第十章-工程地质勘察

第十章工程地质勘察工程地质测绘工程地质勘探工程地质原位测试工程地质长期观测勘察资料的整理房屋建筑与构筑物地基的勘察与评价道路与桥梁工程的勘察与评价地下洞室工程的勘察与评价本章提要工程地质勘查的任务和目的、工程地质测绘以及航片与卫片判释在工程地质测绘中的应用；详细介绍了物探、钻探、坑探等工程地质勘探方法；着重介绍了工程地质原位测试和工程地质的长期观测；工程地质勘察成果：工程地质图和工程地质报告书；针对工业与民用建筑、道路、桥梁、洞室工程等，详细介绍了勘察与评价要点。工程地质勘察是工程地质学的分支，研究如何有步骤、分阶段的综合运用各种勘察手段，有效地查明建筑地区段的工程地质条件，论证有关的工程地质问题，做出正确的工程地质评价，为工程的规划、设计、施工和正常使用提供地质资料及依据。工程地质勘察任务，就其总体来说是为工程规划、设计、施工提供可靠的地质依据和资料，以便充分利用有利的自然因素，避开或改造不利的地质环境，以保证工程建筑物的安全稳定、经济合理和正常运用。具体任务为：①查明建筑地区的工程地质条件；②选择地质条件优越的建筑场地；③分析研究与建筑有关的工程地质问题，并做出定性和定量评价，为建筑物的设计和施工提供可靠的地质依据；④根据建筑场地的工程地质条件，配合建筑物的设计与施工，提出有关建筑物的类型、结构、规模及施工方法的合理建议及保证建筑物安全和正常运用所应注意的地质要求；⑤为拟定改善和防治不良地质地质条件的措施方案提供地质依据；⑥预测工程兴建后对地质环境的影响，制定保护地质环境的措施。工程地质勘察依据工程建设一般是分阶段进行的，因而工程地质勘察也相应的划分为由低级到高级的各个勘察阶段。部门阶段划分工勘踏勘初勘祥勘补充勘察城建区域规划总体规划详细规划施工公路铁路预可研（定向）可研（定线）初设（定段）施工图水工流域规划（坝段）可研（坝址）初设（坝线）施工设计规划初设技设施工设计表10.1工程地质勘察阶段划分510.1工程地质测绘工程地质测绘是工程地质勘察中一项基础工作。工程设计之前，地质人员要详细查明拟定建筑区工程地质条件的空间分布规律，并按一定比例尺将其如实地反映在地形底图上，作为工程地质预测的基础，提供设计部门使用。工程地质测绘的具体内容，包括测区的地层岩性、地质构造、地形地貌、水文地质工程动力地质现象以及天然建筑材料等，它是多项内容的地表地质测绘。一、工程地质测绘比例尺、范围和精度1．工程地质测绘比例尺工程地质测绘比例尺主要取决于设计阶段、地质条件的复杂过程和建筑物的重要性。随设计阶段提高，建筑场地的位置愈益具体，范围逐渐缩小，对地质条件研究的详细程度愈高，采用的测绘比例尺需要逐渐加大。而在同一设计阶段，比例尺选择又取决于建筑地区工程地质条件的复杂程度和建筑物的类型、规模及其重要性。2．工程地质测绘范围测绘范围应比建筑区大，并视设计阶段、建筑物类型和规模，以及工程地质条件复杂程度和研究程度而定。建筑物类型和规模大小对测绘范围的影响至关重要。大型水利工程的测绘范围必须足够大，而工业民用建筑与地质环境相互作用引起的变化范围小，测绘范围就不需很大。3．工程地质测绘精度工程地质测绘精度，系指测绘中观察、描述工程地质条件的详细程度和精确程度，即工程地质条件地工程地质图上标示的详细程度和精确程度。观察、描述的详细程度，用单位面积上的观测数目和观测路线长度来控制(表10.2)。比例尺地区工程地质条件复杂程度简单中等复杂观测点数路线长度(km)观测点数路线长度(km)观测点数路线长度(km)1/20万0.490.500.610.601.100.701/10万0.961.001.441.202.161.401/5万1.912.002.942.405.292.801/2.5万3.964.007.504.8010.005.601/1万13.86.0026.008.0034.610.008二、工程地质测绘内容1．基岩地层、岩性的研究2．地质构造的研究3．第四纪地质的研究4．