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      【西安市和源水利工程勘測設計】分享:工程地質勘探任務及方法

      2023-05-22

      (一)工程地質勘探的任務

      工程地質勘探一般在工程地質測繪的基礎上進行。它可以直接深入地下巖層取得所需的工程地質條件資料,是探明深部地質情況的可靠的方法。工程地質勘探的主要方式有工程地質鉆探、坑探和物探,其主要任務為:

      1、探明建筑場地的巖性及地質構造,即以及各地層的厚度、性質及其變化;劃分地層并確定其接觸關系;以及基巖的風化程度、劃分風化帶;研究巖層的產狀、裂隙發育程度及其隨深度的變化;研究褶皺、斷裂、破碎帶以及其他地質構造的空間分布和變化。

      2、探明水文地質條件,即含水層、隔水層的分布、埋深、厚度、性質及地下水位。

      3、探明地面及物理地質現象,包括河谷階地、沖洪積扇、坡積層的位置和土層結構;溶巖的規模及發育程度;滑坡及泥石流的分布、范圍、特性等。

      4、提取巖土樣及水樣,提供野外試驗條件。從鉆孔或勘探點去巖土樣或水樣,提供室內試驗、分析、鑒定之用??碧剿纬傻目涌卓蔀楝F場原位試驗提供場所和條件。

      (二)工程地質勘探的方法

      1、工程地質坑、槽探

      坑、槽探是在建筑場地挖探井或探槽以取得直觀資料和原狀土樣,這是一種不使用專用機具的常用勘探方法。當場地地質條件比較復雜時,利用坑探可以直接觀測地層的結構和變化,但坑探可達的深度較淺??犹降姆N類有探槽、探坑和探井。

      在工程地質勘察中,常用的坑、槽探主要有坑、槽、井、洞等幾種類型,見表1-1。

      工程地質勘探中坑、槽、洞的類型 表1-1

      類型

      特點

      用途

      試坑

      數十厘米的小坑,形狀不定

      局部剝除地表覆土,揭露基巖

      淺井

      從地表向下垂直,斷面呈圓形或方形,深5~15m

      確定覆蓋層及風化層的巖性及厚度,取原狀樣,載荷試驗,滲水試驗

      探槽

      在地表垂直巖層或構造線挖掘成深度不大的(小于3~5m)長條形槽子

      追索構造線、斷層、探查殘積坡積層,風化巖石的厚度和巖性

      豎井

      形狀與淺井同,但深度可超過20m以上,一般在平緩山坡、漫灘、階地等巖層較平緩的地方,有時需要支護

      了解覆蓋層厚度及性質,構造線、巖石破碎情況、巖溶、滑坡等,巖層傾角較緩時效果較好

      平洞

      在地面有出口的水平通道,深度較大,適用較陡的基巖巖坡

      調查斜坡地質構造,對查明地層巖性、軟弱夾層、破碎帶、風化巖層時,效果較好,還可取樣或作原位試驗

      探槽是在挖掘成長條形且兩壁常為傾斜上寬下窄的槽子,其斷面有梯形或階梯型兩種。較深的探槽兩壁要進行必要的支護以策安全。探槽一般在覆蓋土層小于3.0m時使用。它適用于了解地質構造線、斷裂破碎帶寬度、地層分界線、巖脈寬度及其延伸方向和采取原狀土試樣等。

      凡挖掘深度不大且形狀不一的坑,或成矩形的較短的探槽狀的坑為探坑。探坑的深度一般為1.0~2.0m,與土層的目的相同。

      探井一般深度都大于3.0m,其斷面形狀為方形、矩形和圓形。圓形探井在水平方向能承受較大的側壓力,比其他形狀的探井安全。

      坑探中采取原狀土樣可按照以下步驟進行:首先在井底或井壁的指定深度處挖一土柱,土柱的直徑必須大于土筒的直徑,將土柱頂面削平,套上兩端開口的金屬筒并削去筒外多余的土,一面削土一面將筒壓入,直到筒**套入土柱體后切斷土體柱。然后削去兩端多余的土體,該上筒蓋,用熔蠟密封后貼上標簽并注明土柱的上下方向、編號等即完成取樣工作。

