工程地质勘探与取样要点.docx

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工程地质勘探与取样要点

第三章工程地质勘探及取样

本章重点：

重点介绍了工程地质勘探任务、特点和手段，钻探工程，坑探工程，地球物理勘探工作方法，勘探工作布置和施工顺序，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、

取样技术要求以及勘探工作布置要求

第一节概述

工程地质勘探是在工程地质测绘基础上，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、地下水条件等内容勘察工作，是探明深部地质情况一种可靠方法。

工程地质勘探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）探明建筑场地岩性及地质构造，即各地层厚度、性质及其变化；划分地层并确定其接触关系；了解基岩风化程度、划分风化带；了解岩层产状、裂隙发育程度及其随深度变化；了解褶皱、断裂、破碎带及其它地质构造空间分布和变化。

（2）探明水文地质条件，即含水层、隔水层分布、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、坡积层位置和土层结构；岩溶规模及发育程度；滑坡及泥石流分布、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样品。

提供野外试验条件。

第二节物探工程

一、物探工程分类及应用

物探工程是利用专门仪器来探测各种地质体物理场分布情况，并对其数据及绘制曲线进行分析解释，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勘探方法，又称为地球物理勘探。

物探工程特点是：

速度快、设备轻便、效率高、成本低。

但具有多解性，属于间接方法。

因此，在工程勘察中应及其他勘探工程（钻探和坑探）等直接方法结合使用。

物探工程主要作用有：

（1）作为钻探先行手段，了解隐蔽地质界限、界面或异常点（如基岩面、风化带、断层破碎带、岩溶洞穴等）；

（2）作为钻探辅助手段，在钻孔之间增加地球物理勘探点，为钻探成果内插、外推提供依据；

（3）作为原位测试手段，测定岩土体波速、动弹性模量、土对金属腐蚀性等参数。

物探工程主要解决问题有：

（1）测定覆盖层厚度，确定基岩埋深和起伏变化；

（2）追溯断层破碎带和裂隙密集带；

（3）研究岩石弹性性质，测定岩石动弹性模量和泊松比；

（4）划分岩体风化带、测定风化壳厚度和新鲜基岩起伏变化。

二、电阻率法在岩土工程勘察中应用

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电阻率变化，从而推断地表下地质体性状方法。

电阻率法主要可以解决下列地质问题：

（1）确定不同岩性，进行地层岩性划分；

（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）探查含水层分布情况、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分布范围；

（6）寻找古河道空间位置。

三、地震折射波法在岩土工程勘察中应用

地震折射波法是通过人工激发地震波在地壳内传播特点来探查地质体一种物探方法。

。

在岩土工程勘察中运用最多是高频（＜200Hz～300Hz）地震波浅层折射法，可以研究深度在lOOm以内地质体。

主要解决下列问题：

（1）测定覆盖层厚度，确定基岩埋深和起伏变化；

（2）追索断层破碎带和裂隙密集带；

（3）研究岩石弹性性质，测定岩石动弹性模量和动泊松比；

（4）划分岩体风化带，测定风化壳厚度和新鲜基岩起伏变化。

四、物探工程一般要求

1.应用地球物理勘探方法时，应具备下列条件：

（1）被探测对象及周围介质之间有明显物理性质差异；

（2）被探测对象具有一定埋藏深度和规模，且地球物理异常有足够强度；

（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有效性试验。

2.地球物理勘探，应根据探测对象埋深、规模及其及周围介质物性差异，选择有效方法。

3.地球物理勘探成果判释时，应考虑其多解性，区分有用信息及干扰信号。

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钻孔验证。

第三节钻探工程

钻探是指用一定设备、工具（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、结构和规模建筑物，不同勘察阶段，不同环境和工程地质条件下，凡是布置勘探工作地段，一般均需采用此类勘探手段。

