典型工程地质勘察方法及土工试验检测

一、工作任务

通过工程地质勘察方法知识的学习，学生应能够承担以下工作任务：

（1）理解工程地质调查测绘内容、方法。

（2）掌握工程地质勘探的类型及其优缺点。

（3）掌握测试及长期观测的方法及注意事项。

二、相关配套知识

（一）工程地质调查测绘

工程地质调查测绘是地质勘察中最先进行的综合性基础工作。它是运用地质学原理，通过野外调查，将勘察区的区域地貌、地层岩性、地质构造、物理地质现象等填绘在适当比例尺的地形图上，并对建筑场地有关的地质条件做出初步评价，为下一步布置勘探、试验及长期观测工作打下基础的过程。

1.工程地质调查测绘的内容

工程地质调查测绘应包括下列内容：① 地形、地貌：查明地形、地貌形态的成因和发育特征，以及地形、地貌与岩性、构造等地质因素的关系，划分地貌单元。② 地层、岩性：查明地层层序、成因、时代、厚度、岩石名称、成分、胶结物及岩石破碎的程度和深度等。③ 地质构造：查明有关断裂和褶曲等的位置、走向、产状等形态特征和力学性质方面的特征，查明岩层产状、接触关系、节理、裂隙等的发育情况，查明新构造活动的特点。④ 水文地质：通过地层、岩性、构造、裂隙，水系和井、泉地下水露头的调查，判明区域水文地质条件。⑤ 查明不良地质和特殊地质的性质、范围，及其发生、发展和分布的规律。⑥ 查明土、石成分及其密实程度、含水情况、物理力学性质，划分岩土施工工程分级等。

2.工程地质调查测绘的方法

铁路、公路等工程地质调查测绘一般沿线路在带状范围内进行，调查测绘的宽度应以满足线路方案选择、工程设计和病害处理为原则，并根据区域地质构造的复杂程度，不良地质发生、发展和影响的范围，以及工程地质条件分析的需要予以扩大。

1）调查测绘范围及测绘精度

线路工程地质调查测绘一般沿线路中线或导线进行，测绘宽度多限定在中线两侧各200～300 m的范围。在测绘范围内，各种观测点的位置都应与线路中线取得联系。

对于工业与民用建筑，测绘范围应包括建筑场地及其邻近地段；对于洞室工程的测绘，不仅包括洞室本身，还应包括进洞山体及其外围地段。

工程地质测绘精度通常根据不同勘察阶段任务的要求，用所测工程地质图的比例尺来控制。精度过低不能保证任务要求的工作质量，精度过高则造成浪费。

2）观测点的选择及测绘内容

工程地质调查沿选定的测绘路线进行，在测线上适当布置若干观测点，通过对这些观测点的地质调查、测绘，掌握一条路线的地质情况，通过所有测绘路线的综合，掌握整个调查测绘范围的地质情况。因此，观测点的工作是最基础的工作。

观测点的选择和布置，目的要明确，代表性要强；密度应结合工作阶段、成图比例、露头情况、地质复杂程度等而定；数量以能控制重要地质界线并能说明工程地质条件为原则。综合观测点测绘内容一般包括：① 观测点编号及位置（与中线相联系）；② 周围地形、地貌；③ 地层、岩性：地层年代、岩性（颜色、成分、结构、构造）、岩层产状、厚度、风化情况；④ 地质构造：各种倾斜层、褶曲、节理和断层的测绘和描述；⑤ 水文地质情况：地下水天然和人工露头的水位、水质、水量，地下水类型；⑥ 不良地质现象；⑦ 已有建筑物稳定情况的调查；⑧ 采取必要的土、石、水样，编号并作描述。

3）工程地质调查测绘方法要点

工程地质调查测绘方法有像片成图法和实地测绘法。像片成图法是利用地面摄影或航空（卫星）摄影的像片，在室内根据判释标志，结合所掌握的区域地质资料，把判明的地层岩性、地质构造、地貌、水系和不良地质现象等，调绘在单张像片上，并在像片上选择需要调查的若干地点和线路，然后据此做实地调查，进行核对、修正和补充，将调查的结果转绘在地形图上而成工程地质图的方法。

当该地区没有航测等像片时，工程地质调查测绘主要依靠野外工作，即实地测绘法。常用的实地测绘法有3种：

（1）路线法。它是沿着一些选择的路线，穿越测绘场地，将沿线所测绘或调查的地层、构造、地质现象、水文地质、地质界线和地貌界线等填绘在地形图上的方法。其路线可为直线形或折线形。观测路线应选择在露头及覆盖层较薄的地方；观测路线方向大致与岩层走向、构造线方向及地貌单元相垂直，这样就可以用较少的工作量获得较多的工程地质资料。

