第三章工程地质勘探与取样

第三章工程地质勘探与取样本章重点：重点介绍了工程地质勘探的任务、特点和手段，钻探工程，坑探工程，地球物理勘探的工作方法，勘探工作的布置和施工顺序，采取土样。学习要求：掌握工程地质钻探方法及适用性、工程地质岩芯编录、取样的技术要求以及勘探工作的布置要求第一节概述工程地质勘探是在工程地质测绘的基础上，利用各种设备、工具直接深入地下岩土层，查明地下岩土性质、结构构造、空间分布、地下水条件等内容的勘察工作，是探明深部地质情况的一种可靠的方法。工程地质勘探的主要方式有钻探工程、坑探工程和地球物理勘探工程（简称物探工程）。主要任务为：（1）探明建筑场地的岩性及地质构造，即各地层的厚度、性质及其变化；划分地层并确定其接触关系；了解基岩的风化程度、划分风化带；了解岩层的产状、裂隙发育程度及其随深度的变化；了解褶皱、断裂、破碎带及其它地质构造的空间分布和变化。（2）探明水文地质条件，即含水层、隔水层的分布、埋藏厚度、性质及地下水位。（3)探明地貌及物理地质现象，包括河谷阶地、冲洪积扇、坡积层的位置和土层结构；岩溶的规模及发育程度；滑坡及泥石流的分布、范围、特性等。（4)采取岩土样及水样，提供对岩土特性进行鉴定和各种试验所需的样品。提供野外试验条件。第二节物探工程一、物探工程的分类及应用物探工程是利用专门的仪器来探测各种地质体物理场的分布情况，并对其数据及绘制的曲线进行分析解释，从而划分地层、判定地质构造、水文地质条件及各种不良地质现象的勘探方法，又称为地球物理勘探。物探工程的特点是：速度快、设备轻便、效率高、成本低。但具有多解性，属于间接的方法。因此，在工程勘察中应与其他勘探工程（钻探和坑探）等直接方法结合使用。物探工程的主要作用有：（1）作为钻探的先行手段，了解隐蔽的地质界限、界面或异常点（如基岩面、风化带、断层破碎带、岩溶洞穴等）；（2）作为钻探的辅助手段，在钻孔之间增加地球物理勘探点，为钻探成果的内插、外推提供依据；（3）作为原位测试手段，测定岩土体的波速、动弹性模量、土对金属的腐蚀性等参数。物探工程主要解决的问题有：（1）测定覆盖层的厚度，确定基岩的埋深和起伏变化；（2）追溯断层破碎带和裂隙密集带；（3）研究岩石的弹性性质，测定岩石的动弹性模量和泊松比；（4）划分岩体的风化带、测定风化壳厚度和新鲜基岩的起伏变化。二、电阻率法在岩土工程勘察中的应用电阻率法是依靠人工建立直流电场，在地表测量某点垂直方向或水平方向的电阻率变化，从而推断地表下地质体性状的方法。电阻率法主要可以解决下列地质问题：(1)确定不同的岩性，进行地层岩性的划分；(2)探查褶皱构造形态，寻找断层；(3)探查覆盖层厚度、基岩起伏及风化壳厚度；(4)探查含水层的分布情况、埋藏深度及厚度，寻找充水断层及主导充水裂隙方向；(5)探查岩溶发育情况及滑坡体的分布范围；(6)寻找古河道的空间位置。三、地震折射波法在岩土工程勘察中的应用地震折射波法是通过人工激发的地震波在地壳内传播的特点来探查地质体的一种物探方法。。在岩土工程勘察中运用最多的是高频(＜200Hz～300Hz)地震波浅层折射法，可以研究深度在lOOm以内的地质体。主要解决下列问题：(1)测定覆盖层的厚度，确定基岩的埋深和起伏变化；(2)追索断层破碎带和裂隙密集带；(3)研究岩石的弹性性质，测定岩石的动弹性模量和动泊松比；(4)划分岩体的风化带，测定风化壳厚度和新鲜基岩的起伏变化。四、物探工程的一般要求1.应用地球物理勘探方法时，应具备下列条件：（1）被探测对象与周围介质之间有明显的物理性质差异；（2）被探测对象具有一定的埋藏深度和规模，且地球物理异常有足够的强度；（3）能抑制干扰，区分有用信号和干扰信号；（4）在有代表性地段进行方法的有效性试验。2.地球物理勘探，应根据探测对象的埋深、规模及其与周围介质的物性差异，选择有效的方法。3.地球物理勘探成果判释时，应考虑其多解性，区分有用信息与干扰信号。需要时应采用多种方法探测，进行综合判释，并应有已知物探参数或一定数量的钻孔验证。