第四节 工程地质钻探

第四节工程地质钻探

一、工程地质钻探的概念

工程地质钻探

是获取地表水下准确的地质资料的方法，而且通过钻探额钻孔采取原状岩土样和做现场力学试验也是工程地质钻探的任务之一。

钻探

是指在地表下用钻头钻进地层的勘探方法。在地层内钻成直径较小并具有相当深度的圆筒形孔眼的孔称为钻孔。通常将直径达500mm以上的钻孔称为钻井。钻孔的要素如图4-4所示。钻孔上面口径较大，越往下越小，呈阶梯状。钻孔的上口称孔口；底部称孔底；四周侧部称孔壁。钻孔断面的直径称孔径；由大孔径改为小孔径称换径。从孔口到孔底的距离称为孔深。

钻孔的直径、深度、方向取决于钻孔用途和钻探地点的地质条件。钻孔的直径一般为75～150mm，但在一些大型建筑物的工程地质钻探时，孔径往往大于150mm，有时可达到500mm。钻孔的深度由数米至上百米，视工程要求和地质条件而定，一般的工民建工程地质钻探深度在数十米以内。钻孔的方向一般为垂直的，也有打成倾斜的钻孔，这种孔称之为斜孔。在地下工程中有打成水平的，甚至直立向上的钻孔。

二、钻深过程和钻进方法

钻探过程中有三个基本程序

1. 破碎岩土：在工程地质钻探中1乙泛采用人力和机械方法，使小部分岩土脱离整体而成为粉未、岩土块或岩土芯的现象，这叫做破碎岩土。岩土之所以被破碎是借助冲击力、剪切力、研磨和压力来实现的;

2.采取岩土：用冲洗液（或压缩空气）将孔底破碎的碎屑冲到孔外，或者用钻具（抽筒、勺形钻头、螺旋钻头、取土器、岩心管等）靠人力或机械将孔底的碎屑或样心取出于地面;

3.保全孔壁：为了顺利地进行钻探工作，必须保护好孔壁，不使其坍塌。一般采用套管或泥浆来护壁。

工程地质钻探可根据岩土破碎的方式，钻进方法有以下四种

1. 冲击钻进：此法采用底部圆环状的钻头。钻进时将钻具提升到一定高度，利用钻具自重，迅猛放落，钻具在下落时产生冲击动能，冲击孔底岩土层，使岩土达到破碎之目的而加深钻孔;

2.回转钻进：此法采用底部嵌焊有硬质合金的圆环状钻头进行钻进。钻进中施加钻压，使钻头在回转中切入岩土层，达到加深钻孔的目的。在土质地层中钻进，有时为有效地、完整地揭露标准地层，还可以采用勺形钻钻头或提土钻钻头进行钻进;

3.综合式钻进：此法是一种冲击回转综合式的钻进方法。它综合了前两种钻进方法在地层钻进中的优点，以达到提高钻进效率的目的。其工作原理是：在钻进过程中，钻头克取岩石时，施加一一定的动力，对岩石产生冲击作用，使岩石的破碎速度加快，破碎粒度比回转剪切粒度增大。同时由于冲击力的作用使硬质合金刻入岩石深度增加，在回转中将岩石剪切掉，这样就大大地提高了钻进的效率;

3.振动钻进：此法采用机械动力所产生的振动力，通过连接杆和钻具传到圆筒形钻头周围土中。由于振动器高速振动的结果，圆筒钻头依靠钻具和振动器的重量使得土层更容易被切削而钻进，且钻进速度较快。这种钻进方法主要适用于粉土、砂土、较小粒径的碎石层以及粘性不大的粘性土层。

上述各种钻进方法的适用范围列于表4-1中。

钻进方法的适用范围表4-1

注：○代表适用；△代表部分情况适合；—代表不适用。

三、浅孔钻探

工程地质钻探一般属浅孔钻探，孔深一般在40～50m以内。近年高层建筑的发展，也有需求查明地基深度达百米以上的地质情况，因而钻孔深度也有深型的。浅孔钻探与深孔钻探的方法大同小异。深孔钻探需机械动力大，而浅孔钻探则需机械动力较低些，甚至经常采用人力钻探，这是深孔钻探所不能的。

