岩土工程勘察基本技术方法

一、岩土工程地质分类各行业岩土工程地质分类不尽相同。这里综合介绍国标《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）、《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2002）和省标《建筑地基基础设计规范》（GBJ15-31-2003）的岩土分类方法。其他行业的岩土分类大同小异。（一）岩石分类1．岩石坚硬程度划分如表1。岩石坚硬程度分类表表1坚硬程度分类坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩饱和单轴抗压强度（MPa）fr＞6060≥fr＞3030≥fr＞1515≥fr＞5fr≤5注：1.无法取得fr值时，可用点荷载强度指数换算，见国标《工程岩体分级标准》（GB50218-94）3.4.1式；2.定性划分可参考《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）表A.0.1。2．岩体完整程度划分如表2。岩体完整程度分类表表2完整程度完整较完善较破碎破碎极破碎完整性系数＞0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15＜0.15注：完整性指数为岩体压缩波速度与岩块压缩波速度之比的平方。应选代表性岩体、岩块测试。无波速测试资料时，可按《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）表A.0.2定性划分。3．按岩石坚硬程度和岩体完整程度，岩体基本质量等级分为5类，如表3。岩体基本质量等级分类表表3完整程度坚硬程度完整较完整较破碎破碎极破碎坚硬岩IIIIIIIVV较硬岩IIIIIIVIVV较软岩IIIIVIVVV软岩IVIVVVV极软岩VVVVV4．石按软化系数分为易软化岩石和不软化岩石。软化系数，fr、frd分别为饱和单轴抗压强度和干燥单轴抗压强度。Kd≤0.75为易软化岩石，Kd＞0.75为不软化岩石。5．岩石风化程度按表4划分。岩石按风化程度分类表表4风化程度特征参数指标波速比Kv风化系数Kf标贯实测击数N’粉砂颗粒大于0.075mm的颗粒质量超过总质量的50%注：定名时按颗粒级配由大到小以最先符合者确定。砂土的密实度按表8划分为松散、稍密、中密和密实4级。砂土密实度划分表表8密实度标准贯入试验实测击数N‘松散N‘≤10稍密10＜N‘≤15中密15＜N‘≤30密实N‘＞30（3）粉土介于砂土和粘性土之间，塑性指数Ip≤10，且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总质量50%的土。其密实度按表9划分为松散、稍密、中密和密实4级。粉土密实度划分表表9密实度孔隙比e标准贯入试验实测击数N‘松散N‘≤5稍密e＞0.905＜N‘≤10中密0.75≤e≤0.9010＜N‘≤15密实e＜0.75N‘＞15（4）粘性土塑性指数Ip＞10的土。其中Ip＞17的为粘土，10＜Ip≤17为粉质粘土。粘性土状态按表10划分。粘性土状态划分表表10状态液性指数IL标准贯入实验实测击数N，坚硬IL≤0N，≥30硬塑0＜IL≤0.2530＞N，≥15可塑0.25＜IL≤0.7515＞N，≥4软塑0.75＜IL≤14＞N，≥2流塑IL＞1N，＜24．特殊性土常见的有五类：（1）填土①素填土：由碎石土、砂土、粉土、粘性土的一种或几中组成，不含杂物或含杂物很少。②杂填土：含有大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾，其物质组成和密实度常不均匀。③冲填土：由水力冲填泥砂形成。