岩土工程勘探与取样

第8章勘探和取样

1．勘探的功能和作用

岩土工程勘探是用于查明地表下岩土体、地下水及不良地质作用的基本特性和空间分布的技术手段。

取样是在现场勘探过程中，利用一定的技术手段，采取能满足各种特定质量要求的岩石、土及地下水试样。取样是在勘探过程中实现的。

岩土工程勘探是岩土工程勘察的一种手段，包括钻探、井探、槽探、坑探、洞探以及物探、触探等。

勘探的功能可概括为下列几方面：

1）查明地表下岩土体、地下水及不良地质作用的空间分布；

2）查明地表下岩土体的基本特性；

3）勘探过程中能采取岩石、土及地下水试样；

4）勘探过程中能进行原位测试或该勘探方法本身就是原位测试方法。

并不能要求一种勘探方法全部具备上述各项功能，但作为勘探方法必须具备能够查明地表下岩土体的空间分布这一基本功能，它包含两个要素：

①能够按照工程要求的岩土分类方法鉴定、区分岩土类别，

②能够按照工程要求的精度确定岩土类别发生变化的空间位置。

同时具备这两个要素才能作为一种勘探方法，否则就不属于勘探

方法。一种勘探方法的这两个要素在特定的岩土条件下所能达到的准确性和精度能否满足特定的工程要求，这是评价或选择勘探方法的重要依据之一。

2．勘探方法

岩土工程勘探方法的分类，目前尚无统一的标准。根据勘探方法的功能特点，一般可分为以下四类。

1）直接的勘探方法

这类方法包括井探、槽探、坑探、洞探等，其特点是勘探方法基本功能的两个要素都具有直接性，可以在探井、探槽、竖井、平洞内直接观察岩土体及其分布，可以直接量测岩土层的分层界线位置。这类方法可以取样，尤其是在探井或探槽中可采取质量较高的土试样。井探、槽探、坑探主要适用于土类的勘探，深度有限，且易受地下水位的影响。竖井和平洞施工的难度大、时间长、成本高，主要应用于坝址、大型边坡、地下工程等大型岩土工程的勘探。

2）钻探

钻探是利用钻探设备在地下形成钻孔,并从钻孔中取出岩土进行鉴别和划分地层。从勘探方法来说，钻探属于半直接的勘探方法，其勘探成果的准确性和可靠性不如直接的勘探方法。但钻探具有一系列其他勘探方法无法比拟的优良特点：①钻探可适用于各种岩土类型；

②钻探深度可满足各类工程的需要，且不受地下水位的影响；③除了用于查明地表下岩土体的基本特性和空间分布外，还可查明多层地下

水的分布情况；④钻孔中能够进行多种原位测试；⑤钻孔中能够采取岩石、土及地下水试样。因此，钻探是岩土工程勘察中应用最广泛、最有效的一种勘探方法。

3）触探

触探是将一定规格的圆锥形金属探头自地面起连续贯入（即压入或打入）土中，将探头贯入土中的难易程度用定量指标贯入阻力或一定贯入量的贯入击数来表示。根据触探指标的大小和其他特征来判定土的类别，由于触探在深度上是自地面起连续贯入的，不同土类的分层界线位置也可根据触探结果来确定。从勘探方法来说，触探属于间接的勘探方法，即根据土的力学性质及其变化来确定土层的分布。一般情况下，土的工程分类与土的力学性质有着较好的对应关系，因而触探可作为一种勘探方法。由于触探过程测定土的力学性质，因此，触探具有勘探和原位测试双重功能。但触探主要适用于土类，且不能查明地下水分布，触探过程不能取样，也无法对土进行观察描述。触探按探头贯入方式的不同分为静力触探（压入式）和圆锥动力触探（打入式）两类。由于触探属于间接的勘探方法，当采用触探作为勘探手段时，应与钻探等其他勘探方法配合使用（关于静力触探和圆锥动力触探的介绍详见本章1.6节原位测试部分）。

4）物探

物探全称地球物理勘探，用于工程方面的物探方法称为工程物探。物探是以研究地下物理场（如电场、磁场、重力场）为基础的勘探方法，由于不同地质体物理性质上的差异直接影响地下物理场的分

布规律，通过观测、分析和研究这些物理场并结合有关地质资料，可判断地层的分布和变化情况，解决地质构造、地下埋藏物以及地下水分布规律等方面的一些问题。从勘探方法来说，物探也属于间接的勘探方法，即根据地球物理场的差异来确定岩土及地下水的分布。由于岩土的空间分布与地球物理场的差异并不都具有对应关系，因而物探多作为辅助手段配合其它勘探方法使用。物探具有“透视性”,可简单快捷地获得有关地层岩性、地质构造、地下埋藏物的信息，且成本低、效率高，有些物探方法可作为原位测试手段测得岩土层的某些物理力学性质参数。但物探常具多解性,无其它方法配合易发生误判。因此，对不同的物探方法应掌握各自的适用范围和局限性, 物理勘探成果判释时，应考虑其多解性，必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。

