巖土工程勘察 第六章 勘探和取樣

1、 巖巖 土土 工工 程程 勘勘 察察工程地質(zhì)勘探工程地質(zhì)勘探 是在工程地質(zhì)測繪基礎(chǔ)上，為進一步查明地表以下工程地質(zhì)情況，如巖土層的空間分布及變化情況、地下水的埋深和類型以及對巖土參數(shù)開展原位測試時需要進行的工作。取樣取樣 是為給巖土特性進行鑒定和各種室內(nèi)試驗提供所需要的樣品而進行的工作。 勘探包括鉆探、井探、槽探、洞探、觸探以及地球物理勘探等多種方法，勘探方法的選擇首先應(yīng)符合勘察目的的需要，還要考慮其是否適合于勘探區(qū)巖土的特性。比如當勘探區(qū)土質(zhì)較好、強度較高而所需探查的深度較深時，靜力觸探的方法就不是很適合。 鉆探鉆探 鉆探是指用一定的設(shè)備、工具（即鉆機）來破碎地殼巖石或土層，從而在地殼中形成

2、一個直徑較小、深度較大的鉆孔（直徑相對較大者又稱為鉆井）的過程?？蒲秀@探海上鉆探（1）工程地質(zhì)鉆探的目的 工程地質(zhì)鉆探是巖土工程勘察的基本手段，其成果是進行工程地質(zhì)評價和巖土工程設(shè)計、施工的基礎(chǔ)資料。其目的是為解決與建筑物（構(gòu)筑物）有關(guān)的巖土體穩(wěn)定問題、變形問題、滲漏問題提供資料。（2）工程地質(zhì)鉆探的任務(wù) l 探察地層巖性及分布，軟弱巖土層分布；l 了解基巖風(fēng)化帶的深度、厚度和分布情況；l 探明地層斷裂帶條件，查明裂隙發(fā)育情況；l 查明地下含水層的層數(shù)、深度及其水文地質(zhì)參數(shù)；l 利用鉆孔進行灌漿、壓水試驗及其他原位測試；l 利用鉆孔進行地下水位的長期觀測或?qū)龅剡M行降水（如處理滑坡和基坑降水問

3、題）。（3）鉆探基本過程 破碎巖土鉆進破碎巖土鉆進 采用人力或機械力，以沖擊力、剪切力或研磨形式使小部分巖土脫離母體而成為粉末、小巖土塊或巖土芯的現(xiàn)象就稱為破碎巖土。孔底巖土全部破碎成粉末或小塊的鉆進方法稱為“全面鉆進”。只破壞孔底環(huán)狀部分巖土，中間巖土芯保留的鉆進方法稱為“取芯鉆進”。采取巖土芯或排除破碎巖土采取巖土芯或排除破碎巖土 采用機械的方法，如用取樣器、勺鉆等取出巖土芯或碎塊粉末； 將巖粉或巖土碎塊與水混合成巖粉漿或泥漿后，用抽筒抽出地表，如沖擊鉆； 用流體（泥漿、清水、乳化液或空氣）作為循環(huán)介質(zhì)，將破碎的巖屑、土塊輸送到地表。加固孔壁加固孔壁鉆孔后必須對孔壁進行加固，加固的方法有三

4、種：l 借助于循環(huán)液的靜水壓力來平衡地層的側(cè)向壓力以維持其穩(wěn)定，這種方法在現(xiàn)代的反循環(huán)鉆進中得到充分利用；l 用惰性材料或化學(xué)材料對孔壁進行處理加固，常用的惰性材料有水泥、黏土，化學(xué)材料有混入循環(huán)液中的泥漿處理劑，還有如直接注入鉆孔中的堵漏劑，如氰凝、丙凝等；l 用金屬或非金屬的套管下人鉆孔中以支撐孔壁，這種方法雖然可靠，但成本較高。（4）鉆探方法及適用范圍 沖擊鉆進沖擊鉆進 該法利用鉆具重力和下落過程中產(chǎn)生的沖擊力使鉆頭沖擊孔底巖土破碎進行鉆進。沖擊鉆探和錘擊鉆探都屬于沖擊鉆進。沖擊鉆進又可以分為鉆桿沖擊鉆進和鋼繩沖擊鉆進。 對于硬質(zhì)巖土層（巖石層或碎石土）一般采用孔底全面沖擊鉆進；對于其他