钻探缺点是，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、钻探目和作用

工程地质钻探目和作用综合起来有如下几个方面：

（1）查明建筑场区地层岩性、岩层厚度变化情况，查明软弱岩土层性质、厚度、层数、产状和空间分布；

（2）了解基岩风化带深度、厚度和分布情况；

（3）探明地层断裂带位置、宽度和性质，查明裂隙发育程度及随深度变化情况；

（4）查明地下含水层层数、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原位测试；

（6）利用钻孔进行地下水位长期观测、或对场地进行降水以保证场地岩（土）相关结构稳定性（如基坑开挖时降水或处理滑坡等地质问题）。

二、我国岩土工程常用钻探方法和设备

1．钻探方法及适用性

我国岩土工程勘探常用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采取岩土样品或进行原位测试。

常用长度是4.5m或6m，直径为42mm和50mm，钻杆柱连接方式有内、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Ⅷ级沉积岩及部分变质岩、岩浆岩；钢粒钻头适用于Ⅶ—Ⅻ级坚硬地层；金刚石钻头适用于Ⅸ级以上最坚硬岩层。

金刚石钻进推荐终孔直径为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；用于工程地质勘查终孔直径一般应不小于110mm，用于水井和工程施工孔径可达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，孔口管另一个重要作用是导正钻孔方向；

（2）加固很难用泥浆护壁不稳定地层；

（3）隔离漏水层及涌水层；

（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：

一是借助于循环液静水压力来平衡地层侧向压力以维持其稳定，这种方法在现代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，常用惰性材料有水泥、粘土，化学材料有混入循环液中泥浆处理剂，还有如直接注入钻孔中堵漏剂，如氰凝、丙凝等；

三是用金属或非金属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第一手地质资料。

《建筑工程地质钻探及取样技术规程》（JGJ87—2012）对钻孔记录和编录作了明确要求：

（1）野外记录应由经过专门训练人员承担；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。

岩土定名应符合现行岩土工程分类标准规定，描述术语和记录符号均应符合有关规定，鉴定描述以目测、手触方法为主，可辅以部分标准化、定量化方法或仪器。

2．钻进过程记录

关于钻进过程记录包括：

（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）值等定量指标确定。

岩芯采取率是指所取岩芯总长度及本回次进尺百分比。

总长度包括比较完整岩芯和破碎碎块、碎屑和碎粉物质。

岩芯采取率是衡量岩芯钻探质量重要指标。

岩芯获得率是指比较完整岩芯长度及本回次进尺百分比。

它不计入不成形破碎物质。

考虑到钻探实际困难，《建筑工程地质钻探及取样技术规程》（JGJ87—2012）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及编录图形化，它是钻探工作最主要成果资料。

该图是将钻孔内每一岩土层情况按一定比例编制成柱状图，并作简明描述。

在图上还应在相应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、孔中特殊情况、代表性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话，也应将其成果在相应位置上标出。

所以，钻孔柱状图实际上是反映钻探工作综合成果

（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期限内长期保存，也可在检查验收结束后拍摄岩土芯样彩色照片，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、坑探工程目和作用

坑探工程也称掘进工程、井巷工程，它是用人工或机械方法在地下开凿挖掘一定空间，以便直接观察岩土层天然状态及各地层之间接触关系等地质结构，并能取出接近实际原状结构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）等空间分布特点及其工程性质等，具有重要意义。

坑探工程缺点是：

使用时往往受到自然地质条件限制，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、坑探工程类型和适用条件

岩土工程勘探中常用坑探工程有：

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。

现将不同坑探工程特点和适用条件列于表3—3中

各种坑探工程特点和适用条件表3—3

名称

特点

适用条件

探槽

在地表深度小于3m～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；探查残坡积层厚度和物质、结构

试坑

从地表向下，铅直、深度小于3m～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、深度5m～圆形或方形井

确定覆盖层及风化层岩性及厚度；作载荷试验，取原状土样

竖井

（斜井）

形状及浅井相同，但深度大于，有时需支护

了解覆盖层厚度和性质，作风化壳分带、软弱夹层分布、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、岩层又较缓倾地段