④压实填土：经压实和夯实的填土（2）软土空隙比e≥1、且天然含水量W＞液限WL的土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。（3）红粘土碳酸盐岩类残积土中空隙比大于1、液塑等于或大于50%的棕红、褐黄色高塑性粘土。原生红粘土经过搬运、沉积后仍保留其基本特征，且液限大于或等于45%者称为次生红粘土。（4）花岗岩残积土粒径＞2mm颗粒含量超过总质量的20%者为砾质粘性土，不超过20%者为砂质粘性土，不含者为粘性土。二、岩土工程勘察等级和阶段划分（一）勘察等级按工程安全等级（表11）、场地等级（表12）和地基等级（表13），将岩土工程勘察划分为甲、乙、丙三级，见表14。工程安全等级表表11安全等级工程破坏或影响正常使用的后果工程类型一级很严重重要工程二级严重一般工程三级不严重次要工程场地等级表表12场地等级建筑抗震地段不良地质作用地质环境地形地貌地下水一级危险地段强烈发育强烈破坏复杂水文地质条件复杂二级不利地段一般发育一般破坏较复杂基础在地下水位下三级抗震设防烈度≤6度或有利地段不发育未受破坏简单对工程无影响地基等级表表13地基等级岩土种类和均匀性特殊岩土情况一级种类多，很不均匀，性质表化大，需要特殊处理严重湿陷、膨胀、盐渍、污染土，以及其他情况复杂，需作专门处理的岩土二级种类较多，不均匀，性质变化大上述之外的特殊性岩土三级种类单一，均匀，性质变化不大无特殊性岩土勘察等级划分表表14勘察等级确定条件工程安全等级场地等级地基等级甲级一级任意任意二级或三级一级任意任意一级乙级二级二级或三级二级或三级三级二级二级或三级二级或三级二级丙级三级三级三级（二）勘察阶段各类工程勘察阶段的划分不尽相同。房屋建筑和构筑物的勘察阶段分为：1．可行性研究勘察在充分收集区域地质、地形地貌、地震、矿产、当地的工程地质、岩土工程和建筑经验等资料的基础上，通过踏勘了解场地的地层、岩性、构造、不良地质作用、水文地质、工程地质条件，根据具体情况布置必要工程地质和勘探工作，对拟建场地的稳定性和适宜性做出评价。当有两个以上的拟建场地时，应进行比选分析。2．初步勘察收集拟建工程的有关文件、工程地质、岩土工程资料和工程场地地形图，根据工程重要性、地基复杂性和地貌特点布置勘探孔，初步查明地质构造、地层结构、岩土工程特性、地下水埋藏条件；查明不良地质作用的成因、分布、规模、发展趋势；在抗震设防烈度等于或大于6度区，初步评价场地和地基的地震效应；对建筑地段的稳定性作出评价；初步判定地下水对建筑材料的腐蚀性；对地基基础类型进行初步分析评价。为确定建筑物的总平面布置和选择基础方案提供依据。3．详细勘察按单体建筑物和建筑群布置勘察工作，提供详细的岩土工程资料和设计、施工所需的岩土参数；对建筑地基做出岩土工程评价，并对地基类型、基础形式、地基处理、基坑支护、工程降水和不良地质作用的防治等提出建议，为施工图设计提供依据。应进行下列工作：（1）收集附有坐标和地形的建筑总平面图，场区地面的整平标高、建筑物的性质、规模、荷载、结构特点，基础形式、埋深，地基允许变形等资料；（2）查明不良地质作用的类型、成因、分布范围、发展趋势和危害程度，提出整治方案建议；（3）查明建筑范围类岩土类型、分布、埋深、工程特征，分析评价地基的稳定性、均匀性和承载力；（4）对需要进行沉降计算的建筑物，提供地基变形计算参数，预测建筑物的变形特征；（5）查明河道、沟渠、墓穴、防空洞、孤石等对工程不利的埋藏物；（6）查明地下水的埋藏条件，提供地下水位及变化幅度，判定水和土对建筑材料的腐蚀性；（7）在地震设防烈度等于或大于6度的地区，划分场地土类型，确定对抗震有利、不利或危险地段，对饱和砂土、粉土进行液化判别，确定液化指数和液化等级。4．施工勘察遇下列情况之一时，应进行施工勘察：（1）基槽开挖后，岩土条件与原勘察资料不符时；（2）地基处理和基坑开挖需进一步提供或确认岩土参数时；（3）桩基工程施工需进一步查明持力层时；（4）地基中溶洞、土洞发育，需进一步查明并提出处理建议时；（5）需进一步查明地下管线或地下障碍物时；（6）施工中建筑边坡有失稳危险时。