工程地質(zhì)方法簡介

（一）工程地質(zhì)勘探的任務(wù)

工程地質(zhì)勘探一般在工程地質(zhì)測繪的基礎(chǔ)上進(jìn)行。它可以直接深入地下巖層取得所需的工程地質(zhì)條件資料，是探明深部地質(zhì)情況的可靠的方法。工程地質(zhì)勘探的主要方式有工程地質(zhì)鉆探、坑探和物探，其主要任務(wù)為：

1、探明建筑場地的巖性及地質(zhì)構(gòu)造，即以及各地層的厚度、性質(zhì)及其變化；劃分地層并確定其接觸關(guān)系；以及基巖的風(fēng)化程度、劃分風(fēng)化帶；研究巖層的產(chǎn)狀、裂隙發(fā)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(zhì)構(gòu)造的空間分布和變化。

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

3、探明地面及物理地質(zhì)現(xiàn)象，包括河谷階地、沖洪積扇、坡積層的位置和土層結(jié)構(gòu)；溶巖的規(guī)模及發(fā)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(yàn)條件。從鉆孔或勘探點(diǎn)去巖土樣或水樣，提供室內(nèi)試驗(yàn)、分析、鑒定之用。勘探所形成的坑孔可為現(xiàn)場原位試驗(yàn)提供場所和條件。

（二）工程地質(zhì)勘探的方法

1、工程地質(zhì)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(jī)具的常用勘探方法。當(dāng)場地地質(zhì)條件比較復(fù)雜時(shí)，利用坑探可以直接觀測地層的結(jié)構(gòu)和變化，但坑探可達(dá)的深度較淺。坑探的種類有探槽、探坑和探井。

在工程地質(zhì)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(zhì)勘探中坑、槽、洞的類型 表1-1

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(jìn)行必要的支護(hù)以策安全。探槽一般在覆蓋土層小于3.0m時(shí)使用。它適用于了解地質(zhì)構(gòu)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(cè)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(jìn)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，直到筒完全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(biāo)簽并注明土柱的上下方向、編號(hào)等即完成取樣工作。

2、鉆探

（1）工程地質(zhì)鉆探的概念

工程地質(zhì)鉆探是獲取地表下準(zhǔn)確的地質(zhì)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(xiàn)場力學(xué)試驗(yàn)也是工程地質(zhì)鉆探的任務(wù)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(nèi)鉆成直徑較小并具有相當(dāng)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(cè)壁為孔壁。鉆孔斷面的直徑為孔經(jīng)；由大孔經(jīng)改為小孔經(jīng)稱換經(jīng)。從孔口到孔底的距離為孔深。

1-孔口；2-孔底；3-孔壁；4-孔經(jīng)；5-換經(jīng)；6-孔深

（2）鉆探過程和鉆進(jìn)方法

根據(jù)自然條件的復(fù)雜性以及工程要求選擇鉆探設(shè)備和鉆進(jìn)方法。鉆機(jī)一般分為回轉(zhuǎn)式和沖擊式兩種?；剞D(zhuǎn)式鉆機(jī)是利用鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)器帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)，磨消孔底地層而鉆進(jìn)，通常使用管狀鉆具，能取柱狀巖芯樣品。沖擊式鉆機(jī)則利用卷揚(yáng)機(jī)借鋼絲繩帶動(dòng)有一定重量的鉆具上下反復(fù)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(dòng)土樣。針對(duì)不同的巖石及地層條件，可選取不同的鉆進(jìn)方式、鉆機(jī)與鉆具。

鉆探過程中有三個(gè)基本程序：

破碎巖土：在工程地質(zhì)鉆探中廣泛采用人力和機(jī)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(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(jī)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(jìn)行鉆探工作，必須保護(hù)好孔壁，不使其坍塌。一般使用套管和泥漿來護(hù)壁。

工程地質(zhì)鉆探可根據(jù)巖土破碎的方式，將鉆進(jìn)的方法分為以下四種：

沖擊鉆進(jìn)

