【摘 要】巖土工程勘探是開展所有工程建設(shè)的基礎(chǔ)性工作,其數(shù)據(jù)的是否準(zhǔn)確、可靠直接影響了后續(xù)工程的質(zhì)量、安全與效益。本文將探討在軟弱粘性土、硬粘性土、砂及卵(碎)石和巖溶等地質(zhì)條件下鉆探工藝的特點(diǎn)和選取進(jìn)行總結(jié)。
【關(guān)鍵詞】巖土工程;鉆探工藝;復(fù)雜地層
引言
巖土工程包含巖體和土體工程兩個(gè)方向,其基本任務(wù)是查明施工場(chǎng)地土層類型、深度、分布、等工程地質(zhì)特征,包括現(xiàn)場(chǎng)鉆探、原土取樣、實(shí)驗(yàn)室分析和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原位測(cè)試等方面,為后續(xù)施工提供準(zhǔn)確的巖土物理力學(xué)指標(biāo)和巖土特性分析。巖土工程勘探是工程建設(shè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作,是所有工程開展的基礎(chǔ),其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性直接影響工程建設(shè)的質(zhì)量、安全、工期和投資效益。我國幅員遼闊,地質(zhì)條件復(fù)雜,巖土層物性變化較大。本文將從以下幾個(gè)方面對(duì)巖土工程勘察中的鉆探工藝進(jìn)行探討。
1 鉆探設(shè)備及工藝
巖土勘探利用鉆機(jī)控制鉆具從地表向地下鉆進(jìn),在地下形成圓柱形鉆孔,并通過鉆孔獲取處于不同深度下的巖芯、土、水樣品,送往實(shí)驗(yàn)室分析取得第一手基礎(chǔ)資料的手段。巖土勘測(cè)綜合性強(qiáng)、工藝復(fù)雜,不僅對(duì)地層、測(cè)定界限要準(zhǔn)確劃分,還要進(jìn)行原位測(cè)試,原狀土采集。因此,鉆探技術(shù)的高低和鉆探方法的選擇對(duì)整個(gè)勘察的質(zhì)量起決定性作用。
1.1 鉆探設(shè)備
鉆探設(shè)備是能夠完成鉆孔所必需的一切技術(shù)裝備的總和,一般包括鉆機(jī)、鉆探用泵、空氣壓縮機(jī)、動(dòng)力機(jī)和傳動(dòng)裝置以及與之配套的鉆塔、擰管裝置等。按其裝載方式,可分為整體式和組裝式,前者依據(jù)可移動(dòng)性而分為固定式、拖引式和自行式三種。依據(jù)巖土鉆探設(shè)備用途可分為工程地質(zhì)、水文水井、工程施工、巖芯和取樣鉆探設(shè)備等。工程地質(zhì)鉆探設(shè)備常用于工業(yè)和民用建筑、橋梁、道路和碼頭等基礎(chǔ)設(shè)施的工程地質(zhì)勘察鉆進(jìn)。水文水井鉆探設(shè)備專門用于水文地質(zhì)勘察孔和水井的鉆進(jìn)。工程施工鉆探設(shè)備用途繁多,特點(diǎn)各異。巖芯鉆探設(shè)備和取樣鉆探設(shè)備能夠在巖石、土層或混凝土結(jié)構(gòu)中鉆進(jìn)取樣勘察。
1.2 鉆進(jìn)方法
鉆進(jìn)方法是指在鉆探或鉆井工程中,向地下鉆進(jìn)時(shí),破碎孔/井底巖石所采取的一切方法和技術(shù)總稱。依據(jù)鉆進(jìn)工藝可分為:正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、反循環(huán)鉆進(jìn)、振動(dòng)鉆進(jìn)、螺旋鉆進(jìn)、沖抓錐(斗)鉆進(jìn)、潛水鉆進(jìn)、沖擊鉆進(jìn)。按鉆進(jìn)時(shí)是否采取巖芯,又可分為取芯鉆進(jìn)與不取巖芯鉆進(jìn)。按回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)破碎巖石所使用的磨料,又分為硬質(zhì)合金鉆進(jìn)、鉆粒鉆進(jìn)和金剛石鉆進(jìn)等。
2 不同地層的鉆探工藝
2.1 粘性土(可塑偏軟/硬粘性土)