第三节钻探工程钻探是指用一定的设备、工具(即钻机)来破碎地壳岩石或土层，从而在地壳中形成一个直径较小、深度较大的钻孔(直径相对较大者又称为钻井)，可取岩芯或不取岩芯来了解地层深部地质情况的过程。钻探优点：可以在各种环境下进行，一般不受地形、地质条件的限制；能直接观察岩芯和取样，勘探精度较高；能提供进行原位测试和监测工作，最大限度地发挥综合效益；勘探深度大，效率较高。因此，不同类型、结构和规模的建筑物，不同的勘察阶段，不同环境和工程地质条件下，凡是布置勘探工作的地段，一般均需采用此类勘探手段。钻探的缺点是，耗费人力物力较多、平面资料连续性较差，钻进和取样有时技术难度较大。一、钻探的目的和作用工程地质钻探的目的和作用综合起来有如下几个方面：(1)查明建筑场区的地层岩性、岩层厚度变化情况，查明软弱岩土层的性质、厚度、层数、产状和空间分布；(2)了解基岩风化带的深度、厚度和分布情况；(3)探明地层断裂带的位置、宽度和性质，查明裂隙发育程度及随深度变化的情况；(4)查明地下含水层的层数、深度及其水文地质参数；(5)利用钻孔进行灌浆、压水试验及土力学参数的原位测试；(6)利用钻孔进行地下水位的长期观测、或对场地进行降水以保证场地岩(土)的相关结构的稳定性(如基坑开挖时降水或处理滑坡等地质问题)。二、我国岩土工程常用的钻探方法和设备1．钻探方法及适用性我国岩土工程勘探常用的钻探方法有冲击钻探、回转钻探、振动钻探和冲洗钻探；按动力来源又将它们分为人力和机械两种。（1）冲击钻进：对于硬质岩土层(岩石层或碎石土)一般采用孔底全面冲击钻进；对于其他土层一般采用圆筒形钻头的刃口借助于钻具冲击力切削土层钻进。（2）回转钻进：包括岩芯钻探、无岩芯钻探和螺旋钻探，岩芯钻进为孔底环状钻进，螺旋钻进为孔底全面钻进。（3）振动钻进：适合于在土层中，特别适合于颗粒组成相对细小的土层中采用。（4）冲洗钻进：无法对土体结构及其他相关特性进行观察鉴别。2．钻探设备（1）钻杆：主动钻杆（又称机上钻杆），用于带动钻头向下钻进或连接取样器采取岩土样品或进行原位测试。常用的长度是4.5m或6m，直径为42mm和50mm，钻杆柱的连接方式有内、外丝连接和焊接。(2）钻头：有硬质合金、钢粒、金刚石三种类型：硬质合金钻头适用于小于Ⅷ级的沉积岩及部分变质岩、岩浆岩；钢粒钻头适用于Ⅶ—Ⅻ级的坚硬地层；金刚石钻头适用于Ⅸ级以上的最坚硬岩层。金刚石钻进推荐的终孔直径为46mm或59mm；钢粒钻进为不小于91mm；硬质合金钻进常用59mm、76mm和91mm的钻头终孔，但用于煤系地层时应不小于76mm，用于无机盐勘探时应不小于91mm；用于工程地质勘查的终孔直径一般应不小于110mm，用于水井和工程施工的孔径可达300mm～500mm以上。(3）钢管：又称套管、岩芯管。用于保护支撑孔壁变产生变形或坍塌。下列情况之一者必须下套管：(1)下孔口管，以保护孔口处岩土层不被冲坏，并将冲洗液导向循环槽，孔口管的另一个重要作用是导正钻孔方向；(2)加固很难用泥浆护壁的不稳定地层；(3)隔离漏水层与涌水层；(4)当设备负荷能力不足或处理孔内异常需要缩小一级孔径，而上覆地层又有坍塌块、缩径危险时。套管柱的连接方法主要有三种：（1）直接连接，(2)接头连接，(3)接箍连接。钻探方法的适用范围表3-2钻探方法钻进地层勘察要求粘性土粉土砂土碎石土岩石直观鉴别、采取不扰动试样直观鉴别、采取扰动试样回转螺旋钻探无岩芯钻探岩芯钻探++++++++++++++++-++—++++++—++++—++冲击冲击钻探锤击钻探—++++++++++++———++—++振动钻探+++++++—+++冲洗钻探+++++————注：++：表示适用；+：表示部分适用；一：表示不适用3．