      2、鉆探

      (1)工程地質鉆探的概念

      工程地質鉆探是獲取地表下準確的地質資料的重要的方法,而且通過鉆探的鉆孔采取原狀巖土樣和做現場力學試驗也是工程地質鉆探的任務之一。

      鉆探是指在地表下用鉆頭鉆入地層的勘探方法。在地層內鉆成直徑較小并具有相當深度的圓通形孔眼的孔稱為鉆孔。通常將直徑大于等于800mm以上的鉆孔稱為大直徑鉆井。鉆孔的要素如圖所示。鉆孔上部口徑較大,下部口徑較小,成階梯狀。鉆孔的上部為孔口,底部為孔底;四周側壁為孔壁。鉆孔斷面的直徑為孔經;由大孔經改為小孔經稱換經。從孔口到孔底的距離為孔深。

      1-孔口;2-孔底;3-孔壁;4-孔經;5-換經;6-孔深

      (2)鉆探過程和鉆進方法

      根據自然條件的復雜性以及工程要求選擇鉆探設備和鉆進方法。鉆機一般分為回轉式和沖擊式兩種?;剞D式鉆機是利用鉆機的回轉器帶動鉆具旋轉,磨消孔底地層而鉆進,通常使用管狀鉆具,能取柱狀巖芯樣品。沖擊式鉆機則利用卷揚機借鋼絲繩帶動有**重量的鉆具上下反復沖擊,使鉆頭擊碎孔底地層而形成鉆孔后用抽筒提取巖石碎塊或擾動土樣。針對不同的巖石及地層條件,可選取不同的鉆進方式、鉆機與鉆具。

      鉆探過程中有三個基本程序:

      破碎巖土:在工程地質鉆探中廣泛采用人力和機械方法,使小部分巖土脫離整體而成為粉末、巖土塊或巖土芯的現象,叫做破碎巖土。巖土的破碎是借助于沖擊力、剪切力、研磨和壓力來實現的。

      采取巖土:用沖洗液(或壓縮空氣)將破碎的碎屑沖到孔外,或者用鉆具(抽筒、勺形鉆頭、螺旋鉆頭、取土器、巖芯管等)靠人力或機械將孔底的碎屑或樣芯取出于地面。

      保全孔壁:為了順利地進行鉆探工作,必須保護好孔壁,不使其坍塌。一般使用套管和泥漿來護壁。

      工程地質鉆探可根據巖土破碎的方式,將鉆進的方法分為以下四種:

      沖擊鉆進

      沖擊鉆進法采用底部圓環狀鉆頭。鉆進時將鉆具提升到**高度,利用鉆具自重,迅猛放落,鉆具在下落時產生沖擊動能,沖擊孔底巖土層,使巖土層達到破碎之目的而加深鉆孔。

      回轉鉆進

      回轉鉆進法采用底部嵌焊有硬質合金的圓環狀鉆頭進行鉆進。鉆進中施加鉆壓,使鉆頭在回轉中切入巖土層,達到加深鉆孔的目的。在土質地層中鉆進,有時為有效地完整地揭露標準地層,還可以采用勺形鉆鉆頭進行鉆進。

      沖擊-回轉鉆進

      沖擊-回轉鉆進綜合了前兩種鉆進方法在地層鉆進中的優點,以達到提高鉆進效率的目的。其工作原理是:在鉆進過程中,鉆頭克取巖石時,施加**的動力,對巖石產生沖擊作用,使巖石的破碎速度加快,破壞粒度比回轉剪切粒度增大。同時由于沖擊力的作用使硬質合金刻入巖石深度增加,在回轉中將巖石剪切掉。這樣就大大提高了鉆進的效率。