5、土層一般采用圓筒形鉆頭的刃口借助于鉆具沖擊力切削土層鉆進。cz-22B型鉆機CZ-22S型鋼繩沖擊式鉆機型鋼繩沖擊式鉆機回轉(zhuǎn)鉆進回轉(zhuǎn)鉆進 此法采用底部焊有硬質(zhì)合金、鋼?；蚪饎偸膱A環(huán)狀鉆頭進行鉆進， 鉆進時一般要施加一定的壓力，使鉆頭在旋轉(zhuǎn)中切入巖土層以達到鉆進的目的。它包括巖芯鉆探、無巖芯鉆探和螺旋鉆探，巖芯鉆進為孔底環(huán)狀鉆進，螺旋鉆進為孔底全面鉆進。XY-100型鉆機型鉆機SGZ-IIIA型立軸式巖芯鉆機型立軸式巖芯鉆機 振動鉆進振動鉆進 采用機械動力產(chǎn)生的振動力，通過連接桿和鉆具傳到鉆頭，由于振動力的作用使鉆頭能更快地破碎巖土層，因而鉆進較快。該方法適合于土層中，特別是顆粒組成相對細小的

6、土層中采用。ZDJ3型振動鉆機 沖洗鉆進沖洗鉆進 利用高壓水流沖擊孔底土，使之結(jié)構(gòu)破壞，土顆粒懸浮并最終隨水流循環(huán)流出孔外的鉆進方法。由于是靠水流直接沖洗，因此無法對土體結(jié)構(gòu)及其他相關(guān)特性進行觀察鑒別。鉆探方法的適用范圍注： 1. 適用；部分適用；一不適用； 2. 淺部土層可采用下列方法鉆探：小口徑麻花鉆鉆進；小口徑勺形鉆鉆進；洛陽鏟鉆進。l 鉆孔口徑和鉆具規(guī)格鉆孔口徑和鉆具規(guī)格 鉆孔口徑應(yīng)根據(jù)鉆探目的和鉆進工藝確定， 應(yīng)當滿足取樣、原位測試的要求 。對要采取原狀土樣的鉆孔，口徑不得小于 91 mm ；對僅需鑒別地層巖性的鉆孔，口徑不宜小于 36 mm ；而在濕陷性黃土中的鉆孔，口徑不宜小于1

7、50 mm。在確定了鉆孔口徑后，可根據(jù)表確定鉆具的規(guī)格。（5）鉆探的技術(shù)要求 鉆孔口徑及相應(yīng)的鉆具規(guī)格注：DCDMA 標準為美國金剛石鉆機制造者協(xié)會標準。l 鉆進方法的要求鉆進方法的要求 對要求鑒別地層和取樣的鉆孔，均應(yīng)采用回鉆方式鉆進以取得巖土樣品。遇到卵石、漂石、碎石、塊石等不適合回轉(zhuǎn)鉆進的土層時，可改用振動回轉(zhuǎn)方式鉆進。 在地下水位以上土層中應(yīng)進行干鉆，不得使用沖洗液，不得向孔內(nèi)注水，但可采用能隔離沖洗液的二重或三重管鉆進取樣。 鉆進巖層宜采用金剛石鉆頭，對軟質(zhì)巖層及風(fēng)化破碎帶應(yīng)采用雙層巖芯管鉆頭鉆進。需要測定巖石質(zhì)量指標時應(yīng)采用外徑 75mm 的雙層巖芯管鉆頭。 在濕陷性黃土中必須采用