沖擊鉆進(jìn)法采用底部圓環(huán)狀鉆頭。鉆進(jìn)時(shí)將鉆具提升到一定高度，利用鉆具自重，迅猛放落，鉆具在下落時(shí)產(chǎn)生沖擊動(dòng)能，沖擊孔底巖土層，使巖土層達(dá)到破碎之目的而加深鉆孔。

回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)

回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)法采用底部嵌焊有硬質(zhì)合金的圓環(huán)狀鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)。鉆進(jìn)中施加鉆壓，使鉆頭在回轉(zhuǎn)中切入巖土層，達(dá)到加深鉆孔的目的。在土質(zhì)地層中鉆進(jìn)，有時(shí)為有效地完整地揭露標(biāo)準(zhǔn)地層，還可以采用勺形鉆鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)。

沖擊-回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)

沖擊-回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)綜合了前兩種鉆進(jìn)方法在地層鉆進(jìn)中的優(yōu)點(diǎn)，以達(dá)到提高鉆進(jìn)效率的目的。其工作原理是：在鉆進(jìn)過程中，鉆頭克取巖石時(shí)，施加一定的動(dòng)力，對(duì)巖石產(chǎn)生沖擊作用，使巖石的破碎速度加快，破壞粒度比回轉(zhuǎn)剪切粒度增大。同時(shí)由于沖擊力的作用使硬質(zhì)合金刻入巖石深度增加，在回轉(zhuǎn)中將巖石剪切掉。這樣就大大提高了鉆進(jìn)的效率。

工程地質(zhì)鉆探工作概況 表1-2

沖擊-回轉(zhuǎn)-振動(dòng)鉆進(jìn)

沖擊-回轉(zhuǎn)-振動(dòng)鉆進(jìn)綜合了前三種鉆進(jìn)方法在地層鉆進(jìn)中的優(yōu)點(diǎn)，以達(dá)到提高鉆進(jìn)效率的目的。采用機(jī)械動(dòng)力所產(chǎn)生的振動(dòng)力，通過連接桿和鉆具傳到圓筒形鉆頭周圍土中。由于震動(dòng)器高速振動(dòng)的結(jié)果，圓筒鉆頭依靠鉆具和振動(dòng)器的重量使得土層更容易被切削鉆進(jìn)，切鉆進(jìn)速度較快。

（3）鉆孔地質(zhì)柱狀圖

鉆孔地質(zhì)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(zhì)年代、土層埋藏深度、土層厚度、土層底部的絕對(duì)標(biāo)高、巖土的描述、柱狀圖、地面絕對(duì)標(biāo)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(hào)：ZK1 孔口高程

（4）土試樣的采取

原狀土樣的概念

工程地質(zhì)鉆探的主要任務(wù)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(yīng)該保持試樣的天然結(jié)構(gòu)，如果試樣的天然結(jié)構(gòu)已受到破壞，則此試樣已受到擾動(dòng)，這種試樣稱為“擾動(dòng)樣”，在工程地質(zhì)勘察中是不容許的。除非有明確說明另有所用，否則次擾動(dòng)試樣作廢。

由于土工試驗(yàn)所得出的土性指標(biāo)要保證可靠，因此工程地質(zhì)勘察中所取得的試樣必須是保留天然結(jié)構(gòu)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(jiān)硬性，其天然結(jié)構(gòu)難于破壞，而土試樣則不同，它很不容易被擾動(dòng)。因此，采取原狀土試樣是工程地質(zhì)勘察中的一項(xiàng)重要技術(shù)。