平硐

在地面有出口水平坑道，深度较大，有时需支护

调查斜坡地质结构，查明河谷地段地层岩性、软弱夹层、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；布置在地形较陡山坡地段

石门

（平巷）

不出露地面而及竖井相连水平坑道，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、坑探工程设计书编制

在岩土工程勘探总体布置基础上编制，其内容主要包括：

1.坑探工程目、型号和编号；

2.坑探工程附近地形、地质概况；

3.掘进深度及其论证；

4.施工条件：

岩石及其硬度等级，掘进难易程度，采用掘进机械及掘进方法；地下水位，可能涌水情况，应采取排水措施；是否需要支护及支护材料、结构等。

5.岩土工程要求：

掘进过程中编录要求及应解决地质问题；对坑壁、底、顶板掘进方法要求；取样地点、数量、规格和要求等；岩土试验项目、组数、位置及掘进时应注意问题；应提交成果、资料及要求

6.施工组织、进度、经费及人员安排。

四、坑探工程观察、描述、编录

1．坑探工程观察、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、描述内容包括：

（1）量测探井、探槽、竖井、斜井、平硐断面形态尺寸和掘进深度；

（2）地层岩性划分及描述。

注意划分第四系堆积物成因、岩性、时代、厚度及空间变化和相互接触关系；基岩颜色、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岩性、厚度及其泥化情况。

（3）岩石风化特征及其随深度变化，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、裂隙发育；断裂产状、形态、力学性质；破碎带宽度、物质成分及其性质；节理裂隙组数、产状穿切性、延展性、隙宽、间距（频度），有必要时作节理裂隙素描图和统计测量；

（5）测量点、取样点、试验点位置、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主要内容，也是坑探工程所需提交主要成果资料。

所谓展视图，就是沿坑探工程壁、底面所编制地质断面图，按一定制图方法将三度空间图形展开在平面上。

不同类型坑探工程展视图编制方法和表示内容有所不同，其比例尺应视坑探工程规模、形状及地质条件复杂程度而定，一般采用l：

25～1：

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，测量水平延伸长度、槽底坡度、绘制四壁地质素描显得尤为重要。

探槽展示图有以坡度展开法绘制展示图和以平行展开法绘制两种展示图。

其中平行展示法使用广泛，更适用于坡度直立探槽。

（2）浅井和竖井展示图。

浅井和竖井展示图有两种。

一种是四壁辐射展开法，另一种是四壁平行展开法。

四壁平行展开法使用较多，它避免了四壁辐射展开法因井较深存在不足。

图3—5为采用四壁平行展开法绘制探井展示图，图中浅井和竖井四壁地层岩性、结构构造特征很直观地表示了出来。

（3）平硐展示图

平硐展示图绘制从硐口开始，到掌子面结束。

具体绘制方法是：

按实测数据先画出硐底中线，然后，依次绘制硐底—硐两侧壁—硐顶—掌子面，最后按底、壁、顶和掌子面对应地层岩性和地质构造填充岩性图例及地质界线，并应绘制硐底高程变化线，以便于分析和应用。

