勘探与取样技术优化方法

勘探工作是岩土工程勘察的一种手段。它包括钻探、井探、槽探、坑探、洞探以及物探、触探等。勘探方法的选取应符合勘察目的和岩土的特性。当需查明岩土的性质和分布，采取岩土试样或进行原位测试时，可采用钻探、井探、槽探、洞探及地球物理勘探等。布置勘探工作时，应考虑勘探对工程自然环境的影响，防止对地下管线、地下工程和自然环境的破坏。钻孔、探井和探槽完工后，应妥善回填。静力触探、动力触探作为勘探手段时，应与钻探等其他勘探方法配合使用。勘探工作的主要任务包括以下3个方面：

①查明建筑场地地下有关的地质情况。

②提取岩土样及水样，供室内试验分析之用。

③利用勘探坑孔进行现场原位试验和布设长期观测点。

《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2103）指出，边坡工程勘探应采用钻探（直孔、斜孔）、坑探、物探和取样等方法。对复杂、重要的边坡工程，可辅以洞探。位于岩溶发育的边坡，除采用上述方法外，还应采用物探方法。

边坡工程的勘探范围应包括坡面区域和坡面外围一定的区域。对无外倾结构面控制的岩质边坡的勘探范围：到坡顶的水平距离一般应不小于边坡高度；外倾结构面控制的岩质边坡的勘探范围应根据组成边坡的岩土性质及其可能发生破坏的模式确定；对可能按土体内部圆弧形破坏的土质边坡应不小于1.5倍土质边坡高度。对可能沿岩土界面滑动的土质边坡，后部应大于可能的后缘边界，前缘应大于可能的剪出口位置。勘察范围还应包括可能对建（构）筑物有潜在安全影响的区域。

勘探线应垂直边坡走向或平行主滑方向布置，在拟设置支挡结构的位置应布置平行和垂直的勘探线。成图比例尺应大于或等于1∶500，剖面的纵横比例尺应相同。

勘探点分为一般性勘探点和控制性的勘探点。控制性的勘探点宜占勘探点总数的1/5~1/3，地质环境条件简单，大型的边坡工程取1/5，地质环境条件复杂，简单的边坡工程取1/3，并应满足统计分析的要求。

详细勘察的勘探线间距、点间距可按表3.5或地区经验确定，且对每一单独边坡段勘探线应不少于两条，每条勘探线应不少于两个勘探点（孔）。初步勘察的勘探线间距、点，可根据实际情况适当放宽。

表3.5　详细勘察的勘探线、点间距

边坡工程的勘探点（孔）深度，应进入最下层潜在滑面2.0~5 m，控制性钻孔取大值，一般性勘探孔取小值；支挡位置的控制性勘探孔深度，应根据可能选择的支挡结构物的形式和地质条件综合确定。对重力式挡墙、扶壁式挡墙和锚杆挡墙，可进入持力层不小于2.0 m；对悬臂桩进入嵌固段的深度土质地层时不得小于悬臂长度的1.0倍，岩质地层时不得小于0.7倍。

对主要岩土层和软弱层，应采集试样进行物理力学性能试验。其试验项目应包括物理性质、强度和变形指标试验。试样的含水状态应包括天然状态和饱和状态。用于稳定性计算时，土的抗剪强度指标宜采用直接剪切试验获取；用于确定地基承载力时，土的峰值抗剪强度指标宜采用三轴试验获取。主要岩土层采集岩土指标的试样数量：土层不少于6组，对现场大剪试验，每组应不少于3个试件；岩样抗压强度应不少于9个试件。岩石抗压强度不少于3组。需要时，应采集岩样进行变形指标试验；有条件时，应进行结构面的抗剪强度试验。岩体和结构面的抗剪强度，宜采用现场试验确定。

1）钻探

钻探是利用钻探机械和工具在岩土层中钻孔的勘探方法。可直接探明地层岩性、地质构造、地下水埋深、含水层类型和厚度、滑坡位置及岩溶情况，还可取岩芯，在钻孔中试验。

（1）钻探方法和设备

目前，工程钻探常用的钻探方式包括人力钻探和机械钻探两种。人力钻探的钻具主要有洛阳铲和麻花钻等。钻探的钻进方式可分为回转式、冲击式、振动式及冲洗式4种。在边坡工程地质勘察中，可根据不同的勘探目的，选择合适的钻探方法。勘探浅部土层可采用小口径麻花钻（或提土钻）钻进、小口径勺形钻钻进、洛阳铲钻进等钻探方法。钻探方法可根据岩土类别和工程课程要求参照表3.6和实际工程经验选用。

