178

257

2D odporový řez

2.2 Elektromagnetické metody Elektromagnetické metody jsou zastoupeny širokou škálou modifikací. Dle použitého zdroje elektromagnetického pole se dělí na metody aktivní a pasivní. Aktivní metody užívají vlastní zdroje během měření. Pasivní metody využívají stávající elektromagnetické pole, např. jevy v atmosféře a ionosféře, navigační radiostanice apod. [6], [9]. 2.2.1

Dipólové elektromagnetické profilování – DEMP

Dipólové elektromagnetické profilování je aktivní bezkontaktní metoda. Pro IG průzkum se nejčastěji používá varianta, při níž se měří zdánlivá vodivost z v jednotkách milisiemens na metr [mS/m] pomocí měřiče vodivosti (indukční konduktometrie). Měření je prováděno pomocí menšího pevného dipólu tvořeného vysílací a přijímací (měřící) cívkou v různých frekvenčních a délkových variantách. Změnou frekvence a délky dipólu je měněn hloubkový dosah. Metoda je využívána pro mělčí průzkum s hloubkovým dosahem několika metrů. Princip metody - primární magnetické pole vysílacího magnetického dipólu vybudí v jednotlivých vrstvách vodivého poloprostoru vířivé proudy. Výsledné sekundární magnetické pole v přijímací cívce je pak dáno součtem příspěvků jednotlivých vrstev.

kontrolní jednotka přijímač

vysílač

Obrázek č. 10

Měřič vodivosti (bezkontaktní metoda)

Tato metoda slouží pro bezkontaktní měření zdánlivé vodivosti terénu podél linie. Výstupem jsou křivky nebo mapy izolinií zdánlivé vodivosti z, případně zdánlivého měrného odporu z (platí z = 1/z). Výsledné zpracování i použití je podobné jako v případě odporového profilování (příklady viz kap. 2.1.1). 2.2.2

Georadar – GPR

Georadar (Ground Penetrating Radar) je specifickou elektromagnetickou metodou. Rozhodující základní součástí radarového systému je anténa, která určuje kvalitu dat, rozsah rozlišení a maximální hloubku průniku (penetrace). Dipólová anténa se pohybuje po povrchu a vyzařuje energii (pulzy) do užšího kuželu. Tělo antény obsahuje dva dipólové prvky, jeden z nich vysílá signál vlastní vysoké frekvence (většinou 50 MHz – 1500 MHz) a druhý přijímá reflexe (odrazy).

anténa přijímač

vysílač

směr pohybu

povrch

Obrázek č. 11

Konfigurace antén

Důležitou podmínkou přesné interpretace je znalost hodnoty rychlosti signálu ve zkoumaném prostředí. Signál prochází tímto prostředím rychlostí, která je určena permitivitou (dielektrickou konstantou) a

vodivostí prostředí. Čím vyšší je permitivita, tím pomaleji se radarová vlna šíří prostředím a naopak. m m 0.0

dielektrická . konst. = 3

0.25

m dielektrická . konst. = 10 m 0.0

m dielektrická . konst. = 20 m 0.0

0.20

0.40

0.60

0.25 0.75

0.80

1.00

Obrázek č. 12

* všechny parametry měření stejné

změna pouze v rychlosti prostředí ( V1 > V2 > V3 ) správná hloubka vodovodu = 0.48 m

Změna interpretace hloubky cíle v závislosti na rychlosti penetrace paprsku

Radar je vhodný pro zkoumání různého materiálu s nízkou elektrickou vodivostí, např. skalní horniny, beton, písek, dřevo, asfalt atd. Vodivé prostředí způsobí značný útlum penetrace signálu. Kov, dokonce i tenká fólie, úplně odráží signál. Reflexe od něho jsou jasně viditelné, ale hledaný cíl pod ním není detekován. Podobně se chová i jemná drátěná síť (Fe armatura). poklop m m 0.0

5.0

0.25 0.50 0.75 Obrázek č. 13

Úplný odraz signálu kovovým objektem

Reflexe se vytvoří na rozhraní mezi dvěma různými materiály, kde dochází ke změně permitivity, vodivosti a ke změně rychlosti. Vyšší dielektrický kontrast mezi dvěma materiály produkuje výraznější reflexe (odrazy). Georadarové řezy poskytují informace o detailním členění prostředí. Nevýhodou je, že zkoumané prostředí nelze charakterizovat pomocí fyzikálního parametru. Interpretace významu jednotlivých reflexů se opírá zejména o tvar, velikost a průběh amplitudy, případně o změnu frekvence odrazů. V radarových řezech lze sledovat dva základní průběhy reflexů: Odraz od vrstvy – v případě měření nad souvislým vrstevnatým rozhraním během postupu anténa opakovaně přijímá reflexe od úseků tohoto rozhraní. Ty vytvoří vrstevné odrazy, které odpovídají příslušnému reflexnímu rozhraní. Odraz od objektu – když anténa křižuje objekt (potrubí, kabel, dutinu,…) ve správném úhlu, výsledný obraz vypadá jako otočené U nebo V. Tento tvar se vytvoří, když se anténa přibližuje k objektu a následně se vzdaluje pryč od něho. 0

5.0

m m 0.0

0.0 10 TIME [ns]

0.50

1.00

1.50

Odraz od objektu (potrubí ...)

Obrázek č. 14

Odraz od vrstvy

Základní reflexní projevy v metodě GPR

3 SEISMICKÉ METODY Seismické metody sledují geologické prostředí pomocí uměle vyvolaných elastických vln. Seismika v širším slova smyslu zahrnuje větší počet různých metod. Pro seismický průzkum se nejčastěji používají dvě hlavní metody: metoda odražených vln – reflexní seismika a metoda lomených vln – refrakční seismika. Pro mělký průzkum se zpravidla používá refrakční seismika, případně i metoda přímých vln [3], [6].

Seismické metody

Metoda lomených vln mělká refrakční seismika

Metoda odražených vln

Metoda přímých vln

mělká reflexní seismika seismická karotáž (méně častá v IG a geotechnice) seis. prozařování mezi vrty

Princip měření – elastické vlny jsou na zemském povrchu registrovány pomocí citlivých snímačů (geofonů) napojených na měřící aparaturu. Zdrojem vlnění mohou být výbuchy náloží trhaviny, nebo nedestruktivní zdroje – údery kladiva, vibrátor, padostroj apod. Tyto vlny se od zdroje šíří všemi směry a pronikají do hloubky. Na rozhraní se lomí, odrážejí a vracejí se k povrchu, kde jsou zaznamenány jimi vyvolané kmity. zdroj vlnění přímá vlna

geofony

povrch lomená vlna

odražená vlna

rozhraní Obrázek č. 15

Obecný princip seismického měření

3.1 Mělká refrakční seismika – MRS Metoda lomených vln je nejčastěji používanou metodou pro mělký průzkum horninového prostředí. Lomená vlna vzniká, pokud je rychlost v podloží větší než rychlost v nadloží. Tato podmínka musí platit i pro vícevrstevné prostředí. Vlna lomená (čelná) klouže podél rozhraní a vrací se od něj zpět k povrchu. MRS se měří v linii s pravidelnou vzdáleností geofonů podél roztažení. Časy příchodu seismických vln se registrují z několika zdrojů vlnění podél roztažení a v určité vzdálenosti od krajních geofonů v linii roztažení. Délka roztažení je volena podle požadovaného hloubkového dosahu (delší roztažení pro větší hloubky) [3], [6], [9]. zdroj vlnění

geofony

geofony 1

Obrázek č. 16

(24 kanálové uspořádání)

povrch

Měření podél profilu metodou MRS

Měření času průběhu vlny a charakter vlnění umožní určení hloubky, tvaru seismického rozhraní a příslušné rychlosti šíření seismické vlny. Interpretovaným fyzikálním parametrem bývá nejčastěji rychlost šíření podélných vln Vp [m/s]. Rychlost má přímou vazbu na elasticitu horninového prostředí. Rychlosti šíření seismických vln jsou obecně závislé na typu horniny, na porozitě, stupni zvětrání a rozpukání. Zvětrání, rozpukání a zvýšená porozita značně snižují hodnotu rychlosti. U pevných hornin se rychlosti pohybují v intervalu cca od 3500 m/s do 6500 m/s, podle typu horniny. Výsledky jsou zobrazeny formou hloubkových rychlostních řezů, na nichž lze sledovat spojitý průběh rozhraní a příslušné rychlosti [10].

n ad m .vý š k a (m n . m .)

220

Seismický rychlostní řez 820

670

210

790 2180

2720

2720 200 0

905

850

2850

Vp [m/s] 40 metráž (m)

nadm.výška (m n. m.)

3800

Seismický rychlostní řez

220

3400 3000 2600

210

2200

1800 200

1400

1000 0

metráž (m) 60

100

600 Vpa [m/s]

Obrázek č. 17

Hloubkové řezy mělké refrakční seismiky

3.2 Sledování pružných vlastností hornin Problematika seismického studia parametrů horninového masivu je spojena se vzájemnými vztahy geologických, geotechnických a seismických vlastností prostředí. Ke geotechnickým parametrům můžeme počítat, kromě jiných, i různé moduly pružnosti. Pro stanovení těchto hodnot z přímého terénního seismického měření je nutné určit rychlosti šíření některých typů seismických vln podélných (Vp) a vln příčných (Vs). Obě jsou vlny objemové, které se šíří celým objemem prostředí. Další možností je sledování a analýza povrchových vln [3], [4]. Objemové vlny – se šíří celým objemem prostředí. Patří sem podélné a příčné vlny, šířící se prostředím rychlostí Vp (vlna podélná) a Vs (vlna příčná) [3], [4], [9]. Podélná vlna (P) – pohyb částic prostředí se šíří ve směru šíření seismické vlny. Postupně ve směru jejího šíření vznikají zóny nahuštění a zředění, které jsou způsobeny kmitáním hmotných částic prostředí kolem své rovnovážné polohy. Podélné vlny se šíří každým hmotným prostředím. Příčná vlna (S) – částice kmitají kolmo na směr šíření vlny. Příčná vlna je vázaná pouze na tvarové (střižné) deformace. V tomto případě dochází

ke změně tvaru, tj. dochází ke vzájemnému posunování jednotlivých částic prostředí. Příčné vlny se nešíří plyny a kapalinami.

podélná vlna Obrázek č. 18

příčná vlna

Pohyb částic při šíření objemových seismických vln

Příčné (S) vlny jsou vždy pomalejší než podélné (P) vlny a také jsou více absorbovány (Vp > 1.4 Vs). Rychlost příčných vln je určena hlavně pevností ve smyku skeletu horniny. Příčná vlna prochází přes horninu s různou výplní pórů bez znatelné změny rychlosti, pokud pevná část (skelet) horniny zůstává nezměněná. Princip měření příčných vln a určení rychlosti je stejný jako v případě podélných vln (kap. 3.1). Rozdíl spočívá v technice buzení a použití speciálních geofonů, které umožní zvýraznit zápis příčné vlny. Povrchové vlny – se vyskytují za určitých podmínek ve zvrstveném prostředí, tj. při existenci rozhraní oddělujícího prostředí s rozdílnými elastickými vlastnostmi. V těchto případech mohou kromě objemových vln vznikat za jistých podmínek povrchové vlny. Povrchové vlny se šíří pouze v blízkosti rozhraní. Mezi nejvýznamnější patří Loveho a zejména Rayleighovy vlny [6], [8], [9]. Loveho vlna – může vznikat, pokud se pod tenkou vrstvou s rychlostí příčné vlny Vs1 nachází vrstva o rychlosti Vs2 a platí: Vs1 < VL < Vs2. Loveho vlna vyvolává kmitání částic prostředí v horizontální rovině ve směru kolmém na směr šíření vlny. Rayleighova vlna – ve stejnorodém (izotropním) prostředí tato vlna způsobí pohyb části povrchu v elipse, v ploše kolmé k povrchu a rovnoběžné ve směru šíření – hlavní osa elipsy je ve vertikále. Při povrchu a v malé hloubce je tento pohyb zpětný. Pohyb je v rovině a část se pohybuje proti směru hodinových ručiček, když vlna se pohybuje zleva doprava. S větší hloubkou se pohyb částic změní na směr dopředu. Vztah

mezi charakteristickou rychlostí střižné (příčné) vlny Vs a Rayleighovou vlnou Vr v elastickém prostředí je: Vr = c. Vs (kde c je funkce Poissonova čísla), tj. Vr se rovná přibližně 0.9 násobku Vs. Loveho vlny

Rayleighovy vlny rozhraní rozhraní

Vs1

Vs2

Obrázek č. 19

Pohyb částic při šíření povrchových seismických vln

V seismologii jsou Rayleighovy vlny (RW) nejdůležitějším typem povrchových vln a mohou být vyvolané např. zemětřesením, vlnami oceánu, explozí nebo dopadem závaží, kladiva. Vzhledem k vyšší rychlosti P a S vlny buzené zemětřesením, přicházejí před povrchovými vlnami. Nicméně pohyb částic povrchových vln je výraznější než u objemových vln. Takže povrchové vlny způsobují větší škody [8]. Povrchové vlny jsou široce používané pro popis materiálů, k nalezení mechanických a strukturních změn. Pro geotechnické účely lze povrchové vlny využít pro určení odpovídajících příčných modulů (smykové deformace). Jednou z možností zpracování je použití metody MASW – Multi-channel Analysis of Surface Waves. Princip MASW – vlnu charakterizují kmitočet (časová periodičnost) a vlnová délka (prostorová periodičnost). Dílčí vlnění se šíří různými fázovými rychlostmi. Existuje souvislost mezi fázovou rychlostí dílčích vln a jejich vlnovou délkou. Fázová rychlost harmonických vln (s určitými frekvencemi) závisí na jejich vlnové délce a při šíření svazku těchto vln prostorem dochází k rozptýlení (rozpadu) vln – disperzi. Spektrální analýzou se identifikují Rayleighovy vlny a určí se experimentální disperzní křivka. Disperzní křivka vyjadřuje závislost fázové rychlosti na frekvenčním spektru vln. Pomocí modelování disperzní křivky (inverzí) je určen rychlostní profil prostředí a následně některé geotechnické parametry [2]. Terénní měření je podobné jako v případě mělké refrakční seismiky. Senzory (geofony) jsou umístěny s konstantním krokem podél linie.

