岩土工程勘察钻探质量控制
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岩土工程勘察钻探质量控制
作者:李平平
来源:《建筑工程技术与设计》2014年第04期
摘要:钻探成果将作为工程地质评价和设计,施工的基础资料,因此,整个岩土工程的质量在一定程度上取决于钻探的质量水平。本文即详细阐述了提高岩土工程勘察钻探质量控制的技术措施。
关键词:岩土工程;钻探;岩芯;钻杆;取样
一、岩土工程钻探应用现状
我国地质勘察工作,起步较晚,因此钻探技术还属于初级发展阶段,与发达国家相比,具有很大的距离。我国目前岩土工程中钻探施工主要采用的是 20 世纪 80 年代设计的立轴式岩心钻机,而全液压动力头钻机则以从国外引进为主,受各方面因素的影响,由我国自主研发的钻机并未能得到广泛的应用。工艺方面,先进的钻探工艺难以得到有效推广,例如,金刚石绳索取心钻探因为使用价值的
原因而未能普及;液压冲击回转则因为泥浆对钻具的损伤较大,而应用较少;绳索取心液动锤钻探和不提钻头方法在地质勘查中的应用也不常见;虽然空气反循环取样钻探方法的效率较高,但却不能被岩土工程人员所接受以致影响了推广。
当前,我国主要采用的是岩土钻探技术行业大部分为上世纪 80 年代所研发的测斜技术和钻孔护臂堵漏技术。由于新技术没能得到广泛的应用,使得我国的岩土工程钻探技术水平较低,地质看钻探效率偏低,具体表现为:“台月”效率低,复杂地表钻探问题繁杂,深孔钻探能力不够,钻探成本较高等问题,这些问题的存在在很大程度上影响了岩土工程的开发利用效率。
二、提高岩土工程勘察钻探质量控制的技术措施
(一)钻探工具的选取
在岩土工程勘察中对勘察质量有直接影响的是钻进方法的选择及钻探工具的选择。主要的钻探工具为钻杆、钻头、岩芯管。下面详细说明其选取。
1、钻杆的选取 龙源期刊网
首先应定期检查钻杆保证钻杆的轴线的直线度误差小于0.1%;其次笔者建议在钻机应该配备两套钻杆,其中一套为直径42mm的钻杆,主要应用于软层、较硬土层的钻进及原位测试;另一套为直径50mm的钻杆,主要应用于硬层钻进,可以预防钻杆的折断和脱落。
2、钻头的选取
在目前岩土工程勘查中主要用的钻头类型为螺旋钻具和硬质合金取心钻具。钻具的选取主要由钻进方法所决定。螺旋钻具应用于螺旋钻进,硬质合金取心钻具应用于硬质合金钻进。
(二)常用的钻探方法
1、勺型钻锤击干法掏土钻进方法
该种方法代表的钻机型号是SH30—2型工程钻机,采用钢丝绳、重锤孔内锤击,勺型钻提土,对于20m以上的各种土层、砂层、粒径较小的卵砾石土层,配合套管护壁,施工方法简便,能全断面取芯,岩芯采取率比较高,施工效率很高,特别适合地下水位以上,不允许使用冲洗液时采用,所以该设备和工艺用途广泛。
不足之处在于该方法钻探深度有限,对土层有比较大的扰动,公认所采集的土样质量达不到Ⅱ级,甚至有人提出要禁止使用该种方法。
2、岩芯回转泥浆护壁钻进方法
该种方法代表的钻机种类比较多,常见的有GJ一100,ADPP-100汽车钻机等,因动力比较大,对于20m~150m的各种松散层、各种岩石等,配合泥浆护壁,施工方法简便,岩芯采取率比较高,施工效率高。能较全面地满足各种岩土和岩土工程勘察深度的要求,所以该设备和工艺用途也比较广泛。
不足之处在于该方法必须使用冲洗液,对于地下水位以上采取天然状态原状土样时不适用。对于成分杂乱的杂填土、砂土等地层消耗较大,岩芯采取率比较低,容易漏掉厚度较小的砂土层。
(三)不同岩层的钻探技术要点
1、上层为硬塑的粘性土,下层岩层较完整
