工程地质钻探培训课件.docx

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工程地质钻探培训课件

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第一节工程地质钻探

按钻探目的不同，分为工程地质钻探和工程施工钻探。

　工程地质钻探主要用于各种工程的勘察，如高层建筑、桥梁、水库、码头、地下铁路、越江和越海隧道等基础勘察。

用钻探的方法作为某种工程施工手段的工程钻称之为工程施工钻。

早期工程钻探技术采用岩心钻探、水井钻探和石油钻探的设备和工艺。

随着工程建筑、交通、水电等事业的发展，用于各项工程钻探的工作量日益增加，为满足不同需要，工程钻探的设备和工艺呈现出多样化及专用化，且已成为钻探技术的一个重要组成部分。

一、概述

1、钻探的目的

揭露并划分地层，鉴定和描述岩土性质和成分；了解地质构造和不良地质现象的分布、界限及形态等；自钻孔中采取岩土样品，确定岩土的物理力学性质；了解地下水的类型，测量地下水水位，采取水样，分析地下水的物理和化学性质；利用钻孔进行孔内原位测试（如十字板剪力试验、旁压试验、标准贯入试验等）、水文地质试验（如抽水试验、压水试验等）和长期观测等。

2、工程地质孔的类型：

测绘孔；勘探孔；控制孔；实验孔。

3、钻探的特点

工程地质钻探既不同于固体矿床钻探（岩心钻探），也不同于水文地质钻探，其主要特点有以下几点：

①工程地质钻探主要是在覆盖层中，孔深较浅，一般在50m以内。

孔径依照工程地质勘察的目的而定，其变化范围较大。

②在钻进过程中，不仅查明岩土的种类和性质、岩土的层位和厚度等一般地质、岩土特征，还要查明岩土的原状性。

如岩土的裂隙程度、密实程度、含水情况及风化特点等。

钻进过程中要连续或间隔地用取土器采取原状样品。

③孔内要进行各种试验工作，占用的时间较多，往往比钻进的时间还要长；钻进条件变化大，勘察对象分散。

④完孔时必须止水，以封闭地下水循环的人工通道。

二、钻探设备

随着工程地质勘察规模的增大和地下建筑的发展，适宜于工程地质钻探的钻机也在不断地发展。

从初期的手摇钻机及利用岩心钻机进行工程地质钻探，发展到专门进行工程地质钻探的钻机。

这种钻机的种类较多，其功能各异，以适应不同的岩土钻进。

工程地质钻机的性能从单一的功能向多种功能发展；钻机的用途从单纯的钻探向钻探和测试兼顾的多种用途发展；操作和运转从人力、机械传动向液压传动和电子自动控制的方向发展；钻机的类型从单一和分散的状态向适应不同要求和深度的系列化配套方向发展。

三、钻进方法

1、机械振动钻进

（1）振动钻进的原理

用振动器带动钻杆和碎岩工具产生周期性振动力。

它除了地表振动器和钻具对地层产生垂直静载外，还有钻具产生高频冲击振动所产生的动载，使周围岩层或土壤也产生振动。

由于振动频率较高，岩层或土壤强度降低，在钻具和振动器自重及振动力的联合作用下，使钻头吃入（沉入）岩土层，从而实现钻进。

（2）振动器工作原理

双轴轮振动器的两个偏心轮，无论处于何处，离心力Q1和Q2均可分解为两个力：

S1和S2水平力抵消；P1和P2在垂直方向上的合力叠加，形成上下振动。

三、钻进方法

1、机械振动钻进

（1）振动钻进的原理；

（2）振动器；（3）振动钻进的工艺参数

决定振动钻进效果的主要工艺参数是振动器偏心轮的偏心力矩、振动频率和振动力。

冲击振动钻进效果主要取决于振动器偏心轮的偏心力矩、偏心轮转速、振动频率和振动部分的重量。

　振动器工作时间平均1－3分钟，长的有10分钟，其中纯钻进时间约占25%，其它为升降及辅助时间。

2、机械螺旋钻进

（1）螺旋钻进的特点：

1）钻进效率高；2）低公害、低噪音、低成本，简化了钻进设备和工艺；3）不使用冲洗液，免去了配制冲洗液和输送冲洗液的辅助工作，简化了钻进设备和工艺，适应于缺水、高寒地区和漏失地层中的钻进。