Všechny parametry měření jsou nastaveny na stejné hodnoty pro všechny geofony, bez ohledu na vzdálenost bodu buzení (kladivem). Bod buzení signálu se nachází na koncích roztažení. 3.3 Metoda přímých vln Registrace seismických vln u těchto metod je prováděna ve vrtech na zemském povrchu, nebo v důlních dílech (ve štolách, tunelech apod.). Pro inženýrsko-geologický a geotechnický průzkum jsou tyto metody nejčastěji používány ve dvou variantách [6], [9]. Seismická karotáž (seismokarotáž) – zjišťují se především rychlosti šíření pružných (podélných) vln a změny rychlostí v profilu vrtu. Pomocí vějíře vrtů lze sledovat napěťo-přetvárné změny v horninovém masivu, způsobené vyražením důlního díla, tj. vymezení přirozené klenby kolem důlního díla. Geofon, případně více geofonů, pomocí kterých se sleduje čas příchodu seismických vln, jsou spuštěny do vrtu. Body buzení jsou na povrchu. Seismické prozařování (seismická tomografie) – běžně je používáno prozařování mezi vrty, případně mezi důlními díly a zemským povrchem. Při prozařování se pro výpočet rychlosti pracuje se vzdáleností mezi zdroji vlnění v jednom vrtu a přijímači (geofony) umístěnými ve druhém vrtu a časy příchodů vln. Touto metodou se nejčastěji vyhledávají jednotlivé nehomogenity v horninovém masivu, jako dutiny, kaverny apod. zdroj

vrt

vrt povrch

vrt

Seismická karotáž

Obrázek č. 20

geofony

zdroje vlnění

povrch

Seismické prozařování mezi vrty

Princip měření v metodě přímých vln

4 OSTATNÍ GEOFYZIKÁLNÍ METODY V této kapitole jsou stručně uvedeny geofyzikální metody, které se používají převážně mimo oblast inženýrské geologie. Nicméně v některých specifických případech mohou poskytnout cenné informace i v této oblasti průzkumu. Jejich použití bývá méně časté a slouží jako doplňkové metody pro detailní sledování anomálních míst v rámci celkového inženýrsko-geologického průzkumu [6], [9]. Gravimetrie – základním principem je měření tíhového pole Země. Interpretace rozložení hustot geologického prostředí z tíhových anomálií slouží k mapování těles s odlišnou objemovou hmotností od okolí. Používá se k řešení stavby zemské kůry a geologické stavby větších oblastí (regionální mapování). Pro mělký průzkum v inženýrské geologii lze použít mikrogravimetrické měření s menší vzdáleností měřených bodů. Mikrogravimetrie umožňuje sledovat podzemní nehomogenity přirozeného a umělého původu – skryté podzemní prostory (chodby, sklepy, dutiny, krasové prostory apod.). Magnetometrie – magnetické pole Země vzniká pravděpodobně pohyby v tekutém jádru Země. Mění se v čase i prostoru. Časové změny (variace) geomagnetického pole závisí na aktivitách jádra Země, na aktivitě Slunce a na magnetických bouřích v ionosféře. Časové změny mohou být dlouhodobé, denní krátkodobé a nepravidelné (magnetické bouře). Normální geomagnetické pole vykazuje nepravidelnosti (anomálie) většího (regionálního) i lokálního rozsahu, vlivem zdrojů blízko povrchu. Tyto nepravidelnosti jsou způsobené především feromagnetickými minerály a jsou úměrné magnetické susceptibilitě hornin. Cílem magnetometrického měření je sledování těchto anomálií. Měří se absolutní, nebo relativní hodnoty totálního geomagnetického pole, případně jeho složek. Při pozemním měření magnetometry se měří absolutní hodnoty totálního vektoru T. Anomálie se určují jako rozdíl naměřených (T) a normálních (Tn) hodnot: ∆T = T – Tn. Ve střední Evropě je hodnota Tn cca 48 000 nT (nanoTesla). V průběhu zpracování je třeba terénní údaje opravit o vliv variací geomagnetického pole.

Pro mělký průzkum je často výhodnější použití měření vertikálního gradientu indukce magnetického pole, než měření magnetické indukce samotné. K vyhodnocovací jednotce se připojí nad sebou dvě sondy tak, aby mezi nimi byla pevná vzdálenost. Rozdíl obou naměřených údajů umožňuje výpočet průměrného vertikálního gradientu. Gradientové (diferenciální) měření odstraňuje vliv časových variací magnetického pole, odstraňuje vliv anomálií velkých rozměrů a lépe definuje mělčí zdroje. Magnetometrické metody jsou užívány hlavně pro regionální geologické mapování a vyhledávání rudních ložisek. V inženýrské geologii se využívají měření s hustým krokem bodů. Tato měření slouží pro mapování přípovrchových výchozů rudních žil a vyvřelých hornin, zejména bazických. Magnetometrii lze aplikovat při vyhledávání kovových objektů, např. potrubí, pohřbených železných konstrukcí apod. Metoda spontánní polarizace (SP) – se řadí do skupiny geoelektrických metod. Princip je založen na sledování elektrochemických procesů, které vznikají na styku tuhé a kapalné fáze horninového prostředí. Jsou sledována přirozená pole lokálního charakteru, která vznikají důsledkem oxidačně redukčních, filtračních a difúzně adsorpčních procesů. Měří se potenciální rozdíly mezi dvěma nepolarizovatelnými elektrodami. Metoda je nejčastěji využívána při vyhledávání ložisek rudních nerostů, při mapování hornin a také v hydrogeologii. V inženýrské geologii má uplatnění sledování elektrického pole filtračního původu, které vzniká při filtraci podzemních vod v horninách – zjišťování průsaků hrázemi, směr filtrace kapaliny a průzkum svahových deformací. Spontánní polarizace je používána také jako jedna z dílčích metod při vyhodnocení „základního korozního průzkumu – měření bludných proudů a stanovení zdánlivého měrného odporu půdy“. Parametry elektrického polev zemi jsou určovány normovaným postupem dle ČSN 03 8365 (měřením rozdílu potenciálu mezi dvěma dvojicemi nepolarizovatelných elektrod) [14]. Metoda nabitého tělesa (NT) – stejnosměrná potenciálová metoda. Tato geoelektrická metoda bývá aplikována při detailním sledování rudních těles. Pomocí měřících elektrod (MN) je měřeno rozložení potenciálu nebo gradient potenciálu na zemském povrchu, většinou v podobě

profilování. Proudovými elektrodami (AB) je zaveden do země proud, přičemž jedna elektroda je umístěna ve vrtu. Hydrogeologická varianta se užívá pro určení směru a rychlosti proudění vody. Pod hladinu podzemní vody je umístěna proudová elektroda a vak obsahující sůl. Na povrchu je opakovaně sledováno rozložení potenciálu v určitých časových intervalech. Rozpuštěná sůl vytvoří anomální zónu, která se časem pohybuje ve směru proudění podzemní vody.

Potenciálové uspořádání

Gradientové uspořádání

A Obrázek č. 21

A Princip měření metodou nabitého tělesa

Metoda odražených vln (MOV) – je seismická metoda sledující odražené vlny. Odražená vlna vzniká v případech, kdy seismické rozhraní odděluje horniny o rozdílném vlnovém odporu, tj. vlnový odpor = objemová hmotnost x rychlost. Tato metoda je používána především pro průzkum uhlovodíků (ropa, zemní plyn), případně určení mocnosti sedimentárních pánví pro strukturní a ložiskový průzkum. Technologický vývoj v poslední době umožňuje sledování odražených vln i pro průzkum malých hloubek při řešení některých úkolů v inženýrské geologii, hydrogeologii a v ložiskové geologii. Korelací odrazných ploch podél měřeného profilu jsou konstruována seismická rozhraní v podobě časových a hloubkových řezů. Zpracování a výstupy jsou v mělkém průzkumu podobné jako v případě georadaru (kap. 2.2.2). Měření ve vrtech (karotáž) – název metody napovídá, že se jedná o geofyzikální měření ve vrtech. Karotáž zahrnuje široké spektrum geofyzikálních metod, které jsou většinou odvozeny z povrchových metod nebo z ekvivalentních metod laboratorních. Výhodou je

bezprostřední styk s proměřovaným prostředím. Nevýhodou je omezený dosah, který až na výjimky v průměru nepřesahuje první decimetry. Použití karotáže je různorodé. Může být zaměřeno na stanovení fyzikálních vlastností hornin, kapalin vyplňujících póry a puklinový prostor v horninách, na sledování geometrických parametrů vrtu a vrstev (směr a sklon).

5 KRITERIA APLIKACE METOD PRO GEOTECHNICKÉ ÚČELY 5.1 Kriteria výběru vhodné geofyzikální metody 5.1.1

Vliv základní geologické stavby na výběr metod

Rekonstrukce geologické stavby na základě geofyzikálních měření neboli interpretace výsledků geofyzikálních měření, vyžaduje určité zjednodušení situace – matematický model. Řešení obrácené úlohy je však u některých metod značně náročné i v dnešních možnostech numerického zpracování. Navíc jsou měřená data ovlivněna i dalšími faktory, než pouze geologií oblasti, například morfologií terénu a rušením vnějšími vlivy. Při zpracování výsledků měření proto zpravidla vycházíme z řešení jednoduchých modelů, které odpovídají různým základním geologickým situacím. Nejjednodušším modelem je homogenní prostředí – zpravidla polokulovitý poloprostor, odpovídající měřením na povrchu rovinného terénu. Výchylky v měřených hodnotách, tzv. geofyzikální anomálie, potom odpovídají různým nehomogenitám v měřeném prostředí, jako jsou oblasti s vyšším zvodněním, výskyty plastických zemin, kontaminanty v prostředí zvodní zasolené oblasti a v neposlední řadě projevy svahových nestabilit. Pro řešení tohoto modelu jsou vhodné zejména elektromagnetické metody a také například mikrogravimetrie a geofyzikální měření ve vrtech (karotáž). Dalším jednoduchým modelem je dvouvrstevný poloprostor – geologicky mu nejlépe odpovídá skalní podloží se sedimentárním pokryvem nebo s pláštěm zvětralin (eluviem), nebo také volná hladina podzemní vody v jinak homogenním sedimentu. To jsou typická prostředí, která jsou dobře popisována geofyzikálními metodami jako VES, MRS nebo georadar, v případě velmi hlubokého uložení se aplikuje i reflexní seismika. Rozvinutím výše uvedeného modelu je vícevrstvý poloprostor, v nejjednodušším přiblížení ve formě horizontálních vrstev s konstantní mocností a tzv. laterální homogenitou, tedy stejnými fyzikálními a geotechnickými vlastnostmi v celém horizontálním průběhu vrstvy. Typickým řešeným prostředím je sled sedimentárních vrstev. Geofyzikální průzkum potom zjišťuje mocnost a stratigrafii vrstev, jejich

geologický charakter a geotechnické parametry v jejich horizontálním průběhu, dále vyklínění, prostorové rozložení (čočky, jazyky, celoplošné uložení), případně i skokové změny mocnosti nebo náhlé vymizení v důsledku tektoniky, odnosu vodními toky a podobně. Toto prostředí dobře popisují metody georadaru, refrakční i reflexní seismické metody, VES a karotáž. Dalším základním modelem je strmý nebo vertikální kontakt. Představuje typickou úlohu, vyskytující se zpravidla ve zpevněných a krystalinických horninách, jako jsou vápence, vyvřelé a metamorfované horniny. V tomto prostředí spolu sousedí různé typy hornin. Specifikem tohoto modelu je dvojí kontakt, zpravidla ve formě tenké vodivé desky nebo silné nevodivé desky, v geologické stavbě se vyskytující jako vodivá žíla, tektonická porucha (zlom) doprovázená zónou zvětrání, vložka cizorodých hornin, ale také například zóna napjatosti svahu při prevenci a mapování sesuvů. Pro řešení tohoto modelu jsou většinou aplikovány elektrické odporové a elektromagnetické metody. Používá se také gravimetrie, v leteckém průzkumu radiometrické a magnetometrické metody. Výše uvedené modely zpravidla dobře postačují pro interpretaci geologické stavby a geotechnické situace zkoumané lokality. Je zřejmé, že geologická stavba měřené lokality je zpravidla kombinací více uvedených modelů. Výběr vhodných geofyzikálních metod, způsob jejich aplikace a zpracování je tedy velmi důležitý. V komplikovaných podmínkách je také možné použít více metod. 5.1.2