上层可采用锤击,也可采用给水回转钻进且靠水压取芯,孔壁稳定,取样方便,可顺利完成孔内触探等原位测试。岩层可采用裸孔清水硬质合金回转钻进。
2、上层为硬塑的粘性土,下层岩体含洞穴或裂隙 龙源期刊网
喀斯特地区和采空区多洞穴,其表层采用常规硬粘性土的钻进方法,而下部的空洞或大的破裂带常用套管隔离。尤其是发育多层洞穴时,还要安装多层套管。若岩体中溶蚀或裂隙张开性不大,可用清水合金回转钻进,根据冲洗液的颜色或流量变化准确判断溶蚀的位置与规模;若溶蚀或裂隙张开性较大,影响清水上返时,则改用优质泥浆或水泥浆护壁堵漏。
3、上层为无粘性土或软弱土,下层岩体完整
无粘性土可能源于河流冲积、岩石风化、急流洪积或人工堆积等,软弱土常由淤积或人工堆积而成,钻进时其孔壁难稳定,故常跟管护壁至岩层,采用冲击、锤击或干法合金钻进,下部完整岩体仍采用裸孔钻进。
4、上层为无粘性土或软弱土,下层岩体含洞穴或裂隙
这种地层结构比较复杂。在综合上述三种情形的基础上,上层采用锤击、冲击或干法合金回转钻进,跟管护壁至岩体;下部主要靠优质泥浆或套管护壁,采用回转钻进工艺。当溶蚀强烈发育时,套管级数增多,孔内事故频繁,工期长,成本高。
5、砂层
砂层在钻探过程中主要考虑地下水的影响。在地下水位以上的砂层也要考虑砂土的粒径及砂土中的粘粒含量,粘粒含量较大的粉细砂可采用螺旋钻进,如果孔深较深,可以在后期更换小直径螺旋钻。
在地下水位以上的中粗砂、砾砂及在地下水位以下的砂土钻探一般采用品字形硬质合金钻头。钻头外径较岩芯管稍大,能很好的约束岩芯管,使其回转稳定保障岩芯的原始结构。但是为防止孔壁坍塌,需用泥浆护壁,泥浆的稠度视砂粒粒径的大小决定。
6、卵石层
该层主要应考虑其中充填物及地下水位。在地下水位以上且以粘性土充填为主的,粘性土含量较大的卵(碎)石层,因其粘结力较强,粘土粒自由表面张力大,钻进中孔壁坍塌程度较小,可直接在裸孔的情况下钻进,钻具选用单管岩芯管或加厚螺旋钻;在地下水位以下的卵(碎)石层,因受地下水影响,孔壁极易坍塌,采用泥浆护壁或根据需要选择套管护壁跟管钻进。
(四)取样的注意事项
1、取样方法和要求 龙源期刊网
在取样时,必须使用专用的薄壁取土器进行在静压状态下连续取样,土样的贯入速度应当保持在 0.1m/s。如果取样钻孔为圆直型,需要确保孔径正常,取土长度也应保证一定的长度,粘性土与软土均比直径数值小;当取土器进入相应的温度后,回转取土器,从而将样品底端切断。
2、原位测试
在岩土工程钻探中,不同方式的钻探的测试也有所不同。标准贯入试验的步骤为,先使得粉土、砂石饱和,在进行后续试验,并保证测试深度位于底下 20 米上下。当标准管贯入试验在贯入 0.15 米上下后,记录锤击数,累计打入 30 厘米的锤击数为标准贯入数。对于重型动力钻探,碎石类土一般采用重型动探来对相应的密实程度进行确定,每间隔 20 米取土样,并在厚度不足 0.5 米的地方做好记录,在清除孔底残土之后打入锤击数,并做记录。
结语
综上,钻探是一门成熟而又不断发展的工程技术,在岩土工程勘察、施工和检测中至关重要。由于地质环境和成因条件的千差万别,所以它们对钻探工艺所表现的适宜性也总是有所不同,因而在钻探工艺上很难采用某一数据作为标准。钻探要结合具体的岩层情况采用适合的钻探机具和钻探方法。
参考文献
[1]王扶志.地质工程钻探工艺与技术[M].武汉:中南大学,2008.9.
[2]张进军.对岩土工程勘察钻探及编录的认识[J].山西建筑,2007.3.
[3]GB50021—2001,岩土工程勘察规范[S].中国建筑工业出版社,2001.