針對(duì)軟弱粘性土強(qiáng)度低、壓縮性很大且滲透系數(shù)很小、觸變性及流變性大等特點(diǎn),可采取重錘沖擊鉆進(jìn)和長/短螺旋鉆進(jìn),如果鉆探環(huán)境位于地下水位以下,可采取套管螺旋鉆進(jìn)或沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。重錘沖擊鉆進(jìn)效率比較低,且對(duì)孔底附近一定范圍內(nèi)地層有擾動(dòng)。螺旋鉆進(jìn)通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋鉆桿在鉆壓作用下使鉆頭回轉(zhuǎn)吃入地層,將地層按螺旋線逐步切削,切刮下的土質(zhì)碎屑沿螺旋葉片上返到孔口,該方法鉆進(jìn)效率高且不用清洗設(shè)備。長螺旋鉆進(jìn)直徑應(yīng)小于1m,深度不超過15~20m之間。短螺旋鉆進(jìn)屬于非連續(xù)型鉆機(jī),較之長螺旋鉆效率稍低,其孔徑多在2~3m內(nèi),鉆進(jìn)深度一般小于30m,最深不超過50m。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)對(duì)泥漿比例要求較高(表1),避免水流將鉆進(jìn)土層沖散混入泥漿。必要時(shí)可在回次終了時(shí),停止送水,增加干鉆進(jìn)尺距離已獲得土層樣品,或采用雙動(dòng)雙管取心鉆具。
對(duì)于硬塑狀粘性土,一般的螺旋鉆進(jìn)在土的粘性較大時(shí)易發(fā)生埋鉆或鉆桿折斷的現(xiàn)象,且對(duì)土層擾動(dòng)較大,應(yīng)盡量選用小肋骨鉆頭,沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)分)液動(dòng)、氣動(dòng)和氣液混合動(dòng)力三種,具有效率高、鉆具轉(zhuǎn)速低、鉆頭壽命長和孔內(nèi)事故少等特點(diǎn)。液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)以清水或泥漿形成高壓作為動(dòng)力,鉆孔直徑一般為56-130mm,最大不超過400mm,鉆孔深可達(dá)800-1000m;氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)以高壓空氣為動(dòng)力,鉆孔直徑介于65-228mm之間,最大可達(dá)到762mm。施工中,應(yīng)先慢速鉆進(jìn),使鉆頭切入土層后改用中速轉(zhuǎn)進(jìn),可加快鉆進(jìn)速度且鉆具提升阻力小。
2.2 砂層
該地層的鉆探工藝與砂粒粒徑有很大關(guān)系,且受地下水影響較大。螺旋鉆進(jìn)適合砂土中粘粒含量較高且砂粒主要為粉細(xì)砂的地質(zhì)環(huán)境,如果需深孔鉆進(jìn),可在施工后期換用小直徑螺旋鉆。粉細(xì)砂雜粘性土情況下,應(yīng)降低鉆速,減小鉆進(jìn)壓力,泵量調(diào)整至適中;卮谓K了前,應(yīng)以泥漿清洗鉆孔,將孔內(nèi)懸浮的粉細(xì)砂帶入泥漿池后方可停泵,減小沉砂卡鉆事故發(fā)生的幾率,停泵后干鉆0.3-0.5m,確保巖心不脫落。對(duì)于中粗砂、礫沙以及地下水位以下的沙土,一般采用品字形硬質(zhì)合金鉆頭,低轉(zhuǎn)速,灌漿泵吸反循環(huán)鉆進(jìn),過程中需不斷浮動(dòng)鉆具,慢提快放,形成空底反循環(huán)(其推薦參數(shù)可見表1)。
因鉆頭外徑略大于巖芯管,所以能很好地約束巖芯管,確保巖芯的原始結(jié)構(gòu)。沒回次終了前,以泥漿清洗鉆孔,去除空中懸浮粗、礫沙,防止沉砂卡鉆。最后停泵干鉆0.2-0.3m,停止浮動(dòng)鉆具精細(xì)干燒,防止鉆孔周壁坍塌造成廢孔,并帶出巖芯樣品。
2.3 卵石層
該層鉆探工藝受地層厚度、密實(shí)度、含水率和粘性土填充情況影響,不同地層情況應(yīng)選用不同鉆探工藝。地層厚度不大時(shí),可采用泥漿護(hù)壁回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),地層厚度大,粘性土含量低時(shí)可采用跟管鉆進(jìn)。跟管長度3-6m,鉆速30-60r/min,盡量保證進(jìn)尺的連續(xù)性和順利性。地層密實(shí)度較高時(shí),可采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),為防止孔壁坍塌,可采用投入粘土球的方法,對(duì)孔壁進(jìn)行暫時(shí)保護(hù)。出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象時(shí),應(yīng)加大泥漿濃度或鉆進(jìn)一定深度后,拔出鉆具,放入跟管繼續(xù)鉆進(jìn),鉆速以20-40r/min為宜,對(duì)于套管中可能留有卵石,導(dǎo)致絲扣脫滑現(xiàn)象,可采用反絲套管。砂層和卵石層鉆進(jìn)過程中,高質(zhì)量的泥漿可有效防止孔壁的坍塌,對(duì)泥漿技術(shù)要求可見表2:
3 結(jié)語
我國廣袤的環(huán)境和變化多端的地質(zhì)條件為巖土工程勘察提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。伴隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,應(yīng)對(duì)各類地質(zhì)環(huán)境的鉆探工藝相繼被研發(fā)。由于地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性,很難采用某一方法或數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)根據(jù)待勘測(cè)場(chǎng)地、任務(wù)要求綜合對(duì)比各種鉆探技術(shù)方案,靈活選用適宜的鉆探技術(shù)方法。施工過程中應(yīng)注意收集場(chǎng)地及附近區(qū)域地層資料,對(duì)方案適時(shí)修正,達(dá)到少走彎路、科學(xué)勘探的目的。
參考文獻(xiàn):
[1]劉占,戴洪佳. 淺談巖土工程勘察中鉆探工藝的選取[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2012(01).
[2]顏建平.關(guān)于巖土工程勘察實(shí)際工作問題的研究[J].化學(xué)工程與裝備,2010(09).
[3]楊應(yīng)平,張明文,肖述剛.巖土工程勘察中的注意事項(xiàng)[J].中華建設(shè),2007(12).
[4]羅國屏.巖土工程勘察中的鉆探新工藝[J].工程勘察,1997(03).
【關(guān)鍵詞】巖土工程;鉆探工藝;復(fù)雜地層
引言
巖土工程包含巖體和土體工程兩個(gè)方向,其基本任務(wù)是查明施工場(chǎng)地土層類型、深度、分布、等工程地質(zhì)特征,包括現(xiàn)場(chǎng)鉆探、原土取樣、實(shí)驗(yàn)室分析和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原位測(cè)試等方面,為后續(xù)施工提供準(zhǔn)確的巖土物理力學(xué)指標(biāo)和巖土特性分析。巖土工程勘探是工程建設(shè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作,是所有工程開展的基礎(chǔ),其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性直接影響工程建設(shè)的質(zhì)量、安全、工期和投資效益。我國幅員遼闊,地質(zhì)條件復(fù)雜,巖土層物性變化較大。本文將從以下幾個(gè)方面對(duì)巖土工程勘察中的鉆探工藝進(jìn)行探討。
1 鉆探設(shè)備及工藝
巖土勘探利用鉆機(jī)控制鉆具從地表向地下鉆進(jìn),在地下形成圓柱形鉆孔,并通過鉆孔獲取處于不同深度下的巖芯、土、水樣品,送往實(shí)驗(yàn)室分析取得第一手基礎(chǔ)資料的手段。巖土勘測(cè)綜合性強(qiáng)、工藝復(fù)雜,不僅對(duì)地層、測(cè)定界限要準(zhǔn)確劃分,還要進(jìn)行原位測(cè)試,原狀土采集。因此,鉆探技術(shù)的高低和鉆探方法的選擇對(duì)整個(gè)勘察的質(zhì)量起決定性作用。
1.1 鉆探設(shè)備