（一）土钻和联合取土器

土钻或称小螺钻，它是属于人力钻探的一种，适用于钻进松软的粘性土或具有塑性的土层，其结构如图4-5所示。

钻进时，双手握住手把两端，顺时针旋转并向下加压，使麻花钻头逐渐钻入地层，钻进20～40cm提钻一次，将粘在钻头上的土取掉后，再继续钻进。若需钻孔较深时，可将手把和钻杆从连接部分卸开，接长钻杆即可继续钻进，土钻一般的最大钻进深度为3～5m。

联合取土器的使用方法与土钻相同，但它的钻头是勺形钻头（图4-6）。当打进土层后，土就粘在勺形钻头里。这种勺形取土器适用钻进松散的砂层或粘性较小的地层。孔深一般为2～3m。

土钻和联合取土器经常用来勘查地基的洞穴和暗洪。

（二）手摇冲击、回转钻探

手摇冲击、回转钻探是靠人力作为动力来使钻头往下钻进的，因而也称为人力冲击、回转钻探。这种钻探一般在50m以内，孔径有60、89、127、158和219mm。这种钻探的装臵工作方法如图4-7所示，在三脚架下挂有滑车2，钢绳3绕过滑车在其端部用提引钩或提梁4悬起由钻杆5和钻头6组成的钻具。钻进过程可分为回转钻进和冲击钻进。在同一钻孔中，根据岩土的性质和取样的要求可确定用那种方法，也可交替使用。

（三）浅孔机械钻探

手摇钻探（图4-7）是一项十分繁重的体力劳动，而且当地层较坚实、复杂或当孔深和孔径较大时，用人力钻探效率很低，甚至是钻进很困难的。为此，要提高钻进效率和减轻劳动力，必须使工序机械化。我国近年已基本上用机械化代替人力钻进。

浅孔机械钻探与手摇钻探一样，也分回转和冲击钻进两种主要钻进方式。由于用机械动力代替了人力，因而钻进的方法和机具有所改变，使它们适应机械化的需求。

浅孔机械钻探所用的钻机是带动钻杆和钻头钻进地层的，因而钻机的选择是机械钻探的关键。工程地质钻机钻探的主要对象是以卵漂石、砂类土、粘性土为主的地层。在这种地层钻进中，要求钻机具有扭矩大、给进能力强、多功能、移动性好等特点。目前我国工程地质钻机按其作业方式的不同，主要有:

1. 冲击式工程地质钻机，有钢绳冲击式和液压冲击式的；

2.回转式工程地质钻机，有机械传动式、液压传动式及以上二者混合式的；

3.冲击回转综合式工程地质钻机。

国内生产的浅孔钻机种类很多，且多向着多功能发展，如图4-8所示的北京探矿厂生产的DPPl00型汽车钻机是为工程地质、水文地质和地震钻探而设计的。有些钻机还配备有电子程序控制式的钻进功能。现将国内生产常见的钻机型号和性能列于表4-2中。

常用的浅孔钻机类型表4-2

四、土试样的采取

（一）原状土样的概念

工程地质钻探的主要任务之一是在岩上层中采取岩芯或原状土试样。

在采取试样过程中应该保持试样的天然结构，如果试样的天然结构已受到破坏，则此试样已受到扰动，这种试样称为“扰动样”，在工程地质勘察中是不容许的。除非有明确说明另有所用，否则此扰动样作废。由于土工试验所得出的土性指标要保证可靠，因此工程地质勘察中所取的试样必须是保留天然结构的原状试样。

原状试样有岩芯试样和土试样。岩芯试样由于其坚硬性，其天然结构难于破坏，而土试样则不同，它很容易被扰动。因此，采取原状土试样是工程地质勘察中的一项重要技术。但是在实际工程地质勘察的钻探过程中，要取得完全不扰动的原状土试样是不可能的。

造成土样扰动有三个原因

1.是外界条件引起的土试样的扰动，如钻进丁艺、钻具选用、钻压、钻速、取土方法选择等。若在选用上不够合理时，都能造成其上质的天然结构被破坏;

