第三章-工程地质物探和勘探.ppt

第一篇工程地质勘察通论第三章工程地质物探和勘探 第一节概述 勘探的方法有 物探 钻探和坑探 工程地质物探和勘探的任务 主要有以下各项 1 详细研究建筑物场地的岩性和地质结构 1 地层性质 厚度 展布特征 2 划分岩组 确定接触关系 3 基坑风化深度 风化岩性质 划分风化带 4 岩层产状 裂隙发育程度及变化规律 5 断层位置 产状 性质 宽度 充填物 胶结物 断层泥厚度 成分 展布特征 6 基岩埋深和起伏状态 7 岩石可钻性 岩体 石 强度 结构面发育特征 软弱层带的物理力学指标 第一节概述 2 查明水文地质条件 1 含水层与隔水层的分布 厚度 性质 结构类型 位置及动态 2 地下水位 水头及动态 3 水质 水量 侵蚀性等 3 研究地貌及物理地质现象 1 查明各种地貌形态 如河谷阶地 洪积扇 斜坡 埋藏河谷的位置 结构及成因 2 研究各种物理地质现象 如岩溶发育特征及深度 滑坡范围及滑面位置和动态 风化壳厚度等 4 取样及提供野外试验条件 1 土样 岩样 水样供室内试验 为力学分层提供承载力作基础 第一节概述 2 现场岩土力学试验 地应力测量 声波测井 水文地质试验 5 其他项目 1 利用勘探工程布置地下水及各种工程动力地质现象的长期观测 进行井下摄影及井下电视 2 工程地质处理 灌浆 灌注桩 锚杆 物探是一种间接的勘探工作 可以简便而迅速地探测地下地质情况 钻探和坑探能较可靠地了解地下地质情况 特别是坑探工程 勘探人员可以直接在其中进行观测 在布置钻探和坑探工程 要以测绘和物探工作为基础 第二节工程地质物探 在勘察的初级阶段 应较多地采用物探手段 随着勘察程度的提高 为了深入研究工程地质问题 以进行确切的分析 评价 钻探和坑探工程将成为主要的勘察手段 而物探工作则作为勘探工程的辅助手段 物探是利用地球物理的方法来探测地层 岩性 构造等地质问题 工程地质勘察可在下列方面采用物探 1 作为钻探的先行手段 了解隐蔽的地质界线 界面或异常点 2 作为钻探的辅助手段 在钻孔之间增加地球物理勘察点 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 动剪切模量 卓越周期 电阻率 放射性辐射参数 土对金属的腐蚀等参数 第二节工程地质物探 应用物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 区分有用信号和无用信号 4 在有代表性地段进行方法的有效性试验 物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 目前常用的工程地质物探方法有 电法 电磁法 地震波法和声波法 地球物理测井等 第二节工程地质物探 一 电法勘探在工程地质勘察中的应用电法是利用天然或人工直流或交流电场来勘察地下地质情况的地球物理勘探方法 在工程地质勘察中应用最广的是电阻率法 电阻率法是利用不同岩层或同一岩层由于成因 结构等不同而具有不同的电阻率的性质 将直流电通过接地电极供入地下 建立稳定的人工电场 在地表测某点垂直方向 电探深度法 或某剖面水平方向 电测剖面法 的电阻率变化 从而判别岩层的分布或地质构造特点的方法 第二节工程地质物探 第二节工程地质物探 二 地震勘探在工程地质勘察中的应用地震勘探是通过人工激发所产生的弹性波在地壳内传播来探测地壳地质结构的一种物探方法 它已被广泛地应用于工程地质勘查中 地震波法分为直达波法 反射波法和折射波法 直达波是有敲击或爆炸震源直接传播到接收点的波 它引起弹性波在不同地层的分界面上发生反射和折射 产生可返回地面的反射波和折射波 直达波法是利用地震仪记录波传播到地面各接收点的时间和距离 就可推求出地基土的动力参数 动弹性模量 动剪切模量和动泊松比 第二节工程地质物探 反射波法和折射波法是利用传播到地面各点的时间 并研究振动波的特性 就可以确定引起反射波或折射的地质界面的埋深 产状及岩石性质等 第三节工程地质钻探 利用钻探机械和工具在岩土层中钻孔的勘探方法 可直接探明地层岩性 地质构造 地下水埋深 