已掌握的工程地质资料和建筑经验较充分时，可简化勘察阶段。三、岩土工程勘察方法岩土工程勘察方法有工程地质测绘、勘探、原位测试、室内实验、现场检验和监测。（一）工程地质测绘工程地质测绘一般在可行性研究勘察和初步勘察阶段进行，详细勘察阶段可对某些专门问题作补充调查。工作中应充分利用遥感影像资料。测绘比例尺：可行性研究勘察选用1：5000~1：50000，初步勘察选用1：2000~1：10000，详细勘察选用1：500~1：2000。对工程有重大影响的地质单元体（滑坡、断层、软弱夹层、洞穴等），可采用扩大比例尺表示。地质观测点的布置应有代表性，在地质构造线、地层分界线、岩性分界线、标准层、地下水露头和各种地质单元体应有地质观测点。应充分利用天然和人工露头，当露头不多时，布置适量的探坑和探槽。观测点的定位可用目测法、半仪器法和仪器法；地质构造线、地层岩性分界线、软弱夹层、地下水露头和不良地质作用等特殊地质观测点，宜用仪器定位。测绘时应注意调查访问有关情况。（二）勘探1．钻探钻探方法可根据岩土类别和勘察要求按《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）表9.2.1选用，最常用的是回转岩芯钻探。孔径应满足取样和抽水实验要求，孔深入目的层以下3~5m。深度量测精度不低于±5cm。岩样采取率：完整、较完整岩体和粘性土、粉土不低于80%，较破碎、破碎岩体和碎石土、砂土不低于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；当需要确定岩石质量指标RQD时，应采用75mm口径双层岩芯管和金刚石钻头。钻探中按要求取岩样、土样、水样和进行原位测试。对受力层取样和原位测试间距为1~2m；每一主要土层原状土样或原位测试数据不少于6件（组）。岩芯应由专业人员及时编录，柱状图岩土名称和性状应与原位测试和土工实验结果相互吻合。2．井探、槽探和洞探当钻探方法难于准确查明地下情况（如断层、滑坡、大坝、隧道、地下洞室等）时，采用井探、槽探和洞探。探井的深度不宜超过地下水位，竖井、平洞的深（长）度和断面按工程要求确定。3．物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。常见方法可查《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）条文说明表9.2。宜采用多种方法探测，进行综合判释，并有钻孔验证。在工程勘察中，物探既是一种勘探手段，也是一种原位测试手段，可测定岩土体的波速、动弹性模量、动剪切模量、卓越周期、电阻率、放射性辐射参数、土对金属的腐蚀性等。（三）原位测试应根据岩土条件、设计对参数的要求、地区经验和测试方法的适用性等选用（表15）。标准贯入实验是目前用得最多的一种原位测试方法。利用标准贯入击数判别岩石风化程度（强风化、全风化、残积土），粘性土、粉土、砂性土状态，饱和砂土、粉土液化可能性，确定土的变形参数时，用实测击数（N，）；查算地基承载力时用杆长校正后击数，可用标准值或最小平均值。（四）室内实验包括土的物理性质实验、土的压缩~固结实验、土的抗剪强度实验、土的动力性质实验、岩石实验和水质分析。岩土实验成果的应用见表16、表17。（五）现场检验和监测现场检验和监测一般在工程施工期间进行；对有特殊要求的工程，应在使用期间继续进行。包括：1．基槽检验；2．桩基检验：超声波检测、抽芯、动测（大应变、小应变）、载荷实验；3．地基处理效果检验：触探、旁压实验、波速测试；4．基坑变形监测；5．建筑沉降监测；6．不良地质作用和地质灾害（崩塌、滑坡、地面沉降、地面塌陷等）监测；7．地下水的监测：时间应不少于1个水文年。