2岩土工程勘察技术

岩土工程勘察技术,岩土工程勘察技术是一门建立在地质学、岩土力学、测试技术和现代信息技术等学科基础上的综合性的科学技术，其内容包括野外地质测绘技术、现场勘探取土与原位测试技术、室内试验技术、资料分析评价技术等几个方面。,在野外现场进行测试，主要包括：1原位测试技术,1原位测试技术,原位测试技术是岩土工程勘察的一个重要组成部分，每一种原位测试技术的问世与推广，都使岩土工程勘察技术前进了一大步，同时推动了岩土工程设计与施工技术的进步。,1静力载荷试验(CPT),静力载荷试验指在拟建场地上，在挖至设计的基础置深度的平整坑底放置一定规格的方形或圆形承压板，在其上逐级加荷载，测定相应荷载作用下地基土的稳定沉降量，分析研究地基土的强度与变形特性，求得地基土容许承载力与变形模量等力学数据。静力载何试验分为平板载何试验、螺旋板载荷试验、深层平板载荷试验等。静力载何试验用以确定地基土的临塑荷载、极限荷载，为评定地基土的承载力提供依据；估算地基土的变形模量、不排水抗剪强度和基床反力系数。静力载何试验试验装置为承压板、加荷与传压装置及沉降观测装置等。,根据实测结果绘制沉降与时间(s-t)关系曲线及荷载与沉降(p-s)关系曲线，由此确定地基承载力、地基土的变形模量、估算地基土的不排水抗剪强度、估算地地基土基床反力系数。,2静力触探试验,触探(sounding)一词最早出现在20世纪20年代，是当时瑞典国家铁路局规定的一种螺旋钻，在其上施加固定的静荷载，将其旋入土中，记录每旋转25圈的贯入进尺数，作为衡量土质好坏的相对尺度。,1945年，荷兰在第二届国际土力学会议上发表关于深层静力触探的文章，介绍了双层管圆锥形探头的静力触探设备。50年代，瑞典、比利时等国还研制过翼式剪力仪和螺旋式静力触探设备。上述设备都因为其自身的缺陷而未能在国际上广泛推广应用。在50年代，陈宗基教授等研制了静力触探车，林崇义曾用来研究兰州黄土的性质。,1962年，我国建设部综合勘察院王钟琦等开始探索新的途径，从地下直接量测探头的贯入参数，并于1964年发明了电测静力触探设备。静力触探采用电阻应变测试技术，直接从圆锥探头中测量其贯入阻力，并将圆锥的水平投影面积的平均阻力定义为比贯入阻力ps(kPa)，这种探头称为单桥探头。电测探头与机械式探头相比具有无可比拟的优越性，使测定的贯人参数具有明确的物理意义。,在20世纪60、年代后期，荷兰开始发展了类似的电测静力触探，但其探头具有不同的结构形式，探头由摩擦套筒和圆锥头两部分组成，可分别测定锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs，这种探头称为双桥探头。双桥探头的电测静力触探在国际上得到广泛的应用，我国则存在单桥和双桥两种探头并存的局面。,静力触探试验指通过一定的机械装置，将某种规格的金属肩探头用静力压人土层中，同时用传感器或直接量测仪表测试土层对触探头的贯人阻力，以此来判断、分析、确定地基土的物理力学性质。静力触探试验适用于粘性土、粉土和砂土，主要用于划分土层、估算地基土的物理力学指标参数、评定地基土的承载力、估算单桩承载力及判定砂土地基的液化等级等。,静力触探试验装置主要设备为静力触探仪，其由贯人装置（包括反力装置）、传动系统和量测系统三部分组成。