（2）布点法。它是根据地质条件复杂程度和测绘比例尺的要求，预先在地形图上布置一定数量的观测路线和观测点的方法。观测点一般布置在观测路线上，但要考虑观测目的和要求，如为了观察研究不良地质现象、地质界线、地质构造及水文地质等。布点法是工程地质测绘中的基本方法，常用于大、中比例尺的工程地质测绘。

（3）追索法。它是沿地层走向或某一地质构造线，或某些不良地质现象界线进行布点追索，主要目的是查明局部的工程地质问题的方法。追索法通常是在布点法或线路法基础上进行的，它是一种辅助方法。

工程地质调查测绘是整个工程地质工作中最基本、最重要的工作，不仅可靠它获取大量所需的各种基本地质资料，它也是正确指导下一步勘探、测试等项工作的基础。因此，调查测绘的原始记录资料，应准确可靠、条理清晰、文图相符，重要的、代表性强的观测点，应用素描图或照片以补充文字说明。

（二）工程地质勘探

工程地质勘探是槽探、坑探、钻探、物探等工作的总称。勘探工作是在工程地质测绘的基础上，为进一步查明地表以下工程问题和取得深部地质资料而进行的。勘探工作必须是在充分研究分析地面地质资料以后，有计划、有目的地去布置，同时应与不同设计阶段的工程地质勘察任务相适应。

1.简易勘探

1）挖 探

挖探是最简易的勘探方法，常用的有剥土、槽探和坑探。

（1）剥土：人工清除地表不厚的覆盖土层直到岩层表面而进行勘探的方法。一般表层土厚不超过0.25 m。

（2）槽探：在地表挖掘0.6～1.0 m、深不超过2 m即可到达岩层面的长槽而进行勘探的方法。

（3）坑探：垂直向下掘进土坑而进行勘探的方法，该土坑常称试坑。试坑平面形状可为直径0.8～1.0 m的圆形，或为 1.5 m×1.0 m的矩形；深度一般不超过2～3 m。水平方向土坑称为平峒。

挖探成本低、工具简单、进度快、能取得直观资料和原状土样；其缺点是劳动强度大，勘探深度浅。因此，挖探适用于一般工业及民用建筑、小桥涵基础、隧道进出口及大、中桥两侧桥台基础的勘探，也可用于了解覆盖层厚度和性质、追查构造等。

无论是坑探、槽探还是平峒的地质工作，都要进行编录，并编录展示图，如图 5-1 为探井展示图。

2）轻便勘探

轻便勘探是指使用轻便工具如洛阳铲、锥具及小螺纹钻等进行勘探。

（1）洛阳铲勘探：借助洛阳铲的重力及人力，将铲头冲入土中，完成直径较小而深度较大的圆形孔进行勘探。利用该法可以取出扰动土样。冲入深度一般土层中为 10 m，在黄土中可达30 m。

（2）锥探：一般用锥具向下冲入土中，凭感觉来探明疏松覆盖层厚度。该法探深可达10 m以上。用它查明沼泽和软土厚度、黄土陷穴等最为有效。

（3）小螺纹钻勘探：小螺纹钻由人力加压回转钻进，能取出挠动土样，适用于黏性土及砂类土层，一般挖深在6 m以内。

图5-1 探井展示

轻便勘探的优点是工具简便、简单，容易操作，进尺快，成本低，劳动强度不大；其缺点是不能取得原状土样，在密实或坚硬的地层中，一般不能使用。

2.钻 探

钻探是利用钻机向地下钻孔，并从孔内取出岩心或岩样进行观察和试验，进而判断地下深部地质情况的一种勘察方法（图5-2）。

图5-2 岩心钻探示意

1—钻机；2—泥浆泵；3—动力机；4—滑轮；5—三脚架；6—水龙头；7—送水胶管；8—套管；9—钻杆；10—钻杆接头；11—岩心管；12—钻头。

当勘探深度较大，或地层不适宜采用简易勘探时，都可以用钻探。钻探基本不受地形、地层软硬及地下水深浅等条件限制，可以克服各种困难，直接从地下深处取出土石试样，满足对勘探的多种要求。因此，钻探仍是目前道路工程地质勘探的主要手段。(www.xing528.com)