几种主要原位测试方法的基本原理、试验目的和适用范围表15试验名称试验类型基本原理岩土参数及应用适用范围载荷试验平板载荷试验利用P-S曲线确定各种特性指标1.确定地基土的承载力和变形模量；2.确定湿陷性黄土的湿陷起始压力，判别土的湿陷性适用于碎石土、砂土、粉土、粘性土，填土、软土和软质岩石螺旋板载荷试验1.确定地基土的承载力和变形模量；2.估算地基土固结系数、不排水抗剪强度适用于砂土、粉土、粘性土和软土桩基载荷试验1.确定单桩竖向和水平承载力；2.当埋设有桩底反力和桩身应力、应变量测元件时，可直接测定桩周土的极限侧阻力和极限端阻力以及测定桩身应力变化和桩身的弯距分布；3.估算地基土的水平抗力系数的比例系数适用于各类桩基动载荷试验确定基础竖向震动力加速度a和基底动压力Pd适用于各类桩基旁压试验预钻式旁压试验在钻孔内利用旁压器对孔壁施加水平压力量测孔壁的变形，通过压力与变形关系，求得地基土承载力、变形参数1.确定地基土承载力；2.确定地基土旁压模量适用于粘性土、粉土、砂土、碎石土、填土和软质岩石、风化岩自钻式旁压试验1.确定地基土承载力；2.确定地基土旁压模量；3.估算原位水平应力、不排水抗剪强度、剪切模量、固结系数适用于软土、粘性土、粉土、砂土静力触探试验静力触探试验用静力将探头以一定速率压入土中，利用探头内力传感器，通过电子量测仪器将探头受到的贯入阻力记录下来，根据阻力大小判定土层性质1.进行土层分类；2.确定地基土承载力；3.确定软土不排水抗剪强度、剪切模量、固结系数；4.确定变形系数；5.确定砂土相对密实度；6.估算单桩承载力；7.判定饱和砂土、饱和粉土地震液化可能性适用于粘性土、粉土、软土、砂土和填土孔压静力触探试验1.划分土的类别；2.判定粘性土状态；3.估算饱和粘性土的固结系数几种主要原位测试方法的基本原理、试验目的和适用范围表15（续）试验名称试验类型基本原理岩土参数及应用适用范围十字板剪切试验机械式十字板剪切试验插入土中的十字板头以一定速率旋转，测出土的抵抗力矩，计算其抗剪强度1.确定软粘土不排水抗剪强度；2.估算地基土承载力；3.估算单桩承载力；4.确定软土路基临界高度；5.分析地基稳定性；6.判定软土固结历史适用于软土、粘性土电测式十字板剪切试验圆锥动力触探试验轻型动力触探试验利用一定落锤能量，将一定尺寸、一定形状的圆锥探头打入土中，根据贯入击数判定土的性质确定粘性土和粘性素填土承载力适用于粘性土、粉土、粘性素填土重型动力触探试验1.确定砂土、碎石土密实度；2.确定粘性土、粉土、砂土和碎石土承载力适用于砂土、碎石土超重型动力触探试验1.确定碎石土密实度；2.确定碎石土承载力适用于砾砂、碎石土标准贯入试验标准贯入试验利用一定落锤能量，将一定尺寸的贯入器打入土中，根据贯入击数判定土的性质1.确定砂土密实度；2.确定粘性土状态；3.确定砂土承载力，估算单桩承载力；4.确定土的变形参数；5.判定饱和砂土、粉土液化适用于砂土、粉土、粘性土现场剪切试验抗剪断试验、抗剪试验（摩擦试验）、抗切试验确定抗剪强度参数岩、土层波速测试单孔法波速测试测定剪切波和压缩波在地层中的传播时间，根据已知的传播距离计算地层中波的传播速度1.划分场地土类型；2.计算地基动弹性模量、动剪切模量、动泊松比；3.评价岩体完整性；4.计算场地卓越周期；5.判定砂土液化；6.检验地基加固效果适用于岩石和各类土层跨孔法波速测试土的物理力学性质指标的应用表16指标符号实际应用土的分类粘性土砂土密度重度水下浮重ργρ，1.计算干密度、孔隙比等其他物理性质指标2.计算土的自重压力3.计算地基的稳定性和地基土的承载力4.计算斜坡的稳定性5.计算挡土墙的压力++++++++++比重GS计算孔隙比等其他物理力学性质指标++含水量W1.计算孔隙比等其他物理力学性质指标2.评价土的承载力3.评价土的冻胀性++++++干密度ρd1.计算孔隙比等其他物理性质指标2.评价土的密度3.控制填土地基质量+-+++-孔隙比孔隙率en1.评价土的密度2.