工程地质钻探

2020/2/241第四章工程地质钻探和工程施工钻探工程钻探:工程地质钻探工程施工钻井（孔）的方法2020/2/242工程钻探根据钻探的目的可分为：1.工程地质钻探（工程地质勘察钻探）主要位工程地质勘探服务和用于工程基础勘查的钻探工作。2.工程施工钻探作为某种工程施工手段的钻探工作成为工程施工钻探，这种技术目前应用的范围日益扩大。2020/2/243第一节工程地质钻探一、工程地质钻探的目的、分类和特点：（一）工程地质钻探的目的1.揭露并划分地层，鉴定和描述岩土的性质和成分；2.查明地质构造，不利地质现象的分布界限及形态等；3.对孔内采取的岩石样品，进行分析实验，搞清岩石的物理、力学性质；4.查明地下水的类型，水位测量，采取水样，分析地下水的物理化学性质。5.在钻孔内进行原位测试。2020/2/244（二）工程地质钻探的分类1.测绘孔：为工程测绘而钻的浅孔，在孔中采取原状样品公室内实验适用，以查清建筑物基础的工程地质特征；2.勘探孔：在勘察阶段中，了解建筑物基础的详细地质资料，决定施工方法：3.控制孔：是为编制岩性和水文地质剖面进行工程地质分层；4.实验孔：是为在孔内进行原位测试水文地质试验而钻的孔。2020/2/245(三)工程地质钻探的特点1.孔浅，一般50米以内；2.取未扰动和原状土样；3.孔内进行多种多样试验，时间较长，完成后必须止水，以防止地下水的侵入；4.钻进条件变化大，勘察对象分散。二、工程地质钻进方法和工具（一）人力钻探、岩芯钻探、人力冲击钻探、人力回转钻探、小径机械回转钻进及小径冲击回转钻进。2020/2/246(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)钢筋钢筋图4-1洛阳铲（1）-弧形铲（2）、（3）-圆形铲（4）-掌形铲（5）-软湿黏土铲（6）-稀泥铲（7）-稀泥铲（8）-水位以下的稀泥铲（9）-砂土和淤泥稀泥铲（10）-风化的岩石铲2020/2/247（二）机械振动钻进1.振动钻进应用范围砂、亚砂、亚粘土、粘土地层；孔浅时，钻进效率较高，孔深和岩石较硬时，钻进效率低。2.机械振动原理振动器带动钻杆和钻头产生周期振动，使周围岩层和土层也产生振动。由于振动频率较高，岩土层抗剪强度降低，在钻具和振动器自重及振动力的联合作用下，使钻头切入岩土层，从而实现钻进。（见图4－1）2020/2/2480°180°-p最大90°270°P2Q2S2Q1P1S1123+P最大图4-2双轮双轴振动器作用原理示意图1—齿轮2—轴3—偏心轮2020/2/249（1）共振理论振动沉管是将振动打桩锤和沉管刚性连接，形成一个振动体系。当启动振动锤，锤内两组对称的偏心块通过齿轮控制做相反方向但同步的旋转运动，转动时产生的惯性离心力水平分力相互抵消，垂直分力大小相等方向相同，相互叠加，从而产生忽上忽下周期性的激振力，使沉管上下振动。当沉管的振动频率与地基土的自振频率一致时，土体发生共振，土中的结合水释放出来成为自由水，颗粒间粘结力急剧下降，呈现液化状态，土体对沉管表面的摩阻力，对沉管的端阻力均大为降低，沉管在自重和附加荷载作用下沉入到预定深度。2020/2/2410（2）振动冲击理论这种理论认为，地基土的性质是多样的，所以其自振频率也各不相同。因此，振动锤的强迫振动频率不易与地基土颗粒的自振频率接近，甚至相差很远。因此，桩管下沉不单是靠自重破坏桩前端的土层，而是由于桩管在振动时有很高的振动速度，使桩管上产生很大的冲击力且作用于桩尖上，致使桩尖破土下沉。振动冲击锤就是根据此理论设计的。图4-3振动冲击结构示意图1.振动器外壳；2.偏心块；3.锤头；4.连接弹簧；5.振击板；6.沉管2020/2/2411图4-41-碎岩工具；2-钻杆；3-顶帽；4-振动器；5-吊绳；6-滑车；7-提升钢绳；8-绞车2020/2/24123.