常用钻探方法有回转钻探（分硬质合金钻进、钻粒钻进和金刚石钻进）、冲击钻探及震动钻探等。钻机类型及钻探方法的选择，主要应根据勘探的目的和要求、勘探深度及地层地质条件而定。

3.地球物理勘探

地球物理勘探，简称物探，是以观测地质体的天然物理场或人工物理场的空间或时间分布状态，来研究地层物理性质和地质构造的方法。物探是一种先进的勘探方法，它的优点是效率高、成本低、装备轻便、能从较大范围勘察地质构造和测定地层的各种物理参数等。合理有效地使用物探可以提高地质工作质量、加快勘探进度、节省勘探费用。因此，在勘探工作中应积极采用物探。

但是，物探是一种非直观的勘探方法，物探资料往往具有多解性；而且，物探方法的有效性，取决于探测对象是否具备某些基本条件。限于目前的科技水平，还不能对任意形状、位置、大小的地质体进行物探解释。

不断发展和改进物探方法，大量采用先进技术，提高物探质量是当前道路工程地质工作中重要的努力方向之一。工程地质工作中当前常用的物探方法简介如下：

1）电法勘探

电法勘探是通过测定土、石导电性的差异识别地质情况的方法。电探是很多勘测部门应用较多的方法，经常使用的有电阻率法、充电法、激发激化法和自然电场法等。

2）地震勘探

地震勘探是根据土、石的弹性不同，利用人工地震产生的地震弹性波穿过不同的土、石时，其传播速度不同的原理，用地震仪收集这些弹性波传播的数据，借以分析地下地质情况的方法。地震勘探适用于探测覆盖层厚度、岩层埋藏深度及厚度、断层破碎带位置及产状等，还可以根据弹性波传播速度推断岩石某些物理力学性质、裂隙和风化发育情况。

3）声波探测

声波探测属于弹性波勘探的一种。它与地震勘探的区别主要是：地震勘探用的是低频弹性波，频率范围从几赫兹到几百赫兹；主要是利用反射波和折射波勘探大范围地下较深处的地质情况。声波探测用的是高频声振动，常用频率为几千赫兹到20kHz，主要是利用直达波的传播特点，了解较小范围岩体的结构特征，研究节理、裂隙发育情况，评价隧道围岩稳定性等，以便解决岩体工程地质力学等方面的一些问题。根据岩体弹性波纵波速度和岩石弹性纵波速度得到的岩体完整性系数，是判定岩体质量和围岩分级的重要指标。因此，对于重要工程应尽量开展地震勘测和声波探测。

4）磁法勘探

磁法勘探是以测定岩石磁性差异为基础的方法。可以用这种方法确定岩浆岩体的分布范围，确定接触带位置，寻找岩脉、断层等。

5）触 探

触探是把装有电阻应变仪或电子电位差计的探头顶入或打入地下，根据探头进入地基土层时所遇到的阻力，直接得到地基承载力的方法。连续缓慢压入者为静力触探，振动冲击打入者为动力触探。静力触探适用于一般黏性土和砂类土，动力触探可用于碎石、卵石类土。在广大平原地区第四纪松散沉积物的勘探和试验工作中，采用触探方法能提高效率，简化工作过程，较合理、准确地提供地基承载力数值，而且设备轻便，劳动强度降低。近年来在工程建筑部门研究使用触探方法取得了良好效果。

6）测 井

测井是在钻孔中进行各种物探的方法，有电测井、磁测井之分。正确应用测井法有助于降低钻探成本，提高钻孔使用率，验证或提高钻探质量，充分发挥物探与钻探相结合的良好效果。

其他的物探方法还有重力勘探、放射性勘探及电磁波探测、钻孔电视、地质雷达探测等，目前在工程地质勘测中已开始使用。

（三）测试及长期观测

1.取样、试验及化验工作

取样、试验及化验是工程地质勘察中的重要工作之一。它通过对所取土、石、水样进行各种试验及化验，取得各种必要的数据，用以验证、补充测绘和勘探工作的结论，并使这些结论定量化，作为设计、施工的依据。

1）取 样

土、石试样可分原状的和扰动的两种。原状土、石试样要求比较严格，取回的试样要能恢复其在地层中的原来位置，保持原有的产状、结构、构造、成分及天然含水量等各种性质。因此，原状土、石样在现场取出后要注明各种标志，并迅速密封起来，运输、保存时要注意不能太热、太冷和受震动。