鉆探設(shè)備是能夠完成鉆孔所必需的一切技術(shù)裝備的總和,一般包括鉆機(jī)、鉆探用泵、空氣壓縮機(jī)、動(dòng)力機(jī)和傳動(dòng)裝置以及與之配套的鉆塔、擰管裝置等。按其裝載方式,可分為整體式和組裝式,前者依據(jù)可移動(dòng)性而分為固定式、拖引式和自行式三種。依據(jù)巖土鉆探設(shè)備用途可分為工程地質(zhì)、水文水井、工程施工、巖芯和取樣鉆探設(shè)備等。工程地質(zhì)鉆探設(shè)備常用于工業(yè)和民用建筑、橋梁、道路和碼頭等基礎(chǔ)設(shè)施的工程地質(zhì)勘察鉆進(jìn)。水文水井鉆探設(shè)備專門用于水文地質(zhì)勘察孔和水井的鉆進(jìn)。工程施工鉆探設(shè)備用途繁多,特點(diǎn)各異。巖芯鉆探設(shè)備和取樣鉆探設(shè)備能夠在巖石、土層或混凝土結(jié)構(gòu)中鉆進(jìn)取樣勘察。
1.2 鉆進(jìn)方法
鉆進(jìn)方法是指在鉆探或鉆井工程中,向地下鉆進(jìn)時(shí),破碎孔/井底巖石所采取的一切方法和技術(shù)總稱。依據(jù)鉆進(jìn)工藝可分為:正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、反循環(huán)鉆進(jìn)、振動(dòng)鉆進(jìn)、螺旋鉆進(jìn)、沖抓錐(斗)鉆進(jìn)、潛水鉆進(jìn)、沖擊鉆進(jìn)。按鉆進(jìn)時(shí)是否采取巖芯,又可分為取芯鉆進(jìn)與不取巖芯鉆進(jìn)。按回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)破碎巖石所使用的磨料,又分為硬質(zhì)合金鉆進(jìn)、鉆粒鉆進(jìn)和金剛石鉆進(jìn)等。
2 不同地層的鉆探工藝
2.1 粘性土(可塑偏軟/硬粘性土)
針對(duì)軟弱粘性土強(qiáng)度低、壓縮性很大且滲透系數(shù)很小、觸變性及流變性大等特點(diǎn),可采取重錘沖擊鉆進(jìn)和長/短螺旋鉆進(jìn),如果鉆探環(huán)境位于地下水位以下,可采取套管螺旋鉆進(jìn)或沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。重錘沖擊鉆進(jìn)效率比較低,且對(duì)孔底附近一定范圍內(nèi)地層有擾動(dòng)。螺旋鉆進(jìn)通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋鉆桿在鉆壓作用下使鉆頭回轉(zhuǎn)吃入地層,將地層按螺旋線逐步切削,切刮下的土質(zhì)碎屑沿螺旋葉片上返到孔口,該方法鉆進(jìn)效率高且不用清洗設(shè)備。長螺旋鉆進(jìn)直徑應(yīng)小于1m,深度不超過15~20m之間。短螺旋鉆進(jìn)屬于非連續(xù)型鉆機(jī),較之長螺旋鉆效率稍低,其孔徑多在2~3m內(nèi),鉆進(jìn)深度一般小于30m,最深不超過50m。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)對(duì)泥漿比例要求較高(表1),避免水流將鉆進(jìn)土層沖散混入泥漿。必要時(shí)可在回次終了時(shí),停止送水,增加干鉆進(jìn)尺距離已獲得土層樣品,或采用雙動(dòng)雙管取心鉆具。
對(duì)于硬塑狀粘性土,一般的螺旋鉆進(jìn)在土的粘性較大時(shí)易發(fā)生埋鉆或鉆桿折斷的現(xiàn)象,且對(duì)土層擾動(dòng)較大,應(yīng)盡量選用小肋骨鉆頭,沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)分)液動(dòng)、氣動(dòng)和氣液混合動(dòng)力三種,具有效率高、鉆具轉(zhuǎn)速低、鉆頭壽命長和孔內(nèi)事故少等特點(diǎn)。液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)以清水或泥漿形成高壓作為動(dòng)力,鉆孔直徑一般為56-130mm,最大不超過400mm,鉆孔深可達(dá)800-1000m;氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)以高壓空氣為動(dòng)力,鉆孔直徑介于65-228mm之間,最大可達(dá)到762mm。施工中,應(yīng)先慢速鉆進(jìn),使鉆頭切入土層后改用中速轉(zhuǎn)進(jìn),可加快鉆進(jìn)速度且鉆具提升阻力小。
