岩土钻凿技术1.doc

名词解释
钻凿工程—口径较小而深度较大的柱状圆孔，岩土样品测试或者以此孔作为其他用途 。
钻孔—利用机械设备在地壳中打出的柱状圆孔可分为垂直孔和倾斜孔水平孔和井直孔和弯曲孔
钻孔的孔身结构是指钻孔由开孔至终孔的孔身及孔径变化。它包括孔深、开孔和终孔直径、孔径更换次数及其所在深度、下入套管的层数及其位置、以及套管的固定方法
钻凿设备：是指钻凿施工中直接应用的地面机械设备和装置。钻凿设备包括动力机、钻机、泥浆泵和钻塔等四大件
减速箱作用：减速箱是柴油机对钻机和水泵动力输出的分动和水泵的减速装置
变速箱作用：变换回转器或卷扬机的转速。
钻机的液压传动系统
动力元件作用：将原动机输出的机械能装换成液压能，向液压系统提供压力油，驱动液压机。
执行元件作用：将液压能装换为机械能，提供力和运动，驱动工作机构完成所要求的各种动作。
控制元件作用：控制液压系统中液压油的压力、流量和液流方向，保证执行元件得到所要求的力、速度和运动方向
辅助元件作用：油路系统是用来使钻机具有钻具称重、减压给进、加压给进等功能。
钻塔其作用是：安放和悬挂天车、游动滑车、大钩、提引器等以起下钻进设备和工具，起下和存放钻杆、起下套管柱
提引器功用：在升降钻具作业中卡住钻杆接头，以便起下钻具的工具
工程地质勘察钻进方法：人力冲击和回转、机械冲击和回转、机械震击和机械螺旋回转和机械复合法
取土器：在钻孔中采取不受扰动，保持天然结构的土样时所用的工具
内间距比：取土器刃口内径与取样筒内径的差值和刃口内径的比值的百分数
外间距比 ：取土器最大外径与取样筒外径之差跟取样筒外径之比的百分数。
面积比：取土器即开的土壤断面积与土样断面积之比值
触变性:泥浆能够在静止时形成结构（凝胶态），搅动时恢复原有的流动性（溶胶态）的性能
泥浆（亦称稳定液）的作用：护壁、携砂、冷却和润滑，其中以护壁作用为最重要
泥浆比重：是泥浆与同体积摄氏4度的水的重量比。
泥浆的粘度：表示泥浆流动的难易程度
固相含量：是指泥浆中的固体颗粒占泥浆重量或体积的百分量
失水量与造壁能：钻进时，泥浆液柱与地层之间存在着压力差，使泥浆中的水分向孔壁渗入，泥浆失水多少的性能称为泥浆失水量。泥浆失水时，粘土颗粒附着于孔壁上，使孔壁上形成一层泥皮，泥浆的这种能力叫造壁能
胶体率：是指泥浆中粘土颗粒分散和水化程度以及保持悬浮状态的粗略衡量
钻孔灌注桩（简称钻孔桩）是用钻（冲或抓）孔机械在岩土中先钻成桩孔，然后在孔内放入钢筋笼并灌注混凝土而筑成的深基础。
1． 导管 2. 漏斗和储料斗
储料斗有两个作用，一是灌注混凝土时储放足够数量的混凝土，满足初存量的要求，保证导管一次性埋入砼面以下0.8m以上。二是将搅拌均匀后混凝土送入漏斗
3．隔水塞 作用：在砼开始灌注时起隔水作用，保证初灌的混凝土质量
地下连续墙：是利用一定的设备和机具，在泥浆护壁的条件下向地下钻挖一段狭长的深槽，在槽内吊放入钢筋笼（钢筋骨架），然后灌注混凝土，筑成一段钢筋混凝土墙段，再把每一墙段逐个连接起来形成一道连续的地下墙壁。
灌浆锚杆——是用水泥砂浆将一组钢拉杆锚固在伸向地层内部的钻孔中，并在外端承受拉力的圆柱状锚体。
土层锚杆是一种受拉构件，由锚头、拉杆、锚固体等组成
填空题
水文地质钻凿的特点：①地层复杂 ②钻孔结构复杂 ③钻进方法多
④设备种类多 ⑤劳动强度大
岩土工程地质钻凿的特点：①钻孔直径变化大②岩芯采取率要求高③钻孔结构复杂④钻孔密集⑤“环保”要求严
钻孔要素：①孔深 ②孔径 ③角度：倾角、 顶角、方位角
钻进方法分类：
①按施加外力的性质或方式分：回转法，冲击法，振动法，压入法，复合法