Požadavek na způsob zpracování dat formou map nebo řezů

S řešením geotechnické situace zkoumané oblasti úzce souvisí požadavek zadavatele průzkumu, v jakém rozložení požaduje potřebná data získat. V předchozích kapitolách bylo řečeno, že některé metody poskytují křivky měřených parametrů – profilové odporové metody a karotáž. Jiné metody poskytují interpretované geologické řezy – metoda VES, MEU, seismické metody a georadar. Další metody jsou vhodné pro konstrukci map rozložení zájmových parametrů v ploše, jako například konduktivity nebo magnetické susceptibility – plošná magnetometrie, dipólová profilování, radiometrické a gravimetrické metody. Je samozřejmé, že vyšší hustota dat, zpracovaná do řezu, mapy nebo i 3D modelu, vede k detailnější znalosti prostředí. Je však na zadavateli, aby stanovil, jakou formu grafického výstupu, jakou hustotu získaných dat a jaké

geotechnické informace požaduje. Je třeba také stanovit požadovaný hloubkový dosah. Zhotovitel průzkumu potom navrhne optimální metodiku geofyzikálních prací a vhodně uzpůsobí geometrii měření. 5.1.3

Požadavek na zjištění vybraných geotechnických parametrů

Dalším zásadním kritériem výběru vhodné geofyzikální metody, případně kombinace více metod, je problematika získání potřebných geotechnických parametrů pomocí geofyzikálního měření. Jak vyplývá z předešlých kapitol, geofyzikální měření je neinvazivní, tedy nepřímá metoda průzkumu. Navíc zpravidla nelze měřit přímo geotechnické parametry zemin a hornin, ale lze je zjistit výpočtem pomocí měření některých fyzikálních veličin. Je tedy třeba počítat s tím, že geofyzikální průzkum v geotechnice slouží zpravidla pro následující účely:  lze jej většinou použít i tam, kde není, např. z hlediska přístupu nebo vzniklých škod, možné aplikovat jiné metody průzkumu  je třeba rychle a relativně levně získat přehled o geologické nebo geotechnické situaci oblasti, zejména pro optimalizaci následného sondážního průzkumu  je vhodný pro projektování a situování invazivních průzkumných metod, jako jsou vrtné práce, kopané sondy a sběr vzorků z oblastí, vykazujících nebezpečné anomality a nehomogenity, nebo v místech, kde jsou dosavadní geologické znalosti nedostatečné  pro doplnění, zahuštění nebo extrapolaci již získaných geotechnických údajů v místech, která nebyla zkoumána, nebo kde nebylo možné, případně efektivní, potřebné údaje v dostatečné kvalitě dat získat Údaje z geofyzikálních měření umožňují sledovat tvar, hloubku, mocnosti a geologický charakter vrstev, jejich plošný tvar, lze vysledovat cizorodá tělesa a cizorodé látky v prostředí zemin a hornin, zjistit tektonické porušení, mechanický stav, zvodnění, zpevnění sedimentů. U skalních hornin je možné mapovat hloubky a reliéf podloží, stupeň a hloubku zvětrání, tektonické poruchy, zkrasovění, kolektory proudění podzemní vody. Z geotechnických parametrů a mechanických vlastností zemin lze zjistit zrnitostní parametry, plasticitu jílovitých zemin, zatřídění zemin a skalních hornin a také stanovit třídy rozpojitelnosti. Je možné mapovat svahové nestability, sledovat vývoj a tvar smykových ploch sesuvů a mapovat i svahové nestability, které se dosud makroskopicky nijak neprojevují. Geofyzikální měření umožňuje měřit i mapovat bludné proudy a stanovit agresivitu prostředí vůči konstrukcím, uloženým

v zemi. V základových půdách jsou mapovatelné nehomogenity, které mohou vést k porušení staveb, jako jsou dutiny, navážky, skládky a prosedavé zeminy. 5.1.4

Měřené veličiny a jejich převod na geologické parametry

V této části se budeme věnovat vlastnímu převodu měřených fyzikálních veličin na mechanické vlastnosti zemin, případně hornin. Problémem je, že v podstatě není možné exaktně převést měřenou fyzikální veličinu na jeden konkrétní geotechnický parametr. Níže je stručně uvedeno, jakým způsobem je možné převést výsledky některých geofyzikálních metod na základní mechanické vlastnosti zemin a hornin:  rezistivita neboli měrný odpor (metoda VES a další stejnosměrné odporové metody) – přehledná zrnitostní analýza a zatřídění zemin, zvodnění, obsah solí, původ, zpevnění (a někdy i stáří) sedimentu; porušení, rozpukání, navětrání až zvětrání skalních hornin  konduktivita neboli měrná vodivost (elektromagnetické metody) – kontaminace, zasolení, zvodnění, jemnozrnné a plastické zeminy, hrubozrnné zeminy říčních koryt a ledovcových morén, poruchy, zvětralé a tektonické zóny, zóny nestability, směry šíření podzemní vody a obsažených polutantů  rychlost šíření elastických vln, případně odraz (seismické metody) – zpevněné a nezpevněné zeminy a horniny včetně přehledného zatřídění, zvětrání, zkrasovění, zvodnění, třída rozpojitelnosti, laterální a hloubková nehomogenita, hloubka zvětrání, poruchy  rychlost šíření elektromagnetických vln a jejich odraz (elektromagnetické metody a georadar) – sedimentární a krystalické horniny, cizorodé struktury, antropogenní objekty včetně dutin, poruchy, zlomy, hloubka vody, vlhkost a zvodnění  permitivita, permeabilita, gravitace, obsah radioaktivních prvků – další parametry, většinou formou detekce anomalit a nehomogenit v prostředí zemin a hornin, mapování poruch, nestabilit, detekce dutin, kovů, navážek, poruch a dalších negativních geotechnických jevů 5.1.5

Hustota dat a hloubkový dosah, možnosti 2D a 3D zpracování

Vhodnost aplikace konkrétní geofyzikální metody nebo kombinace více metod se dále odvozuje od požadavku zadavatele získat potřebná

geotechnická data v určitém prostorovém rozložení. Přesné geotechnické údaje dodá vrtný průzkum, spojený s odběrem vzorků a laboratorními rozbory. Ten však nemusí vždy odhalit nebezpečí, která mohou se založením stavby souviset jak v místě, tak v jejím bezprostředním okolí. Geofyzikální průzkum může tyto nehomogenity včas odhalit a ověření a vzorkování potom může být cíleno efektivně a ekonomicky. Hloubkový dosah geofyzikálních metod se již v základní aplikaci uvedených metod pohybuje v rozsahu od několika metrů po desítky metrů – lze tedy říci, že postačuje pro většinu staveb. Výjimkou jsou podzemní stavby, jako energetická centra přečerpávacích elektráren nebo tunelové trasy, ale například metody VES, VDV i seismické metody jsou schopny dosáhnout hloubek i přes sto metrů. Podle rozsahu stavby se pak odvíjí požadavek na způsob prezentace výsledků geofyzikálního průzkumu, tedy na formát grafických výstupů. Je evidentní, že pro liniové stavby budou preferovány spíše výstupy formou řezů, zatímco u plošně rozsáhlých, ale mělce založených staveb se ve větší míře uplatní plošné přehledové mapy rozložení sledovaných parametrů a jejich interpretace – zjištění tvaru různých protažených a izometrických struktur a linií poruch. 5.1.6

Vliv měřené oblasti a možnosti potlačení šumu

Geofyzikální metodiku lze aplikovat jak v místech, která nejsou technikou dostupná, tak i na místech, kde pro hrozící škody není možné provést invazivní průzkum. Pro aplikaci většiny geofyzikálních metod postačuje pouze průchozí, případně po úpravách průchozí terén. Některé geofyzikální metody, jako georadar a některé elektromagnetické metody lze úspěšně aplikovat i na vodních plochách. U některých metod, jako odporové profilové, VES, MRS a seismika, je však nutné dodržet požadavek na určitou délku položení měřicího systému, bez něhož není možné dodržet požadovaný hloubkový dosah nebo požadovanou geometrii měření. Samostatným a velmi významným negativním faktorem je rušení. To se týká zejména aplikace geofyzikálních metod v zastavěných a průmyslových oblastech, podél silnic a železnic a podél tras produktovodů a vzdušných silnoproudých vedení. Dnešní měřící aparatury a numerické metody zpracování dokážou do značné míry tyto negativní vlivy eliminovat, případně lze měření časově posunout mimo špičky zátěže, ale v případě projektování geofyzikálních prací

v exponovaných lokalitách je nutné vhodnost a přínos konkrétní metody předem pečlivě posoudit. 5.1.7

Možnosti srovnání geotechnického průzkumu

s jinými

metodami

Získaná data z geofyzikálního měření mohou geotechnické znalosti o zkoumané lokalitě vhodně rozšířit (interpolací a extrapolací již zjištěných geotechnických údajů), doplnit (získáním nových poznatků o geologické a geotechnické situaci), nebo také mohou sloužit jako podklad pro projektování a optimalizaci následného vrtného průzkumu. Zde je třeba upozornit na některá tvrzení, s nimiž je možné se setkat. Na jedné straně nelze tvrdit, že pouze geofyzikální průzkum je schopný zcela nahradit vrtné a laboratorní práce. K tomuto účelu jsou geofyzikální metody příliš obecné a přehledové a nemohou poskytnout přesné, laboratorně stanovené hodnoty a parametry. Na straně druhé má geofyzikální průzkum vedle invazivních metod svůj nezastupitelný význam. Geofyzikální průzkum je kontinuální, relativně levný, rychlý a je také značně efektivní, z hlediska získání celkového přehledu, optimálního situování vrtů a možnosti ověření výsledků. Pro doplnění a porovnání geotechnických parametrů, jako jsou zrnitostní analýza, plasticita, únosnost, rozpojitelnost, slouží zejména typicky profilové metody, jako georadar, VES a seismické metody. Pro zjištění plošného rozšíření zájmových nebo naopak cizorodých zemin, pro zjištění poruch, kolektorů podzemní vody a její případné kontaminace slouží elektromagnetické metody, případně odporová a dipólová profilování. Pro zjištění agresivity vůči konstrukcím se užívá normovaného stanovení hustoty bludných proudů. 5.1.8

Ekonomika a efektivita průzkumu

Z praxe je jasně patrné, že jedním z požadavků na geotechnický průzkum je dosažení co největší hustoty a kvality informací o zkoumané oblasti za současné minimalizace nutných nákladů. Ukazuje se, že kombinace vrtných, laboratorních a geofyzikálních prací může zabezpečit kontinuitu, větší hustotu a hodnotu získaných geotechnických dat, při stejných nebo nižších nákladech, než vyžaduje aplikace pouze invazivního průzkumu. Aplikace vhodných a metodicky dobře nastavených geofyzikálních měření přináší velmi rychle a efektivně celkový přehled o detailní geologické stavbě a základních geotechnických parametrech zkoumané lokality.