计算土的水下浮重3.计算压缩系数和压缩模量4.评价土的承载力-+++++-+饱和度Sr1.划分砂土和粉土的湿度2.评价土的承载力--++可塑性液限塑限塑性指数液性指数WLWPIPIL1.粘性土的分类2.划分粘性土的状态3.评价土的承载力4.估计土的最优含水量5.估算土的力学性质+++++-----含水比αw评价老粘性土和红粘土的承载力+-活动度A评价含水量变化时土的体积变化+-颗粒组成有效粒径平均粒径不均匀系数曲率系数d10d50CuCc1.砂土的分类和级配情况2.大致估计土的渗透性3.计算过滤器孔径或计算反滤层4.评价砂土和粉土液化的可能性----++++最大孔隙比最小孔隙比相对密度emaxeminDr1.评价砂土密度2.估价砂土体积的变化3.评价砂土液化的可能性---+++渗透系数K1.计算基坑的涌水量2.设计排水构筑物3.计算沉降所需时间4.人工降低水位的计算++++++-+土的物理力学性质指标的应用表16（续）指标符号实际应用土的分类粘性土砂土击实性最大干密度最优含水量ρdmaxWy控制填土地基质量及夯实效果+-压缩性压缩系数压缩模量压缩指数体积压缩系数a1-2ESCcMv1.计算地基变形2.评价土的承载力++--固结系数Cv计算沉降时间及固结度+-前期固结压力超固结比PCOCR判断土的应力状态和压缩状态+-抗剪强度内摩擦角粘聚力φC1.评价地基的稳定性、计算承载力2.计算斜坡的稳定性3.计算挡土墙的压力++++++侧压力系数泊松比ξυ1.研究土中应力与孔隙压力的关系2.计算变形模量++++孔隙水压力系数AB研究土中应力与孔隙水压力的关系++承载比CBR设计公路、机场跑道++无侧限抗压强度qu1.估价土的承载力2.估计土的抗剪强度++--灵敏度St评价土的结构性+-注：表中“+”表示相应指标为表内所指的该类土所采用，“-”表示这一指标不被采用。岩石力学指标的应用表17指标实际应用单轴抗压强度①确定岩石地基承载力；②确定嵌岩桩的极限侧阻力极限端阻力；③进行强度指标分类；④进行洞室围岩分类；⑤进行岩石风化程度分类剪切指标①评价边坡的稳定性；②评价洞室的稳定性；③坝基岩体抗滑稳定性分析波速测试①岩石风化程度分类；②洞室围岩分类四、工程水文地质勘察要查明的主要问题工程水文地质勘察是岩土工程勘察的内容，一般在岩土勘察中进行，当岩土勘察工作不能满足要求，或工程设计或施工过程中地下水问题突出时，则需补做或专做工程水文地质勘察工作，查明地下水的不良作用和防治措施。要查明的主要问题：（一）地下水类型和含水层的分布、埋藏情况1．地下水类型地下水按赋存介质特征分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙孔洞水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水、火山岩裂隙孔洞水和基岩裂隙水；按埋藏条件和水力特征分为上层滞水、潜水和承压水，已在前面介绍。2．含水层层次、岩性、分布、埋藏深度、厚度含水层：碎石土（卵石、碎石、圆砾、角砾）、砂土性（砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂）、粉土以及裂隙发育的基岩风化带、构造破碎带、红层的裂隙孔洞带、玄武岩裂隙气孔带、灰岩的裂隙溶洞带。隔水层：粘性土（包括淤泥）和致密完整岩石。（二）地下水静止水位及其变化幅度天然地基承载力设计值的计算、砂土地震液化判别、膨胀土膨缩深度的确定、基础深度的确定、边破稳定性评价、基坑土侧压力计算、基坑降水量和地下工程涌水量计算、基坑坑底突涌计算、地下室底板抗浮计算、判别岩土渗漏变形（流土、管涌、潜蚀）等一系列问题，都需要地下水静止水位资料。应准确测定，一般在终孔后24h后统一测定。尽量利用抽水孔、观测孔观测，必要时下测水管观测。地下水位受地形、气象、水文和人为因素的影响而变化，要收集区域水文地质资料、邻区资料或通过长期观测和调查访问，查明地下水水位变化特征。