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岩土工程勘察中钻探设备及工艺的选择

2021-01-03 10:31:55    365次浏览

岩土工程基本任务是查明施工场地土层类型、深度、分布、等工程地质特征,包括现场钻探、原土取样、实验室分析和现场进行原位测试等方面,为后续施工提供准确的岩土物理力学指标和岩土特性分析。

岩土工程勘探是工程建设的一项基础性工作,是所有工程开展的基础,其数据的准确性、可靠性直接影响工程建设的质量、******、工期和投资效益。

我国幅员辽阔,地质条件复杂,岩土层物性变化较大。本文将从以下几个方面对岩土工程勘察中的钻探工艺进行探讨。

1 钻探设备及工艺

岩土勘探利用钻机控制钻具从地表向地下钻进,在地下形成圆柱形钻孔,并通过钻孔获取处于不同深度下的岩芯、土、水样品,送往实验室分析取得******手基础资料的手段。岩土勘测综合性强、工艺复杂,不仅对地层、测定界限要准确划分,还要进行原位测试,原状土采集。因此,钻探技术的高低和钻探方法的选择对整个勘察的质量起决定性作用。

1.1 钻探设备

钻探设备是能够完成钻孔所必需的一切技术装备的总和,一般包括钻机、钻探用泵、空气压缩机、动力机和传动装置以及与之配套的钻塔、拧管装置等。按其装载方式,可分为整体式和组装式,前者依据可移动性而分为固定式、拖引式和自行式三种。依据岩土钻探设备用途可分为工程地质、水文水井、工程施工、岩芯和取样钻探设备等。

工程地质钻探设备常用于工业和民用建筑、桥梁、道路和码头等基础设施的工程地质勘察钻进。水文水井钻探设备专门用于水文地质勘察孔和水井的钻进。工程施工钻探设备用途繁多,特点各异。岩芯钻探设备和取样钻探设备能够在岩石、土层或混凝土结构中钻进取样勘察。

1.2 钻进方法

钻进方法是指在钻探或钻井工程中,向地下钻进时,破碎孔/井底岩石所采取的一切方法和技术总称。依据钻进工艺可分为:正循环回转钻进、反循环钻进、振动钻进、螺旋钻进、冲抓锥(斗)钻进、潜水钻进、冲击钻进。按钻进时是否采取岩芯,又可分为取芯钻进与不取岩芯钻进。按回转钻进时破碎岩石所使用的磨料,又分为硬质合金钻进、钻粒钻进和金刚石钻进等。

2 不同地层的钻探工艺

2.1 粘性土(可塑偏软/硬粘性土)

针对软弱粘性土强度低、压缩性很大且渗透系数很小、触变性及流变性大等特点,可采取重锤冲击钻进和长/短螺旋钻进,如果钻探环境位于地下水位以下,可采取套管螺旋钻进或冲击回转钻进。重锤冲击钻进效率比较低,且对孔底附近一定范围内地层有扰动。

螺旋钻进通过电动机带动螺旋钻杆在钻压作用下使钻头回转吃入地层,将地层按螺旋线逐步切削,切刮下的土质碎屑沿螺旋叶片上返到孔口,该方法钻进效率高且不用清洗设备。长螺旋钻进直径应小于1m,深度不超过15~20m之间。短螺旋钻进属于非连续型钻机,较之长螺旋钻效率稍低,其孔径多在2~3m内,钻进深度一般小于30m,***深不超过50m。

冲击回转钻进对泥浆比例要求较高(表1),避免水流将钻进土层冲散混入泥浆。必要时可在回次终了时,停止送水,增加干钻进尺距离已获得土层样品,或采用双动双管取心钻具。对于硬塑状粘性土,一般的螺旋钻进在土的粘性较大时易发生埋钻或钻杆折断的现象,且对土层扰动较大,应尽量选用小肋骨钻头,冲击回转钻进方法。冲击回转钻进技术分)液动、气动和气液混合动力三种,具有效率高、钻具转速低、钻头寿命长和孔内事故少等特点。

液动冲击回转钻进以清水或泥浆形成高压作为动力,钻孔直径一般为56-130mm,******不超过400mm,钻孔深可达800-1000m;气动冲击回转钻进以高压空气为动力,钻孔直径介于65-228mm之间,******可达到762mm。施工中,应先慢速钻进,使钻头切入土层后改用中速转进,可加快钻进速度且钻具提升阻力小。

2.2 砂层

该地层的钻探工艺与砂粒粒径有很大关系,且受地下水影响较大。螺旋钻进适合砂土中粘粒含量较高且砂粒主要为粉细砂的地质环境,如果需深孔钻进,可在施工后期换用小直径螺旋钻。粉细砂杂粘性土情况下,应降低钻速,减小钻进压力,泵量调整至适中。回次终了前,应以泥浆清洗钻孔,将孔内悬浮的粉细砂带入泥浆池后方可停泵,减小沉砂卡钻事故发生的几率,停泵后干钻0.3-0.5m,确保岩心不脱落。

对于中粗砂、砾沙以及地下水位以下的沙土,一般采用品字形硬质合金钻头,低转速,灌浆泵吸反循环钻进,过程中需不断浮动钻具,慢提快放,形成空底反循环(其推荐参数可见表1)。因钻头外径略大于岩芯管,所以能很好地约束岩芯管,确保岩芯的原始结构。没回次终了前,以泥浆清洗钻孔,去除空中悬浮粗、砾沙,防止沉砂卡钻。***后停泵干钻0.2-0.3m,停止浮动钻具精细干烧,防止钻孔周壁坍塌造成废孔,并带出岩芯样品。

2.3 卵石层

该层钻探工艺受地层厚度、密实度、含水率和粘性土填充情况影响,不同地层情况应选用不同钻探工艺。地层厚度不大时,可采用泥浆护壁回转钻进,地层厚度大,粘性土含量低时可采用跟管钻进。跟管长度3-6m,钻速30-60r/min,尽量保证进尺的连续性和顺利性。

地层密实度较高时,可采用回转钻进,为防止孔壁坍塌,可采用投入粘土球的方法,对孔壁进行暂时保护。出现塌孔现象时,应加大泥浆浓度或钻进一定深度后,拔出钻具,放入跟管继续钻进,钻速以20-40r/min为宜,对于套管中可能留有卵石,导致丝扣脱滑现象,可采用反丝套管。砂层和卵石层钻进过程中,高质量的泥浆可有效防止孔壁的坍塌。

3 总结

我国广袤的环境和变化多端的地质条件为岩土工程勘察提出了严峻的挑战。伴随着现代科技的发展,应对各类地质环境的钻探工艺相继被研发。由于地质环境的复杂性,很难采用某一方法或数据作为标准。应根据待勘测场地、任务要求综合对比各种钻探技术方案,灵活选用适宜的钻探技术方法。施工过程中应注意收集场地及附近区域地层资料,对方案适时修正,达到少走弯路、科学勘探的目的。

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