Výběr vhodné metodiky geofyzikálního průzkumu jednak snižuje potřebné náklady na realizaci průzkumu, jednak při stejných nákladech přináší větší množství potřebných dat a podrobnější popis geologické a geotechnické situace na lokalitě. Například, jedna sonda VES, realizovaná do hloubky dosahu v řádu desítek metrů, má zhruba stejné náklady, jako jeden běžný metr nevystrojeného vrtu.

5.2 Zásady aplikace geofyzikálních metod 5.2.1

Legislativní podmínky

Geofyzikální průzkum je, stejně jako inženýrsko-geologický a hydrogeologický průzkum, z hlediska platné legislativy geologickými pracemi ve smyslu zákona ČNR č. 62/1988 Sb. o geologických pracích, ve znění pozdějších předpisů [19]. Geofyzikální práce smí dle § 3 odst. 1 stejného zákona projektovat, provádět a vyhodnocovat organizace, které mají zapsán příslušný předmět podnikání „geologické práce“ a práce u nich řídí a za jejich výkon odpovídá fyzická osoba – odpovědný řešitel – s osvědčením odborné způsobilosti v geofyzice, dle § 2 odst. 2h vyhlášky MŽP ČR č. 206/2001 Sb., o osvědčení odborné způsobilosti projektovat, provádět a vyhodnocovat geologické práce [20]. Odpovědný řešitel opatřuje projekty, dílčí a závěrečné zprávy geologických prací vlastnoručním podpisem a otiskem kulatého razítka. Z hlediska rozsahu prací dle § 3 odst. 6 vyhlášky č. 206/2001 Sb., o projektování, provádění a vyhodnocování geologických prací členíme geofyzikální práce na etapu regionálního, základního a podrobného průzkumu [20]. V geotechnice se geofyzikální průzkum zpravidla aplikuje jako podrobný. 5.2.2

Vhodnost a přínos aplikovaných metod

Hlavní zásadou aplikace geofyzikálních metod je požadavek na přínos požadovaných informací, které jsou nutné pro správné vyhodnocení geotechnické situace na zkoumané lokalitě. Pro odpovědného řešitele z toho plyne nutnost posoudit, která geofyzikální metoda je nejvhodnější pro řešení konkrétní dané problematiky. Při projektování geofyzikálního průzkumu je tedy nutné předem znát požadavky zadavatele na získání potřebných údajů o geologickém

prostředí a mechanických parametrech prostředí, včetně požadované hustoty dat, jejich plošného rozsahu a hloubky. Zpracovatel potom navrhne geofyzikální práce tak, aby mohlo být požadovaných parametrů efektivně dosaženo, a to v potřebné kvantitě i kvalitě dat. Je také důležité, zda má být geofyzikální průzkum proveden v rámci předběžného geotechnického průzkumu a jeho výsledky budou teprve ověřeny geotechnickými pracemi, nebo bude prováděn průběžně s inženýrskogeologickým a hydrogeologickým průzkumem, kdy geofyzikální práce interpolují, extrapolují a průběžně doplňují výsledky geotechniky, nebo jako podrobný, kdy se ověřují předchozí výsledky geotechnických prací a posudků. 5.2.3

Akvizice a kontrola kvality dat, ověření výsledků

Každá metoda má určitou primární přesnost a citlivost, danou jejím fyzikálním principem, možnostmi měření v terénu, dodržením metodiky a geometrie měření a kvalitou a možnostmi měřicích prvků a zejména měřicí aparatury. Akvizice dat se v terénu musí dít s maximální dosažitelnou přesností – chybná primární data lze opravit pouze novým měřením, tedy za cenu zdržení a navýšení provozních nákladů. Měřič geofyzikální skupiny musí neustále sledovat kvalitu rozmístění měřicích senzorů (tj. geometrii měření) a funkčnost celého měřicího systému. Měřená data kontroluje průběžně a posuzuje, zda jsou správná, případně je ověřuje kontrolním výpočtem a opakováním určitého procenta měření. Při zpracování souboru změřených dat a při následné interpretaci si hodnotitel geofyzikálních prací obstará všechny dostupné informace o měřené lokalitě, včetně průběžných výsledků paralelně probíhajících průzkumných prací. 5.2.4

Aplikace geofyziky při orientačním podrobném a doplňkovém inženýrsko-geologickém průzkumu

Ve fázi, kdy je geofyzikální průzkum realizován jako součást orientačního inženýrsko-geologického průzkumu, se zpravidla vyžaduje větší komplexnost přehledově získávaných parametrů, většinou ve větším hloubkovém dosahu a nižší hustotě akvizice dat, tedy v řidším kroku, nebo v případě plošných měření v řidší síti měřicích bodů. Výsledky geofyzikálních prací poté slouží k optimalizaci následných inženýrskogeologických a hydrogeologických prací a přesnému cílení geotechnických prací do rizikových oblastí a struktur.

V případě, že je geofyzikální průzkum realizován jako součást podrobného inženýrsko-geologického průzkumu, slouží zpravidla k dosažení kontinuity nebo větší hustoty pořizovaných geotechnických parametrů a je směřován k vyšší detailnosti průzkumných prací. V této fázi je také možné výsledky průzkumu konzultovat a vzájemně porovnávat, ověřovat a doplňovat. Hloubkový dosah bývá obvykle zvolen dle hloubky sond, měření zpravidla doplňuje informace o prostoru mezi vrtanými sondami nebo pod nimi. Geofyzikální průzkum jako součást doplňkového inženýrskogeologického průzkumu je zpravidla realizován za účelem ověření a doplnění již získaných výsledků, případně k ověření nehomogenit a struktur, které byly zjištěny v rámci předchozích etap průzkumu. Slouží také k interpolaci zjištěných údajů, tedy k zahuštění získaných geotechnických dat, případně k extrapolaci výsledků inženýrskogeologických a hydrogeologických prací. 5.2.5

Aplikace podle prostředí a možnosti měření

Projektant geofyzikálních prací musí posoudit, zda metoda, která se teoreticky jeví pro získání potřebných geotechnických parametrů jako ideální, je v daném geologickém prostředí a terénních podmínkách realizovatelná. Příkladem může být metoda georadaru, která vyžaduje dobrý kontakt s podkladem – proto ji lze velmi dobře aplikovat na zpevněných plochách, včetně ploch z asfaltu nebo prostého betonu. V takovém prostředí je naopak problematické měření metodou VES, která vyžaduje kvalitní elektrický kontakt s podložím pomocí zapíchnutých elektrod. Některé metody lze aplikovat i v těžce přístupném terénu, kdy není třeba měřit úplné profily a nezáleží na pravidelnosti kroku měření. Metoda VES, MEU i seismické metody však vyžadují možnost vedení alespoň úsekovitých přímých linií za účelem dodržení přímkové geometrie měřicího systému elektrod nebo seismických snímačů. 5.2.6

Optimalizace nákladů geotechnického průzkumu

Geofyzikální metody musí být nejen přínosem z hlediska kvality a hustoty dat, ale i přínosem ekonomickým. Zadavatel geotechnického posouzení by měl zvážit, jakým způsobem lze efektivně vynaložit finanční prostředky na průzkum, za současného optimálního zisku potřebné kvality a kvantity dat pro geotechnický posudek. Jak již bylo řečeno, geofyzikální práce nemohou nahradit exaktní hodnoty parametrů, získané laboratorním rozborem vzorků zemin a hornin z vrtných jader a

sond. Lze však zvážit, že náklady na vrt, přípravu terénu, příjezd techniky, vlastní sondážní práce, případně výstroj a likvidaci škod jsou relativně značné oproti rychlému, zpravidla pěšímu a nedestruktivnímu geofyzikálnímu průzkumu, který většinou nevyžaduje žádné zásadní úpravy terénu. 5.2.7

Ekologické faktory

Dalším faktorem pro aplikaci geofyziky jsou ekologické aspekty průzkumných prací. V posledních desítkách let stále sílí tlak na eliminaci ekologických škod, které mohou průzkumem vzniknout. Geofyzikální práce je možné realizovat v chráněných krajinných oblastech, krasových oblastech a v přírodních rezervacích, kde jsou správami těchto chráněných celků zpravidla vítány právě pro svoji nedestruktivnost a možnost pěšího provádění. Geofyzikální průzkum je dále aplikován i na chráněných vodních plochách, v lesích, parcích a na mnoha dalších lokalitách, kde je rovněž obtížné získat souhlas s prováděním invazivního průzkumu. 5.2.8

Bezpečnost práce

I přes možnost realizace geofyzikálního průzkumu i v těžce přístupném terénu, musí mít navrhovatel prací v patrnosti i možnost ohrožení majetku nebo osob, které práce v terénu realizují. Obtížný nebo nebezpečný terén, stejně tak jako prostor staveniště, mohou být rizikovými pracovišti a tento fakt je nutno při volbě vhodné metodiky průzkumu zohlednit. Součástí odporových geoelektrických metod bývají zdroje napětí až v řádu stovek voltů, přívodní vodiče a propojovací kabely mohou podléhat indukci ze vzdušných silnoproudých vedení, některé seismické metody mohou využívat jako zdroje energie výbuchy trhavin nebo expanzní zdroje. 5.3 Limitující faktory aplikovatelnosti geofyzikálních metod 5.3.1

Matematický model a jeho limity, nepřímost měření, obrácená úloha

Obrácenou úlohou nazýváme postup, kdy na základě (zpravidla) v terénu změřených hodnot fyzikálních veličin, jako je rezistivita, konduktivita nebo například rychlost šíření elastických vln, rekonstruujeme geologickou situaci. Jak jsme zmínili výše, v praxi lze úspěšně použít pouze relativně jednoduché matematické modely, simulující jednoduché geologické podmínky. Pro řešení složité geologické stavby, případně pro

mapování prostorově nepatrných nehomogenit ve velkých hloubkách, nebo při malém kontrastu normálních a anomálních hodnot, je nutné postupovat při interpretaci výsledků měření zvláště obezřetně tak, aby měření nevedla k chybným závěrům. 5.3.2

Terénní faktory – dostupnost, morfologie, geometrie měření

Možnost provedení a vyhodnocení výsledků požadovaných geofyzikálních prací někdy zásadně limitují vlastní podmínky měření v exteriéru, tedy ve volném terénu nebo na staveništi. Přesnost měření ovlivňují i jednoduché morfologické útvary, jako jsou různé vyvýšeniny a deprese. V hůře přístupném terénu je někdy nutné opustit možnost měření v pravidelném kroku nebo síti. Při využití GPS navigace a při současných možnostech převážně numerického zpracování dat se tento faktor stává málo významným. Větší problém způsobuje nutnost dodržení požadované geometrie měření, zejména v odporových a seismických metodách, kde záleží na přesném rozložení měřicích senzorů. Například v metodě VES je třeba dodržet jak středovou symetrii uspořádání měřicích elektrod, tak přímost tohoto uspořádání, pokud možno jak v horizontálním, tak i ve vertikálním průmětu. I malé odchylky od ideálního položení vedou ke zkreslení měřených hodnot zdánlivé rezistivity. To může vést až k vytvoření fiktivních horizontů s vlastnostmi, které vůbec neodpovídají skutečnosti. Je tedy nezbytné, aby zpracovatel – interpretátor měl k dispozici veškerou primární dokumentaci, obsahující zápisy o všech negativních objektech a vlivech, které byly patrné v době a na místě měření. Zkušený interpretátor vezme tyto faktory v úvahu a dovede s nimi většinou pracovat tak, aby výsledky měření byly relevantní. 5.3.3

Rušivé faktory – elektromagnetický a mechanický šum

Při akvizici geofyzikálních dat měříme hodnotu fyzikální veličiny, přítomné na místě měření. Tato celková hodnota se skládá jak z užitečné složky, tedy hodnoty, odpovídající vlastnostem měřených zemin a hornin, tak ze složky, odpovídající hodnotě cizorodého, tedy vně přítomného fyzikálního pole. V odporových i elektromagnetických metodách se negativně projevují cizorodá pole elektrických rozvodů, vysílačů, dopravních systémů, velkých strojních zařízení a také elektromagnetická pole, indukovaná ve velkých nebo protažených kovových objektech, jako jsou například ocelová potrubí, kolejnice, armatury, výstroje vrtů a další. Seismické metody jsou limitovány otřesy, pocházejícími z dopravy a

průmyslu, ale také jsou negativně ovlivněny silným hlukem nebo i silným větrem. Elektromagnetický šum a otřesy, které jsou harmonické, lze do určité míry potlačit použitím filtrů, nebo zesílením energetického zdroje metody. Například v seismice se běžně zařazuje 50 Hz tzv. zářezový filtr, který odstraňuje nežádoucí indukci z elektrických vedení a strojů do kabeláže a geofonů. 5.3.4