一般随季节变化，海岸带随潮汐变化，江湖岸受洪汛影响，人工采排区受抽水影响。在进行地下室底板抗浮计算时，应提供最高地下水水位资料。（三）地下水的补给、径流、排泄条件根据地形地貌、气象、水文、地质结构、含水层分布埋藏条件及其水力联系、地下水流向和动态变化特征分析、论述。地下水流向根据等水位（压）线图确定。水力坡度可根据等水位（压）线图计算。（四）地下水化学成分及其对建筑材料腐蚀性评价，需要时进行生活饮用水适宜性评价。只作腐蚀性评价时作简分析（又称工程水分析），需作生活饮用水适宜性评价时作全分析。作腐蚀性评价时参考环境评价；按地层渗透性评价时，弱透水层是指粘性土、粉土和粉砂及一般岩石，强透水层是指粉砂之外的砂性土（细砂、中砂、粗砂、砾砂）、碎石土和裂隙、孔洞发育的岩石。位于地下水位以上的构筑物，应取土样查明其对建筑材料的腐蚀性。（五）测定水文地质参数根据工程要求，通过抽水实验、渗水实验、注水实验、压水实验、地下水流速测定、孔隙水压力测定、长期观测和室内实验，提供渗透系数、影响半径、导水系数、给水度、释水系数、单位吸水率、地下水实际流速、孔隙水压力等参数。在一般性工程勘察中，常常只做简易抽水实验，稳定时间4h，提供粗略的渗透系数。重要工程应做2次以上降深抽水实验，宜最少布置1个观测孔，最大水位降深宜接近工程设计所需要的水位降深的标高或达到设计疏干降深的一半。一般采用大井法计算地下工程涌水量。（六）预测地下水引起的不良地质作用主要有：1．沼泽化、盐渍化；2．岩土软化，产生崩解、湿陷；3．膨胀土的胀缩变形；4．地面沉降、塌陷；5．边坡失稳；6．地下工程突水；7．基础上浮，基坑底突涌；8．海水入侵。五、岩土工程勘察的地震评价工作（一）抗震设防烈度可按国家标准《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）附录A划分。（二）场地1．对建筑抗震有利、不利和危险的地段按表18划分。对抗震有利、不利和文献地段的划分表18地段类别地质、地形、地貌有利地段稳定基岩，坚硬土，开阔、平坦、密实、均匀的中硬土等不利地段软弱土，液化土，条带状突出的山咀，高耸孤立的山丘，非岩质陡坎，河岸和边坡边缘，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层（如古河道、疏松的断层破碎带、暗埋的塘浜沟谷和半填半挖地基）等危险地段地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流及地震断裂带上可能发生地表错位的部位2．场地类别以土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度按表19划分。各类建筑场地覆盖层厚度（m）表表19等效剪切波速（m/s）场地类别ⅠⅡⅢⅣVse＞5000500≥Vse＞250＜5≥5250≥Vse＞140＜33~50＞50Vse≤140＜33~15＞15~80＞80覆盖层厚度一般按地面至剪切波速大于500m/s的土层顶面的距离确定。对于丁类及层数不超过10层且高度不超过30m的丙类建筑，当无实测剪切波速时，可根据岩土名称和性状，按表20划分土的类型并按地区经验估算各土层的剪切波速。土的类型划分和剪切波速范围值表表20土的类型岩土名称和性状剪切波速（m/s）坚硬土或岩石稳定岩石，密实的碎石土Vs＞500中硬土中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂，fak＞200kPa的粘性土250＜Vs≤500中软土稍密的砾、粗、中砂，除松散外的细、粉砂，fak≤200kPa的粘性土和粉土，fak＞130kPa的填土，可塑黄土140＜Vs≤250软弱土淤泥和淤泥质土，松散的砂，新近沉积的粘土和粉土，fak≤130k