岩土工程勘探与取样.docx
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岩土工程勘探与取样
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
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
钻探方法
钻进地层
勘察要求
黏性土
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
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＋＋
冲击
冲击钻探
锤击钻探
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＋
＋＋
＋＋
＋＋
＋＋
＋
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－
－
＋＋
－
＋＋
振动钻探
＋＋
＋＋
＋＋
＋
－
＋
＋＋
冲洗钻探
＋
＋＋
＋＋
－
－
－
－
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方法的说明。
***3．钻探的技术要求
1）钻孔规格
钻探口径和钻具规格应符合现行国家标准的规定。
成孔口径应满足取样、测试和钻进工艺的要求。
采取原状土样的钻孔，口径不得小于91mm,仅需鉴别地层的钻孔，口径不宜小于36mm；在湿陷性黄土中，钻孔口径不宜小于150mm。
2）钻探规定
①钻进深度和岩土分层深度的量测精度，不应低于±5cm。
②应严格控制非连续取芯钻进的回次进尺，使分层精度符合要求。
在土层中采用螺纹钻头钻进时，应分回次提取扰动土样。
回次进尺不宜超过1.0m，在主要持力层中或重点研究部位，回次进尺不宜超过0.5m,并应满足鉴别厚度小至2cm的薄层的要求。
在水下粉土、砂土层中钻进，当土样不易带上地面时，可用对分式取样器或标准贯入器间断取样，其间距不得大于1.0m。
取样段之间则用无岩芯钻进方式通过，亦可采用无泵反循环方式用单层岩芯管回转钻进并连续取芯。
在岩层中钻进时，回次进尺不得超过岩芯管长度，在软质岩层中不得超过2.0m。
③对要求鉴别地层和取样的钻孔，均应采用回转方式钻进，取得岩土样品。
遇到卵石、碎石、漂石、块石等类地层不适用于回转钻进时，可改用振动回转方式钻进。
④对鉴别地层天然湿度的钻孔，在地下水位以上应进行干钻；当必须加水或使用循环液时，应采用双层岩芯管钻进。
⑤在湿陷性黄土中应采用螺纹钻头钻进，亦可采用薄壁钻头锤击钻进。
操作应符合“分段钻进、逐次缩减、坚持清孔”的原则。
⑥岩芯钻探的岩芯采取率，对完整和较完整岩体不应低于80％，较破碎和破碎岩体不应低于65％。
对需重点查明的部位（滑动带、软弱夹层等）应采用双层岩芯管连续取芯。
⑦当需确定岩石质量指标RQD时，应采用75mm口径（N型）双层岩芯管和金刚石钻头。
⑧深度超过l00m的钻孔以及有特殊要求的钻孔包括定向钻进、跨孔法测量波速，应测斜、防斜，保持钻孔的垂直度或预计的倾斜度与倾斜方向。
对垂直孔，每50m测量一次垂直度，每深100m允许偏差为±2º。
定向钻进的钻孔应分段进行孔斜测量（每25m测量一次倾角和方位角），倾角和方位角的量测精度应分别为±0.1º和±3.0º。
钻孔斜度及方位偏差超过规定时，应及时采取纠斜措施。
⑨对可能坍塌的地层应采取钻孔护壁措施。
在浅部填土及其它松散土层中可采用套管护壁。
在地下水位以下的饱和软黏性土层、粉土层和砂层中宜采用泥浆护壁。
在破碎岩层中可视需要采用优质泥浆、水泥浆或化学浆液护壁。
冲洗液漏失严重时，应采取充填、封闭等堵漏措施。
⑩钻进中应保持孔内水头压力等于或稍大于孔周地下水压，提钻时应能通过钻头向孔底通气通水，防止孔底土层由于负压、管涌而受到扰动破坏。
3）地下水位量测
①初见水位和稳定水位可在钻孔、探井或测压管内直接量测，稳定水位的间隔时间按地层的渗透性确定，对砂土和碎石土不得少于0.5h，对粉土和黏性土不得少于8h,并宜在勘察结束后统一量测稳定水位。
水位量测可使用测水钟或电测水位计。
量测读数至厘米，精度不得低于±2cm。
②钻探深度范围内有多个含水层，且要求分层量测水位时，在钻穿第一个含水层并量测稳定水位后，应采用套管隔水，抽干钻孔内存水，变径继续钻进，再对下一个含水层进行水位量测。
稳定水位是指钻探时的水位经过一定时间恢复到天然状态后的水位。
采用泥浆钻进时，为了避免孔内泥浆的影响，需将测水管打人含水层20cm方能较准确地测得地下水位。