Antropogenní vlivy

Geotechnické práce zpravidla probíhají v zástavbě nebo v blízkosti již zastavěných ploch nebo zdrojů rušení, někdy i přímo na staveništích. S podobnými omezeními je nutné počítat a vliv limitujících faktorů zodpovědně posoudit. Stává se, že faktory, negativně působící na geofyzikální práce, limitují i ostatní průzkum – nepřístupné oblasti pro techniku, omezená povolení vstupu a vjezdu a další. Limitem aplikace některých metod mohou být obdobné faktory, jako v případě nepřístupného terénu. Zejména jde o zástavbu a různá oplocení a obezdění pozemků. Dalším limitem jsou dopravní cesty, zejména v městské zástavbě, včetně železničních, tramvajových a trolejbusových cest. Průmyslové areály jsou obecně faktorem, který může možnost aplikace geofyziky zcela vyloučit. Obtížná prostředí pro aplikaci geofyzikálního průzkumu také představují zpevněné plochy, podzemní objekty, kolektory inženýrských sítí, skládky odpadu a některé navážky. Naopak, některé metody lze využít právě pro vyhledávání těchto, z hlediska geotechniky negativních jevů a objektů. 5.3.5

Klimatické podmínky

Tak jako u jiných metod průzkumu, extrémní nebo dlouhodobě nepříznivé podmínky mohou být pro možnost realizace geofyzikálních prací významným limitujícím faktorem. Při dlouhodobých srážkách nebo mrazech se mohou významně měnit i hodnoty měřených veličin, v důsledku zvýšení vlhkosti, nasycení vodou nebo zmrznutí. I přesto, že jsou polní aparatury do jisté míry odolné vůči dešti nebo mrazu, extrémní expozice jim nesvědčí, snižuje kapacitu a výkon baterií a v extrémních případech může dojít i k jejich poškození. Také měření odporových metod může být v dešti nebo při záplavě nebezpečné z hlediska možnosti úrazu elektrickým proudem. Stejně tak nelze z bezpečnostních důvodů provádět geoelektrické a seismické práce při blížící se bouřce. Práce mohou být pozastaveny i v lese za silného větru nebo při enormní námraze. Tyto jevy však zpravidla podobně limitují i ostatní geologické průzkumné práce.

5.3.6

Ekonomické limity

Při projektování geofyzikálních prací je nutné mít na vědomí, že výsledky prací musí být pro řešení zadané problematiky přínosem nejen z hlediska získaných parametrů, ale i přínosem ekonomickým. V obecné rovině úvah je geofyzikální průzkum relativně rychlý, levný a poskytuje široké možnosti aplikací, ale určité metody měření mohou být při nepřiměřeném očekávání značně nákladné. Stanovení kroku měření, kvantity a druhu získávaných dat, délek měřicích systémů a hloubkového dosahu by mělo odpovídat požadavkům zadavatele, stejně tak by měl být přiměřený počet realizovaných metod. Finanční prostředky na geologický průzkum bývají investory mnohdy poddimenzované a také bývají prvními náklady, které se v rámci nutných úspor redukují. V takových případech se stává, že původně navrhované geofyzikální práce jsou zcela vypuštěny, i když u některých staveb, jako jsou tunelové trasy, hluboké zářezy a stavby na svazích, je geofyzikou dosažitelná kontinuita dat a souvislost výsledků v celém prostoru stavby i v geologicky souvisejícím okolí velmi žádoucí. Řešení následných škod, vzniklých v důsledku nedostatečného vyhodnocení geotechnických rizik, bývají řádově vyšší, než náklady na odpovídající průzkum, realizovaný v potřebném rozsahu.

6 POUŽITÍ GEOFYZIKÁLNÍCH GEOTECHNICKÉ ÚČELY

METOD

PRO

Geotechnický průzkum se uplatňuje v různých stavebních oborech, nejčastěji při zakládání staveb. Základy stavebních objektů jsou v přímém kontaktu s horninovým prostředím. Důležitou částí průzkumu je sledování geologické stavby zájmového území a vlastností zemin v podzákladí. Kromě různých průzkumných prací může geofyzikální měření poskytnout cenné informace při řešení inženýrsko-geologického a geotechnického průzkumu [6], [7], [9], [11]. 6.1 Geologicko-geotechnická charakteristika zájmového území 6.1.1

Geologická stavba zájmového území

Pro sledování geologické stavby při povrchovém geofyzikálním měření se nejčastěji používají geoelektrické a seismické metody. Základní průzkum lze provádět dvojím způsobem: plošné vymezení horninového prostředí (plošný průzkum) a zjištění hloubkových poměrů (hloubkový průzkum) (přílohy 1.1 – 1.6). 

Plošný průzkum – nejčastěji se měří na několika paralelních profilech. Tento způsob měření umožní zobrazit plošnou mapu sledovaného fyzikálního parametru (mapu izolinií) a vyčlenit různé typy hornin pro zvolenou konstantní hloubkovou úroveň. Používají se metody odporového profilování (OP), dipólového elektro-magnetického profilování (DEMP) a případně magnetometrie (např. mapování bazických hornin). Rozsah a druh použitých metod závisí na parametrech, které chceme průzkumem zjistit, geologických poměrech staveniště a požadované hloubce. Plošným měřením lze rychle a efektivně proměřit větší území. Pomocí map izolinií získáme prvotní informace o stavbě zájmového území, např. vyčlenění litologicky podobných celků, mapování kontaktů, vodivých a tektonických zón.



Hloubkový průzkum – na základě výsledků map izolinií je možné lépe situovat profily metod pro zjištění hloubkových poměrů. Jedná se zejména o geoelektrické metody – vertikální elektrické sondování (VES), multielektrodové uspořádání (MEU) a mělkou refrakční seismiku (MRS), případně o mělkou reflexní

seismiku. Tyto metody umožní již plošně zmapované struktury podrobněji sledovat v hloubkových řezech, např. sledování povrchu pevného skalního podkladu, hloubku zvětrání, poruchová pásma nebo vertikální rozhraní mezi horninami. Výběr vhodné metody je možné měnit v závislosti na řešení zadaného úkolu a také na sledovaném fyzikálním parametru. 6.1.2

Stanovení a hornin

geotechnických

parametrů

zemin

Pro zjišťování fyzikálně mechanických vlastností se používají seismika, odporové metody a měření ve vrtech (karotáž). 

Objemová hmotnost, pórovitost, jílovitost a filtrační vlastnosti – pro stanovení těchto parametrů je dominantní metodou karotážní měření.



Stejnorodost a puklinatost – sleduje se pomocí seismokarotáže (měření ve vrtech) a seismického prozařování mezi vrty (přílohy 2.1 – 2.2).



Napjatostně-přetvárné změny – využití seismického prozařování mezi vrty a seismokarotáže prováděné pomocí vějířů vrtů pro vymezení přirozené klenby (příloha 2.3).



Anizotropie – v některých případech se horninové prostředí projevuje v různém směru jinou hodnotou fyzikálního parametru. Anizotropii vykazuje většina sedimentárních vrstev a poruchová pásma. Pro měření se využívá metoda VES a refrakční seismika s paprsčitým uspořádáním roztažení.



Geotechnické parametry (moduly pružnosti) – prostředí z hlediska elastických vlastností charakterizují různé moduly pružnosti. Ke sledování se používají povrchové seismické metody. Elastické konstanty jsou závislé obdobně jako rychlost na litologii.

Při standardním postupu je hlavním cílem určení rychlostí objemových vln Vp a Vs. Spolu se znalostí objemové hmotnosti prostředí (např. pomocí karotáže) je možný výpočet některých dynamických elastických modulů [3], [4], [6], [9]: 2

ρ(3Vp - 4Vs ) Ed =

Vp / Vs - 1

σd =

Vp - 2Vs 2

2(Vp - Vs )

(Ed … Youngův modul v tahu, σd … Poissonovo číslo, ρ … objemová hmotnost)

Novější způsob určení geotechnických parametrů umožňuje metoda MASW (Multi-channel Analysis of Surface Waves). Tato seismická metoda využívá vlastnosti a šíření povrchových vln [2]. Program automaticky sestaví experimentální disperzní křivku. Po zadání některých definičních parametrů (počet vrstev, Poissonovo číslo apod.) je provedena inverze disperzní křivky, automaticky je určen rychlostní profil a následující parametry: Ed … Ee … Go … Mo …

Youngův modul [kPa] Edometrický modul [kPa] Modul střihové deformace [kPa] Modul objemové stlačitelnosti [kPa]

Dalším parametrem je určení hodnoty rychlosti smykových vln VS,30. Na základě tohoto parametru jsou určeny typy základových půd, podle ČSN EN 1998-1 [12] (příloha 2.4). 6.1.3

Hydrogeologický režim v pokryvu a podloží

Pomocí geofyzikálního měření není možné přímo zjistit přítomnost zvodně, která je vázaná na určitou geologickou strukturu. Pomocí fyzikálních vlastností prostředí lze však nepřímo usuzovat na pravděpodobnou přítomnost zvodnělého kolektoru. Mezi základní hydrogeologické struktury patří sedimentární vrstva a poruchové zóny v krystalinických horninách. 

Sedimentární vrstva – odporovými metodami VES, MEU a MRS je možné sledovat rozsah, uložení propustných vrstev, litologické členění a hloubku nepropustného podloží. Z těchto nepřímých údajů se mapují místa, kde je nejpravděpodobnější přítomnost vody.

Za určitých podmínek lze povrch hladiny podzemní vody sledovat v kombinaci metod VES a MRS. 

Tektonika a poruchové zóny – ve vyvřelých a metamorfovaných horninách bývá kumulace podzemní vody a jejich pohyb vázaný na porušené zóny, pukliny a na zvětralé části hornin. Převážně se jedná o vertikální struktury a pro jejich sledování je vhodné použít odporové profilování (OP). Pro doplnění hloubkových poměrů v okolí zjištěných struktur se používají odporové metody VES, MEU a MRS. Poruchy se vůči okolí projevují anomálně a většinou zde dochází ke snížení hodnot měrného odporu a rychlosti šíření seismických vln (příloha 3.1).



Hydrogeologické poměry v pokryvu a detailnější sledování charakteristiky zvodně se provádí zejména pomocí karotážních metod. Dobré uplatnění v této oblasti mělčího průzkumu mají i povrchové metody – OP, VES a MEU. Dále elektromagnetická metoda DEMP a MRS. Pro sledování pohybu vody lze použít elektrochemickou metodu SP (spontánní polarizaci) která mapuje změny potenciálu filtračního původu. Pomocí hydrogeologické varianty metody nabitého tělesa je možné sledovat směr a rychlost proudění podzemní vody (přílohy 3.2 – 3.3).



Agresivita prostředí – v rámci korozního průzkumu se provádí geofyzikální měření za účelem stanovení agresivity prostředí, intenzity a směru bludných proudů. Metodika měření a vyhodnocení byla stanovena podle požadavků Technických podmínek Ministerstva dopravy a spojů TP 124 [18] a souvisejících norem ČSN 03 8372 [15], ČSN 03 8375 [16], ČSN 03 8365 [14] a ČSN 03 8363 [13]. Používají se geoelektrické metody: - VES v uspořádání Werner pro vyhodnocení zdánlivých měrných odporů půdy, - SP pro výpočet intenzity a směru bludných proudů. Zjištění těchto parametrů je důležité pro plánování ochrany zejména kovových konstrukcí (příloha 3.4).

6.2 Geofyzikální práce při řešení inženýrsko-geologických a geotechnických úkolů 6.2.1

Stabilita svahů – svahové deformace

Inženýrsko-geologický průzkum se zaměřuje především na vlastní těleso svahové deformace, příčiny vzniku a mechanismus pohybu. K průzkumu stability svahů je využíván komplex geofyzikálních povrchových metod a v případě přítomnosti vrtů i karotážní měření. Pomocí geofyziky lze řešit několik úkolů při průzkumu stability svahů. Geoelektrické metody a mělká refrakční seismika tvoří základ průzkumných metod (přílohy 4.1 – 4.5). 