8、螺旋鉆頭鉆進。l 鉆孔護壁的技術(shù)要求鉆孔護壁的技術(shù)要求 對可能坍塌的地層應(yīng)采取鉆孔護壁措施。在淺部填土及其他松散土層中可采用套管護壁。在地下水位以下的飽和軟黏土土層、粉土層及砂層中宜采用泥漿護壁，在破碎巖層中可視需要采用優(yōu)質(zhì)泥漿、水泥漿或化學(xué)漿液護壁。沖洗液嚴重漏失時，應(yīng)采取充填封閉等堵漏措施。l 鉆進時，應(yīng)保證孔內(nèi)水頭壓力等于或稍大于周圍的地下水水壓，提鉆時，應(yīng)通過鉆頭向孔底通氣通水以防止孔底土層由于負壓而受到擾動破壞。l 鉆進深度、巖土分層深度量測誤差應(yīng)小于0.05m。l 孔斜的要求及測量。深度超過100m的鉆孔以及有特殊要求的鉆孔，應(yīng)測斜、防斜，保持鉆孔的垂直度或預(yù)計的傾斜角度與傾斜方向

9、。對垂直孔，每50m測量一次垂直度，每100m允許偏差為2。對斜孔，每25m測量一次傾斜角和方位角。傾角及方位角的量測精度應(yīng)分別小于0.1 和3 。l 對需進行取樣或原位測試的鉆孔，尚應(yīng)滿足原狀土取樣技術(shù)標準及其他測試技術(shù)規(guī)范的要求。 l 巖芯鉆探的巖芯采取率要求。對一般巖石不應(yīng)低于80%，對于破碎巖石不應(yīng)低于65%。對于滑動帶、軟弱夾層等），應(yīng)采用雙層巖芯管連續(xù)取芯。l 進尺的要求。在巖層中鉆進時， 回次進尺不應(yīng)超過巖芯管長度， 在軟質(zhì)巖層中不應(yīng)超過2.0m；在土層中采用螺旋鉆頭鉆進，回次進尺不宜大于1.0m ，在持力層或需重點研究、觀察部位鉆進時， 回次進尺不宜超過0.5m 。對于水下粉土

10、、砂土可用分式取土器或標貫器取樣，間距不應(yīng)大于1.0m。 l 量測初見水位。對砂土應(yīng)在停鉆 30min 后測量， 對粉土應(yīng)在 1h 后測量， 黏性土停鉆時間不能少于24h，并于全部鉆孔完成后同一天統(tǒng)一量取各孔的靜止水位。水位量測允許誤差為 土1cm。深度范圍內(nèi)有多個含水層時，應(yīng)分層測量。在鉆穿第一個含水層并量測靜止水位后，應(yīng)采用套管隔水，抽干鉆孔內(nèi)存水，變徑繼續(xù)鉆進，以便對下一個含水層水位進行觀測。 井探、槽探、洞探井探、槽探、洞探工程地質(zhì)常用的坑探類型工程地質(zhì)常用的坑探類型 巖土工程勘探中常用的坑、槽、洞類型及特點 需要注意的是，探井、探槽、探洞開挖過程中，應(yīng)采取有效措施以保障人身安全和設(shè)備

11、安全。 地球物理勘探地球物理勘探 地球物理勘探簡稱物探，它是基于不同的地層巖性、不同的地質(zhì)單元具有不同的物理學(xué)性質(zhì)的特點，以地球物理的方法來探測地層的分界線、面及地質(zhì)構(gòu)造線面以及異常點的探察方法。 物探的具體方法有很多種，見 Page 70，主要可分為以下幾大類：電法勘探、磁法勘探、重力勘探、地震勘探、放射性勘探、井中地球物理測量（也叫地球物理測井）以及地球物理遙感測量等。 土樣質(zhì)量等級劃分土樣質(zhì)量等級劃分原狀土樣：保持原有的天然結(jié)構(gòu)未受破壞的土樣。擾動土樣：試樣的天然結(jié)構(gòu)已遭受破壞。第一，土樣脫離母體后，土樣的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，影響到土樣的結(jié)構(gòu)；第二，鉆探及采樣過程中，鉆具在鉆壓過程中必然