地下水位量测精度规定为±2cm是指量测工具、观测等造成的总误差的限值，因此量测工具应定期用钢尺校正。
4）钻孔的记录和编录
①野外记录应由经过专业训练的人员承担。
记录应真实及时，按钻进回次逐段填写，严禁事后追记。
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，可采用微型贯人仪等定量化、标准化的方法。
③钻探成果可用钻孔野外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。
钻探野外记录是一项重要的基础工作，也是一项有相当难度的技术工作，因此应配备有足够专业知识和经验的人员来承担。
野外描述一般以目测、手触鉴别为主，其结果往往因人而异。
为实现岩土描述的标准化，如有条件可补充一些标准化、定量化的鉴别方法，将有助于提高钻探记录的客观性和可比性，这类方法包括：
使用标准粒度模块区分砂土类别，用孟塞尔（Munsell）色标比色法表示颜色，用微型贯人仪测定土的状态，用点荷载仪判别岩石风化程度和强度等。
8.2取样技术和取土器
1．土试样质量等级
采取土试样的目的就是用来进行室内土工试验，测定土的物理力学性质参数。
如果土试样的质量不能保证，则土工试验的仪器再精密、操作方法再严格，也无法保证试验结果能真实反映原位土的工程性质。
因此，土试样质量是岩土工程勘察中一个非常重要的问题，对岩土工程评价的可靠性起着关键作用。
土样的质量取决于土样的扰动程度，引起土样的扰动的原因（即影响土样质量的因素）主要有以下几方面：
1）应力状态变化：
由于原位应力的解除，土样的体积趋于膨胀，引起土样结构的扰动；
2）钻探操作工艺：
不同的钻探方法及其操作工艺对孔底有着不同程度的扰动；
3）取土技术：
①取土器的类型及其技术规格；②取土方法及其操作工艺；
4）其他因素：
①化学变化（如钻孔中泥浆内的化学物质进入土样、土样暴露大气之后的氧化等）；②运输过程的振动、失水等；③储存过程的物理、化学变化（温度、化学、生物作用等）；④制备土样时的切削扰动。
上述各类因素中，有些是可以人为控制的，如取土器的技术规格、取土方法及其操作工艺等，所谓控制只是尽可能地减小、但又不能完全消除扰动。
而有些因素则是无法避免的，如原位应力的解除等。
因此，完全不扰动的土样实际上是不存在的，只是扰动的程度不同。
这就有必要将扰动程度不同的土试样定为不同的土试样质量等级。
所谓的不扰动土样（传统上称为原状土样）是指尽管原位应力状态已改变,但基本上保持土的天然结构、天然密度和含水量，且能满足室内试验各项要求的土样。
但不是所有的试验都要求使用这种高标准的土样,不同的试验对土样有不同的扰动程度的控制要求。
另一方面，采取不同等级土试样的成本差别很大。
因此,有必要根据不同的试验要求来划分土样质量等级。
国家标准《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）将土试样质量根据试验目的分为四个等级，见表1.4.4.1。
土试样质量等级表1.4.4.1
级别
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,但土的结构、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的工程外,在工程技术要求允许的情况下可用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,判定用于试验的适宜
性，并结合地区经验使用试验成果。
表1.4.4.1中给出了土工试验项目与土试样质量等级的对应关系。
强度试验、固结试验等土的力学性质试验，对土试样质量要求最高，相应的土试样质量等级为Ⅰ级（不扰动）。
密度试验属对土样结构扰动较敏感的土的物理性质试验，进行该项试验的土试样质量等级不得低于Ⅱ级（轻微扰动）。
颗粒分析试验和液、塑限试验等土类定名试验，其试验过程本身就是对土结构的严重扰动，故该类试验对土试样质量要求最低，相应的土试样质量等级为Ⅳ级（完全扰动）。
表1.4.4.1对土样扰动程度的划分只是定性的，并没有严格的定量标准。
土试样扰动程度的鉴定方法有以下几类：
①现场外观检查；②测定土样采取率；③X射线无损检验；④室内试验评价（根据应力应变关系评定或根据压缩曲线特征定义扰动指数评定等）。
其中有些方法的定量指标不仅取决于土试样的扰动程度，还与土的自身特性和试验方法有关；而室内试验评价方法已属事后检验把关，并不是保证土试样质量的现场控制措施。