4）孔壁稳定；5）可以随时取样，及时掌握变化情况。

6）一般只能钻进松软岩层。

（2）螺旋钻具

螺旋钻具由钻头、翼片、螺旋带和连接部分组成。

钻头体上焊有一段螺旋带，与钻杆螺旋带衔接，便于输送岩粉。

钻头上端用销子与钻杆连接，并用定位器定位。

钻头直径较钻杆大1－2cm。

螺旋钻杆由心管、螺旋带和连接部分组成。

心管为无缝钢管，外面焊有螺旋带，一端是六角形或方形杆，另一端是六角形或方形套，两根钻杆的套与杆连接后，插入销子，并用防松定位器固定。

螺旋钻杆也有丝扣连接。

（3）钻具的主要结构参数

螺旋钻具主要是由钻头和螺旋钻杆两部分组成。

其主要结构参数有：

螺旋叶片的倾角、半径、螺距、螺旋轴上的叶片数、螺旋心轴半径、螺旋钻的整个高度和切削刃的切削角等。

（4）螺旋钻进的工艺参数a.钻进轴向压力　b.转速

螺旋排粉管原理：

当离心力P大于碎块A与螺旋面之间的磨擦阻力时，碎块A才有可能由孔内输送到地表，否则它将随螺旋钻杆一起回转而不能输送到孔外。

第二节　样品的采取

原状样品：

指天然成分和结构未被破坏的样品。

取土器：

为采取原状样品所使用的工具称为原状取土器，简称取土器。

样品根据在采取过程中客观存在扰动的程度可分为原状样品和扰动样品。

用原状样品可以测定土层在自然状态下的各种物理力学指标，对地基土作出正确的评价，从而为各类工程建筑提供可靠的设计依据。

实际取得完全不受扰动的原状样品是不可能的的。

在原状样品采取过程中，应尽可能减少扰动。

扰动样品即天然成分和结构受到破坏的样品。

扰动样品的采取不用取土器，而是在钻进过程中采取被排至孔外的钻屑作样品。

螺旋钻进、振动钻进、反循环钻进以及其它钻进方法排除岩屑的方式虽然各不相同，但都可采取钻屑作为样品，并以此来判断孔内地层情况。

一、取土器

1、基本技术参数

（1）取样对取土器的要求

任何取土器都必须做到取土时不掉土样；对土样的扰动最小；能顺利地压入或击入土层；结构简单，便于加工制造，使用操作简便等。

　必须控制土样顶端所受的压力，包括钻孔中水柱压力、大气压力及由于土样与取土器内壁摩擦而造成土样进入取土器形成阻力而产生的压密扰动。

控制土样下端所受的吸力，包括真空吸力和土样自重。

为了实现上述要求，应对取土器的直径、内间距比、外间距比、取土管的形式及长度、余土管的长度、管靴刃口的形状及角度这样一些基本技术参数进行分析研究，得到结构合理，技术参数适宜的取土器。

（2）基本技术参数

直径（100/80mm）：

【取土方法（扰动带宽<20mm）；环刀直径（79.8和61.8mm）；土层性质（易扰动软土淤泥d＞120mm，湿陷性黄土＞120mm，砂及砂土可用小直径防脱样）；取样长度（压缩、直剪、三轴试样长150、200、300mm）】；内间距离比；外间距比；面积比；管靴刃口的形式和角度；取土管的形式及长度；上部封闭装置。