***3．勘探的基本要求

1）勘探方法的选取应符合勘察目的和岩土的特性。为了达到理想的技术经济效果，宜将多种勘探手段配合使用，如钻探加触探、钻探加地球物理勘探等。

2）布置勘探工作时应考虑勘探对工程自然环境的影响，防止对地下管线、地下工程和自然环境的破坏。钻孔、探井和探槽完工后应妥善回填。钻孔和探井如不妥善回填，可能造成对自然环境的破坏，这种破坏往往在短期内或局部范围内不易察觉，但能引起严重后果。因此，一般情况下钻孔、探井和探槽均应回填，且应分段回填夯实。

3）静力触探、圆锥动力触探作为勘探手段时，应与钻探等其他

勘探方法配合使用。钻探和触探各有优缺点，有互补性，二者配合使用能取得良好的效果。触探的力学分层直观而连续，但单纯的触探由于其多解性容易造成误判。如以触探为主要勘探手段，除非有经验的地区，一般均应有一定数量的钻孔配合。

4）进行钻探、井探、槽探和洞探时，应采取有效措施，确保施工安全。

5）根据行业标准《建筑工程地质钻探技术标准》（JGJ87—92）中的有关规定，钻探点位测设于实地应符合下列要求：①城市规划勘察阶段、选址勘察阶段：可利用适当比例尺的地形图依地形地物特征确定钻探点位和孔口高程；②初步勘察阶段：平面位置允许偏差±0.5m，高程允许偏差±5cm；③详细勘察阶段：平面位置允许偏差±0.25m，高程允许偏差±5cm。钻探成果中的平面图除表示实际完成钻探点位之外，尚应提供各点的座标及高程数据，且宜采用地区的统一座标和高程系。

其他的勘探方法，如无特别的规定和要求，勘探点的定位和高程测量也可参照上述要求。

8.1工程地质钻探

1．钻探的工艺和操作技术

钻探是利用钻探设备在地下形成一直径小、深度大的圆柱体钻孔,并将钻孔中的岩土取至地面进行鉴别、描述和划分地层。

钻孔的结构，可用五个要素（三个面和二个测度）来说明：钻孔的顶面称为孔口、底面称为孔底、侧表面称为孔壁，圆柱体的高度称为孔深、直径称为孔径（也称口径）。采用变径钻探时，靠近孔口的最大直径称为开孔孔径，靠近孔底的最小直径称为终孔孔径。

钻探的操作过程是利用机械动力或人力（人力仅限于浅部土层钻探）使钻具回转或冲击，破碎孔底岩土，并将岩土带至地面，如此不断加深钻孔，直到预计深度为止。

钻探的基本操作工艺可包括破碎孔底岩土、提取孔内岩土和保护孔壁三个方面。

1）破碎孔底岩土

钻探首先要利用钻头破碎岩土，才能钻进一定深度。钻进效率的高低取决于岩土的性质、钻头的类型和材料以及操作方法。破碎岩土的方法可分为回转法、冲击法、振动法和冲洗法。

2）提取孔内岩土

孔底岩土破碎后，被破碎的土和岩芯、岩粉等仍留在钻孔中，为了鉴定岩土和继续加深钻孔，必须及时取出岩芯、清除岩土碎屑。提取孔内岩土的方法有下列几种：

①利用提土器，即螺纹钻头，将附在钻头及其上部的土与钻头一

同提出孔外；

②利用循环液清除输出岩粉；

③利用抽筒（捞砂筒）将岩粉、岩屑或砂提取出钻孔；

④利用岩芯管取芯器或取土器将岩芯或土样取出。

3）保护孔壁

由于钻孔的形成在地下留一孔穴，破坏了原来地层的平衡条件。在松散的砂层或不稳固的地层中（如杂填土、有大裂隙或发生膨胀的岩层），易发生孔壁坍塌；而在高灵敏性的饱和软弱黏土中又易发生缩孔。因此，为了防止孔壁坍塌或发生缩孔、隔离含水层以及防止冲洗液漏失等，必须保护孔壁。常用的护壁方法有泥浆护壁和套管护壁。

①泥浆护壁：由于泥浆具有胶体化学性质，在孔壁上形成泥皮，可以保护孔壁；同时由于泥浆的密度大，对孔壁的压力远大于水体的静水压力，也起到防止孔壁坍塌或缩孔的作用。泥浆护壁方法较为经济。

