第三章工程地质勘探与取样要点.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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( 200 Hz300Hz) 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
6、 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
7、(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
8、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
9、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
10、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。 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
11、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
12、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:
13、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 (JGJ872012)对钻孔的记录和编录作
14、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
15、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
16、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 (JGJ872012)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
17、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
18、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
19、层之间的接触关系等地质结构,并能取出接近实际的原状 结构的岩土样或进行现场原位测试。 其特点是:勘察人员能直接观察到地质结构,准确可靠,且 便于素描;可不受限制地从中采取原状岩土样和用作大型原位测 试。尤其对研究断层破碎带、软弱泥化夹层和滑动面( 带) 等的空 间分布特点及其工程性质等,具有重要意义。 坑探工程的缺点是: 使用时往往受到自然地质条件的限制, 耗费资金大而勘探周期长;尤其是重型坑探工程不可轻易采用。 二、坑探工程的类型和适用条件 岩土工程勘探中常用的坑探工程有:探槽、试坑、浅井、竖 井( 斜井) 、平硐和石门 ( 平巷) 。其中前三种为轻型坑探工程,后 三种为重型坑探工程。 现将
20、不同坑探工程的特点和适用条件列于表33 中 各种坑探工程的特点和适用条件表 33 名称特点适用条件 探槽 在地表深度小于 3m 的长条形槽 子 剥除地表覆土,揭露基岩,划分地层岩性,研究断 层破碎带;探查残坡积层的厚度和物质、结构 试坑 从地表向下,铅直 的 、 深 度 小 于 3m 的圆形或方 形小坑 局部剥除覆土, 揭露基岩; 作载荷试验、 渗水试验, 取原状土样 浅井 从地表向下,铅直 的、深度5m 的 圆形或方形井 确定覆盖层及风化层的岩性及厚度;作载荷试验, 取原状土样 竖井 (斜 井) 形状与浅井相同, 但深度大于,有时 需支护 了解覆盖层的厚度和性质,作风化壳分带、软弱夹 层分布
21、、断层破碎带及岩溶发育情况、滑坡体结构 及滑动面等;布置在地形较平缓、岩层又较缓倾的 地段 平硐在地面有出口的调查斜坡地质结构,查明河谷地段的地层岩性、软 水平坑道,深度较 大,有时需支护 弱夹层、破碎带、风化岩层等;作原位岩体力学试 验及地应力量测,取样;布置在地形较陡的山坡地 段 石门 (平 巷) 不出露地面而与 竖井相连的水平 坑道,石门垂直岩 层走向,平巷平行 了解河底地质结构,作试验等 三、坑探工程设计书的编制 在岩土工程勘探总体布置的基础上编制的,其内容主要包 括: 1. 坑探工程的目的、型号和编号; 2. 坑探工程附近的地形、地质概况; 3. 掘进深度及其论证; 4. 施工条件:
22、岩石及其硬度等级,掘进的难易程度,采用 的掘进机械与掘进方法;地下水位,可能的涌水情况,应采取的 排水措施;是否需要支护及支护材料、结构等。 5. 岩土工程要求:掘进过程中的编录要求及应解决的地质 问题;对坑壁、底、顶板的掘进方法的要求;取样的地点、数量、 规格和要求等;岩土试验的项目、组数、位置及掘进时应注意的 问题;应提交的成果、资料及要求 6. 施工组织、进度、经费及人员安排。 四、坑探工程的观察、描述、编录 1坑探工程的观察、描述 坑探工程观察和描述, 是反映坑探工程第一手地质资料的主 要手段。所以在掘进过程中应认真、仔细地做好此项工作。 观察、描述的内容包括: (1) 量测探井、探槽
23、、竖井、斜井、平硐的断面形态尺寸和 掘进深度; (2) 地层岩性的划分与描述。 注意划分 第四系堆积物的成因、 岩性、时代、厚度及空间变化和相互接触关系;基岩的颜色、成 分、结构构造、地层层序以及各层间接触关系;应特别注意软弱 夹层的岩性、厚度及其泥化情况。 (3) 岩石的风化特征及其随深度的变化,风化壳分带; (4) 岩层产状要素及其变化,各种构造形态;注意 断层破碎 带及节理、裂隙的发育;断裂 的产状、形态、力学性质;破碎带 的宽度、物质成分及其性质;节理裂隙的组数、产状穿切性、延 展性、隙宽、间距(频度 ),有必要时作节理裂隙的素描图和统计 测量; (5) 测量点、取样点、试验点的位置、
24、编号及数据; (6)水文地质情况。如地下水渗出点位置、涌水点及涌水 量大小等。 2 坑探工程展视图 展视图是坑探工程编录的主要内容,也是坑探工程所需提交 的主要成果资料。所谓展视图,就是沿坑探工程的壁、底面所编 制的地质断面图,按一定的制图方法将三度空间的图形展开在平 面上。 不同类型坑探工程展视图的编制方法和表示内容有所不同, 其比例尺应视坑探工程的规模、形状及地质条件的复杂程度而定, 一般采用 l :251:100。 (1) 探槽展示图。 探槽在追踪地裂缝、 断层破碎带等地质界线的空间分布 及查明剖面组合特征时使用很广泛。因此在绘制探槽展示图之前, 确定探槽中心线方向及其各段变化,测量水平
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