工程地质勘探与取样1分解

主要内容勘探岩土取样第6章工程地质勘探与取样概述岩土工程实践是在地壳表层某一深度范围内进行的，因此须查明这一深度范围内岩土体的空间分布状况及其工程性质以及地下水等条件。工程地质测绘主要是调查建筑场地工程地质条件在地表的特征，并藉以推断地下的状况。工程地质勘探是在工程地质测绘基础上，为进一步查明地表以下工程地质状况，如岩土层的空间分布及变更状况、地下水的埋深和类型以及对岩土参数开展原位测试时须要进行的工作。6.1

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（1/22）岩土工程勘探的手段岩土工程勘探常用的手段有钻探、井探、槽探、洞探、触探、坑探以及地球物理勘探等多种方法。钻探和坑探工程是干脆勘探手段，能较牢靠地了解地下地质状况。钻探工程是运用最广泛的一类勘探手段，普遍应用于各类工程的勘探；由于它对一些重要的地质体或地质现象有时可能会误判、遗漏，所以也称它为“半干脆”勘探手段。坑探工程勘探人员可以在其中视察编录，以驾驭地质结构的微小环节；但是重型坑探工程耗资高，勘探周期长，运用时应具经济观点。地球物理勘探简称物探，是一种间接的勘探手段，它可以简便而快速地探测地下地质状况，且具有立体透视性的优点。但其勘探成果具多解性，运用时往往受到一些条件的局限。6.1

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（2/22）钻探概念：钻探是指用确定的设备、工具（即钻机）来裂开地壳岩石或土层，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）的过程。意义：岩土工程勘察的基本手段，其成果是进行工程地质评价和岩土工程设计、施工的基础资料。目的：解决与建筑物（构筑物）有关的岩土体稳定问题、变形问题、渗漏问题供应资料。6.1

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（3/22）钻探的任务随着勘察阶段的不同而不同：探察建筑场区的地层岩性、岩层厚度变更状况，查明懦弱岩土层的性质、厚度、层数、产状和空间分布；了解基岩风化带的深度、厚度和分布状况；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更的状况；查明地下含水层的层数、深度及其水文地质参数；利用钻孔进行灌浆、压水试验及土力学参数的原位测试；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）。6.1

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（4/22）钻探的基本程序（三个基本程序）①裂开岩土钻进过程中接受人力或机械力（绝大多数状况下接受机械钻进），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裂开岩土。在孔底将岩土全部裂开成粉末或小块的钻进方法称为“全面钻进”。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”。②实行岩土芯或解除裂开岩土分为三种方法：一是接受机械的方法，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，将裂开的岩屑、土块输送到地表。6.1

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（5/22）③加固孔壁：防止孔壁坍塌。加固的方法有三种：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、黏土，化学材料有混入循环液中的泥浆处理剂，还有如干脆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人钻孔中以支撑孔壁，这种方法虽然牢靠，但成本较高。6.1

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（6/22）钻探钻进方法①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之目的。它又包括冲击钻探和锤击钻探。②回转钻进：此法接受底部焊有硬质合金的圆环状钻头进行钻进，钻进时一般要施加确定的压力，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。③振动钻进：接受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裂开岩土层，因而钻进较快。适合于在土层中，特殊是颗粒组成相对细小的土层中接受。④冲洗钻进：利用高压水流冲击孔底土层，使之结构破坏，土颗粒悬浮并最终随水流循环流出孔外的钻进方法。由于是靠水流干脆冲洗，因此无法对土体结构及其他相关特性进行视察鉴别。6.1

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（8/22）SH-30-2A型钻机6.1

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（9/22）钻探方法的适用范围浅部土层可接受下列方法钻探：小口径麻花钻钻进；小口径勺形钻钻进；洛阳铲钻进。6.1