表3.6　钻探方法的适用范围

注：++：适用；+：部分适用；-：不适用。

钻探过程包括以下3个基本程序：

①破碎岩土

采用人力和机械方法，使小部分岩土脱离整体而成为粉末、岩土块或岩土芯。

②采取岩土芯或排除破碎岩土

用冲洗液或压缩空气将孔底破碎的碎屑冲到孔外，或用钻具靠人力或机械将孔底的碎屑或样芯取出于地面。

③加固孔壁

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。

（2）钻探技术要求

《岩土工程勘察规范（2009年版）》（GB 50021—2001）对工程勘察钻探的具体要求包括：

①钻进深度和岩土分层深度的量测精度，应不低于±5 cm。

②应严格控制非连续取芯钻进的回次进尺，使分层精度符合要求。

③对鉴别地层天然湿度的钻孔，在地下水位以上应进行干钻；当必须加水或使用循环液时，应采用双层岩芯管钻进。

④岩芯钻探的岩芯采取率，对完整和较完整岩体应不低于80%，较破碎如破碎岩体应不低于65%，对需重点查明的部位（滑动带、软弱夹层等）应采用双层岩芯管连续取芯。

⑤当需确定岩石质量指标RQD时，应采用75 mm口径（N型）双层岩芯管和金刚石钻头。

（3）钻探成果

钻探成果包括钻探野外编录（岩芯描述、钻孔水文地质描述、钻进记录）、所采取岩土试样、钻孔地质柱状图等资料。

钻孔的记录和编录应符合以下要求：

①野外记录应由经过专业训练的人员承担；记录应真实及时，按钻进回次逐段填写，严禁事后追记。

②钻探现场可采用肉眼鉴别和手触方法。有条件或勘察工作有明确要求时，可采用微型贯入仪等定量化、标准化的方法。

③钻探成果可用钻孔野外柱状图或分层记录表示；岩土芯样可根据工程要求保存一定期限或长期保存，也可拍摄岩芯、土芯彩照纳入勘察成果资料。

2）坑探

坑探是用人工或机械掘进的方式来探明地表浅部或地下深部工程地质条件的一种勘探手段。它包括轻型坑探工程（探坑、探槽、浅井）和重型坑探工程（斜井、竖井、平洞和石门（平巷））两大类，如图3.2所示。当钻探方法难以准确查明地下情况时，可采用探井、探槽进行勘探。在坝址、地下工程、大型边坡等勘察中，当需详细查明深部岩层性质、构造特征时，可采用竖井或平洞。不同坑探工程的特点及其适用条件见表3.7。

表3.7　各种坑探工程的特点及其适用条件

图3.2　工程地质勘察中常用的坑探类型示意图

1—探槽；2—试坑；3—竖井；4—平洞；5—石门；6—浅井(www.xing528.com)

与一般的钻探工程比较，坑探工程的优点是：勘察人员能直接观察岩土体和地质结构，成果准确可靠，且便于素描，可不受限制地从中采取原状岩土样和用作大型原位测试，尤其对研究断层破碎带、软弱泥化夹层和滑动面（带）等的空间分布特点及其工程性质等具有重要意义；坑探工程的缺点是：使用时往往受到自然地质条件的限制，耗费资金大而勘探周期长，尤其是重型坑探工程不可轻易采用。

探井的深度宜不超过地下水位。竖井和平洞的深度、长度和断面按工程要求确定。对探井、探槽和探洞，除文字描述记录外，还应以剖面图和展示图等反映井、槽、洞壁和底部的岩性、地层分界、构造特征、取样和原位试验位置，并辅以代表性部位的彩色照片。

展示图是坑探工程编录的主要内容，也是边坡勘察提交的主要成果资料。所谓展示图，是将坑探工程的底面和4个侧壁面按照一定的比例尺和制图方法将三维空间图形反映到平面上来的成果图。比例尺的选择根据坑探工程的规模、形状以及地质条件的复杂程度而定，一般可选用1∶25~1∶100。

3）物探

组成地壳的各种岩土介质的密度、磁性、导电性、弹性及放射性等物理性质存在差异，从而引起相应地球物理场的局部变化。物探是用专门的物理方法和物探仪器，探测天然的或人工的地球物理场的变化，通过分析、研究所获得的物探资料，推断、解释地层厚度、地质构造、水文地质条件和各种物理地质现象的勘探方法。目前，主要的物探方法有重力勘探、磁法勘探、电法勘探、地震勘探及放射性勘探等，但应用最广泛的是电法和地震勘探。根据工作空间的不同，可分为地面物探、航空物探、海洋物探及井中物探等。

工程物探是工程地球物理勘探的简称。其主要目的是确定地下地质体的空间展布范围（大小、形状、埋深等）和测定岩土体的物性参数，从而解决地质问题。常用工程物探方法的应用范围及适用条件见表3.8。