含水层类型和厚度 滑坡位置及岩溶情况 还可取岩心 在钻孔中试验 一 钻探的特点及适用条件1 勘探线点的布置密切结合地质情况和工程要求 1 垂直地层走向 地貌 地形 构造线布置 2 结合工程建筑物的轮廓布置 2 孔深不大除了大型水利工程 深埋隧道以及为了解专门地质问题外 孔深一般为十几米至数十米 所以经常采用简易钻探法和轻便钻机 第三节工程地质钻探 3 钻孔多具综合目的 除查明地质条件外 还要取样 作原位测试及观测等 有些试验往往与钻进同时进行 所以进尺较慢 4 工程地质钻探在钻进方法 钻孔结构 钻进过程中的观测编录等方面 均有特殊的要求 如岩心采取率 水文地质观测 采取原状土样等要求 钻探可以在各种环境下进行 不受地形地质条件的限制 能直接观察岩心和采样 勘探精度高 勘探深度大 不受地下水限制 钻进深度较快 钻探的缺点是难于直接观察 对一些有重大意义的软弱层和构造破碎带 往往不易取得岩心 达不到地质要求 第三节工程地质钻探 二 工程地质钻探的特殊要求工程地质钻探是为工程建筑物的设计 施工服务的 具有综合目的 因而在钻进方法 钻孔结构 钻进过程中的观察编录均有特殊要求 1 岩芯采取率大于80 软弱夹层 风化岩 断层破碎带大于65 2 水文地质钻孔要求按含水层的位置和试验工作的要求 确定孔身结构及钻进方法 对不同含水层要换径并分层止水 加以隔离 为取得准确的水文地质参数 必须采用清水钻进或干钻 不能使用泥浆加固孔壁 钻孔要直 不能发生弯曲 孔壁光滑规则 第三节工程地质钻探 3 孔斜测量 100m 孔斜每100m校一次 终孔 2度 4 孔深度校正 每50m测深一次 终孔一次 误差 0 1 分层深度的量测 0 05米 5 非连续取芯钻进的回次进尺 螺纹钻 1 0m 岩芯钻 2 0m 6 确定RQD指标 钻孔金刚石钻头选用75mm口径 N型 取层岩芯管 7 测定冲洗液的消耗量 8 地下水位以下取样时 应采用干钻 9 原位试验与钻进同时进行 10 取样应符合技术要求 第三节工程地质钻探 三 工程地质钻探的钻探方法及过程1 回转钻进采用底部焊有硬质合金的圆环状钻头进行钻进 钻进时一般要施加一定的压力 使钻头在旋转中切入岩土层以达到钻进的目的 它包括岩芯钻探 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 2 冲击钻进利用钻具重力和下落过程中产生的冲击力使钻头冲击孔底岩土并使其产生破坏 从而达到在岩土层中钻进的目的 包括冲击钻探和锤击钻探 对于硬质岩土层 岩石层或碎石土 采用孔底全面冲击钻进 对于土层一般采用圆筒形钻头的刃口借助与钻具冲击力削切土层钻进 第三节工程地质钻探 3 振动钻进采用机械动力产生的振动力 通过连接杆和钻具传到钻头 由于振动力的作用使钻头能更快地破碎岩土层 因而钻进较快 该方法适合于在土层中 特别适合于颗粒组成相对细小的土层中采用 4 冲洗钻进利用高压水流冲击孔底土层 使之结构破坏 颗粒悬浮并最终随水流循环流出孔外的钻进方法 由于是靠水流直接冲洗 因此无法对土体结构及其他相关特性进行观察鉴别 第三节工程地质钻探 上述四种方法各有特点 分别适应于不同的勘察要求和岩土层性质 规范 对常用几种钻探方法的适用范围做出了明确的规定 第三节工程地质钻探 4 钻探设备由于工程地质勘察规模日益增大 地下建筑工程日益增多 以往用岩芯钻机代替已满足不了实际工作的需要 现已发展的不同类型的专用钻机 下面介绍几种 SH30 2型 孔深30m 开孔直径 142mm 终孔直径 110mm 汽油机或电动机 回转冲击 取原状土样 适用于各种第四纪松散地层 GJD 2型 孔深50m 开孔直径 150mm 终孔直径 110mm 柴油机或电动机 回转冲击振动静压 取土样或岩芯 适用于第四纪地层 第三节工程地质钻探 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原位测试 位于钻杆柱的最上部 上端连接水笼头 以便向孔内输送冲洗液 主动钻杆的断面尺寸大 便于卡盘夹持回转 不易弯曲 其断面形状有圆形 两方 四方 六方和双键槽形 