内间距比－目的控制内磨擦，过大掉样，过小扰动宽度加大。

取土管内径（Ds）与管靴刃口内径（De）之差与刃口内径之比，用Ci来表示：

Ci=（Ds—De）|De×100%Ci－软土取0.5%－1%；一般粘土1%－1.5%，砂取0

外间距比－目的减小孔壁与取土器外壁摩擦。

取土器管靴外径（Dw）与取土管的外径（DL）之差与取土管外径的比，用Cb来表示：

Cb=（Dw—DL）|DLCb－软土取0－1%；砂取0

面积比：

取土器最大断面积和原状土样断面积之差与原状土样面积之比，用Ar表示：

Ar=（Ds2—Dc2）|Dc2×100%一般越小越好：

软土和黄土10%~15%；一般粘性土15%~20%。

管靴刃口的形式和角度：

靴刃口角度的增加，土样的扰动也随着增加。

刃口的角度α根据土类的不同而改变：

在软土中α<10°；在一般粘性土中，α=7°～15°；在黄土中，α＝１０°～１２°。

取土器的形式：

单壁式；复壁式；圆筒式；半合焊接式；可分半合式。

　取土器的长度：

取土管太长，扰动加剧。

一般取砂土管最短；砂性土及一般粘性土次之；较软粘性土可适当长些

上部封闭装置－取土的关键3种类型：

限制球阀式；上提活阀式；简易活阀式。

同一封闭装置又有多种不同形式。

2、种类

二、原状土样的采取

①压入法－用滑轮组合压入，分一次（连续）和多次（断续）压入两种，适于软土；

②击入法－孔内或孔外击入，适于硬土中取样；

③回转压入法－用机械回转压入，适于坚硬、极坚硬土

三、影响原状土样质量的因素

除上述取土器结构及取土器的因素外，还有以下因素：

钻进方法－保持原状结构，每次进尺＜300mm；钻孔内残土－清理干净；钻孔结构和垂直度－垂直下钻，环状间隙＞20mm；提升取土器－由于吸力及提升加速增加了扰动；土样的包装－加盖密封，防止扰动、挥发、日照。