地貌的研究5．水文地质条件的研究6．物理地质现象的研究7．其它9三、航片与卫片判释在工程地质测绘中的应用航片、卫片能真实、集中地反映大范围的地层岩性、地质构造、地貌形态和物理地质现象等，对其详加判释研究，并与测绘工作相结合，能起到减少工作量、提高精度和速度的作用。尤其在人烟稀少、交通不便的偏远山区测绘，充分利用航片、卫片判释，更有特殊的意义。近年来，我国在工程地质测绘中应用航片、卫片已取得不少经验，值得进一步推广，不断提高判释水平。航片、卫片判释，必须与实地观察结合，互相印证，才能较好地发挥作用。判释地质体及地质现象，需依靠判释标志。卫片与航片的判释大同小异，判释标志是色调特征和形态(阴影、形状、大小)，两者缺一不可。标志建立后，即可进行判释。勘探工作是工程地质勘探的重要工作方法之一。岩土工程勘探有三种手段：钻探工程坑探工程地球物理勘探10.2工程地质勘探勘探手段功能与特点应用限制直接的探井、探槽可在掘进范围内直接观察地层岩性及地质构造；可在其中采取高质量的岩土试样；可在其中进行大型的原位测试可用人工开挖，适用于地形陡峻的山地应用于滑坡、断层、特殊土（如黄土）的勘探受地下水限制，开挖深度不能太大竖井、平峒同上应用于大型岩土工程，如大坝、隧道、地下洞室的勘探费用高，施工难度大，施工时间长半直接的钻探可采取岩土芯样，根据岩土样品、钻进参数、手感等鉴别地层；可采取岩土试样；可进行孔内岩土测试；可观测地下水位普遍应用于各类工程的勘探对地质构造、溶洞形态等只能做出推断，有时可能发生误判间接的触探根据贯入指标间接划分地层，兼有原位测试功能；可获得全断面的贯人曲线，对土层的细微变化反应灵敏普遍应用于地基土的勘探，效率高，成本低不能直接观察地层，有时贯入曲线具有多解性，能发生误判物探具有“透视性”，可简单快捷地获得有关地层岩性、地质构造、地下埋藏物信息；可测得岩土层的某些物理力学性质参数多作为辅助手段配合其他勘探方法使用，效率高，成本低不同方法均有各自的应用条件和局限性，常具有多解性，无其他方法配合易误判勘探种类勘探实物工作量名称特点适用条件井探探井断面有圆形和矩形两种，圆形直径为0.8~1.2m,矩形断面尺寸为0.8m×1.2m，深度受地下水位影响，以5～10m较多，通常小于20m常用于土层中，查明地层岩性，地质结构，采取原状土样，兼做原位测试槽探探槽断面呈长条形，断面宽度为0.5～1.2m，深度受地下水位影响，一般为3～5m剥除地表覆土，揭露基岩，划分土层岩性，追踪查明地裂缝、断层破碎带等地质结构线的空间分布及剖面组合情况洞探竖井形状近似于探井，但口径大于探井，需进行井壁支护、排水、通风等查明地层岩性和地质结构及覆盖土层厚度、基岩情况斜井具有一定倾斜度的竖井查明地层岩性和地质结构及覆盖土层厚度、基岩情况平硐在地面有出口的水平通道，深度大，须支护常用于地形陡峭的基岩层中，查明河谷地段地层岩性软弱夹层、破碎带、风化岩层等，并可进行原位测试井探、槽探、洞探的特点及适用条件13适用土类测试成果及其应用岩石碎石土砂土粉土黏性土填土软土鉴别土类划分剖面物理状态强度参数模量渗透系数固结特征孔隙水压力侧压力系数超固结比承载力判别液化平板载荷试验（PLT)+++++++螺旋板载荷试验（SPLT)+++++++++++++静力触探（CPT)++++++++++++++++孔压静力触探（CPTU)++++++++++++++++++++圆锥动力触探（DPT)+++++++++++标准贯入试验（SPT)+++++++++++十字板剪切试验（VST)++++++预钻式旁压试验（PMT)++++++++++++自钻式旁压试验(SBPMI)+++++++++++++++++++++++现场直剪试验（FDST)+++++++现场三轴试验（FTT)+++++++岩体应力测试（RST)+++波速试验（WVT)+++++++++注：＋＋很适用；＋适用10.3工程地质原位测试静力载荷试验就是在拟建建筑场地上，在挖至设计的基础埋置深度的平整坑底放置一定规格的方形或圆形承压板，在其上逐级施加荷载，测定相应荷载作用下地基土的稳定沉降量，分析研究地基土的强度与变形特性，求得地基土容许承载力与变形模量等力学数据。