第三节工程地质钻探 2 钻头用于冲击或切削岩土体向下钻进 有硬质合金钻头 钢粒钻头和金刚石钻头三种类型 硬质合金钻头适用于小于 级的沉积岩及部分变质岩 岩浆岩 钢粒钻头适用于 级的坚硬地层 金刚石钻头适用于 级以上的最坚硬岩层 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300 500mm以上 确定了终孔直径以后 根据地层剖面找出需要加固的危险孔段 再设计对应孔段下入套管的直径和深度 第三节工程地质钻探 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 为了降低生产成本 应尽量少下或不下套管 有下列情况之一者必须下套管 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 加固很难用泥浆护壁的不稳定地层 隔离漏水层与涌水层 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 第三节工程地质钻探 5 工程地质钻探过程钻探过程的基本程序 1 破碎岩土首先要进行破碎岩土的钻进工作 钻进可以采用人力或机械力 绝大多数情况下采用机械钻进 以冲击力 剪切力或研磨形式使小部分岩土脱离母体而成为粉末 小岩土块或岩土芯的现象就称为破碎岩土 在孔底将岩土全部破碎成粉末或小块的钻进方法称为 全面钻进 而钻进过程中只破坏孔底环状部分岩土 中间岩土芯保留的钻进方法称为 取芯钻进 第三节工程地质钻探 2 采取岩土芯或排除破碎岩土这一过程又分为三种方法 一是采用机械的方法 如用取样器 勺钻等取出岩土芯或碎块粉末 二是将岩粉或岩土碎块与水混合成岩粉浆或泥浆后 用抽筒抽出地表 如冲击钻 三是用流体 泥浆 清水 乳化液或空气 作为循环介质 将破碎的岩屑 土块输送到地表 第三节工程地质钻探 3 保全孔壁当在地壳中形成钻孔之后 钻孔周围原来的地层平衡稳定状态遭到破坏 继而可能引起孔壁坍塌 因此钻孔后必须对孔壁进行加固 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 第三节工程地质钻探 四 工程地质勘探钻孔类型及其适用条件按钻进方向分为铅直孔 斜孔 水平孔和定向孔 第三节工程地质钻探 按目的与用途分为 勘探孔 试验孔 工程处理孔和长观孔 第三节工程地质钻探 按钻孔的孔径分为 一般钻孔 大口径孔和小口径孔 第三节工程地质钻探 五 钻孔结构为了顺利地进行工程钻探施工 在制定勘察方案之后 对于勘察区城内所布置的钻孔 必须进行钻孔结构和技术设计的研究 钻孔结构是指由开孔至终孔孔身口径的变化 钻孔结构的选择 主要考虑地层岩性 水文地质条件 取芯要求 终孔口径 钻孔深度 钻进方法以及钻孔用途等因素 在保证钻孔 质量和安全钻进的前提下 尽可能地采用泥浆护壁 力求少换径 少下或不下套管 一般来说 换径次数愈多 钻孔结构愈复杂 换径次数少 则钻孔结构简单 力求钻进速度快 质量好 成本低 最大限度地简化钻孔结构 第三节工程地质钻探 六 泥浆在岩土层中钻进 除能保持孔壁的粘性土层和完整岩层之外 均应采取护壁措施 泥浆作为钻探的一种冲洗液 除起护壁作用外 还携带 悬浮与排除岩粉 冷却钻头 润滑钻具 堵漏等功能 泥浆性能的好坏直接影响钻进效率和生产安全 泥浆的原料为粘土和水 粘土应选择可塑性好 含砂量少的粘土 如高岭土 膨润土等 造浆涌水不得用具有腐蚀性或受污染的水 PH值不应太小 由于粘土和水的性质不同 造成泥浆中的粘土颗粒呈现悬浮或聚沉的不同状态 一般呈悬浮状态标志泥浆性能好 而聚沉则说明泥浆性能变坏 第三节工程地质钻探 七 钻孔位置 间距及孔深钻探与其他勘探手段相比 要花费较高的代价 因此 在使用钻探之前 必须有一个严密的钻探计划 以防止造成不应有的浪费 计划的大体内容是 1 钻孔位置的选定在什么地方施钻 要钻多少孔 是进行钻探工作之前首先必须回答的问题 钻孔位置定的好坏是能否达到钻探目的的关键 定孔位必须以地面测绘成果为指导 根据地质图和地质断面图的判断 把孔位定在最有利于解决设计 