第三节　工程施工钻探

一、概述1、应用领域

应用广泛：

工程施工，利用钻孔对已竣工程基础进行注浆加固处理，某一方面的特殊用途等。

施工方法很多，大数工程基础采用桩基础（包括预制和就地灌注桩）。

大口径灌注桩施工中，目前基本采用钻孔法（在基岩上成桩时必须采用此法）。

已竣工工程基础有裂隙、泄露、下陷等问题时，可钻孔静压灌注浆或旋喷注浆方法加固处理。

2、特点

工程施工钻孔的孔深、孔径和数量依工程目的而定，变化范围较大。

对于基础桩孔，钻孔深度一般都在30m以内，承载层很深情况下为50～70m。

基础桩孔直径一般300～1500mm，大型基础桩孔直径4～5m。

钻孔的数量根据工程基础的承载能力、工程建筑重量而定。

大直径灌注桩对钻孔桩位偏差规定：

单桩、条形桩基沿垂直轴线方向和群桩基础边桩的偏差不大于1／6桩的设计直径；条形桩基沿顺轴线方向和群桩基础中间桩的偏差不大于1／4桩的设计直径。

钻孔桩位偏超过规定要求，将产生不均匀载荷。

对钻孔垂直偏差度要求：

桩孔孔斜不得大于孔深的千分之十。

不同桩对钻孔底部允许的沉渣厚度为100～300mm。

沉渣厚度关系到基桩沉降量是否超过规范要求，是一个关键质量指标。

二、桩基础施工

1、桩基础的组成及应用

当地基浅层土质不良，浅基础不能满足建筑物对地基强度、变形和稳定性方面要求时，需采用深基础。

桩基础就是一种常用的深基础。

桩基础是由若干根单桩和承台两部分组成。

桩在平面排列上可成为一排或几排，所有桩的顶部由承台联成一个整体。

承台的形式可采用三角形、矩形、多边形、圆形和环形。

桩基础的作用：

将承台以上结构物传来的外力通过承台，由桩传到较深的地基持力层中去。

各桩所承受的荷载由桩通过桩侧土的摩擦力及桩端岩土的抵抗力将荷载传递到岩土中。

桩基础适应性较好，便于机械化施工，且能以不同类型的桩基础和施工方法适应不同的水文、地质条件，荷载性质和上部建筑物结构特征。

当具有可靠承载力的岩土层在较大深度，直接在结构物下面的土层有可能被侵蚀、冲蚀，上部结构把很重的集中载荷传递给基础。

上部结构传递下来的是非常大的垂直载荷及水平方向的载荷，结构物沉降量过大或对于不均匀沉降非常敏感，地下水位很高时，为解决基础问题，采用桩基。

2、桩与桩基础的分类

①按承台位置分类：

高桩承台；低桩承台。

高桩承台－承台底面部分位于地面以下，基庄全部沉入地基中

低桩承台－承台底面位于地面以上，基庄部分沉入地基中

②按施工方法分类

③钻孔灌注桩

钻孔灌注桩：

是用钻（冲或抓）孔机械在岩土中先钻成桩孔，然后在孔内放入钢筋笼，灌注桩身混凝土而筑成的深基础。

三、钻进方法

工程施工钻进属大口径钻进，与供水井的钻进方法有共同之处，也有本身特点。

1、正循环回转钻进

（1）钻头

正循环回转钻进用的钻头类型、结构随钻进工艺不断地发展和改进。

国内目前使用钻头可分为：

双腰翼片鱼尾钻头、组合牙轮钻头和滚刀钻头、扩底钻头

（2）钻具特点

大口径工程施工钻孔一般要求口径大、深度浅、钻孔弯曲小；在钻进时，地层变化较大，经常是卵、砾、漂石及回填地层，有裂隙或倾斜的软硬不均地层等。

因而要求钻机回转扭矩足够大，使用导向性、刚性和稳定性好的钻具。

（3）钻进工艺特点

钻压与钻头类型有关，常规口径岩心钻进或大口径钻进时，钻压比较容易实现；大口径基础工程施工钻孔，一般孔深较浅，增加钻压较困难。

在松散地层中，实际钻进钻压应以保证冲洗液畅通，及时清除钻渣为前提，可灵活掌握；在基岩地层中，可通过配置加重钻铤或重块提高钻压。

大口径钻进以钻头旋转圆周线速度来表示。

一般情况下旋转线速度为1.0～1.6m／s，转速为10～80r/min；硬或非均质地层，大口径钻头回转速度应适当降低。

钻压、转速这两项钻进参数在钻进中互相补充。

如：

大口径钻进中钻压虽小，但钻头的线速度高。

即“低压高线速”,尤其在钻粒钻进中能保持正常钻进和较高钻进的效率。

冲洗液量的大小常以能满足孔内冲洗液上返流速大于岩粉颗粒沉降速度为宜，在常规口径钻进中，冲洗液上返流速大于0．3m／s容易实现。

但在大口径钻进中，若采用正循环钻进方法，由于井筒截面积大，难以满足排粉所需的冲洗液量。

钻孔灌注桩采用正循环钻进成孔，常用泥浆护壁。

泥浆性能要求：

相对密度1.08～1.15；漏斗粘度18～28s；含砂率＜4％；胶体率＞95％，失水量＜30ml／min。

钻孔灌注桩钻进成孔直径大，全面破碎而大量排碴，除要求冲洗液达到一定的上返速度外，冲洗液循环系统的设置应满足供浆、循环、沉淀、废浆储存和排放等要求。

2、冲抓锥（斗）钻进

冲抓锥钻进是由锥瓣直接抓取土、石块的冲抓锥来钻进成孔的。

四、钻孔灌注桩的施工

1、施工前的准备：

施工现场－陆地平实；浅水筑“岛”，深水“浮动钻船”;施工平面图－注明桩位编号顺序水电线路及设施，泥浆；埋设护筒－内径比钻孔桩设计直径稍大，高出地面0.3m；准备泥浆－

2、成孔及成桩程序

钻孔灌注桩成孔方法：

正循环回转钻进法、反循环回转钻进法、全套管施工法、潜水钻机钻进法及冲击钻进法等。

钻孔灌注桩成桩程序：

下钢筋笼、插入导管清孔和灌注混凝土、起拔套管等。

（1）成孔成孔工艺包括护壁成孔灌注桩、干成孔灌注桩、爆扩成孔灌注桩

（2）清孔目的：

抽、换孔内泥浆，清除钻渣和沉淀层。

终孔检查后要立即清孔，清孔后在最短时间内灌注混凝土。

　常用的清孔方法有正循环清孔、泵吸反循环清孔、压风清孔和掏渣清孔。

（3）钢筋笼的制作及吊放

钢筋符合设计要求。

制作前应除锈、调直（用于螺旋筋和盘筋不须调直）。

主筋尽量用整根钢筋。

下放时要防止碰撞。

　钢筋笼全长超过10m时要分段制作，分段后的主接头要错开，同一截面内的接头数目不超过主筋总根数的50%，两接头间距要大于0.5m。

五、混凝土的配制与灌注

1、基本要求

桩身混凝土按条件养护28天后应达到的要求为：

抗压强度达到相应标号的标准强度；凝结密实，胶结良好，无蜂窝、空洞、裂缝、稀释、夹层和夹泥渣等不良现象；水泥砂浆与钢筋粘结性好，不得有脱粘露筋现象；有特殊要求的混凝土或钢筋混凝土的其它性能指标，应达到设计要求。