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（10/22）洛阳铲

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（11/22）钻孔口径及规格要求钻孔口径应依据钻探目的和钻进工艺确定，应当满足取样、原位测试的要求。对要实行原状土样的钻孔，口径不得小于91mm;对仅需鉴别地层岩性的钻孔，口径不宜小于36mm;在湿陷性黄土中的钻孔，钻孔口径不宜小于150mm.在确定了钻孔口径后，可依据教材P67表6-2确定钻具的规格。6.1

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（12/22）钻进方法的要求①对要求鉴别地层和取样的钻孔，均应接受回转钻进（钻头以旋转方式全面或环状切削岩土体的钻进方法）以取得岩土样品。遇到卵石、漂石、碎石、块石等不适合回转钻进的土层时，可改用振动回转方式钻进。②在地下水位以上土层中应进行干钻，不得运用冲洗液，不得向孔内注水，但可接受能隔离冲洗液的二重或三重管钻进取样③钻进岩层宜接受金刚石钻头，对软质岩层及风化裂开带应接受双层岩芯管钻头钻进。须要测定岩石质量指标RQD时应接受外径75mm的双层岩芯管钻头④在湿陷性黄土中必需接受螺旋钻头钻进取芯钻头螺旋钻头6.1

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（13/22）钻孔护壁对可能坍塌的地层应实行钻孔护壁措施：在浅部填土及其他松散土层中可接受套管护壁；在地下水位以下的饱和软粘土土层、粉土层及砂层中宜接受泥浆护壁；在裂开岩层中可视须要接受优质泥浆、水泥浆或化学浆液护壁。冲洗液严峻漏失时，应实行充填封闭等堵漏措施6.1

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（14/22）钻探的其它一些技术要求：1.钻孔垂直度限制2.进尺限制3.孔深与分层限制4.岩芯实行率要求5.水位观测等6.1

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（15/22）名称特点用途试坑深数十厘米的小坑，形状不定局部剥除地表覆土，揭露基岩浅井从地表向下垂直，断面呈圆形或方形，深5-15m确定覆盖层及风化层的岩性及厚度，取原状土样，进行载荷试验、渗水试验等探槽在地表垂直岩层走向或构造线方向挖掘成深度不大（小于3-5m）的长方形槽子追索构造线、断层、探察残积坡积层及风化岩层的厚度和岩性竖井形状与浅井相同，但深度可超过20m，一般在平缓山地、漫滩、阶地等岩层较平缓的地方，有时需要进行支护了解覆盖层的厚度及性质、构造线、岩石破碎情况，岩溶、滑坡等，对岩层倾角较缓时效果较好岩土工程勘探中常用的坑、槽、洞类型及特点6.1

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（16/22）名称特点适用条件平洞在地面有出口的水平坑道，深度较大，适用于岩层产状较陡的基岩岩层探察调查斜坡地质构造，对查明地层岩性、软弱夹层、破碎带、风化岩层效果较好，也可以进行取样或作原位试验续：岩土勘探中常用的坑、槽、洞类型及特点6.1

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（17/22） 地球物理勘探概念：地球物理勘探简称物探,它是基于不同的地层岩性、不同的地质单元具有不同的物理学性质的特点，以地球物理的方法来探测地层的分界线、面及地质构造线面以及异样点(区域)的探察方法。基本原理：由于地质体具有不同的物理性质(导电性、弹性、磁性、密度、放射性等)和不同的物理状态(含水率、空隙性、固结程度等),它们为利用物探方法探讨各种不同的地质体和地质现象供应了物理前提。所探测的地质体各部分之间以及该地质体与四周地质体之间的物理性质和物理状态差异愈大,就愈能获得比较满足的结果。工程物探：应用于岩土工程勘察中的物探

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（18/22）物探的种类及其适用范围具体方法有很多种，主要可分为以下几大类：电法勘探、磁法勘探、重力勘探、地震勘探、放射性勘探、井中地球物理测量（也叫地球物理测井）以及地球物理遥感测量等。在岩土工程勘察中运用最普遍的是电阻率法和地震折射波法。此外,近年来地质雷达和声波测井的运用效果也较好。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更,从而推断地质体性状的方法。地震勘探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（＜200～300Hz）地震波浅层折射法,可以探讨深度在100m以内的地质体。6.1