2.是采样过程造成的土体中应力条件发生了变化，引起上样内的质点间的相对位臵的位移和组织结构的变化，甚至出现质点问的原有粘聚力的破坏;

3.是采取土试样时，需用取土器采取。但不论采用何种取土器，它都有一定的壁厚、长度和面积。当切人士层时，会使土试样产生一定的压缩变形。壁愈厚所排开的土体愈多，其变形量愈大，这就造成土试样更大的扰动。从上述可见，所谓原状土试样实际上都不可避免地遭到了不同程度的扰动。为此，在采取上试样过程中，应力求使试样的被扰动量缩小，要尽力排除各种可能增大扰动量的因素。

按照取样方法和试验目的，岩土工程勘察规范对土试样的扰动程度分成如下的质量等级：

Ⅰ级一不扰动，可进行试验项目有：土类定名、含水量、密度、强度参数、变形参数、固结压密参数;

Ⅱ级一轻微扰动，可进行试验项目有：土类定名、含水量、密度;

Ⅲ级一显著扰动，可进行试验项目有：土类定名、含水量;

Ⅳ级一完全扰动，可进行试验项目有：土类定名。

在钻孔取样时，采用薄壁取土器所采得的土试样定为Ⅰ一Ⅱ级；对于采用中厚壁或厚壁取土器所采得的土试样定为Ⅱ一Ⅲ级；对于采用标准贯入器、螺纹钻头或岩芯钻头所采得的钻性土、粉土、砂土和软岩的试样皆定为Ⅲ一Ⅳ级。

从上可见，为取得Ⅰ级质量的土试样，普遍采用薄壁取土器来采取，以满足土工试验全部的物理力学参数的正确获得。

（二）取土器的选择

取土器（图4-9）是由接头、球阀、残余管、半合管、取样筒

和刃口等部件合成。为保证取土样质量，取土器各部尺寸、零件

加工及组装质量都有严格要求。各部件的功能要求是：刃口因用

作切人士层的，需要有较强的强度、硬度和刚度，并应淬火处理。

刃口角度因切入土层性质不同而有差别，一般切人软土层时刃口

角度小，切入硬土层时需要大。就一般上层，刃口角度约为10?。

对开半合管内装有取样筒，半开管的上下两端用丝扣与残余管和

刃口连接。要求取样筒平整、圆度好、光滑，并略小于刃口的内

直径，便于土样顺利进入取样筒内。残余管在半合管的上部，为

储存土样上部剩余土之用，其长度一般为300mm左右。为清除残

土方便，最好也采用半合管，使取样管与残余管成一整体。阀门

及其他密封型式，其主要作用是为了排开孔内水柱对土样的压力，

保护士样的采取效果。取样时，取土器内的水可随土样进入取样

筒内，而随土样的压入冲开阀门，经上部排水孔排出流入孔壁间

隙，提升取土器时，阀门关闭，孔内水不能进入取土器，起到密

封作用。

取土器类型很多，其中厚壁取土器、中厚壁取土器和薄壁取

土器的技术参数列于表4-3中。

取土器技术参数表4-3

注：1.

取土器及衬管内壁必须光滑，内壁加工表面粗糙度应达3.2～1.6

2.允许使用带衬管的束节式取土器代替薄壁取土器。其下端薄壁管靴长度不

应小于3De ，其余参数应复合本表对薄壁取土器要求。

3.回转式取土器面积比不受本表限制。

表4-3中所示的面积比（Ar ）、内间隙比（Ci ）和外间隙比（C0）的计算式

和各种直径符号（图4-10）表示如下：

l ）取土器的面积比Ar ，系指取土器最大断面与土样断面之比的百分数。

(4-1)