配制混凝土所用材料和配合比应符合国家的现行标准外并满足下列要求：

①水泥初凝时间不宜小于3～4h。

②粗骨料宜采用卵石，最大粒径不大于导管内径的1/8。

③为使混凝土有较好的和易性，混凝土的含砂率宜采用40％～50％；粗、细骨料比宜采用1:

1，水灰比应小于0.5。

④添加剂，为改善混凝土的工艺性能、加速施工进度和节约水泥等，可在混凝土中掺入添加剂。

添加剂的种类、加入量等按设计要求。

⑤混凝土与水拌和，同水泥起化学作用的水达到水泥重量的15％～20％即可，多余的水只起润滑作用，即拌成的混凝土具有和易性。

混凝土灌注完毕后，多余水逐渐蒸发，在混凝土中留下了小气孔。

气孔越多，强度越低，故要控制用水量。

洁净的天然水和自来水都可作拌和混凝土用水。

2、混凝土灌注

混凝土灌注分为干孔灌注和水下灌注。

干孔灌注直接由孔口用漏斗注入，通过混凝土自重密实，必要时亦可用捣振工具捣实。

水下灌注通过导管连续灌入混凝土。

水下混凝土灌注是钻孔灌注桩的重要工序，应予特别注意。

钻孔应在质量检验合格后，方可开始灌注工作。

灌注导管；水下混凝土的灌注；导管顶部应设置漏斗；灌注程序

六、灌注桩的实验

1、实验目的

选择合理的施工方法、施工工艺和机具设备；验证主桩的设计参数，如桩径和桩长等；鉴定或确定桩的承载能力和成桩质量是否满足设计要求。

2、试桩施工方法

打试桩所用的设备和方法，应与实际成孔成桩所用的相同；一般可用基桩作试验或选择有代表性的地层或预计钻进困难的地层进行成孔、成桩等工序的试验，着重查明地质情况，判明成孔长度是否与设计相同;工艺性试桩的数目根据施工具体情况决定;力学性试桩数一般不少于实际基桩总数的3％，最少为2根。

第四节　其它桩基

一、高压旋喷桩

旋喷桩施工采用钻机先钻一直径为40~50mm的导孔，当导孔钻至预定深度后，拆出钻具并将端部带有控制喷嘴的注浆管，置入地基主层的预定深度后，以压力为20MPa左右的高压喷射流强制切割，喷射冲击破坏土层，使之剥落下来。

与此同时，使旋喷管边旋转，边提升，使喷出的浆液与切割下来的土料搅拌混合，最后在喷射力的有效射程内经过凝结，同化形成一个圆柱的固结体。

旋喷注浆法的优点如下：

（1）适用范围广此方法不但适应工程兴建之前，而且可以用于工程修建之中，特别适合工程落成之后进行地基加固处理，不损坏建筑物的结构。

（2）固结形状可以控制在旋喷过程中，可调整旋转速度和提升速度；增减喷射压力或更换喷嘴孔径改变流量，使固结体成为设计所需的形状。

（3）固结体强度合适根据采用不同的浆液种类和配方，可获得所需固结体的抗压强度为5～10MPa。

另外施工简便，只需在土层中钻一个50～108mm的钻孔，可以喷射成直径为0.4～2.Om的固结体。

二、地下连续墙

1、原理

在地下挖一段狭长的深槽，在槽内吊放钢筋笼，浇灌混凝土，筑成一段钢筋混凝土墙段，最后把这些墙段连接起来形成一道连续的地下墙壁。

2、优点

施工时振动小、噪声低、周期短，经济效果好，可昼夜施工；墙体刚度大，防渗性能好，可作刚性基础；适合多种条件的地基，可作为江河、管道、桥涵、船坞、地下建筑的挡土墙。

三、振冲法加固地基

1、原理

振冲法是利用振冲运动在土中形成振冲孔，在振冲过程中于振冲孔内回填砂或碎石等材料，形成振冲桩以加固地基的方法。

2、优点

机具简单，对配套机械要求低，水平方向振动力达到100KN，不需排水固结期和豫压，可立即交付使用，节约钢材、木材和水泥。