,单桥探头结构1-顶柱；2-电阻应变片；3-传感器；4-密封垫圈套；5-四芯电缆；6-外套筒,双桥探头结构1-传力杆；2-磨擦传感器；3-摩擦筒；4-锥尖传感器；5-顶柱；6-电阻应变片；7-钢珠；8-锥尖头,人们在研究和应用静力触探试验结果的过程中逐渐得到了两点非常有意义的认识：其一试验得到的经验公式地区性非常强，不能将其他地区的经验公式不加验证地搬用，这可能是各地土的沉积条件与土的结构性差异形成的；其二在粘性土中得到的经验公式不能套用到砂类土或粉土中，原因是摩擦分量的作用使砂土或粉土中的贯入阻力非常大，但其承载能力并不相应地按比例增大。基于以上认识，因此不宜在全国性的标准中列入这种经验公式或由经验公式得到的承载力表。同时，得到了许多用以估算地基土的变形模量的经验公式，只是由于在沉降计算中很少使用变形模量，这类经验公式的影响不如地基承载力经验公式那么广泛和深刻。,3圆锥动力触探,圆锥动力触探指利用锤击动能，将一定规格的圆锥探头打入土中，根据打人土中的阻抗大小判别土层的变化，对土层进行力学分层，并确定土层的物理力学性质，对地基土作出工程地质评价。动力触探试验适用于强风化、全风化的硬质岩石、各种软质岩石及各类土。动力触探设备主要由探头和落锤两部分组成，可分为轻型、重型及超重型三类。,4标准贯入试验,标准贯入试验是动力触探类型之一，利用规定重量的穿心锤，从恒定高度上自由落下，将一定规格的探头打入土中，根据打入的难易程度判别土的性质。标准贯入试验可适用于砂土、粉土和一般粘性土，最适用于N=250击的土层。试验目的为：采取扰动样，鉴别和描述土类，按颗粒分析结果定名。根据标准贯入击数N，利用地区经验，为砂土的密实度和粉土、粘性土的状态、土的强度参数、变形模量、地基承载力等作出评价。估算单桩极限承载力和判定沉桩可能性。判定饱和粉砂、砂质粉土的地震液化可能性及液化等级。,标准贯入试验的仪器设备主要由触探头、触探杆及穿心锤三部分组成。1-穿心锤；2-锤垫；3-钻杆；4-贯入器头；5-出水孔；6-贯入器身；7-贯入器靴,5十字板剪切试验,将十字板头压入被测土层中，施加一定的扭转力矩，将土体剪坏，测定土体对抵抗扭剪的最大力矩，通过换算得到土体的抗剪强度值。十字板剪切试验适用于灵敏度不大于10，固结系数不大于100m2/年的均质饱和软粘土。试验目的为：测定原位应力条件下软粘土的不排水抗剪强度Cu、估算软粘性土的灵敏度。,试验装置主要由十字板头、测力装置（钢环、百分表等）和施力传力装置（轴杆、转盘、导轮等）三部分组成。1-手摇柄；2-齿轮；3-蜗轮；4-开口钢环；5-固定夹；6-导杆；7-百分表；8-转盘；9-底板；10-固定套；11-弹子盘；12-底座；13-制紧轴；14-接头；15-套管；16-钻杆；17-导轮；18-轴杆；19-十字板头,6扁铲侧胀试验,指用静力将扁铲形探头贯入土中，达试验深度后，利用气压使扁铲侧面的圆形钢膜向外扩张进行试验。扁铲侧胀试验适用于一般粘性土、粉土、中密以下砂土、黄土等，不适用于含碎石的土、风化岩等。试验装置扁铲形探头（图6-8）。,试验成果主要有：绘制扁胀模量、水平应力指数、扁胀指数、扁胀孔压力指数与深度的变化曲线。由试验成果可划分土类、确定静止侧压力系数、评定应力历史、确定不排水抗剪强度、确定土的变形参数、确定水平固结系数、可设计侧向受荷桩。,7旁压试验,旁压试验（PMT）是将圆柱形旁压器竖直地放入土中，通过旁压器在竖直的孔内加压，使旁压膜膨胀，并由旁压膜（或护套）将压力传给周围土体（或岩层），使土体或岩层产生变形直至破坏，通过量测施加的压力和土变形之间的关系，可得到地基土在水平方向上的应力应变关系。