浅谈岩土工程勘察中钻探工艺的选取

摘 要:在岩土工程勘察过程中,由于土层的性质不同,在实施工程地质钻探时所采取的工艺措施也不一样。通过对软弱粘性土、硬粘性土、砂及卵(碎)石的钻探工艺实践,在钻进方法的选择、钻具的选择方面进行了总结。

关键词:岩土工程勘察 钻探工艺 选取

中图分类号:P634文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)01(a)-0088-02

Abstract: In the process of geotechnical engineering investigation, because of the nature of the different soil, in the implementation of engineering geological drilling are taken process measures is not the same. Based on the soft clay, hard clay, sand and egg ( broken) stone drilling technology practice,in the drilling method and tool selection is summarized.

Keyword:Investigation of geotechnical engineering,Drilling technology,Selection

随着我国国民经济建设事业的飞速发展,大规模的工业及民用建筑拔地而起。虽然不同领域的工程有着不同的工程规范,但是对地基的承载力和建筑物的沉降变形同样有着要求,因而提供准确无误的地质勘察资料作为设计依据是非常重要的。为了能够准确的确定岩土的物理力学指标及岩土特性,保证钻探质量就成为了关键。工程勘察主要是查明浅层地质情况,但是由于土层的性质变化较大,所以适合不同地层条件的钻探工艺是保证工程质量的决定因素。以下笔者主要根据不同土层从几个方面来讨论钻探工艺的选取。

1 谈到钻探工艺,首先想到的是钻探设备的选取

钻探设备主要包括动力装置、钻机、泵、钻塔、拧卸工具等。钻探设备的选取主要的目标就是能够满足各种钻探工艺的要求,目前勘察领域主要是应用汽车钻作为主要的勘察设备,主要是因为汽车钻的工作效率较高。但由于场地原因也会采用台式钻机作为主要勘察设备,但是无论是选择那种钻探设备对于工程质量没有太大影响,主要影响的是工程进度问题。因此,在工民建及电力设施的岩土工程勘察中,钻探设备的选择与钻探工艺的选取无关。

然而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。目前在岩土工程勘查中主要应用的钻进方法为重锤冲击钻进、螺旋钻进和冲击回转钻进;主要的钻探工具为钻杆、钻头、岩芯管。以下主要针对不同的土层浅谈一下钻进方法的选择和各种钻探工具的选择。

1.1钻杆的选取

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,可以预防的钻杆折断和脱落。

1.2 钻头(包括岩芯管)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。

常用的螺旋钻主要分为长螺旋钻、短螺旋钻、环状螺旋钻、振动螺旋钻、套管螺旋钻和麻花钻。以下针对不同地层浅谈一下钻进方法及钻具的选取。

①软弱粘性土层及可塑偏软粘性土层:地下水位以上由于该土层强度较低,可采用重锤冲击钻进、螺旋钻进,最好选择长螺旋钻;如在地下水位以下,如孔深较浅建议采用套管螺旋钻,如孔深较深则需采用冲击回转钻进。

由于长螺旋钻不需要循环液而且在软弱粘性土层中钻进效率高,而且取出的岩芯虽受扰动破坏,但仍可看到地层的天然结构状态,不影响对地层结构和状态的描述,也不影响判断土层的厚度和埋深。

如采用冲击回转钻进,则应调配好泥浆比例,满足护壁要求的前提下尽量减小水泵流量,避免由于水流较大将该土层冲散后混入泥浆,必要时需采用干孔卡取法取得岩芯。即在回次终了时,停止送水,干钻进尺一小段(实际工程中进尺有时可达到1米),利用未排除的岩粉来挤塞住岩芯,再通过回转将其扭断提出。或者采用双动双管取心钻具。为保证岩芯采取率,防止提钻过程中岩芯脱落,使用活动分水投球钻具,可以使干钻取芯获得更好效果。

②可塑偏硬、硬塑及坚硬粘性土层:该层应采用冲击回转钻进,且钻具应选择小肋骨钻头,肋骨宜大于岩芯管1～1.4cm。肋骨钻头对粘性土的切削作用强,且对土层的扰动小,对土层的厚度和埋深的判断几乎没有影响,能保证土体的分层及原状样的提取的质量。

然在实际的岩土勘察过程中,为提高效率多数采用螺旋钻,由于该地层强度较高,实际上螺旋钻已经失去了它本身高效率的优点。因为长螺旋钻在实际钻进该层土的过程中,应注意螺旋距的选择,则在粘性较小的土层中,螺旋距应小些;在粘性较大的土层中,螺旋距可适当大些。但由于钻具与土体的接触面积大,在粘性较大时,因注意钻进速度及进尺,以防埋钻或者钻杆折断。该钻具对该土层扰动大,故在进尺及土的状态方面应特别注意。

因此本人建议在硬质粘性土层中尽量采用冲击回转钻进,采用小肋骨钻头岩芯管取样。

③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。如泥浆护壁不能满足要求时,需用套管跟进钻探,以防止孔壁坍塌造成埋钻、废孔的事故。

④卵(碎)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。如碰到大于管径的卵石或碎石,可以用角锥或一字钻头等击碎,后跟管钻进。如遇直径很大的孤石,可以在其上钻孔,后继续钻进。