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（19/22）地质雷达是沟通电法勘探中的一种方法。基本原理：沿用对空雷达的原理,由放射机放射脉冲电磁波,其中一部分是沿着空气与介质(岩土体)分界面传播的直达波,经过时间t0后到达接受天线,为接收机所接收。另一部分传入介质内,在其中若遇电性不同的另一介质体(如其他岩土体、洞窟等)，就发生反射和折射,经过时间ts后回到接收天线,称为回波。依据所接收到两种波的传播时间来推断另一介质体的存在并测算其埋藏深度。优点：辨别实力强,判释精度高。它对探查浅部介质体,如覆盖层厚度、基岩强风化带埋深、溶洞及地下洞室和管线位置等,效果尤佳。6.1

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（20/22）声波测井概念：利用岩土的传送声波速度或其他声学特性来探讨钻井的地质剖面，推断固井质量的一种测井方法。基本原理：声波在不同介质中传播时，速度、幅度及频率的变更等声学特性也不相同。应用：可以充分利用已有的钻井,结合地质调查查明地层岩性特征,进行地层划分；确定懦弱夹层的层位及深度；了解基岩风化壳的厚度和特征,进行风化壳分带；找寻岩溶洞窟和断层裂开带；6.1

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（21/22）物探方法的综合应用各种物探方法的运用都有确定的局限性,而大多数勘察场地又都存在着显示相同物理场的多种地质体并存的条件,用单一的物探方法说明异样比较困难。可在同一剖面、同一测网中用两种以上的物探方法共同工作,将数据资料相互印证,综合分析,就有利于解除干扰因素,以提高说明的置信度。6.1