式中 Dw ——取土器管靴外径（mm ）；

De ——取土器管靴内径（mm ）。

面积比越小，则土样所受的扰动程度就越小，要使面积比小，关键是减少取

土器壁厚，但取土器太薄容易产生变形或破裂。目前常用的取土器其面积比是根

据不同种土样而选用的。

对一般粘性土和老粘性土可用面积比小于30％，壁厚小于6mm 的对开式取

土器，软粘土选用面积比小于20％，壁厚为3～4mm 的取土器。

2）取土器的内间距比Ci ，即取土筒内径与刃口处内径之差对于刃口处内径

之比的百分数

（4-2）

式中 Ds――取土筒内径（mm）；

De的意义同上。

内间距比主要是控制土样与取土器内壁摩擦引起的压密扰动和减少掉佯现象，提高土采取率。如内间距比过小，则扰动宽度增加，过大则难于保证采取率。实践证明，在软粘土中取土器的内间距比以0.5％～1.0％为宜；一般粘性土以1.0％～1.5％为宜；对老粘性土，为避。兔掉样但又防止它遇水膨胀挤紧管靴和取土筒，拆卸困难，其取土器的内问距比宜略大于1.3％～1.5％。

3）取土器的外间距比氏，系指取土器管靴外径与取土筒外径之差，对于取土筒外径之比的百分数。

(4-3)

式中 Dt、Dw所示见图4-10。

外间距比要选择合适，以减少取土器外壁与孔壁之摩擦，从而减少取土器进入士层的阻力。当外间距比大时，则取土器易于进入上层，但太大就会增加取土器的面积比，从而增加上样的扰动程度。对于一般粘性土和老粘性土的外问距比以：％为宜；对于软粘土取零即可。

(三）减少土试样扰动的注意事项

为保证土样少受扰动，采取土试样的前后及过程中应注意如下事项：

合理的钻进方法是保证取得不扰动土样的第一个前提。也就是说，钻进方法的选用首先应着眼于确保孔底拟取土样不被扰动。这一点几乎对任何种土类都适用，而对结构敏感或不稳定的土层尤为重要。从国内外的经验看，主要有以下几点要求：

1.在结构性敏感土层和较疏松砂层中需采用回转钻进，而不得采用冲击钻进；

2.以泥浆护孔，可以减少扰动。并注意在孔中保持足够的静水压力，防止因孔内水位过低而导致孔；

3.底软粘性土或砂层产生松动或涌起；

4.取土钻孔的孔径要适当，取土器与孔壁之间要有一定的问距，避免下放取土器时切削孔壁，挤进过多的废土。尤其在软土钻孔中，时有缩径现象，则更需加大取土器与孔壁的间隙。钻孔应保持孔壁垂直，以避免取土器切刮孔壁；

5.取土前的一次钻进不宜过深，以免下部拟取土样部位的土层受扰动。并且在正式取土前，把已受一定程度扰动的孔底土柱清理悼，避免废土过多，取土器顶部挤压土样；

6.取土深度和进土深度等尺寸，在取土前都应丈量准确。

取土过程中，如提升取土器、拆卸取土器等每个操作工序，均应细致稳妥，以免造成扰动。

取出的土应及时用蜡密封，并注明上下，贴上标签，做好记录；

另外（即除了钻探过程的问题以外），在土样封存、运输和开土做试验时，都应注意避免扰动。严防振动、日晒、雨淋和冻结。

五、钻探编录

钻探过程中，应进行钻探编录。它包括钻进时的钻孔编录和钻孔地质柱状图的编制。

（一）钻孔编录

钻孔编录包括地质、技术和经济等编录。

地质编录就是准确地对由钻孔提升上来的岩土碎屑或岩土样进行详细地描述，定出岩土的名称，指明各地层的接触带深度、确定各岩上层的厚度，并测定地下水位和温度等，并从钻头或取样器中取出试样将其密封，注明试样位臵、上下端、名称和编号。填写标签和登记册。

技术编录包括有钻孔的深度。直径及换径、钻头类型、每个工序时间、钻进速度等。

经济编录是计算和统计各种材料的消耗数量和各项开支等。

在浅孔钻探的编录中，最主要的是地质编录。因为钻探的主要目的是要获取地质资料，但是在现场要正确地对从钻孔中提出的地下某深度处的岩土样进行判别，这是至关重要的。为此，下面介绍在野外的条件下如何正确地对土样定名。