取土、石样品，需经工程地质人员在现场选择有代表性的，按照试验项目的要求采取足够数量，采样的同时填写试样标签，把样品与标签按一定要求包装起来。

2）土工试验

根据不同工程的要求，对原状土及扰动土样进行试验，求得土的各种物理力学性质指标，如比重、容重、含水量、液塑限、吸水率、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、抗剪强度等。这些试验为全面评价土、石工程性质及土、岩体的稳定性参数，为有关的工程设计打下基础。

试验目的不同，试验项目的多少、内容也不同。在试验前，应由工程地质人员根据要求填写试验委托书，试验室根据委托书对试验做出设计；对试验人员、设备及试验程序做好计划安排，然后进行试验。

3）原位测试

原位测试包括静力触探、动力触探、十字板剪切、载荷试验等。原位测试结果比室内试验结果更接近现场实际情况。但是原位测试需要较多人力、设备、经费和时间，因此，一般工程不做原位测试，重大工程应创造条件进行原位测试。

载荷试验是加荷于地基，测定地基变形和强度的一种现场模拟试验，可以求得地基土、石的变形模量及承载力，以及载荷作用下土、石体沉降-时间变化曲线。

土的现场大面积剪切试验是通过现场水平剪切或水平挤出试验取得地基土的黏聚力及内摩擦角指标的方法。岩石现场剪切试验常用于求得岩石滑坡滑动面抗剪强度。

触探法已如前述，用这种方法可以确定土中不同深度的潮湿程度、密实程度、变形模量及承载力等。

十字板剪切试验是利用插入软黏性土中旋转的十字板，测出土的抵抗力矩，换算为其抗剪强度，可用于测定饱和软黏土的不排水抗剪总强度。

岩石点载荷和回弹值试验是野外岩石强度简易试验。

近年来，在地下一定深度处进行地应力原位测试的工作已逐渐开展起来，原位地应力对分析岩质边坡和隧道的稳定性是重要的初始数据之一。

4）抽水试验、水质化验及压水试验

抽水试验一般是用水泵从水井或钻孔内抽取一定水量，使井内水位降低，根据涌水量与水位降深的关系来测定含水层渗透系数的一种现场水文地质试验，主要目的是确定地下水的渗透系数、计算涌水量及采取供化验用的地下水水样。

水质化验是为了确定水的质量和数量而进行的试验。采取一定数量的水样进行化验，可以确定水中所含各种成分，从而正确确定水的种类、性质，以判定水的侵蚀性。对施工用水和生活用水做出评价，并联系不良地质现象说明水在其形成、发展过程中所起的作用。

对于不含水的基岩，或者地下水埋藏很深、不宜进行抽水试验时，常用压水试验来测定基岩的渗透性。

2.长期观测

在工程地质勘察工作中，常会遇到一些特殊问题，对这些问题的调查测绘往往不能在短时间内得到正确、全面的答案，必须在全面调查测绘的基础上，有目的、有计划地安排长期观测工作，以便积累原始实际资料，为设计、施工提供切合实际的依据。长期观测工作根据其目的不同，既可在建筑物设计之前进行，也可在施工过程中同时进行，还可在施工之后的使用过程中进行。

常遇到的长期观测问题有：

1）已有建筑物变形观测

已有建筑物变形观测主要是观测建筑物基础下沉和建筑物裂缝的发展情况，常见的有房屋、桥梁、隧道等建筑物变形的观测。取得的数据可用于分析建筑物变形的原因及建筑物稳定性，并采取适当的措施等。

2）不良地质现象发展过程观测

各种不良地质现象的发展过程多是比较长期的逐渐变化的过程，例如滑坡的发展、泥石流的形成和活动、岩溶的发展等。观测数据对了解各种不良地质现象的形成条件、发展规律有重要意义。

3）地表水及地下水活动的长期观测

地表水及地下水活动的长期观测主要是观测水的动态变化及对工程的影响。地表水活动观测常见的是对河岸冲刷和水库坍岸的观测，为分析岸坡破坏形式、速度及修建防护工程的可能性提供可靠资料。地下水动态变化规律的长期观测资料则有多方面的广泛用途。

此外，黄土地区地表及土体沉陷的长期观测、为控制软土地区工程施工进行的长期观测等也是需要进行的工作。

由于长期观测的对象和目的不相同，因此使用的方法、设备和观测内容等也有很大差别，这里不再一一列举，可参考有关的专题总结资料。