施工所遇地质问题的地点 第三节工程地质钻探 2 钻孔布局各个钻孔所提供的资料 必须保证能进行最大限度的综合分析 绘制各种剖面图 以便最有效地阐明建筑地区的工程地质条件 解决工程地质问题 各类工程建筑在不同的勘测阶段 不同复杂程度的场地条件下 其勘探孔点 线间距 一般均有规范可循 其目的在于保证勘察工作质量 但对于一些特殊地区的地段 应视具体地质条件进行布置和内插 不可机械 尤其是在相变 岩溶复杂情况下 没有充分地分析会给工程留下隐患 第三节工程地质钻探 以房屋建筑及构筑物为例 土质地基 初步勘察勘探线 勘探点间距可按下表确定 局部异常地段应予加密 初步勘察勘探线 勘探点间距 m 第三节工程地质钻探 3 勘探孔深度的确定孔深的含义包括两方面 即确定孔深的依据和施工中终孔的标志 孔深应据建筑物类型 勘察阶段 工程地质条件的复杂程度和所评价的工程地质问题综合考虑 1 工民建 平原区5 15米 控制孔20 30米 东南沿海 无硬层 30 75米 上海 地面沉降 大于300米 一般要求大于地基压缩层以下 2 覆盖层大于20米时 打入基岩5米 水工 3 断层破碎带 进入新鲜5米 4 浅埋岩溶区进入基岩3米 5 坝基下相对隔水层 以w为准 或隔水层为止 6 硐室到底板高程的下10米 7 研究风化岩时应进入新鲜基岩3 5米 8 滑动面 坝基 滑坡等 第三节工程地质钻探 3 勘探孔深度的确定孔深的含义包括两方面 即确定孔深的依据和施工中终孔的标志 孔深应据建筑物类型 勘察阶段 工程地质条件的复杂程度和所评价的工程地质问题综合考虑 1 工民建 平原区5 15米 控制孔20 30米 东南沿海 无硬层 30 75米 上海 地面沉降 大于300米 一般要求大于地基压缩层以下 2 覆盖层大于20米时 打入基岩5米 水工 3 断层破碎带 进入新鲜5米 4 浅埋岩溶区进入基岩3米 5 坝基下相对隔水层 以w为准 或隔水层为止 6 硐室到底板高程的下10米 7 研究风化岩时应进入新鲜基岩3 5米 8 滑动面 坝基 滑坡等 第三节工程地质钻探 八 工程地质钻探的工作量 第三节工程地质钻探 九 钻孔设计书的编制 钻孔观测编录 一 钻孔设计书的编制为了保证钻孔能达到预期的要求 对每一钻孔 工程地质人员都必须编制钻孔设计书 设计书的内容如下 1 钻孔孔位附近地质情况说明 2 钻孔目的 重要性及应该注意的问题 3 钻孔类型 是直孔还是斜孔 并说明采用此种类型钻孔的理由 4 钻孔深度和改变孔深的条件 5 钻孔结构 开 终孔口径 变径位置 固壁方法 并给出钻孔推想柱状图 6 地质要求对钻进 岩芯采取率 取样 间距 位置 数量 试验 试验位量 试验项目 精度要求 水文地质观测及钻孔处理等方面的要求 第三节工程地质钻探 二 钻孔观测与编录1 采取鉴别土样及岩芯在工程地质勘探中 应结合勘探工作采取原状土 但在钻孔中采取原状土样受很多因素影响 其中主要因素是取土器及取土方法 对取土器的基本要求是 所取土样要保持天然结构而不被破坏 本身的结构应简单而实用 常用的取土器如下 1 限制球阀式取土器在取土过程中 进入取土器内的气体 液体将球顶起排出 当取土停止时 由于球上部弹簧的作用将球压回原阀座位置 起封闭作用 第三节工程地质钻探 2 上提橡皮垫活阀式取土器土样进入取土筒时 取土器内的水 气 泥由活阀上部排出 上提钻杆时 橡皮垫封闭活门 既可取上土样 3 回转压入式取土器有两层管 外管回转 带有合金钻头或螺旋 内管压入 内管与一般球阀式取土器类似 上部是球阀封闭 适用于深层取土 4 水压活塞式取土器这种取土器是借助于水泵的压力推动活塞使取土器进入土层 在取土器压入孔底时 一个活塞将取土器下口封闭 压土时 上部活塞带动取土筒下压而采得原状土 第三节工程地质钻探 原状土样的采取方法主要有三种 1 压入法 用滑轮组合压入 分一次 连续 和多次 断续 压入两种 适用于软土 2 击入法 孔内或孔外击入 适用于硬土中取样 3 回转压入法 用机械回转压入 适用于坚硬 极坚硬土 取样数量 1 单孔基础砌置深度以下 每个土层2 3个 持力层每隔1 2米取一个样 2 4 6 8 