根据钻头在卵石中运行特点,设计选用适岩钻头,关键是钻头技术参数:其一,硬合金大八角斜镶方式,增加硬质合金的抗磨性,提高了切削刀的抗崩断性能;其二,钻头底出刀较小,在卵石层钻进中,钻头长期处于崩和磨的状态,防止合金崩刀和断刀;最后,割二个三角形水口,保证冲洗液的冷却和携带作用。

2 不同地层的钻探作业方法

①软弱粘性土层及可塑偏软粘性土层:螺旋钻钻具整个叶片长度一般控制在1m左右,直径略小于改换螺旋钻具的钻孔直径;每回次进尺在0.5～1.0m范围内,因为螺旋钻本身有厚度,且取出的土样同时也受到扰动,螺旋钻进尺1.0米,实际取出的土样长度大于1.0m,至于长度增加的数值应以螺旋钻的参数及土层的塑性指标有关,土质越软其长度增加值越小,应以实际情况加以区分,以便正确地确定层位的变化及其状态分析;本类土层钻进过程中钻具的钻速应限制在90转/分～100转/分范围内,孔内的水在慢转速钻进慢提升的情况下可以起到润滑作用,减少上钻阻力。如果钻具转速高,提钻上升速度快,那么地下水会起到不良作用,致使叶片上的土样脱落,从而达不到预期目的;如提钻出现困难时,要利用油缸缓慢提升钻具,避免采用边回转边提升的方法。在钻具提出后由于土层较软,容易缩径,因此在下次钻具所取土样中注意区分刮落部分及正确计算好取样长度。

②可塑偏硬、硬塑及坚硬粘性土层:硬粘性土层优选采用回转钻进,具体操作时,首先应慢速钻进,以便钻头切入土层中(当遇到坚硬土层钻头吃不进土层时可适当加压),切入土层后可采用中速档钻进,中速档钻进不仅快,而且在回次进尺时,钻具提升阻力小。钻具提升时要控制速度,保证孔底不形成真空。为防止卡钻,每钻进0.3～0.5m。如卡钻且不可用转升的方法处理,因为粘性土有一定的抗拉强度,为减少提升阻力,必须先拧断岩芯。

采用冲击回转钻进时要注意水泵流量的控制,当钻进可塑偏硬的粘性土时建议水泵流量为低速,当钻进坚硬及硬塑粘性土时建议水流开中速。进行岩芯采取时可采用干孔卡取法取得岩芯。为保证岩芯采取率,防止提钻过程中岩芯脱落,使用活动分水投球钻具,可以使干钻取芯获得更好效果。

③砂层:此地层的钻探工艺与地层的颗粒粒经大小有很大关系。

a.粉细砂夹粘性土,此地层钻进时,钻进压力不易太大,不允许上下活动,钻速应采取低钻速,泵量调至似流之势方可钻进,每回次终了前,应先以清泥浆洗孔,待清泥浆将孔内悬浮粉细砂带入泥浆池后方可停泵,以确保不会发生沉砂卡钻,停泵后干钻0.3～0.5m,以保证不脱落岩芯。

b.中粗砂、砾砂,本地层可采用灌浆无泵反循环钻进,以低转速为宜,钻进过程中不断浮动钻具,上提要慢,下放要快,形成孔底反循环,提钻前为保证取心率和卡芯效果,每回次终了前,应先以清泥浆洗孔,待清泥浆将孔内悬浮中粗砂、砾砂带入泥浆池后方可停泵,以确保不会发生沉砂卡钻,应停泵干钻0.2～0.3m,不再浮动钻具进行干钻(干烧)卡芯。

④卵(碎)石层 :此地层的钻探工艺与地层的密实度、含水率、有无粘性土充填等有很大关系,不同的组合理论应采用不同的钻探工艺。常用的钻孔压力应掌握在200kg～300kg。

a.松散卵(碎)石层,粘性土含量低,此类地层采用植物胶护壁效果较差,采用跟管钻进是目前最有效的方法,每次跟管长度以3～6m为宜,钻速为30转/分～60转/分,如进尺连续顺利,最好不要变更钻进参数。也可采用投粘土球的方法,此方法要点是钻一段,用粘土球捣实,再钻进,不要盲目追求进尺,以防坍、垮造成孔内事故。

b.稍密～中密卵(碎)石层,当含水率小且有粘性土充填,可采用回转跟管钻进,钻速为20转/分～40转/分,钻进过程中钻具回转较平稳可适当提高钻进参数,如压力表跳动幅度大,应立即提钻,以防损坏钻头合金和钻机设备。

c密实卵(碎)石层,当含水率小且有粘性土充填,该地层适用合金干钻,钻进开始其参数应选低值,随进尺增加而逐渐增加。在钻进过程中要适当上下窜动钻具,以防钻头被烧死或堵死。

3 结语

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。本文是笔者在近几年勘察过程中的实际经验总结的一些钻进工艺和钻具的选取方法,希望这些经验对类似的岩土工程钻探具有一定的借鉴意义。但由于区域地质构造不同,地层也各具特点,因此在钻探过程中,应分析所遇地层的特点,从而制定出最经济最合理的钻探方案。

参考文献

[1]李世忠.钻探工艺学(下)北京:中国地质出版社,1985(2).

[2]王扶志.地质工程钻探工艺与技术[M].武汉:中南大学,2008(9).

[3]张毓成,张波.卵石地层钻探工艺的改进.长春:吉林水利,2002(3).

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