一、静力载荷试验（PLT）静力载荷试验可用于下列目的：1.确定地基土的临塑荷载、极限荷载、为评定地基土的承载力提供依据；2.估算地基土的变形模量、不排水抗剪强度和基床反力系数。用静力载荷试验测得的压力（kPa）与相应的土体稳定沉降量（mm）之间的关系曲线（即曲线），按其所反映土体的应力状态，一般可划分为三个阶段，如图10.1所示。图10.1曲线第I阶段：从曲线的原点到比例界限压力（亦称临塑压力）。该阶段成线性关系，故称之为直线变形阶段。第Ⅱ阶段：从临塑压力到极限压力，曲线由直线关系转变为曲线关系，其曲线斜率随压力的增加而增大。第Ⅲ阶段：极限压力以后，沉降急剧增加。这一阶段称之为破坏阶段。几种常见的载荷试验设备二、静力触探试验（CPT）静力触探是通过一定的机械装置，将一定规格的金属探头用静力压入土层中，同时用传感器或直接量测仪表测试土层对触探头的贯入阻力，以此来判断、分析、确定地基土的物理力学性质。静力触探试验适用于黏性土、粉土和砂土，设备的贯入能力必须满足测试土性、深度等需要，反力必须大于贯入总阻力。静力触探试验可以用于下列目的：（1）根据贯入阻力曲线的形态特征或数值变化幅度划分土层。（2）估算地基土层的物理力学参数。（3）评定地基土的承载力。（4）选择桩基持力层、估算单桩极限承载力，判定沉桩可能性。（5）判定场地地震液化势。三、标准贯入试验（SPT）标准贯入试验实质上仍属于动力触探类型之一，所不同者，其触探头不是圆锥形探头，而是标准规格的圆筒形探头（由两个半圆管合成的取土器），称之为贯入器。因此，标准贯入试验就是利用一定的锤击动能，将一定规格的对开管式贯入器打入钻孔孔底的土层中，根据打入土层中的贯入阻力，评定土层的变化和土的物理力学性质。贯入阻力用贯入器贯入土层中的30cm的锤击数表示，也称标贯击数。落锤锤的质量（kg）63.5±0.5落距（cm）76±2贯入器长度（mm）500外径（mm）51±1内径（mm）35±1管靴长度（mm）76±1刃口角度（°）18~20刃口单刃度（mm）2.5钻杆（相对弯曲1‰）直径（mm）42标准贯入试验设备规格要符合表10.4的要求。表10.4标准贯入试验设备规格标准贯入试验的目的和范围标准贯入试验可用于砂土、粉土和一般黏性土，最适用于击的土层。其目的有：（1）采取扰动土样，鉴别和描述土类，按颗粒分析结果定名。（2）根据标准贯入击数，利用地区经验，为砂土的密实度和粉土、黏性土的状态，土的强度参数，变形模量，地基承载力等作出评价。（3）估算单桩极限承载力和判定沉桩可能性。（4）判定饱和粉砂、砂质粉土的地震液化可能性及液化等级。四、十字板剪切试验（VST）十字板剪切试验于1928年在瑞士奥尔桑（J.Olsson）首先提出。在我国于1954年开始使用十字板剪切试验以来，在沿海软土地区已被广泛使用。快速测定饱和软黏土层快剪强度的一种简易而可靠的原位参试方法。相当于试验深度处天然土层的不排水抗剪强度，在理论上它相当于三轴不排水剪的总强度，或无侧限抗压强度的一半。不需采取土样，特别对于难以取样的灵敏性高的黏性土，它可以在现场基本保持天然应力状态下进行扭剪。被认为是一种有效的、可靠的现场测试方法，与钻探取样室内试验相比，土体的扰动较小，而且试验简便。十字板剪切试验的适用范围和目的十字板剪切试验适用于灵敏度St≤10，固结系数Cv≤100m2/年的均质饱和软黏性土。其目的有：（1）测定原位应力条件下软黏土的不排水抗剪强度；（2）估算软黏性土的灵敏度。五、旁压试验旁压试验（PMT）是将圆柱形旁压器竖直地放入土中，通过旁压器在竖直的孔内加压，使旁压膜膨胀，并由旁压膜（或护套）将压力传给周围土体（或岩层），使土体或岩层产生变形直至破坏，通过量测施加的压力和土变形之间的关