,试验目的与适用条件旁压试验适用于测定粘性土、粉土、砂土、碎石土、软质岩石和风化岩的承载力、旁压模量和应力应变关系等。试验装置主要设备为旁压器。旁压试验的成果主要为压力和扩张体积曲线、压力和半径增量曲线。根据旁压曲线可评定地基承载力、确定旁压模量。,8波速测试,波速测试就是测定土层的波速，依据弹性波在岩土体内的传播速度间接测定岩土体在小应变条件下（10-410-6）动弹性模量和泊松比。（1）试验目的与适用条件适用于测定各类岩土体的压缩波、剪切波或瑞利波的波速。根据任务要求可采用单孔法、跨孔法或面波法。（2）试验资料处理及成果应用根据波速，可按有关公式计算动剪切模量、动弹性模量和泊松比。（3）试验装置试验方法可分为单孔法、跨孔法和面波法。,试验装置试验方法可分为单孔法（a）、跨孔法（b）和面波法（c）。,9现场大型直剪试验,大型直剪试验适用于求测各类岩土体以及岩土体沿软弱结构面和岩土体与混凝土接触面或滑动面的抗剪强度，可分为：岩土体试样在法向应力作用下沿剪切面剪切破坏的抗剪断试验岩土体剪断后沿剪切面继续剪切的抗剪试验（摩擦试验）法向应力为零时岩体剪切的抗切试验。试验装置有大剪仪、加载设备、量测设备等,1-手轮；2-测力计；3-剪切环；4-压力盖；5-垂压部分；6-水平框架；7-地锚；8-水平推力部分,10块体基础振动试验,通过块体基础振动试验直接测得地基土的刚度、阻尼比和参振质量等动力参数。可分为块体基础强迫振动试验和块体基础自由振动试验两类。根据块体基础振动试验实测的频率和振幅作振幅随频率变化的共振幅频曲线，依据幅频曲线计算地基阻尼比、刚度及参振质量。,(a)垂直振动试验,(b)垂直自由振动试验,(c)水平回转振动试验,11水文地质实验,大型三向电阻网渗流试验装置,高压粘性土渗透变形试验装置,12地球物理勘探技术,岩石物理性质是指岩石的导电性、磁性、密度、地震波传播等特性，地下岩石情况不同，岩石的物理性质也随之而变化。导电性不同的岩石在相同电压作用下具有不同的电流分布；磁性不同的岩石，对同一磁铁的作用力不同；密度不同的岩石，可以引起重力的差异；振动波在不同岩石中传播速度不同等。,我们把这种以岩石间物理性质差异为基础，以物理方法为手段的勘探技术，称为地球物理勘探技术，简称物探技术即用物理的原理研究地质构造和解决找矿勘探中问题的方法。,1.根据所用的地球物理方法进行分类,2.根据所勘探的对象不同,3.根据测量手段所处的空间位置不同,磁法勘探、电法勘探、重力勘探、地震勘探和声波勘探等,金属矿地球物理勘探、石油地球物理勘探、煤田地球物理勘探、地热地球物理勘探和地下水地球物理勘探等,地面物探、航空地球物理勘探、海洋地球物理勘探、地下地球物理勘探,12.1地球物理勘探技术的种类及运用特点,12.1.1重力勘探,常用以探测盆地基底的起伏和断层构造等。一般用于区域普查阶段,是利用组成地壳的各种岩体、矿体间的密度差异所引起的地表重力加速度值的变化而进行地质勘探的一种方法。,12.1.2磁法勘探,地磁异常自然界的岩石和矿石具有不同磁性，可以产生各不相同的磁场，它使地球磁场在局部地区发生变化，出现地磁异常。,12.1.3磁法勘探,利用仪器发现和研究这些地磁异常，进而寻找磁性矿体和研究地质构造的一种方法。