      工程地質鉆探工作概況 表1-2

      鉆探方法

      主要鉆具

      使用條件

      優點

      缺點

       

      沖擊鉆探

      人力

      洛陽鏟、鋼絲繩鉆探、錘擊鉆探

      碎石土、砂土、粘性土、軟質巖石

      設備簡單經濟,能準確了解含水層

      勞動強度大,難以取得完整巖芯,孔深較淺

      機械

      CZ-20C型

      CZ-22C型

      CZ-30C型

      除上述巖土外,還可用于堅硬巖層

      可鉆進其他方法難以鉆進的漂石及大卵石土

      不能取完整巖芯,無法鉆斜孔

       

      回轉鉆探

      人力

      螺旋鉆、勺鉆

      均勻砂、粉土及粘土

      設備簡單,能采取試樣

      勞動強度大,孔深較淺

      機械

      硬合金鋼粒鉆頭

      XJ-100型

      UX300-2A型

      SGZI-III型

      XY2-3型

      YDC-100型

      除漂石、大卵石以上的各種硬度的巖石和土

      巖石采取率高,能取巖樣,可鉆斜孔,可做孔內各種試驗

      硬合金只適用VIII級硬度以下巖石,鋼粒鉆進孔壁不宜均勻平整,機具較重

      金剛石鉆頭

      XY-IA型等

      鉆進VIII級硬度以上的最堅硬巖層**

      鉆孔質量好,巖芯采取率高,機具較輕

      在軟弱和破碎巖層應慎重使用,一般不適用于漂石、卵石層

       

      沖擊-回轉鉆探

      SH30-2型

      碎石土、砂土、粉土、粘性土

      鉆進效率較高、適用于各種土體

      孔深較淺,設備較復雜

       

      沖擊-回轉-振動鉆探,復合鉆探

      G1-G3系列型

      GYC150型

      GJD-2型

      JK-1型

      上述土層以及不太堅硬的基巖

      半液壓傳動、回轉、沖擊、振動鉆具等功能齊全,可靜壓取土

      大部分鉆具孔深較淺,堅硬巖層不適用

       

      沖擊-回轉-振動鉆進

      沖擊-回轉-振動鉆進綜合了前三種鉆進方法在地層鉆進中的優點,以達到提高鉆進效率的目的。采用機械動力所產生的振動力,通過連接桿和鉆具傳到圓筒形鉆頭周圍土中。由于震動器高速振動的結果,圓筒鉆頭依靠鉆具和振動器的重量使得土層更容易被切削鉆進,切鉆進速度較快。

      (3)鉆孔地質柱狀圖

      鉆孔地質柱狀圖是表示該鉆孔所穿過的地層而綜合成圖表表示(表1-3)。圖中表示有地質年代、土層埋藏深度、土層厚度、土層底部的**標高、巖土的描述、柱狀圖、地面**標高、地下水水位和測量日期、巖土怎樣選取位置等。柱狀圖的比例尺一般為1:100—1:500。

      鉆孔柱狀圖表 表1-3

      孔號:ZK1 孔口高程

      地質年齡

      埋藏深度

      土層厚度

      土層低部的**標高

      巖石描述

      柱狀圖比例尺1:100

      水位和測量日期

      土樣位置(m)

         

      出現

      穩定

                 
                         
                         
                         
                         
                         
                         
                         