但是在實(shí)際工程地質(zhì)勘察的鉆探過程中，要取得完全不擾動(dòng)試樣是不可能的。造成土試樣擾動(dòng)有三個(gè)原因：一是外界條件引起的土試樣的擾動(dòng)，如鉆進(jìn)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(shí)，都能造成其土質(zhì)的天然結(jié)構(gòu)被破壞。二是采樣過程造成的土體中應(yīng)力條件發(fā)生了改變，引起圖樣內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)間的相對(duì)位置位移和組織結(jié)構(gòu)的變化，甚至出現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)間的原由粘聚力的破壞。三是采取土樣時(shí)，需用取土器采取。但不論采用何種取土器，它都有一定的壁厚、長度和面積。當(dāng)切如土層時(shí)，會(huì)使土樣產(chǎn)生一定的壓縮變形。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(dòng)。

從上述可見，所謂原狀土試樣實(shí)際上都不可避免地遭到了不同程度的擾動(dòng)。為此，在采取土試樣過程中，應(yīng)力求減小對(duì)試樣的擾動(dòng)，要盡力排除各種可能增大擾動(dòng)量的因素。

按照取樣方法和試驗(yàn)?zāi)康模瑤r土工程勘察規(guī)范對(duì)土試樣的擾動(dòng)程度分成如下的質(zhì)量等級(jí)：

一級(jí)—不擾動(dòng)，可進(jìn)行試驗(yàn)項(xiàng)目有：土類定義、含水量、密度、強(qiáng)度系數(shù)、變形參數(shù)、固結(jié)壓密系數(shù)。

二級(jí)—輕微擾動(dòng)，可進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目有：土類定義、含水量、密度。

三級(jí)—顯著擾動(dòng)，可進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目有：土類定義、含水量。

四級(jí)—完全擾動(dòng)，可進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目有：土類定義。

在鉆孔取樣時(shí)，采用薄壁取土器所采得的土樣定為一～二級(jí)；對(duì)于采用中厚壁或厚壁取土器所采得的土樣定為二～三級(jí)；對(duì)于采用標(biāo)準(zhǔn)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(jí)。

從上可見，為取得一級(jí)質(zhì)量的土試樣，普遍采用薄壁取土器來采取，以滿足土工試驗(yàn)全部的物理力學(xué)參數(shù)的正確獲得。

減少土試樣擾動(dòng)的注意事項(xiàng)

為保證土樣少受擾動(dòng)，采取土試樣的前后及過程中應(yīng)注意如下事項(xiàng)：

合理的鉆進(jìn)方法是保證取得不擾動(dòng)土樣的第一前提。也就是說，鉆進(jìn)方法的選用首先應(yīng)著眼于確保孔底擬取土樣不被擾動(dòng)。這一點(diǎn)幾乎對(duì)任何種土樣都適用，而對(duì)結(jié)構(gòu)敏感或不穩(wěn)定的土層尤為重要。從國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)看，主要有以下幾點(diǎn)要求：

1）在結(jié)構(gòu)性敏感土層和較疏松砂土層中需采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，而不得采用沖擊鉆進(jìn)；

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

3）取土鉆孔的孔徑要適當(dāng)，取土器與孔壁之間要有一定的距離，避免下放取土器時(shí)切削孔壁，擠進(jìn)過多的廢土。尤其在軟土鉆孔中，時(shí)有縮徑現(xiàn)象，則更需加大取土器與孔壁的間隙。鉆孔應(yīng)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(jìn)不宜過深，以免下部擬取土樣部位的土層受擾動(dòng)。并且在正式取土前，把已受一定程度擾動(dòng)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(jìn)土深度等尺寸，在取土前都應(yīng)丈量準(zhǔn)確。

取土過程中，如提升取土器、拆卸取土器等每個(gè)操作工序，均應(yīng)細(xì)致穩(wěn)妥，以免造成擾動(dòng)。

取出的土應(yīng)及時(shí)用蠟密封，并注明上下，貼上標(biāo)簽，作好記錄；另外（即除了鉆探過程的問題外），在土樣封存、運(yùn)輸和開工做試驗(yàn)時(shí)，都應(yīng)注意避免擾動(dòng)。嚴(yán)防振動(dòng)、日曬、雨淋和凍結(jié)。

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