Plošné vymezení – vhodné jsou profilové metody odporové (SOP), DEMP a seismické profilování. Tyto metody mohou poskytnout důležité informace pro sledování oblasti za odlučnou hranou, tj. ovlivnění svahu sesuvem. V důsledku předchozího pohybu ve svahu dochází k napjatostněpřetvárným procesům, které mají vliv na vývoj dalšího porušení svahu. Vznikají zde tahové oblasti (rozevřené pukliny). Trhliny pod odlučnou hranou jsou vyplněné drceným materiálem a jsou často zvodněné. V okolí této oblasti se sledované fyzikální parametry projevují nevyrovnaným průběhem. Zejména v případě zdánlivého měrného odporu dochází k rychlému střídání minimálních a maximálních hodnot ρz.



Prostorové a hloubkové vymezení – používají se odporové metody VES, MEU a mělká refrakční seismika. Dle způsobu pohybu a rychlosti jsou svahové pohyby děleny na několik skupin. Nejčastějším pohybem je sesuv. Pohyb je vázaný na smykovou plochu zpravidla válcovitého tvaru. Kluzné plochy většinou sledují povrch mocnějších soudržných hornin (jíly). V nadloží se nachází málo kompaktní vrstva, charakterizovaná nízkými hodnotami rychlostí. Mocnost této vrstvy lze úspěšně vyčlenit pomocí mělké refrakční seismiky. Odporové metody mohou poskytnout další údaje o rozmanitosti a vrstevnatosti prostředí.



Sledování smykové zóny – povrchovými identifikace smykové plochy problematická.

metodami

Smykové plochy se projevují výraznou změnou vůči okolí, ale jsou zpravidla málo mocné. Pomocí VES, MEU a MRS lze pouze nepřímo usuzovat na jejich průběh a vymezit deformovanou část svahu od pevného podloží. Dobré výsledky poskytuje georadarové měření, které umožní přímo sledovat jejich průběh. V okolí smykových ploch dochází k výrazným změnám fyzikálních vlastností prostředí. Tento kontrast se v radarových řezech projeví jako výrazné reflexní rozhraní. 6.2.2

Průzkum tras liniových staveb

Mezi liniové stavby patří zejména dálnice, silnice, železnice, případně produktovody, a jejich rekonstrukce. Úkolem průzkumu v trase staveb je sledovat geologické, hydrogeologické poměry a geotechnické vlastnosti hornin. Pro geofyzikální průzkum jsou používány geoelektrické metody (profilování i sondování), DEMP, GPR a MRS (přílohy 5.1 – 5.5). Komplex geofyzikálních metod se používá zejména pro:     

sledování základových poměrů v trase stavby a pro dopravní objekty (mosty) posouzení stability svahu v místech zářezů a výkopů stanovení rozpojitelnosti a těžitelnosti hornin, zde má hlavní zastoupení mělká refrakční seismika, rychlost šíření seismických vln má přímou vazbu na elasticitu prostředí sledování hydrogeologických poměrů, případně posouzení změn, které mohou nastat vlivem stavby korozní průzkum pro stanovení agresivity prostředí pro potrubní vedení (metoda SP a VES)

Před plánováním stavby se provádí průzkum regionálního charakteru. V problematických místech je průzkum doplněn detailním sledováním blízkého okolí stavby pomocí komplexu výše uvedených metod.

6.2.3

Průzkum pro vodohospodářské stavby

Při řešení úkolů v této oblasti se opět uplatňují standardní geofyzikální metody – OP, VES, MEU, DEMP a MRS. Způsob aplikace geofyzikálních metod a jejich rozsah závisí na náročnosti, územním rozsahu a typu plánované stavby (přílohy 6.1 – 6.5). 

Přehrady a přečerpávací vodní elektrárny – patří mezi rozsáhlé náročné vodohospodářské stavby. Kromě samotného přehradního profilu je průzkum prováděn v okolí elektrárny a v trase přivaděčů. Průzkum je zaměřen na získání informací o horninovém prostředí (horninových typech), úložných poměrech, diskontinuitách, propustnosti, geotechnických vlastnostech, hloubce zvětrání. V místech zavázání hráze je důležité i posouzení stability svahu. Geofyzikální průzkum je realizován na větších plochách a do větších hloubek.



Menší přehrady a hráze – geofyzikální průzkum je zaměřený hlavně na sledování průběhu poruchových zón, určení mocnosti pokryvu a zóny zvětrávání. Průzkum bývá zaměřen na menší hloubky a používají se různé varianty odporových metod, DEMP a mělká refrakční seismika.



Kontrola průsaků – častým úkolem geofyzikálního měření bývá i sledování možných průsaků vody v oslabených místech tělesa hráze, případně určení směru a rychlosti proudění vody. K řešení tohoto úkolu jsou vhodné – metoda spontánní polarizace (SP) a hydrogeologická varianta nabitého tělesa. Pro jednoduché mapování zvodnělých poloh lze v některých případech použít i metodu DEMP.



Protipovodňové hráze – geofyzikální metody se používají i při sledování homogenity a propustnosti ochranných protipovodňových hrází kolem řek. Pro tento mělký průzkum jsou vhodné odporové metody a DEMP.



Liniové stavby – mezi vodohospodářské objekty je možné zařadit vodovody, kanalizace a přivaděče vody. Metodika geofyzikálního měření je podobná jako v případě liniových staveb. V případě přivaděče hloubeného ražbou ve větších hloubkách se již uplatňují i některé metody hornické geofyziky.

6.2.4

Průzkum základových půd pro plošnou zástavbu

Sledování základových poměrů je zaměřeno na detailní, většinou mělký průzkum. Menší hloubkový požadavek umožňuje využít širokou škálu geofyzikálních metod. Základními povrchovými metodami jsou opět různé varianty odporových metod (OP, VES, MEU) a mělká refrakční seismika. Dobré výsledky přináší metoda DEMP a v mnoha případech i georadar. Další skupina je zastoupena metodami pro speciální a detailní průzkum zájmové plochy – metoda SP, metoda nabitého tělesa, magnetometrie, mikrogravimetrie, seismokarotáž, seismické prozařování mezi vrty a různé varianty karotáže v mělkých vrtech. Bohatá nabídka geofyzikálních metod umožňuje řešení různých požadavků v této oblasti průzkumu:           

mapování horninových typů – OP, DEMP, magnetometrie homogenita prostředí – OP, DEMP, VES, MEU, seismokarotáž prozařování mezi vrty, karotáž anizotropie prostředí – paprsčité měření VES, MRS povrch pevného podloží – VES, MEU, MRS, georadar hloubka zóny zvětrávání – VES, MEU, MRS zóny porušení – OP, DEMP, georadar rozpojitelnost hornin – MRS geotechnické parametry – MRS (příčné vlny), MASW (povrchové vlny), karotáž směr a rychlost proudění vody – SP, metoda nabitého tělesa agresivita půdy – SP, VES porušení svahu – OP, DEMP, VES, MEU, MRS, georadar

Příklady použití geofyzikálních metod při průzkumu základových poměrů jsou uvedeny v přílohách 7.1 – 7.4.

6.3 Podzemní umělé a přirozené překážky a jejich lokalizace Tato problematika je úzce spojena s průzkumem základových půd. Přítomnost různých podzemních objektů může ohrozit plošnou zástavbu. Nejčastějším cílem geofyzikálního průzkumu bývá vyhledání dutin různého původu (kaverny, sklepy, kanály, potrubí, pohřbené nádrže apod.) (přílohy 8.1 – 8.3). Důležitým faktorem možnosti lokalizace je hloubka uložení, velikost objektu, charakter materiálu objektu a kontrast fyzikálního parametru vůči okolí. Použití vhodné povrchové geofyzikální metody je limitováno rozlišovací schopností, hloubkovým dosahem použité metody a dostatečným kontrastem sledovaného fyzikálního parametru. 

Kovové objekty (vodivé) – potrubí a různé kovové konstrukce se projevují výraznými anomáliemi. Hlavní metodou je magnetometrie v gradientové variantě. Při vhodných podmínkách dobré výsledky poskytují hustá plošná měření pomocí metod DEMP a OP. Vhodné je použití georadaru, kdy kovové předměty způsobí totální odraz radarového signálu. V případě menších hloubek je možná i přímá lokalizace objektu pomocí detektoru kovů. Pomocí magnetometrie a detektoru kovů se provádí i průzkum nevybuchlé munice (pyrotechnický průzkum).



Nevodivé liniové objekty – detekce plastového potrubí je obtížná. Za určitých podmínek je možná lokalizace pomocí georadaru. Reflexe jsou slabé a úspěšnost záleží na fyzikálních vlastnostech okolního prostředí. Obdobná je situace i při lokalizaci dalších liniových nevodivých objektů menšího průměru.



Umělé a přírodní dutiny – jedná se zejména o krasové dutiny, kaverny vzniklé poddolováním, sklepy, kanalizace apod. Opět platí, že lokalizace těchto předmětů je možná za vhodných podmínek. Detekovatelnost závisí zejména na poměru hloubky a rozměru objektu, kontrastu sledovaných fyzikálních parametrů a výplni dutin. Výplň dutin značnou měrou ovlivňuje celkový projev hledaných objektů. Různě se projevuje např. vzduch nebo voda. Dutiny často vyplňují uloženiny s podobnými fyzikálními vlastnostmi jako okolní prostředí. Možnost lokalizace zvyšuje obezdívka objektu, např. betonová, cihlová či kamenná.

Dutiny jsou dobře mapovatelné pomocí mikrogravimetrie, kdy dochází k úbytku nebo zředění materiálu vůči okolí. Nejvýrazněji se projevuje prázdná dutina (vzduch). Podzemní dutiny lze dále vyhledávat pomocí odporových metod (OP, MEU), metody DEMP a georadaru. V případě přítomných vrtů dobré výsledky poskytuje metoda seismického prozařování mezi vrty. Lokalizace podzemních objektů bývá problematická. V některých případech je, i za očekávaných příhodných podmínek prostředí, projev těchto objektů nejednoznačný a jejich lokalizace pomocí geofyziky obtížná.

LITERATURA [1]

DAVIS, A. M.: A Technique for the Insitu Measurement of Shear Wave Velocity, ABEM Printed Matter No. 90180, Sweden, 1978.

[2]

GeoStru Software. Easy MASW. [CD]. Italy: GeoStru S.R.L. – Socio Unico, 2012. [citováno 14.4.2014]

[3]

GURVIČ, I. I.: Seismorazvedka, Moskva, Nedra, 1975.

[4]

JANČOVIČ, L.: Řešení problémů malé seismiky pro potřeby IG – sledování šíření příčných vln, Brno: Geofyzika PFTR, 1997.

[5]

LOKE, M. H.: 2D and 3D electrical imaging surveys, Tutorial, 2004.

[6]

MAREŠ, S. et al.: Úvod do užité geofyziky, Praha: SNTL, 1979.

[7]

MAREŠ, S. et al.: Geofyzikální metody a inženýrské geologii, Praha: SNTL, 1983.

[8]

MATTHEWS, M. C., HOPE, V. S., CLAYTON, C. R. I.: The use of surface waves in the determination of ground stiffness profiles, Proc. Instn Civ. Engrs Geotech. Engng., 1996.

[9]

MÜLLER, K., OKÁL, M., HOFRICHTEROVÁ, L.: Základy hornické geofyziky, Praha: SNTL, 1985.

v hydrogeologii

[10] PALMER, D.: Advancing Shallow Refraction Seismology with the GRM & the RCS, Sydney, 2005. [11] ZÁRUBA, Q., MENCL, V.: Inženýrská geologie, Praha: Academia, 1974. POUŽITÉ NORMY [12] ČSN EN 1998-1. Eurokód 8: Navrhování konstrukcí odolných proti zemětřesení – Část 1: Obecná pravidla, seizmická zatížení a pravidla pro pozemní stavby. Praha: Český normalizační institut, 2006. [13] ČSN 03 8363. Zásady měření při protikorozní ochraně kovových zařízení uložených v zemi. Měření zdánlivého měrného odporu půdy Wennerovou metodou. Praha: Český normalizační institut, 1979. [14] ČSN 03 8365. Zásady měření při protikorozní ochraně kovových zařízení uložených v zemi. Stanovení přítomnosti bludných proudů v zemi. Praha: Český normalizační institut, 1988.