（二）土的野外鉴别和描述

在勘探过程中取得的土样，必须及时用肉眼鉴别，初步确定土的名称、颜色、状态、湿度。密度、含有物、工程地质特征等，作为划分土层，进行工程地质分析和评价的依据。

1．土的鉴别和定名

土的鉴别定名是描述工作的主要内容，正确的定名可以反映土的基本性质。但是，在自然界中，土的种类很多，光有一个简单定名，还往往不能全面地反映士的真正面目。如粘土，由于沉积年代不同，有的沉积年代较老，得到了充分的固结和具有较高的结构强度；而沉积年代较近的粘土，其固结度与结构强度均要差些。应在其定名前冠以沉积年代或成因，如第四纪更新世（Q3）沉积的粘性土则写成“Q3粘性土”。或冠以成因类型如“冲积粘性土”等。

土是第四纪以来天然堆积的或由生物化学作用而形式的，按其成因分为残积土、坡积土、洪积土、淤积土、冰积土和风积土等，其特征见第一章所述。

2．土的描述

土的描述主要内容是针对影响其工程性质的，反映土的组成、结构、构造和状态的主要特征的。因此，对于各种不同的土，描述的侧重点也有所不同。

（1）碎石类土的描述

碎石类土应描述碎屑物的成分、指出碎屑是由那类岩石组成的；碎屑物的大小，其一般直径和最大直径如何，并估计其含量之百分比；碎屑物的形状，其形状可分为圆形、亚圆形或棱角形；碎屑的坚固程度。

当碎石类土有充填物时，应措述充填物的成分，并确定充填物的土类和估计其含量的百分比。如果没有充填物时，应研究其孔隙的大小，颗粒间的接触是否稳定等现象。

碎石土还应描述其密实度，密实度是反映土颗粒排列的紧密程度，越是紧密的土，其强度大，结构稳定，压缩性小：紧密度小，则工程性质就相应要差。一般碎石土的密实度分为密实、中密、稍密等三种，其野外鉴别方法见表4-4。

碎石土密实度野外鉴别方法表4-4

注：1.骨架颗粒系指各碎石土相应的粒径颗粒：

2.密实度按表列各项要求综合确定。

（2）砂土的描述

砂类土按其颗粒的粗细和其干湿程度可分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。其特征见表4-5。

砂土的野外鉴别方法表4-5

砂类土应描述其粒径和含量的百分比；颗粒的主要矿物成分及有机质和包含物，当含大量有机质时，土呈黑色，含量不多时呈灰色；含多量氧化铁时，土呈红色，含少量时呈黄色或橙黄色；含SiO2、CaCO3及Al（OH）3和高岭土时，土常呈白色或浅色。

（3）粘性土的描述

粘性土的野外鉴别可按其湿润时状态、人手捏的感觉、粘着程度和能否搓条的粗细，将粘性土分为粘土、亚粘土和亚砂土（见表4-7）。

粘性土的野外鉴别方法表4-7

粘性土应描述其颜色、状态、湿度和包含物。在描述颜色时、应注意其副色，一般记录时应将副色写在前面，主色写在后面，例如“黄褐色”。表示以褐色为主，以黄色为副。粘性土的状态是指其在含有一定量的水份时，所表现出来的粘稠稀薄不同的物理状态，它说明了土的软硬程度，反映土的天然结构受破坏后，土粒之间的联结强度以及抵抗外力所引起的上粒移动的能力。土的状态可分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑等。野外测定土的状态时，可采用重为76g、尖端为30?的金属圆锥的下沉深度来确定，其判断标准见表4-8。

土的状态野外判定标准表4-8

（4）人工填土及淤泥质土的描述

人工堆土应描述其成分、颜色、堆积方式、堆积时间、有机物含量、均匀性及密实度。

淤泥质土尚需描述颜色、嗅味等特性。

人工填土与淤泥质土的野外鉴别见表4-9。

人工填土与淤泥质土的鉴别方法表4-9

（三）钻孔地质柱状图

钻孔地质柱状图是表示该钻孔所穿过的地层而综合成图表表示（图4-11）。图中表示有地质年代、土层埋藏深度、上层厚度、土层底部的绝对标高、岩土的描述、柱状图、地面绝对标高、地下水水位和测量日期、岩土样选取位臵等。柱状图的比例尺一般为1:100～1:500。