表3.8　常用工程物探方法的应用范围及适用条件

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岩土工程勘察中，可在下列方面采用地球物理勘探：

①作为钻探的先行手段，了解隐蔽的地质界线、界面或异常点。

②在钻孔之间增加地球物理勘探点，为钻探成果的内插、外推提供依据。

③作为原位测试手段，测定岩土体的波速、动弹性模量、动剪切模量、卓越周期、电阻率、放射性辐射参数以及土对金属的腐蚀性等。

物探的原理是通过探测岩土体介质的物性差异引起的地球物理场的变化，从而解译各种地质现象，故进行物探应具备以下条件：

①被探测对象与周围分质之间有明显的物理性质差异。

②被探测对象具有一定的埋藏深度和规模，且地球物理异常有足够的强度。

③能抑制干扰，区分有用信号如干扰信号。

④在有代表性地段进行方法的有效性试验。

因此，地球物理勘探应根据探测对象的埋深、规模及其与周围介质的物性差异，选择有效的方法。

由于岩土体介质本身的不均匀性和地球物理场的干扰因素，在进行地球物理勘探成果解释时，应考虑其多解性，区分有用信息与干扰信号。需要时，应采用多种方法探测，进行综合解译，并应有已知物探参数或一定数量的钻孔验证。

4）取样

岩土试样的采取也是边坡工程勘探的一项重要工作。岩土试样质量关系试验参数的可靠性。本任务结合现行岩土勘察规范从试样等级、取样工具、勘探取样基本技术要点等方面进行学习，取样相关实训可参考工程岩土与测试实训指导书。

土试样质量根据土扰动程度和试验目的按表3.9分为4个等级。其中，不扰动指的是原位应力状态虽已改变，但土的结构、密度和含水量变化很小，能满足室内试验各项要求；除地基基础设计等级为甲级的工程外，在工程技术要求允许的情况下可用Ⅱ级土试将进行强度和固结试验，但宜先对土试样受扰动程度作抽样鉴定，判定用于试验的适宜性，并综合地区经验使用试验成果。

表3.9　土试样质量等级划分

取样工具对试样等级有重要影响，不同的土类应选择不同的取样工具，以保证试样的质量。试样采取的工具和方法可按表3.10并结合实际地质条件选择。

表3.10　不同等级土试样的取样工具和方法

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注：1.++：适用；+：部分适用；-：不适用。
2.采取沙土试样应有防止试样失落的补充措施。
3.有经验时，可用束节式取土器代替薄壁取土器。

工程勘察中，常用的取土器有薄壁取土器和厚壁取土器两种。薄壁取土器按结构形式不同，可分为敞口自由活塞式、固定活塞式、水压固定活塞式等。薄壁取土器主要用于流塑、软塑、可塑、硬塑、粉土及粉沙等不坚硬的土质。对坚硬的土质不能用薄壁取土器取样的土，可用厚壁取土器来取样。工程勘察常见取土器的技术参数见表3.11。

表3.11　工程勘察常见取土器技术参数

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注：1.取样管及衬管内壁必须光滑圆整。
2.在特殊情况下，取土器直径可增至150~250 mm。
3.表中符号：
De—取土器刃口内径。
Ds—取样管内径，加衬管时为衬管内径。
Dt—取样管外径。
Dw—取土器管靴外径，对薄壁管Dw=Dt。

取样过程中，一般来说沙性土样比黏性土样容易破坏，故在钻孔中采取Ⅰ，Ⅱ级沙样时，可采用原状取沙器取样；在钻孔中采取Ⅰ，Ⅱ级土试样时，也应该满足以下要求：

①在软土、沙土中宜采用泥浆护壁；如使用套管，应探持管内水位等于或稍高于地下水位，取样位置应低于套管底3倍孔径的距离。

②采用冲洗、冲击、振动等方式钻进时，应在预计取样位置1 m以上改用回转钻进。

③下放取土器前应仔细清孔，清除扰动土，孔底残留浮土厚度应不大于取土器废土段长度（活塞取土器除外）。

④采取土试样宜用快速静力连续压入法。试样采取的具体操作方法可参考现行行业标准《建筑工程地质勘探与取样技术规程》（JGJ/T 87—2012）相关内容。

除了上述取样工具和取样方法，土试样的运输、保存也有相关规定：Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ级土试祥应妥善密封，防止湿度变化，严防暴晒或冰冻引起土试样含水量和结构的变化。在运输中，应避免振动，保存时间宜不超过3周。对易于振动液化和水分离析的土试样，宜就近进行试验。

岩石试样的采取比土试样要复杂，岩石试样可利用钻探岩芯制作或在探井、探槽、竖井和平洞中刻取。采取的毛样尺寸应满足试块加工的要求。在特殊情况下，试样形状、尺寸和方向由岩体力学试验设计确定。