[15] ČSN 03 8372. Zásady ochrany proti korozi neliniových zařízení uložených v zemi nebo ve vodě. Praha: Český normalizační institut, 1977. [16] ČSN 03 8375. Ochrana kovových potrubí uložených v půdě nebo ve vodě proti korozi. Praha: Český normalizační institut, 1987. [17] ČSN 73 6133. Návrh a provádění zemního tělesa pozemních komunikací. Praha: Český normalizační institut, 2010. [18] Technické podmínky TP 124. Základní ochranná opatření proti omezení vlivu bludných proudů na mostní objekty a ostatní betonové konstrukce pozemních komunikací. Praha: Ministerstvo dopravy, Odbor infrastruktury, 2008. [19] 62/1988 Sb., Zákon České národní rady o geologických pracích, ve znění účinném k 19.4.2012. [www.fulsoft.cz] [20] 206/2001 Sb., Vyhláška Ministerstva životního prostředí o osvědčení odborné způsobilosti projektovat, provádět a vyhodnocovat geologické práce, 2001. [www.fulsoft.cz]

Pøíloha 1.1 Geologická stavba Ovìøení inženýrsko-geologických a geotechnických pomìrù Pøedbìžný prùzkum - sledování povrchu skalního podloží a mocnosti sedimentárního pokryvu Metoda: vertikální elektrické sondování

31 125

194

280

278

276

274

VES_27

VES_26

VES_25

43 74

65 32 121

276

44 274

272

270

185

221

270

185 214

268

183 266

170

266 264

264

metráž (m)

Legenda: Mìøený bod

Mìrný odpor [Ùm]

ves1

nadm. výška (m n. m.)

278

VES_24

280

VES_23

VES_22

Odporový øez

126

12 128

pokryv, navážka Povrch Odporové rozhraní

jíl hlína písek, štìrk skalní podloží granodiorit (zvìtralý)

Pøíloha 1.2 Geologická stavba Plošné urèení povrchu pevného podloží (jílovec) Metoda: mìlká refrakèní seismika

Mapa izohyps povrchu pevného podloží

4 60

lokální deprese

452 hu

45 4 sk lo n

sv a

456 458

460

ží elevace podlo

46 0

460

458

462 464

0 0

nadmoøská výška 458 (m n. m.)

Elevation

10.0

14.0

jíl

32 48

18.0

jíl písèitý

ra zh ro

210

16 vé ro o p od

215

220

226 0

Model resistivity with topography Iteration 5 RMS error = 0.74

ní

26.0

Resistivity in ohm.m

22.0

64 80

30.0

písek

2D odporový øez

Metoda: multielektrodové uspoøádání

34.0

112

126 m.

38.0

Unit Electrode Spacing = 1.00 m.

Hloubkový prùzkum geologické stavby sedimentárního komplexu vv v Detail kontaktu témer homogenního jílu a pestrého píscitého souvrství

Pøíloha 1.3 Geologická stavba

nadm. výška (m n. m.)

220

230

240

250

260

190

380 60

314

pokryv 42

316

430

hlinito-kamenitá 318 su 90 320

160

314

Legenda:

rychlostní rozhraní rychlost Vp [m/s]

2600 +

odporové rozhraní mìrný odpor [Ùm]

metráž (m)

povrch

mìøený bod VES povrch

100

190 1150 160 1400 210 eluvium 240 110 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 2500 + + + + + + + 3200 + + 2700 + + + +2900 + + + + 550 + + + + 3500 + + + + + 2600 + + + + + + + + + + + + + + + + + + 850 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +podloží + + + +- granodiorit + + + + + + + +3000 + + + + + + + + + + + + + + + + èásteènì + + + + +zvìtralý + + + + + + + + porucha + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

310

312

Odporový a rychlostní øez

Metody: vertikální elektrické sondování, mìlká refrakèní seismika

Urèení mocnosti pokryvu, hloubky navetrání, sledování oslabených míst a povrch a stav pevného podloží

Geologické pomìry v nadloží železnièního tunelu pøed plánovanou rekonstrukcí

220

230

240

250

260

Pøíloha 1.4 Geologická stavba

Úroveò dna tunelu

3500

2500

puklina

1500

0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 30

pevný vápenec

2000

hloubka (m)

zvìtralá zóna

50 metráž (m)

2600

2500 3000 3000

2800

1800

2400

2200

2000

1600

1400

1200

1000

800

Rychlost [m/s]

porucha

Seismický rychlostní øez

pevný vápenec

3000

1500

Metoda: mìlká refrakèní seismika

3500

2000

Sledování hloubky zvìtrání, puklin a poruchových zón

Pøíloha 1.5 Geologická stavba

4200

4000

3800

3600

3400

3200

Pøíloha 1.6 Geologická stavba

Mapování prùbìhu povrchu vápence Metoda: vertikální elektrické sondování 3D zobrazení sestrojené z interpretovaných hloubek

o ìná k n l p y v

munální m

od pa de m

es e

3D zobrazení povrchu pevného podloží

0 0

m 40

po vrch vápence

-10.0

-5.0

0.0

hloubka (m)

1.2

1.0

vstø

vysoká nehomogenita prostøedí

vpap

Graf pomìru paprskové a støední rychlosti

+ + + + + + + + + + + + +

+ + + + +

1.4

N H

Vvrst (m/s)

2000

450 830

graf vrstevních rychlostí

1650

rychlostní anomálie 3300

520.12 m n. m.

1000

Sdružený seismokarotážní graf J2 Eluvium Rula-zvìtralá

0.0

hloubka (m)

1.6

Metoda: seismokarotážní mìøení ve vrtu

-15.0

-10.0

-5.0

10.0

podélná vertikální hodochrona

5.0

Sledování homogenity prostøedí v okolí podpìry silnièního mostu

t (ms)

Pøíloha 2.1 Geotechnické parametry

Pøíloha 2.2 Geotechnické parametry Kontrola homogenity injektáže v podzákladí podpìry železnièního mostu Opakované mìøení pøed a po injektáži Metoda: seismické prozaøování mezi vrty Rychlostní øezy mezi vrty

Situace mìøení podpìra vrt registraèní vrt zdrojový Morava

vrt 1 40 0

1200 10 0 0

120 0

800

14 00

00 10

90 0

11 0

700

Body odpalu

1 60

1 Registraèní body

vrt

Registraèní body na povrchu 500

5 0 110

Mìøení pøed injektáží

6 11.9 m 0

0 Registraèní body na povrchu

1000

PODPÌRA

9 00

2 3

PODZÁKLADÍ

5 6 0

5 6

Mìøení po injektáži

600

1000 1200 800 Rychlost [m/s]

11.9 m

1400

Body odpalu

1100

70 0

Registraèní body

12 0 0

500

Pøíloha 2.3 Geotechnické parametry Sledování napì o-pøetvárných zmìn v tunelu metra Metoda: seismokarotáž ve vìjíøi vrtù (hloubka vrtù = 6 m, prùmìr = 40 mm)

Rychlostní profily podél vrtù

vrt 2 6m

Rozvolnìná hornina-kaverna

Zóna koncentrovaných napìtí

m/ s 00 18

0 80

1900 m/s

s m/

1500 m/s

m/ s

vrt 3

vrt 1

0 20

0m 0m 0m

TUNEL

Zóna snížených napìtí

Typy základových pùd dle ÈSN EN 1998-1 [12]

Pøíloha 2.4 Geotechnické parametry

52.4

39.4

24.0

12.4

1.25

0.0

Depth

100

121

Inverse Model Resistivity Section

146

100.0

214

Resistivity in ohm.m

177

porucha

150.0

259

250.0

314

380

Unit electrode spacing 5.00 m.

podloží- èásteènì rozpukané

200.0

pokryv + svrchní zvìtralá èást podloží až eluvium

pevné podloží

50.0

Iteration 3 RMS error = 3.4 %

doporuèené místo pro jímací HG vrt

2D odporový øez

Metoda: multielektrodové uspoøádání

Cílem prùzkumu bylo najít vhodné místo pro lokalizaci hydrogeologického vrtu

Mapování tektoniky a poruchových zón ve skalním podloží budované rulou

Pøíloha 3.1 Hydrogeologický režim

Pøíloha 3.2 Hydrogeologický režim Sledování pohybu vody Cílem prùzkumu bylo lokalizovat místa prùsaku vody tìlesem hráze Metoda: metoda spontánní polarizace (filtraèní potenciál)

Mapa izolinií prùbìhu potenciálního rozdílu

+45

+3 5

25 5

+25

+15

-5

-1 5

10 5

(mV

-5

-25

hlavní

)

smìr prùsaku 5

vedlejší

15 20 25 30

VODNÍ NÁDRŽ

Pøíloha 3.3 Hydrogeologický režim

Sledování režimu vody ve svahu Metoda: DEMP v plošné variantì

Mapa izolinií zdánlivého mìrného odporu

zvýšené nasycení vodou

30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5

malé nasycení

trasa odtoku po svahu

ñz [Ùm] podmáèená pata svahu

0 80

100

110

120 m

ñ z1 [Ù.m] Jp1 [A/m-2] Jp [A/m-2] úhel â [°]

Let - 1

zvýšená zvýšená

Agresivita prostøedí na ocel

Hustota a smìr bludných proudù v zemi S-J V-Z -4 -4 E p1 = -2,286.10 V/m E p2 = +1,115.10 V/m 55,93 43,26 32,13 70,72 54,28 32,95 81,49 41,70 -6 -6 -6 -6 -6 -6 -6 -6 -6,937.10 -5,480.10 -4,211.10 -2,800.10 +3,471.10 +2,578.10 +1,994.10 +1,577.10 7,76.10 -6 6,06.10-6 4,66.10-6 3,22.10-6 základní ochranná opatøení stupeò è. 3 153°

Stanovištì

Zdánlivé mìrné odpory pùdy [Ù.m] Stupeò ñ z1 ñ z2 ñ z3 ñ z4 agresivity smìr (a1 = 1.59 m) (a2 = 3 m) (a 3 = 5 m) (a4 = 10 m) S-J 32,95 III 81,49 41,70 54,28 Let - 1 32,13 70,72 55,93 III 43,26 V-Z

Korozní prùzkum - výsledky geofyzikálního mìøení

Metody: vertikální elektrické sondování (uspøádání Wenner) metoda spontánní polarizace (použité nepolarizovatelné elektrody)

Stanovení agresivity prostøedí, hustoty a smìru bludných proudù

Pøíloha 3.4 Agresivita prostredí v

Pøíloha 4.1 Stabilita svahù Øešení stability svahu pod silnicí I/50 Metody: vertikální elektrické sondování mìlká refrakèní seismika DEMP Výsledky geofyzikálního mìøení

Køivka zdánlivého mìrného odporu

ñz [Ùm] 25

dílèí odluèná hrana

20 suchá sesutá vrstva

zvýšená vlhkost

15 10

10 5

Model resistivity with topography Iteration 3 Abs. error = 3.2

2D odporový øez

470 5.0

Elevation

21.0 465

37.0 53.0

aktivní sesuv

460

starší sesuv

455 450 5.6

8.5

6.9

10.6

13.1

16.2

20.0

Resistivity in ohm.m

24.8 Unit Electrode Spacing = 2.00 m.

Seismický rychlostní øez nadm.výška (m n. m.)

470

Vp [m/s]

325 440

465

300

770

250

rozvolnìná zóna

460

1050

1200

455

315

1100

2050

870

podloží - jílovec 2150

450

40 metráž (m)

nadm.výška (m n. m.)

320

322

324

326

328

v v

1930 [ m/s ]

v v v

350 [ m/s ] v

jíl

metráž (m)

290 [ m/s ]

báze rozvolnìné zóny hlína jíl

330

S-2 30

390 [ m/s ]

2250 [ m/s ]

hlína

Seismický rychlostní øez

Metoda: mìlká refrakèní seismika

Urèení mocnosti rozvolnìné vrstvy ve svahu

jíl

Pøíloha 4.2 Stabilita svahù

220

n 200 s

T I 160 M E 180

T 20 W O 40 W 60 A Y 80 T R 100 A V 120 E L 140

povrch vodivého horizontu

asfal+ konstukce vozovky

Radarový øez

max. hloubka potenciálního sesuvu

Metoda: georadar

Sledování smykové zóny ve svahu potenciálního sesuvu

50 m

207

208

209

210

211

212

213

214

215

216

217

218

219

Pøíloha 4.3 Stabilita svahù

Elev. (m) v = 0.100 m/ns

nadm.výška (m n. m.)