振动钻进可用两种方式实现(1)振动器在孔上的上位冲锤（地表冲击筒）；（2）振动器在孔下的下位冲锤（潜孔冲击筒）两种方法比较起来，下位冲锤方式可以提高机械钻速，扩大振动钻的应用范围，使振动钻进的孔深可达25～30米及钻进4～5级的岩石。2020/2/24134.用于地质勘探工作的振动器应满足下列要求：（1）有足够的振动力以产生大的振幅，但不应超过设备和钻具的允许值；（2）振动器自重应尽可能小些，自重大将使无益功增加和使钻杆上部变形；（3）振动器所有零件在工作时要牢固可靠，（4）振动器振动频率不低于100次/min，一般为1200～1500次/min；振动频率小，则效率低；（5）振动器工作时，要求最大振动力应比钻具或其它下沉的重量大20～30％，振动器振动可调，最大振动力正比于偏心轮的重量、偏心距、转数的平方。改变这三个参数的大小就能调节振动力大小。2020/2/24145.振动钻钻头带有切口的空心钻（Φ73～168mm）切口有一、二、三个，切口多，强度和刚度低，钻头钻进时容易扭曲或劈开，管体内带有半含式容纳管。图4-5振动沉管示意图2020/2/2415振动钻头2020/2/2416有二个或三个纵切口的振动钻头2020/2/2417（三）螺旋钻进方法1.概念：螺旋钻进方法是干式钻进，利用螺旋钻头，不断地回转将岩粉输送到地面或用螺旋钻杆本身将岩屑提到地表地一种钻进方法。孔径多为120～200mm；孔深为25～50m最深不超过100m。它适用于1～4级软岩层。2.螺旋钻具螺旋钻头和螺旋钻杆。（1）螺旋钻头由钻头体、翼片、螺旋带和连接部分组成。翼片上镶有阶梯状布置得硬质合金切削具，在外径上也镶有合金片，以保持孔径。钻头体上焊有一段螺旋带，以与钻杆螺旋带连接。2020/2/2418便于输送岩粉屑。钻头直径应比钻杆直径大10～20mm，以减小钻杆柱与孔壁的摩擦力。钻头有二翼、三翼、四翼状，也可用牙轮钻头。图4-6螺旋钻头1-钻头体；2-螺旋带；3-翼片；4-硬质合金切削具；5-销子；6-定位器2020/2/2419（2）螺旋钻杆由芯管、螺旋带和连接部分组成。芯管为无缝钢管，外面焊有钢制螺旋带。钻杆一端有方形套，另一端有方形杆，两根钻杆插接，插销钉固定。钻杆螺旋带与芯管的交线称为内螺旋线，螺旋线的外缘称为外螺旋线。内外螺旋线螺距相等。螺旋钻杆1-心管；2-螺旋带；3-六角形套；4-六角形杆2020/2/2420螺旋叶片坯料及加工图螺旋线展开图2020/2/24212020/2/24223.长螺旋钻进螺旋线参数2020/2/2423螺旋钻排粉原理图2020/2/24244.螺旋钻进的特点优点：（1）在软岩层中钻进，钻进效率高。（2）不用循环冲洗液，减少钻进辅助工作，适于缺水，无水地区和漏失层中钻进。（3）螺旋钻杆回转时，向孔壁挤压岩粉，可在孔壁上形成一层较致密的泥皮，有加固孔壁的作用。（4）钻进中连续排粉，因而节省了升降工序的时间。（5）定时取样，基本上能满足地质要求。缺点：（1）只能钻进软地层。（2）在粘结性粘土层中钻进阻力大，因而钻进有困难。（3）钻进所需功率大，孔深因而受到限制。2020/2/2425三、工程地质钻探设备由于工程地质勘察规模日益增大，地下建筑工程日益增多，以往用岩芯钻机代替已满足不了实际工作的需要，现已发展的不同类型的专用钻机。下面介绍几种：SH30－2型：孔深30m，开孔直径Φ142mm，终孔直径Φ110mm。汽油机或电动机，回转冲击，取原状土样，适用于各种第四纪松散地层。GJD－2型：孔深50m，开孔直径Φ150mm，终孔直径Φ110mm，柴油机或电动机，回转冲击振动静压，取土样或岩芯，适用于第四纪地层。2020/2/2426第二节采取砂土样品样品采取的目的：获得准确的工程地质资料，样品根据在采集过程中受扰动的程度可以分为原状样品和扰动样品。1.原状土样－是指天然成分和结构未被破坏的样品用原状土样,可以测定土层在自然状态下的各种物理力学指标，对岩土层作出正确的评价，从而为各类工程建筑提供可靠的设计依据。采取原状样品所用的工具是取土器。2.扰动样品－是指天然成分和结构受到破坏的样品。