2.2 砂層
該地層的鉆探工藝與砂粒粒徑有很大關(guān)系,且受地下水影響較大。螺旋鉆進(jìn)適合砂土中粘粒含量較高且砂粒主要為粉細(xì)砂的地質(zhì)環(huán)境,如果需深孔鉆進(jìn),可在施工后期換用小直徑螺旋鉆。粉細(xì)砂雜粘性土情況下,應(yīng)降低鉆速,減小鉆進(jìn)壓力,泵量調(diào)整至適中;卮谓K了前,應(yīng)以泥漿清洗鉆孔,將孔內(nèi)懸浮的粉細(xì)砂帶入泥漿池后方可停泵,減小沉砂卡鉆事故發(fā)生的幾率,停泵后干鉆0.3-0.5m,確保巖心不脫落。對(duì)于中粗砂、礫沙以及地下水位以下的沙土,一般采用品字形硬質(zhì)合金鉆頭,低轉(zhuǎn)速,灌漿泵吸反循環(huán)鉆進(jìn),過程中需不斷浮動(dòng)鉆具,慢提快放,形成空底反循環(huán)(其推薦參數(shù)可見表1)。
因鉆頭外徑略大于巖芯管,所以能很好地約束巖芯管,確保巖芯的原始結(jié)構(gòu)。沒回次終了前,以泥漿清洗鉆孔,去除空中懸浮粗、礫沙,防止沉砂卡鉆。最后停泵干鉆0.2-0.3m,停止浮動(dòng)鉆具精細(xì)干燒,防止鉆孔周壁坍塌造成廢孔,并帶出巖芯樣品。
2.3 卵石層
該層鉆探工藝受地層厚度、密實(shí)度、含水率和粘性土填充情況影響,不同地層情況應(yīng)選用不同鉆探工藝。地層厚度不大時(shí),可采用泥漿護(hù)壁回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),地層厚度大,粘性土含量低時(shí)可采用跟管鉆進(jìn)。跟管長度3-6m,鉆速30-60r/min,盡量保證進(jìn)尺的連續(xù)性和順利性。地層密實(shí)度較高時(shí),可采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),為防止孔壁坍塌,可采用投入粘土球的方法,對(duì)孔壁進(jìn)行暫時(shí)保護(hù)。出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象時(shí),應(yīng)加大泥漿濃度或鉆進(jìn)一定深度后,拔出鉆具,放入跟管繼續(xù)鉆進(jìn),鉆速以20-40r/min為宜,對(duì)于套管中可能留有卵石,導(dǎo)致絲扣脫滑現(xiàn)象,可采用反絲套管。砂層和卵石層鉆進(jìn)過程中,高質(zhì)量的泥漿可有效防止孔壁的坍塌,對(duì)泥漿技術(shù)要求可見表2:
3 結(jié)語
我國廣袤的環(huán)境和變化多端的地質(zhì)條件為巖土工程勘察提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。伴隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,應(yīng)對(duì)各類地質(zhì)環(huán)境的鉆探工藝相繼被研發(fā)。由于地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性,很難采用某一方法或數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)根據(jù)待勘測(cè)場(chǎng)地、任務(wù)要求綜合對(duì)比各種鉆探技術(shù)方案,靈活選用適宜的鉆探技術(shù)方法。施工過程中應(yīng)注意收集場(chǎng)地及附近區(qū)域地層資料,對(duì)方案適時(shí)修正,達(dá)到少走彎路、科學(xué)勘探的目的。
參考文獻(xiàn):
[1]劉占,戴洪佳. 淺談巖土工程勘察中鉆探工藝的選取[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2012(01).
[2]顏建平.關(guān)于巖土工程勘察實(shí)際工作問題的研究[J].化學(xué)工程與裝備,2010(09).
[3]楊應(yīng)平,張明文,肖述剛.巖土工程勘察中的注意事項(xiàng)[J].中華建設(shè),2007(12).
[4]羅國屏.巖土工程勘察中的鉆探新工藝[J].工程勘察,1997(03).