2 1

210

215

220

rychlostní rozhraní

30 met ráž (m)

odporová rozhraní

báze rozvolnìné zóny a smyková plocha

Hpí

Na H Pí

prostor terénních úprav (IG sítì - radar) J2

lokální nehomogenity (radar)

Pí J

Pí

Jpí

Pí

Souhrnný korelaèní geofyzikální øez

Prùzkum stability svahu - poèáteèní fáze deformace (trhliny) Na základì geofyziky byly situovány prùzkumné vrty Metody: vertikální elektrické sondování mìlká refrakèní seismika georadar

215

povrch 210 vodivého horizontu (radar)

220

Pøíloha 4.4 Stabilita svahù

Pøíloha 4.5 Stabilita svahù Plošné sledování odluèných hran sesuvu Metoda: DEMP (konduktometrie) Mapa izolinií zdánlivé vodivosti HRANA SKLÁDKY m

CESTA

60 46

STUDNA 40

46 46

CESTA

J-1Š

J-2Š 20

53 52,5 52 51,5 51 50,5 50 49,5 49 48,5 48 47,5 47 46,5 46 45,5 45 44,5 44 43,5 43 conductivity [mS/m]

J-3Š

0 0

Legenda: výchozy smykových ploch výchozy pøedpokládané èelo - oblast akumulace vývìr vody na povrch

J-1Š

prùzkumné vrty

40 m

Pøíloha 5.1 Liniové stavby Mapování základových pomìrù v prostoru rychlostní silnice Metoda: DEMP v plošné variantì Mapa izolinií zdánlivého mìrného odporu

700

bývalá pískovna 680

písek 660

640

smíšený odpad -pøevážnì hlinitý

620

600

580

560

skládka org. a chem. odpadu

540

520

500 0

100

10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 90 100 150 180

Zdánlivý mìrný odpor [Ùm]

nadm.výška (m n. m.)

190

195

200

205

10.550

1730

10.600

k po 805

220 v ry

ce rni -o

300

930 860

10.650

1860

nekompaktní souvrství (písek, štìrk)

880

320

300

1360

950

300

1860

1350

10.750

1710

jíl až písèitý jíl

920

10.700

350

270

Pí

Jpí

810

10.800

800

230

10.850

10.900

Píh

H Špí

10.950

Vp [m/s]

niveleta povrchu silnice

11.000

1650

520

pok320 ryv - orn310 ice 580

1750

PJ104 Q

310

690

270

1710

730

260

pevnìjší podloží (jíl)

1850

1240

230

metráž (km)

Or Šjh

PJ101

Seismický rychlostní øez

Metoda: mìlká refrakèní seismika

Sledování mechanických vlastností prostøedí v místech záøezu trasy rychlostní silnice

190

195

200

205

Pøíloha 5.2 Liniové stavby

dutina

Beton

Radarový øez

Skalní klenba

Obklad

Metoda: georadar

dutina

Mapování oslabených míst za obezdívkou tramvajového tunelu

Pøíloha 5.3 Liniové stavby

Pøíloha 5.4 Liniové stavby

Stanovení tìžitelnosti hornin na základì rychlosti šíøení seismických podélných vln Metoda: mìlká refrakèní seismika

Tìžitelnost podle rychlosti šíøení seismických vln geomechanický stav kvartér, hornina zcela zvìtralá nebo tektonicky porušená hornina mírnì zvìtralá nebo tektonicky porušená hornina slabì zvìtralá nebo tektonicky porušená

rychlost šíøení seismických vln vp [m.s-1]

zatøídìní dle tìžitelnost dle ÈSN 73 6133 ÈSN 73 6133

300 - 1200

R5 - R6

1200 - 1800

1800 - 2400

mírnì zvìtralý

2000 - 2500

hornina navìtralá - zdravá

>2400

III

40 100

150

100

40 250

45 45

50 300

350

400

450

35 500

40 550

STARÁ KORYTA ØEKY

VYTYÈENÁ HRANICE

200

150

200

250

300

Mapa mocnosti štìrkù v [dm]

Metoda: vertikální elektrické sondování mocnost urèená ze síte bodù VES

Mapování ložiska štìrkù pro násyp D47 Vražné

600 m

62 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28

Pøíloha 5.5 Liniové stavby

MOCNOST [dm]

Pøíloha 6.1 Vodohospodáøské stavby Vyèlenìní kvazihomogenních celkù v profilu plánované hráze Metoda: DEMP v plošné variantì Mapa izolinií zdánlivého mìrného odporu 150

140

Elevace podloží - droby, bøidlice 130

120

250 235

Svahové sedimenty 110

Poto k

220 205

100

Nivní sedimenty - hlína, písek, štìrk

190 175

Nivní sedimenty - zvýšená vlhkost

160 145

130 115 100

Písèito-hlinitý až hlinito-písèitý sediment

85 70

55 40

25 10

Sprašová hlína

Zdánlivý mìrný odpor [Ùm] 20

Pøevážnì jemnozrnný jílovitý sediment

0 0

Elevation

hladina vody

490

500

510

520

530

540

550

560

570

580

zvýšená vlhkost

hlinito-balvanitý násyp

100

Model resistivity with topography Iteration 4 RMS error =6.4

159

252

635

160

192

224

1008

1600

2540

Unit Electrode Spacing = 2.00 m.

skalní podklad (pískovec+vložky jílovitých bøidlic)

Resistivity in ohm.m

400

porucha

128

pískovcová su (provzdušnìlá)

2D odporový øez

Metoda: multielektrodové uspoøádání

Posouzení stability svahu poblíž místa zavázání pøehradní hráze Prùzkum levé vzdušné strany hráze

Pøíloha 6.2 Vodohospodáøské stavby

Pøíloha 6.3 Vodohospodáøské stavby

Mapování oslabených míst podél stìny štoly brnìnského oblastního vodovodu Metoda: mìlká refrakèní seismika mìøená podél stìny štoly

rychlost (m/s)

4000

Graf rychlosti

3000

2000

2000 1000

1000 10300

10700

10500 metráž (m)

10400

10600

Intenzita porušení hornin

Hornina: pevná slabì porušená

silnì porušená velmi silnì porušená

Pøíloha 6.4 Vodohospodáøské stavby Kontrola prùsakù v prostoru tìlesa hráze rybníka Metoda: DEMP v plošné variantì Mapa izolinií zdánlivého mìrného odporu 20

5 10

Liniová anomálie - kovové potrubí

15 50

rybník

v s ta Ce 60

) ì rk (š t

Prostorová anomálie - zvýšená vlhkost

e rá z ìh r un ko

Smìr prùsaku

80 90

0 10

Projev konstrukce betonového žlabu (bezpeènostní pøeliv)

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Zdánlivý mìrný odpor [Ùm]

TIME [ns]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

HRÁZ

VODNÍ NÁDRŽ DÍVÈÍ HRAD

100

pùvodní dno

povrch sedimentu

hladina vody

DISTANCE [METER]

Radarový øez

Metoda: georadar

200

Urèení hloubky a mocnosti sedimentù na dnì rybníka

280

Pøíloha 6.5 Vodohospodáøské stavby

DEPTH [METER] at v=0,047 [m/ns]

nadm.výška (m n. m.)

210

220

230

240

DP5

ves 15

odporové rozhraní mìrný odpor [Ùm]

17 210

jíl

hlína

210

D 7 HTÚ = 225.55 m

2930

rychlostní rozhraní rychlost Vp [m/s]

60 50 metráž (m)

344

410 42

460

D 6 HTÚ = 228.85 m

štìrk 187

410

ves 16 69

DP13

408 2930

jíl 24 48

ves 19 penetraèní sonda

báze základù plánovaných budov

D 5 HTÚ = 231.05 m

400

skalní podloží slepenec

DP5

410

430

Odporový a rychlostní øez DP12

Metody: vertikální elektrické sondování, mìlká refrakèní seismika, dyn. penetrace

Sledování reliéfu povrchu skalního podloží a charakteru nadložních sedimentù pøed plánovanou výstavbou komplexu obytných budov

100

Pøíloha 7.1 Základové pùdy

hloubka (m)

-15

-10

-5

2 0

ves16

993

ves17

773

133 79 245 80 30

ves20

metráž (m)

100

2337

75 208 54 135

ves21 120

2603

hlína jílovitá

47 354 42 hlína navážka 178

192 318 32 621

vápenec 2214

838

127 28 154 32

ves18

TKOhrubozrnný ves19

Odporový øez

140

915

25 175 27

310

ves22

Sledování povrchu pevného podloží a charakteru základových pomìrù Prùzkum pøed plánovanou výstavbou rodinných domù Metoda: vertikální elektrické sondování

ñ [Ùm]

-15

-10

-5

2 0

Pøíloha 7.2 Základové pùdy

hloubka (m)

2.0

1.5

1.0

0.5

0 20

bývalé kolejištì

povrch betonové desky

navážka (recyklát)

Radarový øez 40

Sledování povrchu pohøbených betonových kazet pro brambory Prùzkum pøed plánovanou výstavbou haly v areálu bývalé škrobárny Metoda: georadar

opìrná zeï

50 m

Pøíloha 7.3 Základové pùdy

Pøíloha 7.4 Základové pùdy Sledování mocnosti navážky a hloubky pøirozeného dna lomu Metoda: vertikální elektrické sondování Mapa hloubky báze navážky 110

100

4 6

S-1/6

PF2

PF 3

PF6

5 PF

PF4

S-2/7

PF1

10 0

2,6

3,0

3,4

3,8

5,0 4,2 4,6 Hloubka [m]

5,4

5,8

6,2

6,6

Legenda: profil VES bod VES

S-1/6

návrh vrtu/hloubka [m]

Pøíloha 8.1 Podzemní objekty

Provìøení podzemní dutiny v prostoru plánovaného pilíøe mostu Jedná se o staré dùlní dílo v okolí Jihlavy Metoda: seismické prozaøování mezi vrty

Rychlostní øez mezi vrty

profil vrtu J2

profil vrtu J1

registraèní vrt

zdrojový vrt 520

2000 1600

517

515

Eluv

22 00

2200 1600 20

2400

512

1800

1200

513

2400 00

0 260

508

2800 0

511

indikace dutiny

Rula (nav) 509

2 000

3000

nadm.výška (m n. m.)

400

600

analizace

519

120

800 00

514

510 Rula (nav)

Eluv

516

518

10 1400 0 0 600

600 1000 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2800 Rychlost [m/s]

507 15 m

Pøíloha 8.2 Podzemní objekty

Lokalizace podzemních objektù Bývalé betonové kryty z doby 2. svìtové války Metoda: DEMP v plošné variantì

Mapa izolinií zdánlivého mìrného odporu

indikace podzemních objektù

0 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 200 400

Zdánlivý mìrný odpor [Ùm]

Pøíloha 8.3 Podzemní objekty

Lokalizace podzemních objektù Cílem bylo vyhledat kryptu v prostoru kostela Metoda: georadar

Radarový øez

boèní zeï

krypta

Příloha 9 Fotodokumentace z workshopu

Obr. 1 Přednáška v rámci workshopu v prostorách VUT Brno

Obr. 2 Výklad k metodice VES v rámci workshopu v prostorách VUT Brno

Obr. 3 Ukázka měřících přístrojů pro měření metodou GPR

Obr. 4 Obecné seznámení s přístrojem pro měření magnetometrie v prostorách firmy GEODRILL s.r.o.

Obr. 5 Praktická ukázka měření metodou VES

Obr. 6 Výklad k ukázce měření metodou VES

Obr. 7 Ukázka terénního měření metodou MRS (mělké refrakční seismiky)

Obr. 8 Praktická ukázka měření metodou GPR (georadar) v prostorách firmy GEODRILL s.r.o.

GEODRILL s.r.o. Bělohorská 2115/6 636 00 Brno

GEOFYZIKÁLNÍ METODY MĚŘENÍ V GEOTECHNICE Autoři: RNDr. Ladislav Jančovič Mgr. Petr Dostál Mgr. Pavlína Frýbová Spoluautoři a garanti workshopu na VUT: Ing. Helena Brdečková Ing. Věra Glisníková, CSc. Vedoucí projektu: RNDr. Jaroslav Bachratý Ředitelka společnosti: Ing. Markéta Hrubanová Edice: Mgr. Kristýna Bílá Vydavatel: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb, Veveří 331/95, Brno 602 00 Vytiskl: MSD spol. s.r.o. Náklad: 50 ks Počet stran: 96 Vydání první 2014 ISBN 978-80-214-4910-7

Projekt: OKTAEDR – partnerství a sítě stavebnictví Registrační číslo projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0012. Řešitel: VUT v Brně, FAST, Veveří 95, 602 00 Brno, tel.: 541 147 501, e-mail: oktaedr@fce.vutbr.cz

RNDr . Ladi sl avJančovi č Mgr . Pet rDost ál Mgr . Pavl í naFr ýbová I SBN9788021449107 Br no