磁法勘探主要用来寻找和勘探有关矿产（如铁矿、铅锌矿、铜锦矿等）；进行地质填图；研究与油气有关的地质构造等问题；,12.1.4地震勘探,利用人工激发的地震波在弹性不同的地层内传播规律来勘探地下的地质情况的一种地球物理勘探方法。,地震勘探是勘探含油气构造甚至直接找油的主要物探方法；也可用于勘探煤田、盐岩矿床、个别的层状金属矿床以及解决水文地质工程等问题；,12.1.5声波勘探,通过探测声波在岩土内的传播特征来研究岩土性质和完整性的一种物探方法。对灾害地质体进行勘查,查明其构造及其有关物理力学参数(包括勘查断层、破碎带,预测岩爆等);对地质灾害防治工程施工过程进行监测及检测(包括检测岩体灌浆补强施工质量,检测地面混凝土构筑物强度等)。,根据岩石和矿石电学性质来找矿和研究地质构造的一种地球物理勘探方法。,12.1.6电法勘探,电法勘探主要用于寻找金属、非金属矿床；勘查地下水资源、圈定油气有利富集区。,12.2发展趋势,地球物理勘探技术正在向数字化、智能化、模块化方向发展,同时精度的提高是地球物理勘探发展的最重要因素。地球物理勘探技术与数控技术、信息技术、自动化技术、计算机技术紧密结合是未来发展趋势。CAD、CAT以及EDA电子设计自动化技术的采用，使物探仪器的研制周期大为缩短，加快了仪器的更新换代速度。地球物理勘探正应用于地球空间数据采集的各个行业，是地学发展的重要学科。,13钻探,采用钻探机具对深部的工程地质条件进行揭露的一种工作方法。它分为轻便钻探和钻探两种。轻便钻探利用洛阳铲、锥探和小螺纹钻等进行钻探的方法；钻探一般是利用大型钻机进行钻探的方法，常用的钻机是机械回转钻机。,13.1钻探过程,钻探过程包括三个基本程序：A破碎岩土：采用人力和机械方法，使小部分岩土脱离整体而成为粉末、岩土块或岩土芯，破碎一般是借助冲击力、剪切力、研磨和压力来实现的。B采取岩土：用冲洗液（或压缩空气）将孔底破碎的碎屑冲到孔外，或者用钻具（抽筒、勺形钻头、螺旋钻头、取土器、岩芯管等）靠人力或机械将孔底的碎屑或样心取出于地面。C保全孔壁：一般采用套管或泥浆来护壁。,13.2钻进方法,钻进方法有以下三种：A冲击钻进：采用底部圆环状的钻头，将钻具提升到一定高度，利用钻具自重，迅猛放落，钻具在下落时产生冲击动能，冲击孔底岩土层，使岩土达到破碎。B回转钻进：采用底部嵌焊有硬质合金的圆环状钻头进行钻进，钻进中施加钻压，使钻头在回转中切入岩土层，达到加深钻孔的目的。C振动钻进：采用机械动力所产生的振动力，通过连接杆和钻具传到圆筒形钻头周围土中。,D综合式钻进：综合冲击回转两种钻进方法；在钻进过程中，钻头钻取岩石时，施加一定的动力，对岩石产生冲击作用，使岩石的破碎速度加快，同时由于冲击力的作用使硬质合金刻入岩石深度增加，在回转中将岩石剪切掉。,13.3钻探技术装备,目前地勘队伍钻探技术装备主要有：钻机、泥浆泵、钻塔及相应的动力配备。其中钻机是关键。,国际上地质岩心钻机的发展经历了四个阶段:(1)20世纪60年代以前的手把操作机械型钻机;(2)60年代开始应用的液压立轴型钻机;(3)70年代开始应用的全液压顶驱型(动力头式)钻机；(4)90年代中期开始研发的自动化钻机。