米 下卧层每隔2 3米取一个 遇变层加一个 2 整个场地持力层 20 30个 下卧层每层10 15个 持力层内原度大于0 4米的夹层或透镜体取样总数大于4个 场区内遇基岩取样6组 第三节工程地质钻探 不同类型的土描述内容分别为 1 碎石土颗粒级配 粗颗粒形状 母岩成分 风化程度 是否起骨架作用 充填物的成分 性质 充填程度 密实度 层理特征 2 砂类土颜色 颗粒级配 颗粒形状和矿物成分 湿度 密实度 层理特征 3 粉土和粘性土颜色 稠度状态 包含物 致密程度 层理特征 第三节工程地质钻探 岩石的鉴定描述其颜色 矿物成分 结构和构造 风化程度及风化表现形式 划分风化带 坚硬程度 节理 裂隙发育情况 裂隙面特征及充填胶结情况 裂隙倾角 间距 进行裂隙统计 必要时作岩芯素描 第三节工程地质钻探 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 第三节工程地质钻探 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 通过对岩芯的各种统计 可获得岩芯采取率 岩芯获得率和岩石质量指标 RQD 等定量指标 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心和破碎的碎块 碎屑和碎粉物质 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 第三节工程地质钻探 岩石质量指标 RQD 是指在取出的岩芯中 只选取长度大于10cm的柱状岩心长度与本回次进尺的百分比 岩石质量指标是岩体分类和评价地下洞室围岩质量的重要指标 每回次取出的岩芯应顺序排列 并按有关规定进行编号 装箱和保管 并应注明所取原状土样 岩样的数量和取样深度 第三节工程地质钻探 第三节工程地质钻探 考虑到钻探的实际困难 规范 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 上述野外记录是钻探过程中的文字记录 岩土芯样则是文字记录的辅助资料 它不仅对原始记录的检查和校对是必要的 而且对日后施工开挖过程的资料核对也有重要价值 故应在一段时间内妥善保存 第三节工程地质钻探 3 钻孔水文地质观测钻进过程中应注意和记录冲洗液消耗量的变化 发现地下水后 应停钻测定其初见水位及稳定水位 如系多层含水层 需分层测定水位时 应检查分层止水情况 并分层采取水样和测定水温 准确记录各含水层顶 底板标高及其厚度 第三节工程地质钻探 4 钻进动态观察和记录钻进动态能提供许多地质信息 所以钻孔观测 编录人员必须做好此项工作 在钻进过程中注意换层的深度 回水颜色变化 钻具陷落 孔壁坍塌 卡钻 埋钻和涌沙现象等 结合岩心以判断孔内情况 如果钻进不平稳 孔壁坍塌及卡钻 岩心破碎且采取率又低 就表明岩层裂隙发育或处于构造破碎带中 第三节工程地质钻探 岩心钻探时冲洗液消耗量变化一般与岩体完整性有密切关系 当回水很少甚至不回水时 则说明岩体破碎或岩溶发育 也可能揭露了富水性较强的含水层 国内水利水电勘察单位使用的钻孔摄影和钻孔电视 可以对孔内岩层裂隙发育程度及方向 风化程度 断层破碎带 岩溶洞穴和软弱泥化夹层等 获取较为清晰的照片和图像 这无疑提高了钻探工作的质量和钻孔利用率 第三节工程地质钻探 十 钻孔资料的整理钻探工作结束后 应进行钻孔资料整理 主要成果资料有 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 土层钻孔和岩层钻孔的钻孔柱状图图形不同 该图是将每一钻孔内岩土层情况按一定的比例尺 1 100 1 500 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心采取率 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 第三节工程地质钻探 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