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（22/22）取样是为给岩土特性进行鉴定和各种室内试验供应所须要的样品而进行的工作。关于试样的代表性：从取样角度来说，需考虑取样的位置、数量和技术问题。岩土体一般为非均质体，其性状指标是确定空间范围的随机变量。因此取样的位置在确定的单元体内应力求在不同方向上匀整分布，以反映趋势性的变更。样本的数量：关系到总体特性指标(包括均值、方差及置信区间)估计的精确度和牢靠度。考虑到取样的成本，须要从技术和经济两方面权衡，合理地确定取样的数量。岩土样品的用途：依据勘察设计要求，不同试样的用途是不一样的。例如，有的试样主要用于岩土分类定名；有的主要用于探讨其物理性质；而有的除上述外，还要探讨其力学性质。为了保证所取试样符合试验要求，必需接受合适的取样技术。6.2岩土取样（1/19）土样的扰动问题土样的质量实质上是土样的扰动问题；土样扰动表现在原位应力状态、含水率、结构和组成成分等方面的变更，它们产生于取样之前，取样之中以及取样之后直至试样制备的全过程之中；土样扰动对试验成果的影响是多方面的，使之不能精确表征实际的岩土体；从理论上讲，除了应力状态的变更以及由此引起的卸荷回弹是不行避开的之外，其余的都可以通过适当的取样器具和操作方法来克服或减轻。事实上，完全不扰动的真正原状土样是无法取得的。“原状土样”与“扰动土样”：是指能保持原有的自然结构未受破坏的土样为“原状土样”。相应地，假如试样的自然结构已遭遇破坏，则称为“扰动土样”。6.2岩土取样（2/19）级别扰动程度试验内容Ⅰ不扰动土类定名、含水率、密度、压缩变形、抗剪强度Ⅱ轻微扰动土类定名、含水率、密度Ⅲ显著扰动土类定名、含水率Ⅳ完全扰动土类定名土样质量等级划分依据取样方法和试验目的的不同，《岩土工程勘察规范》对土样质量作出了定性的四级划分，并规定了各级土样能够进行的试验项目此外，还要考虑土层特点、操作水平和地区阅历，来推断所取土样是否达到了预期的质量等级。6.2岩土取样（3/19）土样扰动程度的确定具有确定难度，须要综合多方面的因素进行；一般而言，可依据下列几个方面来确定：①现场外观检查:视察土样是否完整，有无缺失，取样管或衬管是否挤扁、弯曲、卷折等；②测定回收率:回收率＝L/H,H是指取样时取样器贯入孔底以下土层的深度；L是指土样长度，可取土试样毛长，即可从试样顶端算至取土器刃口，下部如有脱落可不扣除。回收率等于0.98左右是最志向的，大于或小于1是土样受扰动的标记;③射线检验:可发觉土样裂纹、孔洞及粗粒包袱体等土样可能受到扰动的标记。④室内试验评价:由于土的力学性质参数对试样的扰动特殊敏感，土样受扰动的程度可以通过力学性质试验反映出来，最常见的试验判别方法有两种：一是依据应力-应变关系评价;二是依据压缩曲线特征评定。6.2岩土取样（4/19）钻孔取土器的分级分类两种基本取样方法：一是从探井、探槽中干脆刻取土样；二是用钻孔取土器从钻孔中实行。即用钻孔取土器采样的方法钻孔取土器分级：按适合的土样质量等级分为Ⅰ、Ⅱ两级，Ⅰ级又分为两个亚级，具体内容可见下表：6.2岩土取样（5/19）取土器的种类：繁多取土器划分原则取土器类型按贯入方式锤击式、回转式包括静压式按取样管壁厚度厚壁、薄壁、束节式按结构特征（底端是否封闭）敞口式、活塞式（包括固定活塞式、自由活塞式、水压固定活塞式）回转式按衬管活动情况双层单动取土器（如丹尼森取土器、皮切尔取土器）双层双动取土器（二重管、三重管）按封闭形式球阀式、活阀式、气压式6.2岩土取样（6/19）贯入式取土器贯入式取土器取样时，接受击入或压入的方法将取土器贯入土中。这类取土器又可分为敞口取土器和活塞取土器两类。敞口取土器按取样管壁厚分厚壁、薄壁和束节式三种；活塞取土器又有固定活塞、水压固定活塞、自由活塞等几种。固定活塞薄壁取土器1-固定活塞:2-薄壁取样管;3-活塞杆；4-消退真空杆；5-固定螺钉敞口薄壁取土器1-球阀;2-固定螺钉；3-薄壁取样管6.2岩土取样（7/19）回转式取土器回转式取土器的基本结构与岩心钻探的双层岩心管相同，分为单动和双动两类。单动三重管取土器和双动三重管取土器。回转式取土器可实行较坚硬、密实的土类以至软岩的样品。单动型取土器适用于软塑～坚硬状态的粘性土和粉土、粉细砂土，土样质量Ⅰ-Ⅱ级。双动型取土器适用于硬塑～坚硬状态的粘性土、中砂、粗砂、砾砂、碎石土及软岩，土样质量亦为Ⅰ-Ⅱ级。双动二重(三重)管取土器1-外管;2-内管(取样管及衬管);3-外管钻头;4-内管钻头;5-取土器头部;6-逆止阀6.2岩土取样（8/19）钻孔取土器基本技术参数取样管直径(D)面积比(Ca)内间隙比（Ci）外间隙比（C0）取样管长度(L)刃口角度(α)①取样管直径(D)目前土试样的直径多为50mm或80mm,考虑到边缘的扰动，相应地宜接受内径(De)为75mm及100mm的取样管。对于饱和软粘土、湿陷性黄土等某些特殊土类，取样管直径还应更大些。6.2岩土取样（9/19）2、面积比(Ca)对于无管靴的薄壁取土器，Dw=Dt，Ca值愈大，土样被扰动的可能性愈大。一般实行高质量土样的薄壁取土器，其Ca10%，实行低级别土样的厚壁取土器Ca值可达30%。3、内间隙比（Ci）