②按碎岩工具所用的材质不同分：硬质合金钻进，金刚石钻进，钢粒钻进，强化钢钻头钻进
③按冲洗介质循环方式分：正循环钻进、反循环钻进、复合循环钻进（局部反循环钻进）
钻孔结构设计依据：1、钻凿目的和钻孔的用途 2、岩层剖面及其特征3、钻进方法及钻机类型和性能
钻机分类按用途分类1．石油、天然气勘探与开发钻机2．水文地质调查和水井钻机3．固体矿产勘探钻机 4．工程地质勘察钻机 5．地下钻机 6．工程施工钻机
钻机的回转系统：回转系统的具体结构是回转器，有立轴式、转盘式和移动回转器式三种 .其功用是传递动力，使钻具以不同转速和扭矩，作正向或反向回转运动
钻凿工程中泵的作用： ①供水 ②向孔内输送冲洗液，并能使其在孔内保持循环，达到洗 孔、冷却钻头目的 ③净化设备用 ④特殊工序
泵的分类： 按工作原理分: 真空泵（也称容积泵）和压力泵按结构分: 往复泵、离心泵、螺杆泵和齿轮泵
对钻塔的使用要求是：⑴ 足够的承载能力 ⑵ 足够的有效高度和空间 ⑶ 合理的结构 ⑷ 成本低
钻塔分类： ⑴ 四脚钻塔⑵ 三脚钻塔 ⑶ A型钻塔 ⑷ 桅杆
升降工序附属设备有：拧管机，夹持器，提引器，水龙头
拧管机国内类型：机动、液动和电动三种
夹持器分类：①钻杆和接头开切口型的普通扇形夹持器
②钻杆和接头不开切口型的钻杆夹持器
提引器：普通提引器（卡、卸过程全由人工操作）和半自动提引器
水龙头
功用：向钻具内输送高压冲洗液或抽吸泥浆
结构：固定部分、旋转部分和密封部分
按照其适用孔深，水龙头可分为浅孔用水龙头和深孔用水龙头两大类
钻头形式：有回转式钻头（包括勺形钻）、冲击式钻头（包括一字形、十字形、圆形和角锥钻头）、抽筒（管钻）和洛阳铲等类型
螺旋钻头：（单翼、双翼和三翼 3种类型）螺旋钻杆
取土器由四部分组成：接头、余土管、取土管、管靴
取土器可按不同分类方法：
（1） 根据地层分类：同步式取土器，双管式~，薄壁~，砂取土器。
（2）以取土器下端是否封闭为依据分为： 敞口式和封闭式
（3）根据取土器上部封闭形式分为：球阀封闭式、活阀封闭式和活塞封闭式
（4）根据取土器的壁厚分为： 薄壁取土器和厚壁取土器
取土器基本技术参数
(1) 直径 (2) 内间距比 (3) 外间距比 (4) 面积比（5）管靴刃口的形式及角度 (6) 取土管的形式及长度
原状土样的采取方法：①压入法：快速均匀，扰动小 ，软土中适用②击入法 ：适用于较硬与坚硬土层中的取样 ③回转压入法：坚硬土层或极软岩层中
1． 双管丝杆收缩式栓塞：（1）双管单栓塞 2）双管双栓塞
水井钻的成井工艺过程：冲孔，换浆，安装井管，填砾，止水，洗井和试抽
滤水管类型及结构：1.骨架式滤水管 2．缠丝滤水管3.包网滤水管 4．砾石滤水管5.贴砾滤水管 6．玻璃钢滤水管 7.塑料滤水管
滤水管的选择
选择滤水管时主要依据是含水层的结构特征、地下水性质、材料来源及成本等因素，应从以下几个方面考虑：① 类型 ② 材料 ③ 长度 ④ 直径
井管 安装前的准备工作① 组织动员 ② 校正井深 ③ 探井④ 检查起重设备、工具和管材
井管安放方法1）机械提吊安装法（2）采用浮板安装法（3）托盘安装法（钢丝绳~ 钻杆托盘法）
填砾方法① 静水填砾法——浅井填砾② 抽水填砾法——中深井填砾③ 钻杆泵入法——深井填砾
止水方法：① 临时止水（海带、桐油石灰、橡胶制品）② 永久止水（粘土、水泥 ）
洗井的方法（活塞洗井 振荡洗井 二氧化碳洗井 ）
1．比重测定：可用漂浮式比重计或比重秤测量比重
2.粘度测定：室内可用旋转粘度计测量粘度，野外常用漏斗式粘度计来测量粘度