3．坑探工程一般要求

（1）当钻探方法难以准确查明地下情况时，可采用探井、探槽进行勘探。

在坝址、地下工程、大型边坡等勘察中，当需详细查明深部岩层性质、构造特征时，可采用竖井或平硐。

（2）探井深度不宜超过地下水位。

竖井和平硐深度、长度、断面按工程要求确定

（3）对探井、探槽和探硐除文字描述记录外，尚应以剖面图、展示图等反映井、槽、硐壁和底部岩性、地层分界、构造特征、取样和原位试验位置、并辅以代表性部位彩色照片。

（4）坑探工程编录应紧随坑探工程掌子面，在坑探工程支护或支撑之前进行。

编录时，应于现场做好编录记录和绘制完成编录展示草图。

（5）探井、探槽完工后可用原土回填，每30cm分层夯实，夯实土干重度不小于15kN/m3。

有特殊要求时可采用低标号混凝土回填。

第五节采取土样

通过采取土样，进行土类鉴别，测定岩土物理力学性质指标，为定量评价岩土工程问题提供技术指标。

通过采取土样，进行土类鉴别，测定岩土物理力学性质指标，为定量评价岩土工程问题提供技术指标。

一、土样质量等级

土样质量实质上是土样扰动问题。

土样扰动表现在土原始应力状态、含水量、结构和组成成分等方面变化，它们产生于取样之前，取样之中以及取样之后直至试样制备全过程之中。

实际上，完全不扰动真正原状土样是无法取得。

不扰动土样或原状土样基本质量要求是：

（1）没有结构扰动。

（2）没有含水量和孔隙比变化。

（3）没有物理成分和化学成分改变。

根据试验目，《规范》把土试样质量分为四个等级（表3—4），并明确规定各级土样能进行试验项目。

土试样质量等级表3—4

等级

扰动程度

试验内容

I

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

不扰动

轻微扰动

显著扰动

完全扰动

土类定名、含水量、密度、强度试验、固结试验

土类定名、含水量、密度

土类定名、含水量

土类定名

注：

①不扰动是指原位应力状态虽已改变，但土结构、密度和含水量变化很小，能满足室内试验各项要求；

②除地基基础设计等级为甲级工程外，在工程技术要求允许情况下可用Ⅱ级土试样进行强度和固结试验，但宜先对土试样受扰动程度作抽样鉴定，判别用于试验适宜性，并结合地区经验使用试验成果。

二、钻孔取土器类型及适用条件

主要有两种方法：

一是从探井、探槽中直接刻取样；二是用钻孔取土器从钻孔中采取。

目前各种岩土样品采取主要是采用第二种方法，即用钻孔取土器采样方法。

一）取土器基本技术参数

按壁厚可分薄壁和后壁两类，按进入土层方式可分贯入式和回转式两类。

注：

①不扰动是指原位应力状态虽已改变，但土结构、密度和含水量变化很小，能满足室内试验各项要求；

②除地基基础设计等级为甲级工程外，在工程技术要求允许情况下可用Ⅱ级土试样进行强度和固结试验，但宜先对土试样受扰动程度作抽样鉴定，判别用于试验适宜性，并结合地区经验使用试验成果。

二、钻孔取土器类型及适用条件

主要有两种方法：

一是从探井、探槽中直接刻取样；二是用钻孔取土器从钻孔中采取。

目前各种岩土样品采取主要是采用第二种方法，即用钻孔取土器采样方法。

（一）取土器基本技术参数

按壁厚可分薄壁和后壁两类，按进入土层方式可分贯入式和回转式两类。

不同质量等级土试样取样方法和工具表3—5

土试样

质量等级

取样工具和方法

适用土类

粘性土

粉土

砂土

砾砂、碎石

土、软岩

流塑

软塑

可塑

硬塑

坚

硬

粉砂

细砂

中砂

粗砂

Ⅰ

薄壁取土器

固定活塞

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+

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+

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水压固

定活塞

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自由活塞

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敞口

+

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回转取土器

单动三

重管

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双动三

重管

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++

+

探井（槽）中

刻取块状土样

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Ⅱ

薄壁取土器

水压固

定活塞

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+

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+

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自由活塞

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—

+

+

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敞口

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—

+

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回转取土器

单动

三重管

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+

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++

+

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双动三

重管

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—

—

+

++

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++

++

厚壁敞口取土器

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+

+

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Ⅲ

厚壁敞口取土器

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++

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+

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标准贯入器

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—

螺纹钻头

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岩芯钻头

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+

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Ⅳ

标准贯入器

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螺纹钻头

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+

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岩芯钻头

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