钻探的基本程序（1)破碎岩土（2)采取岩土芯或排除破碎岩土（3)加固孔壁加固方法有三种：一是借助于循环液的静水压力来平衡地层的侧向压力以维持其稳定，这种方法在现代的反循环钻进中得到充分利用；二是用惰性材料或化学材料对孔壁进行处理加固，常用的惰性材料有水泥、粘土，化学材料有混入循环液中的泥浆处理剂，还有如直接注入钻孔中的堵漏剂，如氰凝、丙凝等；三是用金属或非金属的套管下入钻孔中以支撑孔壁，这种方法虽然可靠，但成本较高。三、钻孔地质编录及资料整理钻孔地质编录工作是岩土工程钻探最基本的工作，在钻进过程中必须认真、细致地做好钻孔地质编录工作，以全面、准确地反映钻探工程的第一手地质资料。《建筑工程地质钻探与取样技术规程》（JGJ87—2012）对钻孔的记录和编录作了明确要求：(1)野外记录应由经过专门训练的人员承担；记录应真实及时，按钻进回次逐段填写，严禁事后追记；（2）钻探现场可采用肉眼鉴别和手触的方法，有条件或勘察工作有明确要求时，可采用微型贯入仪等定量化、标准化的方法；（3）钻探成果可用野外钻孔柱状图或分层记录表示。岩土芯样可根据工程要求保存一定期限或长期保存，亦可拍摄岩芯、土芯彩照纳入勘察成果资料。钻探野外记录是岩土工程勘察中最基本的原始资料，主要包括以下两个内容：1．岩土描述包括地层名称、颜色、分层深度、岩土性质等。岩土的定名应符合现行岩土工程分类标准的规定，描述术语和记录符号均应符合有关规定，鉴定描述以目测、手触方法为主，可辅以部分标准化、定量化的方法或仪器。2．钻进过程的记录关于钻进过程的记录包括：（1）使用钻进方法，钻具名称、规格、护壁方式等；（2）钻进难易程度，进尺速度，操作手感，钻进参数的变化情况；（3）孔内情况，应注意缩径、回淤，地下水位或循环液位及其变化等；（4）取样及原位测试的编号、深度位置、取样工具名称规格，原位测试类型及其结果；（5）岩芯采取率，岩芯获得率，岩体质量指标(RQD)值等定量指标的确定。岩芯采取率是指所取岩芯的总长度与本回次进尺的百分比。总长度包括比较完整的岩芯和破碎的碎块、碎屑和碎粉物质。岩芯采取率是衡量岩芯钻探质量的重要指标。岩芯获得率是指比较完整的岩芯长度与本回次进尺的百分比。它不计入不成形的破碎物质。考虑到钻探的实际困难，《建筑工程地质钻探与取样技术规程》（JGJ87—2012）要求对完整和较完整岩体不应低于80％，较破碎和破碎岩体岩芯不应低于65％，对需重点查明的部位（滑动带、软弱夹层等）应采用双层岩芯管连续取芯。3．钻探资料整理：钻探工作结束后，应进行钻孔资料整理。（1）钻孔柱状图。钻孔柱状图是钻孔观测与编录的图形化，它是钻探工作最主要的成果资料。该图是将钻孔内每一岩土层情况按一定的比例编制成柱状图，并作简明的描述。在图上还应在相应的位置上标明岩芯采取率、冲洗液消耗量、地下水位、岩心风化分带、孔中特殊情况、代表性的岩土物理力学性质指标以及取样深度等。如果孔内作过测井和试验的话，也应将其成果在相应的位置上标出。所以，钻孔柱状图实际上是反映钻探工作的综合成果(2)钻孔操作现场记录及水文地质日志图。(3)岩土芯样、素描图及其说明。4．钻探工程的一般要求（1）钻探现场编录柱状图应按钻进回次逐项填写，在每一回次中发现变层时应分行填写，不得将若干回次或若干层合并一行记录。现场记录不得誊录转抄，误写之处可以划去，在旁边作更正，不得在原处涂抹修改。（2）为便于对现场记录检查核对或进一步编录，勘探点应按要求保存岩土芯样。土芯应保存在土芯盒或塑料袋中，每一回次至少保留一块土芯。岩芯应全部存放在芯盒内，顺序排列，统一编号。岩土芯样应保存到钻探工作检查验收为止。必要时应在合同规定的期限内长期保存，也可在检查验收结束后拍摄岩土芯样的彩色照片，纳入勘察成果资料。（3）钻孔完工后，可根据不同要求选用合适材料进行回填。临近堤防的钻孔应采用干泥球回填，泥球直径以2cm左右为宜。回填时应均匀投放，每回填2m进行一次捣实。对隔水有特殊要求时，可用4:1水泥、膨润土浆液通过泥浆泵由孔底逐渐向上灌注回填。第四节坑探工程一、坑探工程的目的和作用坑探工程也称掘进工程、井巷工程，它是用人工或机械的方法在地下开凿挖掘一定的空间，以便直接观察岩土层的天然状态及各地层之间的接