钻孔桩可按其功能分为：匀质土中摩擦桩、端承于硬土的桩和端承于岩石上的岩石桩
钻孔桩的施工顺序主要包括：钻进成孔、清孔、下钢筋笼、下导管、灌注混凝土
清孔方法:(1) 抽浆清孔法（ 泵吸反循环法 空压机清孔）(2) 换浆清孔，即正循环清孔 (3) 掏渣筒清孔
地下连续墙分类
①按成墙方式可分为排桩式、槽式和组合式
②按挖槽方式可分为抓斗式、回转式和冲击式
③按墙的用途可分为临时性墙壁、用作永久性主体结构壁一部分兼作临时挡土墙的地下连续墙、用作多边形基础兼作墙体的地下连续墙
导墙的作用：a. 导向作用b. 挡土作用c. 重物支承台的作用d. 维持稳定液面的作用e. 导墙内的空间可作为稳定液的临时贮藏槽
地下连续墙的施工：准备工作、成槽工作和成墙工作
机械传动系统包括柴油机（或电动机）、减速箱、水泵、变速箱、卷扬机、回转器及油路系统组成.
问答题
课程重要性：①该技术是提供准确地质资料的唯一可靠方法②该技术是工程施工的主要途径③该技术是地基处理的重要手段④其它（桩取芯，逆工作法，隧道施工）
钻凿工程的主要用途①普查找矿钻探 ②勘探钻探③水文地质矿产及水井钻 ④岩土工程地质勘察钻 ⑤工程施工钻 ⑥油气井钻探 ⑦地热钻探 ⑧盐井、矿泉水钻探 ⑨科学钻探
水文地质钻凿的任务
①研究水文地质剖面②测定各含水层的水位；确定含水层的水力性质及③其彼此之间的水力联系④测定岩石的水理性质和颗粒组成；测定地下水的⑤物理性质、化学成分及气体成分⑥利用钻孔进行水文地质试验测定水文地质参数。⑦利用钻孔进行地下水动态观测和监测；预测其动态变化趋势⑧可以一方面试验观测，另一方面进行地下水开采
岩土工程地质钻凿的目的
①勘察建筑物场区的地层岩性、岩层厚度变化②了解基岩风化带的深度、厚度和分布情况③探明地层断裂带的位置、宽度和性质；查明裂隙发育程度及随深度变化情况④查明地下含水层的数目及其水文地质参数
⑤利用钻孔进行灌浆试验、压水试验和土力学性质等试验⑥利用钻孔作长期观测或排除地下水，以保证岩（土）体的稳定性（如处理滑坡）
钻凿的基本程序
1．破碎孔底岩土 全面钻进、取芯钻进2．提出岩芯和岩粉
方法：
(1) 所钻岩土附在钻具上与钻头一同提出(2) 用抽筒将岩粉取出(3) 岩芯随岩心管、取心器提出孔外(4) 用流体作循环介质，将破碎的岩屑输送到地表
3．加固孔壁
方法：(1) 用金属或非金属套管下入孔中 (2) 借助于循环液的静水压力来平衡地层的侧压力 (3) 利用隋性材料或化学材料加固孔壁 (4) 利用泥浆护壁
设计基本原则
1、以终孔直径为钻孔结构设计的先决条件，对照岩层剖面及特征，自下而上的设计出各段孔径并定出开孔直径 2、在地质条件许可下，尽量少换孔径 3、钻进表土或冲积层时，应先埋设孔口管 4、在满足地质要求条件下，尽量使用小口径钻具钻进，以提高效率，降低成本5、留有备用口径
XY–1型立轴式钻机特点
(1) 具有油压自动给进机构，提高钻进效率，减轻工人体力劳动强度
(2) 采用球卡夹持机构代替卡盘，可实现不停机倒杆，操作方便，安全可靠
(3) 配有孔底压力计指示压力，便于掌握孔内情况；
(4) 手柄集中，操作方便
(5) 结构紧凑，钻机、水泵及柴油机都安装在同一底座上，占用机场面积小
(6) 重量轻、分解性强，便于搬迁
(7) 减速箱内备有油泵强制润滑蜗杆，外有风扇散热，确保油温不超过85℃
离合器作用：⑴用以接通和切断钻机的动力；⑵在钻机变速和分动操作中，或在完成套取岩芯与扭断岩芯等特殊操作时，利用离合器进行微动操作；⑶当钻机超载时，利用摩擦片打滑起过载保护作用.