②套管护壁：在钻探的同时下护孔套管。防止孔口、孔壁坍塌的效果好，但操作麻烦、成本高。

2．钻探方法的分类和选用原则

根据钻探过程中破碎孔底岩土的方式不同，钻探方法可分为回转类钻探、冲击类钻探、振动钻探和冲洗钻探四类。

1）回转类钻探：通过钻杆将旋转力矩传递至孔底钻头，同时施加一定的轴向压力实现钻进。产生旋转力矩的动力源可以是人力或机械，轴向压力则依靠钻机的加压系统以及钻具自重。根据钻头的类型

和功能，回转类钻探可分为螺旋钻探、无岩芯钻探和岩芯钻探。

①螺旋钻探：钻进时将螺纹钻头（俗称提土器）旋入土层之中,提钻时带出扰动土样,供肉眼鉴别及分类试验。钻杆和钻头为空心杆，配合钻头的底活塞,可通水通气,防止提钻时孔底产生负压,造成缩孔等孔底扰动破坏。该方法主要适用于黏性土。

②无岩芯钻探：钻头类型有鱼尾钻头、三翼钻头、牙轮钻头等，钻进时对整个孔底切削研磨, 使孔底岩土全部被破碎，故称全面钻进。用循环液清除输出岩粉,可不提钻连续钻进,效率高,但只能根据岩粉及钻进感觉判断地层变化。该方法适用于多种土类和岩石。

③岩芯钻探：钻头形状为圆环形，在钻头的刃口底部镶嵌或烧焊硬质合金或金刚石等。岩芯钻头按材料分为合金钻头、钢粒钻头和金刚石钻头，在结构上有单层管和双层管之分。钻进时对孔底作环形切削研磨, 破碎孔底环状部分岩土，并用循环液清除输出岩粉, 环形中心保留圆柱形岩芯,提取后可供鉴别、试验。其中金刚石钻头的钻进效率较高,高速回转对岩芯破坏扰动小,可获得更高的岩芯采取率。该方法适用于多种土类和岩石。

2）冲击类钻探：利用钻具自重或重锤，冲击破碎孔底岩土，实现钻进。根据冲击方式和钻头的类型，冲击类钻探可分为冲击钻探和锤击钻探。

①冲击钻探：利用钻具自重冲击破碎孔底岩土实现钻进，破碎后的岩粉、岩屑由循环液冲出地面，也可采用带活门的抽筒提出地面。冲击钻头有“一”字形、“十”字形等多种，可通过钻杆或钢丝绳操

纵冲击。该方法适用于密实的土类，对卵石、碎石、漂石、块石尤为适宜。冲击钻探只能根据岩粉、岩屑和感觉判断地层变化，对孔壁、孔底扰动都比较大，故一般是配合回转类钻探，当遇到回转类钻探难以奏效的粗颗粒土时才应用。

②锤击钻探：利用重锤将管状钻头（砸石器）击入孔底土层中，提钻后掏出土样可供鉴别。这种钻探方法效率较低，一般也是配合回转类钻探，遇到特殊土层时使用。该方法适用于多种土类，在合适的土类条件下采用钢丝绳连接的孔底锤击钻头钻进，则是一种效率高、质量好的钻探方法。例如在湿陷性黄土中采用薄壁钻头锤击钻进就是一种较好的钻探方法。

3）振动钻探：通过钻杆将振动器激发的高速振动传递至孔底管状钻头周围的土中，使土的抗剪强度急剧降低，同时在一定轴向压力下使钻头贯入土中。该方法能取得较有代表性的鉴别土样，且钻进效率高，适用于黏性土、粉土、砂土及粒径较小的碎石土。但振动钻探对孔底扰动较大，往往影响高质量土样的采取。

4）冲洗钻探：通过高压射水破坏孔底土层实现钻进，土层被破碎后由水流冲出地面。这是一种简单快速成本低廉的钻探方法，主要用于砂土、粉土和不太坚硬的黏性土。但冲出地面的粉屑往往是各土层物质的混合物，代表性较差，给土层的判断划分带来一定的困难。

除了上述各类主要钻探方法外，对浅部土层还可采用下列钻探方法：

①小口径麻花钻(或提土钻)钻进；

②小口径勺形钻钻进；

③洛阳铲钻进。

各种钻探方法都有各自的特点和局限性，有一定的适用范围, 可根据岩土类别和勘察要求按表1.4.2.1选用钻探方法。

钻探方法的适用范围表1.4.2.1

注：＋＋：适用；＋：部分适用；－：不适用。

选择钻探方法应考虑的原则是：

①能够有效地钻至所需的深度，并能以一定的精度对钻穿的地层鉴定岩土类别和特性，确定其埋藏深度、变层界线和厚度；

②能够采取符合质量要求的试样或进行原位测试，避免或减轻对取样段的扰动；

③能够查明钻进深度范围内地下水的赋存情况。

因此，在编制纲要时，不仅要规定孔位、孔深，而且要规定钻探方法，现场钻探应按指定的方法操作，勘察成果报告中也应包括钻探