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工程地質勘查任務及方法

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工程地質勘查任務及方法

發布日期:2018-11-06 作者: 點擊:

(一)工程地質勘查的任務

工程地質勘查一般在工程地質測繪的基礎上進行。它可以直接深入地下岩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鑽探、坑探和物探,其主要任務為:

1、探明建築場地的岩性及地質構造,即以及各地層的厚度、性質及其變化;劃分地層並確定其接觸關係;以及基岩的風化程度、劃分風化帶;研究岩層的產狀、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、探明地麵及物理地質現象,包括河穀階地、衝洪積扇、坡積層的位置和土層結構;溶岩的規模及發育程度;滑坡及泥石流的分布、範圍、特性等。

4、提取岩土樣及水樣,提供野外試驗條件。從鑽孔或勘探點去岩土樣或水樣,提供室內試驗、分析、鑒定之用。勘探所形成的坑孔可為現場原位試驗提供場所和條件。

(二)工程地質勘查的方法

1、工程地質坑、槽探

坑、槽探是在建築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複雜時,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。坑探的種類有探槽、探坑和探井。

探槽是在挖掘成長條形且兩壁常為傾斜上寬下窄的槽子,其斷麵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於3.0m時使用。它適用於了解地質構造線、斷裂破碎帶寬度、地層分界線、岩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。

探井一般深度都大於3.0m,其斷麵形狀為方形、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,土柱的直徑必須大於土筒的直徑,將土柱頂麵削平,套上兩端開口的金屬筒並削去筒外多餘的土,一麵削土一麵將筒壓入,直到筒完全套入土柱體後切斷土體柱。然後削去兩端多餘的土體,該上筒蓋,用熔蠟密封後貼上標簽並注明土柱的上下方向、編號等即完成取樣工作。

2、鑽探

(1)工程地質鑽探的概念

工程地質鑽探是獲取地表下準確的地質資料的重要的方法,而且通過鑽探的鑽孔采取原狀岩土樣和做現場力學試驗也是工程地質鑽探的任務之一。

鑽探是指在地表下用鑽頭鑽入地層的勘探方法。在地層內鑽成直徑較小並具有相當深度的圓通形孔眼的孔稱為鑽孔。通常將直徑大於等於800mm以上的鑽孔稱為大直徑鑽井。鑽孔的要素如圖所示。鑽孔上部口徑較大,下部口徑較小,成階梯狀。鑽孔的上部為孔口,底部為孔底;四周側壁為孔壁。鑽孔斷麵的直徑為孔經;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)鑽探過程和鑽進方法

根據自然條件的複雜性以及工程要求選擇鑽探設備和鑽進方法。鑽機一般分為回轉式和衝擊式兩種。回轉式鑽機是利用鑽機的回轉器帶動鑽具旋轉,磨消孔底地層而鑽進,通常使用管狀鑽具,能取柱狀岩芯樣品。衝擊式鑽機則利用卷揚機借鋼絲繩帶動有一定重量的鑽具上下反複衝擊,使鑽頭擊碎孔底地層而形成鑽孔後用抽筒提取岩石碎塊或擾動土樣。針對不同的岩石及地層條件,可選取不同的鑽進方式、鑽機與鑽具。

鑽探過程中有三個基本程序:

破碎岩土:在工程地質鑽探中廣泛采用人力和機械方法,使小部分岩土脫離整體而成為粉末、岩土塊或岩土芯的現象,叫做破碎岩土。岩土的破碎是借助於衝擊力、剪切力、研磨和壓力來實現的。

采取岩土:用衝洗液(或壓縮空氣)將破碎的碎屑衝到孔外,或者用鑽具(抽筒、勺形鑽頭、螺旋鑽頭、取土器、岩芯管等)靠人力或機械將孔底的碎屑或樣芯取出於地麵。

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

工程地質鑽探可根據岩土破碎的方式,將鑽進的方法分為以下四種:

衝擊鑽進

衝擊鑽進法采用底部圓環狀鑽頭。鑽進時將鑽具提升到一定高度,利用鑽具自重,迅猛放落,鑽具在下落時產生衝擊動能,衝擊孔底岩土層,使岩土層達到破碎之目的而加深鑽孔。

回轉鑽進

回轉鑽進法采用底部嵌焊有硬質合金的圓環狀鑽頭進行鑽進。鑽進中施加鑽壓,使鑽頭在回轉中切入岩土層,達到加深鑽孔的目的。在土質地層中鑽進,有時為有效地完整地揭露標準地層,還可以采用勺形鑽鑽頭進行鑽進。

衝擊-回轉鑽進

衝擊-回轉鑽進綜合了前兩種鑽進方法在地層鑽進中的優點,以達到提高鑽進效率的目的。其工作原理是:在鑽進過程中,鑽頭克取岩石時,施加一定的動力,對岩石產生衝擊作用,使岩石的破碎速度加快,破壞粒度比回轉剪切粒度增大。同時由於衝擊力的作用使硬質合金刻入岩石深度增加,在回轉中將岩石剪切掉。這樣就大大提高了鑽進的效率。

衝擊-回轉-振動鑽進

衝擊-回轉-振動鑽進綜合了前三種鑽進方法在地層鑽進中的優點,以達到提高鑽進效率的目的。采用機械動力所產生的振動力,通過連接杆和鑽具傳到圓筒形鑽頭周圍土中。由於震動器高速振動的結果,圓筒鑽頭依靠鑽具和振動器的重量使得土層更容易被切削鑽進,切鑽進速度較快。

(3)鑽孔地質柱狀圖

鑽孔地質柱狀圖是表示該鑽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、土層底部的絕對標高、岩土的描述、柱狀圖、地麵絕對標高、地下水水位和測量日期、岩土怎樣選取位置等。柱狀圖的比例尺一般為1:100—1:500。

(4)土試樣的采取

原狀土樣的概念

工程地質鑽探的主要任務之一是在岩土層中采取岩芯或原狀土試樣。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。由於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。原狀試樣有岩芯試樣和土試樣。岩芯試樣由於其堅硬性,其天然結構難於破壞,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鑽探過程中,要取得完全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,如鑽進工藝、鑽具選用、鑽壓、鑽速、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,它都有一定的壁厚、長度和麵積。當切如土層時,會使土樣產生一定的壓縮變形。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。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,岩土工程勘察規範對土試樣的擾動程度分成如下的質量等級:

一級--不擾動,可進行試驗項目有:土類定義、含水量、密度、強度係數、變形參數、固結壓密係數。

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――完全擾動,可進行的試驗項目有:土類定義。

在鑽孔取樣時,采用薄壁取土器所采得的土樣定為一~二級;對於采用中厚壁或厚壁取土器所采得的土樣定為二~三級;對於采用標準貫入器、螺紋鑽頭或岩芯鑽頭所采得的粘性土、粉土、砂土和軟岩的試樣皆定義為三~四級。

從上可見,為取得一級質量的土試樣,普遍采用薄壁取土器來采取,以滿足土工試驗全部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,采取土試樣的前後及過程中應注意如下事項:

合理的鑽進方法是保證取得不擾動土樣的第一前提。也就是說,鑽進方法的選用首先應著眼於確保孔底擬取土樣不被擾動。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。從國內外的經驗看,主要有以下幾點要求:

1)在結構性敏感土層和較疏鬆砂土層中需采用回轉鑽進,而不得采用衝擊鑽進;

2)以泥漿護孔,可以減少擾動。並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鬆動或湧起;

3)取土鑽孔的孔徑要適當,取土器與孔壁之間要有一定的距離,避免下放取土器時切削孔壁,擠進過多的廢土。尤其在軟土鑽孔中,時有縮徑現象,則更需加大取土器與孔壁的間隙。鑽孔應保持孔壁垂直,以避免取土器切刮孔壁;

4)取土前的一次鑽進不宜過深,以免下部擬取土樣部位的土層受擾動。並且在正式取土前,把已受一定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,並注明上下,貼上標簽,作好記錄;

另外(即除了鑽探過程的問題外),地質勘查在土樣封存、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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