扰动样品是在钻进过程中采集被排至孔外的土屑作为样品。可以采用螺旋钻进、振动钻进、反循环钻进以及其他钻进方法。2020/2/2427一、取土器的设计要求和技术参数（一）、取土器的设计要求1.取土器进入土层要顺利，提取时不掉土，所取天然土样符合天然状态下的原状态下的原始结构。2.结构简单，便于加工和操作。3.要考虑土样顶端所所受的压力，包括钻孔中的水拄压力、大气压及土样与取土筒内的阻力所产生的压密。4.要考虑土样下端所受的吸力，包括真空吸力、土样本身的内聚力和土样自重。5.要考虑取土器进入土层的方法、进入土层的深度和取土器的技术参数等。2020/2/24281.直径取土器直径的大小，关系到土样质量。按《工业与民用建筑工程地质勘察规范》规定：取土器的内径不宜小于89毫米。设计取土器直径应考虑下列因素：①取土方法：取土时土样与取土筒内壁产生摩擦而造成土样边缘扰动，此扰动带的宽度与取土方法、土层性质等有关。根据已有资队当取土器技术参数选择适当，采用压入或重锤少击法取土比扰动带的宽度一般在10毫米左右。（二）取土器的技术参数②土层性质；对于易扰动的软土，取土器直径不应小于100毫米；湿陷性黄土不应小于120毫米，砂土可采用直径较小的取土器，以免提取时脱落土样。③环刀直径目前土工试验所用的环刀直径，其规格有多种，土样直径除去扰动带宽度后，尚应稍大于环刀直径。DwDeDsDl图4-8取土器直径2020/2/24292.内间距比取土管内径(Ds)和管靴刃口内径（De)之差与刃口内径之比称内间距比Ci％)。3.外间距比取土器管靴外径(Dw)和取土管外径(Dt)之差与取土管外径之比称外间距比(c。％)。100seieDDCD0100wttDDCD2020/2/24304.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断面积之比称面积比(Ar％)。222100weeDDAD土层类别取土方法取土管内径内间距比(％)外间距比(％)湿陷性黄土振动1401.0～1.52.0～3.0压入或击入120一般粘性土90～1001.0～1.51.0软土1000.5～1.0＜1.0较硬粘性土90～100＜1.51.0～2.0砂9000砂质粘土900.5～1.004-1表取土器参数2020/2/2431管靴刃口形式图1—单倾斜刃口;2—双倾斜刃口管鞋刃口渐缩束节形式图1—管鞋;2—取土器5.管靴刃口的形式及角度管靴刃口的形式概括起来有两种；即单倾斜刀口和双倾斜刀口。我国采用较多的是单倾斜刃口。单倾斜刃口的角度一般为10度左右。2020/2/24326.取土管形式及长度目前常采用的取土管形式有三种：圆筒式、半合焊接式及可分半合式。使用最普遍是可分半合式取土管。取土管长度应考虑取土器直径、试验时对土样长度的要求及土的种类。7.土样顶、底部压力控制为了使土样能进入取土器和防止提出取土器时由于静水压力而使土样脱落，取土器上部应装有活门，以控制顶部压力。提起取土器时，下部形成真空，影响所及，土样易于脱落；为防止脱落，应设置防脱落机构。2020/2/2433取土器技术参数面积比(%)取土管壁厚(mm)长度(mm)有效长度土样长度余土管长管靴长度1230649024020050203～4640240300100306350200100508～101.5～2.0300～35020050～10050350200100502020/2/2434限制球阀取土器1-接头;2-调节垫片;3-调节螺丝;4-弹簧;5-球;6-异径接头;7-余土管;8-取土衬筒;9-取土管;10-管靴二、取土器1.限制球阀式取土器2020/2/2435上提活阀式取土器1-接头；2-连接帽；3-操作杆；4-橡皮垫活阀；5-余土管；6-取土衬筒；7-取土管；8-管靴2.上提活阀式取土器2020/2/2436取土器上部封闭装置图2020/2/2437水压活塞式取土器（a）取土器下入孔底时的状态；（b）开始压土时的状态；（c）压土后的状态(a)(b)(c)3.活塞式