12、要對周圍土體產(chǎn)生一定程度上的擾動；第三，取土器的擾動，無論何種取土器都有一定的壁厚、長度和面積，它在壓入過程中，也使土樣受到一定的擾動。土試樣質(zhì)量等級劃分據(jù)巖土工程勘察規(guī)范擾動程度的確定擾動程度的確定l 現(xiàn)場外觀檢查，觀察土樣是否完整，有無缺失，取樣管或襯管是否擠扁、彎曲、卷折等。l 計算回收率， L土樣毛長；H 取樣器貫入孔底深度 。 回收率等于98%左右是最理想的，大于1或小于95%是土樣受擾動的標志。=LH回收率l X 射線檢驗， 可發(fā)現(xiàn)土樣裂紋、孔洞及粗粒包裹體等。l 室內(nèi)試驗評價，根據(jù)土樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和壓縮曲線特征判定。我國幾個城市評價土試樣擾動程度的參考標準f-破壞應(yīng)變值，采用不

13、擾動土樣作不排水壓縮測得。V-體積應(yīng)變，先期固結(jié)壓力未確定。01VVeVeDI-擾動指數(shù)，先期固結(jié)壓力確定。0DmeIe 不同等級土樣的取樣方法及取樣工具不同等級土樣的取樣方法及取樣工具 從取樣方法來講，基本可以分為兩種，一是從探井、探槽中直接刻取土樣；二是用鉆孔取土器從鉆孔中采取。鉆孔取土器分級管靴部分做成薄壁,取樣管部分外徑加粗,內(nèi)裝襯管的取土器. 管靴部分做成薄壁,取樣管部分外徑加粗,內(nèi)裝襯管的取土器. 不同質(zhì)量等級土試樣的取樣方法和工具 對于質(zhì)量等級要求較低土樣，可利用鉆探的巖芯鉆頭或螺紋鉆頭以及標貫試驗的貫入器進行取樣，而不必采用專用取土器。無黏性土對取樣器的要求比黏性土要高。 束節(jié)

14、式取土器：管靴部分做成薄壁，取樣管部分外徑加粗，內(nèi)裝襯管的取土器。 謝爾貝管謝爾貝管Hvorslev型 和 NGI型奧斯特伯格取土器Denison取土器取土器Pitcher取土器取土器取樣內(nèi)管不可旋取樣內(nèi)管不可旋轉(zhuǎn)，適用于中等轉(zhuǎn)，適用于中等至堅硬土層。至堅硬土層。取樣內(nèi)管可旋轉(zhuǎn)取樣內(nèi)管可旋轉(zhuǎn)，切入較堅硬的地層，切入較堅硬的地層，適用于堅硬粘性土、密實砂土和軟巖。適用于堅硬粘性土、密實砂土和軟巖。貫入式取土器的技術(shù)參數(shù) 注：1 取樣管及襯管內(nèi)壁必須圓整； 2 在特殊情況，取土器直徑可增大至150250mm； 3 表中符號： 一取土器刃口內(nèi)徑； 一取樣管內(nèi)徑，加襯管時為襯管內(nèi)徑； 一取樣管外徑；

15、一取土器管靴外徑 ，對薄壁管eDsDtDwDwtDD回轉(zhuǎn)型取土器的技術(shù)參數(shù) 鉆孔取樣的一般要求鉆孔取樣的一般要求原狀土取樣技術(shù)標準（JGJ89-92)規(guī)定：l 采取原狀土樣的鉆孔，其孔徑必須要比取土器外徑大一個等級；l 地下水位以上應(yīng)采用干法鉆進，不得注水或使用沖洗液，地下水位以下鉆進時應(yīng)采用通氣通水的螺旋鉆頭、提土器或巖芯鉆頭。在鑒別地層方面無嚴格要求時，也可以采用側(cè)噴式?jīng)_洗鉆頭成孔， 但不得采用底噴式?jīng)_洗鉆頭。當土質(zhì)較硬時， 可采用二（三）重管回轉(zhuǎn)取土器，取土鉆進合并進行；l 在飽和黏性土、粉土、砂土中鉆進時，宜采用泥漿護壁。采用套管時，應(yīng)先鉆進再跟進套管，套管下設(shè)深度與取樣位置之間應(yīng)保留