      原狀土樣的概念

      工程地質鉆探的主要任務之一是在巖土層中采取巖芯或原狀土試樣。在采取試樣過程中應該保持試樣的天然結構,如果試樣的天然結構已受到破壞,則此試樣已受到擾動,這種試樣稱為“擾動樣”,在工程地質勘察中是不容許的。除非有明確說明另有所用,否則次擾動試樣作廢。由于土工試驗所得出的土性指標要保證可靠,因此工程地質勘察中所取得的試樣必須是保留天然結構的原狀試樣。原狀試樣有巖芯試樣和土試樣。巖芯試樣由于其堅硬性,其天然結構難于破壞,而土試樣則不同,它很不容易被擾動。因此,采取原狀土試樣是工程地質勘察中的一項重要技術。但是在實際工程地質勘察的鉆探過程中,要取得**不擾動試樣是不可能的。造成土試樣擾動有三個原因:一是外界條件引起的土試樣的擾動,如鉆進工藝、鉆具選用、鉆壓、鉆速、取土方法選擇等。若在選用上不夠合理時,都能造成其土質的天然結構被破壞。二是采樣過程造成的土體中應力條件發生了改變,引起圖樣內的質點間的相對位置位移和組織結構的變化,甚至出現質點間的原由粘聚力的破壞。三是采取土樣時,需用取土器采取。但不論采用何種取土器,它都有**的壁厚、長度和面積。當切如土層時,會使土樣產生**的壓縮變形。壁愈厚所排開土體愈多,其變形量愈大,這就造成土樣更大的擾動。從上述可見,所謂原狀土試樣實際上都不可避免地遭到了不同程度的擾動。為此,在采取土試樣過程中,應力求減小對試樣的擾動,要盡力排除各種可能增大擾動量的因素。

      按照取樣方法和試驗目的,巖土工程勘察規范對土試樣的擾動程度分成如下的質量等級:

      **--不擾動,可進行試驗項目有:土類定義、含水量、密度、強度系數、變形參數、固結壓密系數。

      二級――輕微擾動,可進行的試驗項目有:土類定義、含水量、密度。

      三級――顯著擾動,可進行的試驗項目有:土類定義、含水量。

      四級――**擾動,可進行的試驗項目有:土類定義。

      在鉆孔取樣時,采用薄壁取土器所采得的土樣定為一~二級;對于采用中厚壁或厚壁取土器所采得的土樣定為二~三級;對于采用標準貫入器、螺紋鉆頭或巖芯鉆頭所采得的粘性土、粉土、砂土和軟巖的試樣皆定義為三~四級。

      從上可見,為取得**質量的土試樣,普遍采用薄壁取土器來采取,以滿足土工試驗**的物理力學參數的正確獲得。

      減少土試樣擾動的注意事項

      為保證土樣少受擾動,采取土試樣的前后及過程中應注意如下事項:

      合理的鉆進方法是保證取得不擾動土樣的**前提。也就是說,鉆進方法的選用首先應著眼于確??椎讛M取土樣不被擾動。這一點幾乎對任何種土樣都適用,而對結構敏感或不穩定的土層尤為重要。從**外的經驗看,主要有以下幾點要求:

      1)在結構性敏感土層和較疏松砂土層中需采用回轉鉆進,而不得采用沖擊鉆進;

      2)以泥漿護孔,可以減少擾動。并注意在孔中保持足夠的靜水壓力,防止因孔內水位過低而導致孔底軟粘性土或砂層產生松動或涌起;

      3)取土鉆孔的孔徑要適當,取土器與孔壁之間要有**的距離,避免下放取土器時切削孔壁,擠進過多的廢土。尤其在軟土鉆孔中,時有縮徑現象,則更需加大取土器與孔壁的間隙。鉆孔應保持孔壁垂直,以避免取土器切刮孔壁;

      4)取土前的一次鉆進不宜過深,以免下部擬取土樣部位的土層受擾動。并且在正式取土前,把已受**程度擾動的孔底土柱清理掉,避廢土過多,取土器頂部擠壓土樣;

      5)取土深度和進土深度等尺寸,在取土前都應丈量準確。

      取土過程中,如提升取土器、拆卸取土器等每個操作工序,均應細致穩妥,以免造成擾動。

      取出的土應及時用蠟密封,并注明上下,貼上標簽,作好記錄;

      另外(即除了鉆探過程的問題外),在土樣封存、運輸和開工做試驗時,都應注意避免擾動。嚴防振動、日曬、雨淋和凍結。

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