Ci的作用是减小取样管内壁与土样间因摩擦而引起对土样的扰动，Ci的最佳值随着土样的直径的增大而减小。国内生产的各种取土器Ci值为0-1.5%。6.2岩土取样（10/19）4、外间隙比（C0）C0的作用是减小取样管外壁与土层的摩擦，以使取土器能顺当入土。国内生产的各种取土器C0值为0-2%。5、取样管长度(L)与直径取样管长度要满足各项试验的要求。考虑到取样时土样上、下端受扰动以及制样时试样破损等因素，取样管长度应较实际所需试样长度要大些。关于取样管的直径与长度，有两种不同的设计思路。一种主见短而粗，一种主见长而细；二者优缺点互补。中国过去沿用前苏联短而粗的标准。但目前国际比较通用的是长而细的一种，它能满足更多试验项目的要求。6.2岩土取样（11/19）6、刃口角度(α)α也是影响土样质量的重要因素。该值愈小则土样的质量愈好。但是α过小，刃口易于受损，加工处理技术和对材料的要求也更高，势必提高了成本。国内生产的取土器α值一般为50-100。单倾斜刃口双倾斜刃口注：规范对每一种取土器的尺寸外形作了规定，具体请见教材P75表6-9及表6-10，此略。6.2岩土取样（12/19）钻孔取样时的钻进要求土样质量的优劣，不仅取决于取土器具，还取决于取样全过程的各项操作是否恰当。(1)运用合适的钻具与钻进方法。一般应接受较平稳的回转式钻进。若接受冲击、振动、水冲等方式钻进时，应在预料取样位置1m以上改用回转钻进。在地下水位以上一般应接受干钻方式。(2)在软土、砂土中宜用泥浆护壁。若运用套管护壁，应留意旋入套管时管靴对土层的扰动，且套管底部应限制在预料取样深度以上大于3倍孔径的距离。(3)应留意保持钻孔内的水头等于或稍高于地下水位，以避开产生孔底管涌，在饱和粉、细砂土中尤应留意。6.2岩土取样（13/19）钻孔取样时的取样要求(1)到达预料取样位置后，要细致清除孔底浮土。孔底允许残留浮土厚度不能大于取土器废土段长度。清除浮土时，需留意不致扰动待取土样的土层。(2)下放取土器必需平稳，避开侧刮孔壁。取土器入孔底时应轻放，以避开撞击孔底而扰动土层。(3)贯入取土器力求快速连续，最好接受静压方式。如接受锤击法，应做到重锤少击，且应有导向装置，以避开锤击时摇摆。饱和粉、细砂土和软粘土，必需接受静压法取样。(4)当土样贯满取土器后，在提升取土器前应旋转2至3圈，也可静置约10min，以使土样根部与母体顺当分别，削减逃土的可能性。提升时要平稳，切忌陡然升降或碰撞孔壁，以免失落土样。6.2岩土取样（14/19）钻孔原状土样的实行方法土样的实行方法指将取土器压入土层中的方式及过程。实行方法应依据不同地层、不同设备条件来选择。①连续压入法：也称组合滑轮压入法，即接受一组组合滑轮装置将取土器一次快速的压入土中。能够使得土样较好的保持其原状结构，土样的边缘扰动很小甚至几乎看不到扰动的痕迹。在软土层中应尽量用此法取样。②断续压入法：即取土器进入土层的过程不是连续的，而是要通过两次或多次间歇性压人才能完成的，仅在连续压入法无法压入的地层中接受。③击入法：在较硬或坚硬土层中采样时接受。它接受吊锤打击钻杆或取土器进行土样的实行，又分上击式和下击式两种。④回转压入法：机械回转钻进时可用回转压入式取土器（双层取土器）实行深层坚硬土样或砂样。取土时，外管旋转刻取土层，内管承受轴心压力而压入取土。6.2岩土取样（15/19）探井、探槽取样的一般要求土样容器要求：探井、探槽中实行的原状土