,13.3.1国际上地质岩心钻机的发展阶段,第一代-手把操作机械型钻机,第二代-LGZ-H120A型钻机,LGZ-H120A型钻机技术参数特征,LXZ-H120A型钻机一、使用范围：地质普查勘探、地球物理勘探、道路及高层建筑物基础勘察、水井、爆破孔等钻进工程二、技术参数：1、整机参数：钻孔深度.120m最大开孔直径.260mm终孔直径.75mm钻杆直径50mm钻孔倾角.9075钻机重量（不含动力）.570kg整机外形尺寸2.5*1*1.32.5*0.9*1.3m2、立轴立轴转速127、267、533r/min立轴行程450mm,3、卷扬机单绳最大起重量960kb单绳提升速度0.41、0.82、1.64m/s钢丝绳直径.12mm钢丝绳容量.27mm4.泥浆泵类型.卧式单缸双作用流量.95/77L/min柴油机.S1105型18HP电机.Y160M-411kw1440r/min最大压力.1.2Mpa工作压力.0.7Mpa进水管直径.40mm出水管直径32mm三角带.B1500mm,第二代-LGZ-H160A型钻机,LGZ-H160A型钻机技术参数特征,一、使用范围：地质普查勘探、地球物理勘探、道路及高层建筑物基础勘察、水井、爆破孔等钻进工程二、技术参数：1、整机参数：钻孔深度.160m最大开孔直径.500mm终孔直径.75mm钻杆直径50mm钻孔倾角.9075钻机重量（不含动力）.810kg整机外形尺寸：2.75*0.95*1.452.75*0.9*1.45m2、立轴立轴转速64、128、287、557r/min立轴行程450mm,3、卷扬机单绳最大起重量1600kb单绳提升速度17、35、75、151m/s钢丝绳直径.14mm钢丝绳容量.35mm4.泥浆泵类型.卧式单缸双作用流量.170L/min柴油机.S1105型18HP电机.Y160M-415kw1440r/min最大压力.1.5Mpa工作压力.0.7Mpa进水管直径.40mm出水管直径30mm三角带.B1728mm,第三代-HYDX-6型全液压岩芯钻机,采用绳索取芯金刚石钻探技术的全液压动力头式岩芯钻机已成为发达国家用于固体矿床勘探的主导机型，也成为当前我国钻探技术与装备发展的主导趋势。在这种趋势下，根据中国的国情，成功开发出HYDX-6岩芯钻机，该钻机可替代进口，适用于地质、冶金、煤炭、石油、天然气、地下水等行业。,HYDX-6型全液压岩芯钻机技术特征参数,第四代-威猛D300500自动化钻机,威猛制造公司制造的D300 x500水平导向钻机，结合大型钻机与高效率的设计、灵活性、可运输性于一身，回拖力达到300,000磅，拥有能容纳两人及可集中控制的全天候操作室的钻机，适用于正在大量增长的大管线施工。D300 x500集动力齿轮箱、操作室、起重机、齿轮齿条型的机架于一体；设计扭矩为：50,000英尺磅(67,800Nm)，推进回拖力为：300,000磅(136,077kg)。D300 x500的设计形式减少了支撑设备，提高了操作效率。包括运输、钻进控制、起重机操作及泥浆液的控制等所有的功能，全部通过操作室来控制。,技术参数：尺寸：16.25米(长)x2.54米(阔)x3.40米(高)重量：40,809千克最大扭矩：50,000英尺磅(67,800牛吨米)回拖力：300,000磅(136吨)地面行走速度：4.83公里/小时动力系统：525HP(391kw)Caterpillar发动机燃料容量：795升钻杆：锻造钻杆，或最长可达10.36米的石油钻杆操作模式：自动化,由于全液压顶驱型钻机具有钻探效率高、劳动强度低、并适宜实现多种钻探工艺等优点,目前,许多国家已经普遍地将这种第三代岩心钻机运用于矿产勘查