16、三倍管徑以上的距離，不得向未鉆過孔的土層中強行擊人套管；l 鉆進宜采用回轉(zhuǎn)方式，在采取原狀土樣鉆孔中，不宜采用振動或沖擊方式鉆進；l 取土器下放之前應(yīng)清孔。采用敞口式取樣器時，殘留浮土厚度不得超過5cm。貫入式取土器取樣時，應(yīng)滿足：1. 取土器應(yīng)平穩(wěn)下放，不得沖擊孔底。取土器下放后，應(yīng)核對孔深和鉆具長度，發(fā)現(xiàn)殘留浮土厚度超過要求時，應(yīng)提起取土器重新清孔。2. 采取級原狀土試樣，應(yīng)采用快速、連續(xù)的靜壓方式貫入取土器，貫入速度不小于 0.1m/s。當利用鉆機的給進系統(tǒng)施壓時，應(yīng)保證具有連續(xù)貫入的足夠行程。采取級原狀土試樣可使用間斷靜壓方式或重錘少擊方式。3. 在壓入固定活塞取土器時，應(yīng)將活塞桿牢固

17、地與鉆架連接起來，避免活塞向下移動。在貫入過程中監(jiān)視活塞桿的位移變化時，可在活塞桿上設(shè)定相對于地面固定點的標志，測記其高差?；钊麠U位移量不得超過總貫入深度的 1%；4. 貫入取樣管的深度宜控制在總長的 90%左右。貫入深度應(yīng)在貫入結(jié)束后仔細量測并記錄；5. 提升取土器之前，為切斷土樣與孔底土的聯(lián)系，可以回轉(zhuǎn) 23 圈或者稍加靜置之后再提升；6. 提升取土器應(yīng)做到均勻平穩(wěn)，避免磕碰。回轉(zhuǎn)式取土器取樣時，應(yīng)滿足：1. 采用單動、雙動二（三） 重管采取原狀土試樣， 必須保證平穩(wěn)回轉(zhuǎn)鉆進，使用的鉆桿應(yīng)事先校直。為避免鉆具抖動，造成土層的擾動，可在取土器上加節(jié)重桿；2. 沖洗液宜采用泥漿。鉆進參數(shù)宜根據(jù)

18、各場地地層特點通過試鉆確定或根據(jù)已有經(jīng)驗確定；3. 取樣開始時應(yīng)將泵壓、泵量減至能維持鉆進的最低限度，然后隨著進尺的增加，逐漸增加至正常值。4. 回轉(zhuǎn)取土器應(yīng)具有可改變內(nèi)管超前長度的替換管靴。內(nèi)管管口至少應(yīng)與外管齊平， 隨著土質(zhì)變軟， 可使內(nèi)管超前增加至50150mm。對軟硬交替的土層，宜采用具有自動調(diào)節(jié)功能的改進型單動二（三）重管取土器；5. 在硬塑以上的硬質(zhì)黏性土、密實礫砂、碎石土和軟巖中，可使用雙動三重管取樣器采取原狀土試樣。對于非膠結(jié)的砂、卵石層，取樣時可在底靴加置逆爪。6. 在有充分經(jīng)驗的地區(qū)和可靠操作的保證下，采用無泵反循環(huán)鉆進工藝，用普通單層巖芯管采取的砂樣可作為級原狀土試樣。

19、鉆孔原狀土樣的采取方法鉆孔原狀土樣的采取方法連續(xù)壓入法 連續(xù)壓入法也稱組合滑輪壓入法，即采用一組組合滑輪裝置將取土器一次快速的壓入土中。一般應(yīng)用在人力鉆或機動鉆在淺層軟土中的采樣情況下。由于取土器進入土層過程是快速、均勻的，歷時較短，因此能夠使得土樣較好的保持其原狀結(jié)構(gòu)，土樣的邊緣擾動很小甚至幾乎看不到擾動的痕跡。由于連續(xù)壓入法具有上述優(yōu)越性，在軟土層中應(yīng)盡量用此法取樣。斷續(xù)壓入法 即取土器進入土層的過程不是連續(xù)的，而是要通過兩次或多次間歇性壓人才能完成的，其效果不如連續(xù)壓入法，因此僅在連續(xù)壓入法無法壓入的地層中采用。斷續(xù)壓入時，要防止將鉆桿上提而造成土樣被拔斷或沖洗液侵入對土樣造成破壞。擊入