一般情况下，在实际工程中不太可能对所取土样的扰动程度作详细研究和定量评价。
因此，表1.4.4.1划分土试样质量等级的指导思想是强调事先的质量控制，即对采取某一等级土试样所必须使用的设备和操作条件做出严格的规定，并考虑土层特点、操作水平和地区经验来判断所取土样是否达到预期的质量等级。
Ⅰ级土样不是所有情况下都能采取到的，有些土层，如饱和松散砂层，即使采用特殊的取样技术也难以取到理想的原状试样。
因此，规范中还注明，除地基基础设计等级为甲级的工程外,在工程技术要求允许的情况下可用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,判定用于试验的适宜性，并结合地区经验使用试验成果。
取土技术，包括取样工具及其技术规格、取样方法及其操作工艺，是控制和保证土试样质量的基础。
以下对取样工具和方法、取土器的技术规格、取土器的类型以及采取土试样的技术要求等有关取土技术的核心问题进行介绍。
2．取样工具和方法
土试样采取的工具和方法可按表1.4.4.2选择。
表1.4.4.2中给出的取样方法大致上可分为三大类：
①探井或探槽中刻取块状土样；②利用取土器取样；③其他取样方法。
不同的取样方法对应于不同的土试样质量等级，适用于不同的土类，并采用不同的取样工具。
不同等级土试样的取样工具和方法表1.4.4.2
土试样质量等级
取样工具
和方法
适用土类
黏性土
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
水压固定活塞
自由活塞
敞口
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－
回转
取土器
单动三重管
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
自由活塞
敞口
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回转
取土器
单动三重管
双动三重管
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厚壁敞口取土器
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＋
＋
＋
－
III
厚壁敞口取土器
标准贯入器
螺纹钻头
岩芯钻头
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IV
标准贯入器
螺纹钻头
岩芯钻头
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＋＋
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＋＋
－
－
＋＋
注：
1＋＋：
适用；＋：
部分适用；－：
不适用；
2采取砂土试样应有防止试样失落的补充措施；
3有经验时，可用束节式取土器代替薄壁取土器。
1）探井或探槽中刻取块状土样
探井或探槽中刻取块状土样（又称盒状土样）的方法几乎适用于各种土类，甚至软岩。
严格按规定所采取的土试样质量等级可达Ⅰ级。
取样的方法和要求如下。
探井、探槽中采取的原状土试样宜用盒装。
土样容器可采用φ120mm×200mm或120mm×120mm×200mm、φ150mm×200mm或150mm×150mm×200mm等规格。
对于含有粗颗粒的非均质土,可按试验设计要求确定尺寸。
土样容器宜做成装配式并具有足够刚度,避免土样因自重过大而产生变形。
容器应有足够净空,使土试样盛入后四周上下都留10mm的间隙。
盒状土试样的采取应按下列步骤：
①整平取样处的表面；
②按土样容器净空轮廓，除去四周土体，形成土柱，其大小比容器内腔尺寸小20mm；
③套上容器边框，边框上缘高出土样柱约10mm，然后浇入热蜡液，蜡液应填满土样与容器之间的空隙至框顶，并与之齐平，待蜡液凝固后，将盖板用螺钉拧上；
④挖开土样根部，使之与母体分离，再颠倒过来削去根部多余土料，至低于边框约10mm，再浇满热蜡液，待凝固后拧上底盖板。
2）利用取土器取样
利用各类取土器取样是岩土工程勘察中最主要的取样手段。
根据取土器入土方式的不同，取样方法可分为贯入方法和回转方法，不同方法采用不同类型的取土器。
回转型取土器主要用于较硬的黏性土、粉土、砂土及部分碎石土，所采取的土试样质量等级可达Ⅰ级。
贯入型取土器
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