回转系统的结构与性能应满足以下钻进工艺要求
① 回转器的转速与扭矩是可变的②具有1~2个较低的反转转速 ③有良好的导向作用④ 回转器应能在一定范围内变更倾角⑤ 通孔直径符合所需直径要求⑥ 回转平稳，震动摆动小
升降系统在钻进过程中的作用
① 升降钻具与套管； ② 利用升降系统悬挂钻具，在减压状态下进行快速扫孔或钻进； ③ 进行强力起拔，处理孔内事故，完成其他辅助或特种工作
钻机的给进系统性能参数：给进力和起重能力，给进速度和提升速度，给进机构的功率
水井钻机的特点
1．水井钻凿工艺的多样化，导致水井钻机类型的多样化和一台钻机的多功能性能2．水井钻机组成和结构复杂化，尺寸、重量较大3．配备大功率动力机4．水井钻机在回转性能方面都是低转速、大扭矩5．多采用转盘或动力头回转器的形式6．车载或拖车，整体迁移
SPC-600R型钻机主要技术特性参数
钻孔直径 Φ500/Φ190（开孔/终孔）
钻孔深度 600米 转盘 通孔直径 Φ670
最大扭矩 11.23 KN.m
钻塔 高 15米 额定负荷 245kN
SPC-600R型钻机的特点:
1．钻塔有效高度大，15m
2．利用液压缸—链条给进调压机构实现加、减压钻进 3．配有拧管装置
4．配备两台水泵，泵量大，排粉能力强（BW600/30-1R）——230、340、520L/min）
5．整体车装，迁移方便
SPC-600R型钻机的适用范围
可在第四纪松软、松散地层和基岩中钻进；水文地质勘察钻凿和为农业灌溉、工业国防建设和居民生活用水钻凿水井，矿山地下坑道、通风孔、工程建筑钻孔的施工
工程钻机的施工条件特点：
⑴ 钻孔的深度较小⑵钻进工作主要是在第四纪砂、土、卵砾石地层和风化、半风化基岩中钻进 ⑶工程钻孔往往以群孔形式在面积不大的施工现场密集分布 ⑷工程钻凿施工空间窄小，工作条件困难
工程地质勘察钻机和工程施工钻机共同特点：
⑴钻机具有多种功能以适应不同地层钻进的需要；⑵ 钻机多为整体安装，便于迁移；⑶ 对环境的污染要小（噪音、振动、排污等）.
G----3型钻机由机械动力头、加压机构、冲击机构、卷扬机等组成并配备振动器。
SH30-2型钻机：结构简单，机动灵活，重量轻、易于搬迁，但没有加压机构，对硬岩效果不佳。
GPS-15型钻机主机包括转盘、卷扬机组、钻塔、底座、机械传动系统和液压系统等
对泵的要求：1．流量（泵量） ( a. 可调节 b. 稳定)2．足够压头，以克服各种液流阻力3．泵中液力端的零部件的数量尽可能少，耐磨性高，便于维修更换4．泵体重量轻、体积小、解体性好5．种类多样化
人力冲击和回转钻进钻具组合和工作原理
三脚架、简易绞车、平衡杆、钻头、钻杆、钢丝绳、滑轮等
使用特点：
优点：不用复杂的设备和工具、不需要动力设备、钻进过程简单和易于操作、能采取到原状土样
缺点：钻进岩层不能太硬、钻孔深度和直径不能太大、工人劳动强度大
回转钻进;（1）可钻各方向孔，且孔径、孔深受限制少（2）根据岩性和要求，设计合理钻孔结构（3）钻孔质量容易保证，取得原状土样（4）适用地层：1~12级
冲击钻进:（1）只能钻垂直孔，一般孔径大、孔深不太大（2）钻孔结构简单（3）适用地层：1~10级
机械螺旋钻进
1．钻具组合:螺旋钻头（单翼、双翼和三翼 3种类型）螺旋钻杆