20、法 此法在較硬或堅硬土層中采樣時采用。它采用吊錘打擊鉆桿或取土器進行土樣的采取。在鉆孔上面用吊錘打擊鉆桿而使取土器切入土層的方法稱為上擊式；在孔下用吊錘或加重桿直接打擊取土器而進行取土的方法稱為下?lián)羰健Ｉ蠐羰饺⊥?錘擊能量是由鉆桿來傳遞的，如鉆桿過長則在錘擊力作用下會產(chǎn)生彎曲，彎曲到一定程度即會對土樣產(chǎn)生附加的擾動，因此存在某一臨界長度。()CEJLcmP注意，鉆桿本身也是一個彈性體，當重錘下?lián)魰r，極易產(chǎn)生回彈振動，容易造成土樣擾動。因此，上擊法只用于淺層硬土中。下?lián)羰饺⊥?由于重錘或加重桿在孔下直接打擊取土器，避免了上擊式取土所存在的一些問題。因此，它具有效率高、對土樣擾動小、結(jié)構(gòu)簡單、操作

21、方便等優(yōu)點。下?lián)羰饺⊥练ú捎迷诳紫氯⊥疗縻@桿上套一穿心重桿的方法，用人力或機械提動重桿使之往復(fù)打擊取土器而進行取土。 注意：在提動重桿或重錘時，應(yīng)使提動高度不超過允許的滑動距離，以免將取土器從土中拔出而拔斷土樣?；剞D(zhuǎn)壓入法 機械回轉(zhuǎn)鉆進時可用回轉(zhuǎn)壓入式取土器（雙層取土器）采取深層堅硬土樣或砂樣。取土?xí)r，外管旋轉(zhuǎn)刻取土層，內(nèi)管承受軸心壓力而壓入取土。由于外管與內(nèi)管為滾動式接觸，因此內(nèi)管只承受軸向壓力而不回轉(zhuǎn)，外管刻取的土屑隨沖洗液循環(huán)而攜出孔外。如果泵量過小，則土屑不能全部排出孔口而可能妨礙外管鉆進，甚至進入內(nèi)外管之間造成堵卡，使內(nèi)管隨外管轉(zhuǎn)動而擾動土樣?；剞D(zhuǎn)壓入取土過程中應(yīng)盡量不要提動鉆具，以

22、免提動內(nèi)管而拔斷土樣，即使在不進尺的情況下提動鉆具，也應(yīng)控制提動距離，使之不超過內(nèi)管與外管的可滑動范圍。 探井、探槽探井、探槽原狀土原狀土取樣的一般要求取樣的一般要求l 試樣宜用盒裝。容器規(guī)格有：120mm200mm，120mm120mm200mm, 150mm150mm200mm 。含有粗顆粒的非均質(zhì)土，可按實驗設(shè)計要求確定尺寸。容器應(yīng)有足夠凈空，宜做成裝配式并具有足夠剛度。l 原狀土試樣采取步驟： 整平取樣處的表面； 按土樣容器凈空輪廓，除去四周土體，形成土柱，其大小比容器內(nèi)腔尺寸小 20mm； 套上容器邊框，邊框上緣高出土樣柱約10mm，然后澆入熱蠟液，蠟液應(yīng)填滿土樣與容器之間的空隙至框頂，并與之齊平，待蠟液凝固后，將蓋板用螺釘擰上； 挖開土樣根部，使之與母體分離，再顛倒過來削去根部多余土料，使之低于邊框約 10mm，再澆滿熱蠟液，待凝固后擰上底蓋板。 土樣的現(xiàn)場檢驗、封存、儲存及運輸土樣的現(xiàn)場檢驗、封存