特点：①钻进效率高 ②低公害（无泥浆污染），低噪音（无振动），低成本（效率高） ③不使用冲洗液 ④孔壁稳定⑤取样及时（扰动样）⑥螺旋钻进一般只能钻进松软岩层（无砾石和硬夹层），在粘土层中钻进困难；钻进所需功率大
取土器的设计要求：① 提取时不掉土② 对土样的扰动最小③ 能顺利压或击入土层④ 结构简单、便于加工制造，操作简便以
三、影响原状土样采取质量的因素：①取土器结构、技术参数和取土方法②钻孔垂直度③孔内残土④取土器切入土层的速度⑤合理的钻孔结构 ⑥钻进方法（回转与冲击不一样，最后一次进尺量）⑦土样的封装，保存和运输
压水试验对钻孔的要求 ：①钻孔要直、孔壁要光滑一致②下好孔口管，封闭地表水影响③冲洗液应使用清水，不得用泥浆④清洗钻孔
触探测试原理：利用一定的落锤重量，将标准尺寸的圆锥形探头打入土中，根据打入土中的难易程度（即贯入度）来判定土的性质。
适用范围：
轻型：一般粘性土、素填土，进行施工验槽
重型：中砂、粗砂、砾砂、圆砾和碎石土
超重型：密实的碎（卵）石土
标准贯入试验试验方法：① 先钻进到需要进行标准贯入试验的土层，清孔后换用标准贯入器，并测量钻孔深度尺寸② 安装并下入钻具，试验（15cm+30cm）③ 拔出贯入器，取出土样进行土层描述记录
重型动力触探与标贯的区别 （自己展开）
共同点：试验原理、自动落锤装置 不同点：探头、适用地层、试验方法、结果应用
成井工艺的目的：
① 稳固孔壁 下井管（按作用分井壁管、滤水管、沉淀管）② 疏通含水层③ 封闭或隔离非目的层
滤水管 要求：① 最大的进水面积以减少地下水经过它时的阻力② 足够大的机械强度③ 耐腐蚀、不污染水源④ 滤水挡砂能力要强⑤ 安装方便、成本低廉以及取材容易
洗井目的：①清除任何钻进方法所不可避免的“泥皮影响”。松开滤水管周围的砂层，使其恢复失去的孔隙率②洗去含水层中的泥土、细砂，提高水井附近含水层的渗透率③在滤水管周围形成渗透性由高变低的自然的圆环带
止水目的：① 在水文地质钻孔中是为了获得不同层位水文地质资料② 供水井中，为了取得永久性、稳定的、优质、高产的涌水量
护筒作用：① 固定桩位，并作钻孔导向；② 保护孔口，防止孔口土层坍塌；③ 隔离地表水，并保持钻孔内水位高出施工现场水面以稳定孔壁
钻孔桩成孔的一般规定：1．成孔设备就位后，必须平正、稳固2．成孔深度应符合下列要求：①对于摩擦桩，必须保证设计桩长②对于端承桩，必须保证桩孔进入硬土或基岩达到设计要求的深度，并清理干净孔底沉淤（沉渣）3．钻孔完成后，成孔质量必须符合表11-6的要求（孔径、孔位、形状、垂直度等）4钻孔桩成孔后的质量检查的容许偏差符合表要求
清孔的目的和要求
目的：抽、换孔内泥浆，清除钻渣和沉淀物，尽量减少孔底沉淀层厚度，防止桩底存留过厚沉淀砂土而降低桩的承载力，清孔对于保证灌注混凝土的质量，避免发生断桩事故也是有利的。
要求：(1)摩擦桩 孔底沉淤厚度：中、小型桩 ≦0.4~0.6d，大型桩 ≦30cm泥浆性能指标：含砂量为4~10%，比重为1.1~1.25，粘度为18~20s浇注砼前，孔底500mm以内的泥浆比重≦1.25，含砂率≦8%，粘度≦28s
(2)端承桩：沉淤厚度≦5cm，泥浆含砂量≦4%摩擦端承桩和端承摩擦桩孔底沉渣厚度≦10cm
混凝土配制与灌注的一般要求
1．桩身混凝土在28天龄期后应达到设计要求
2．砼的配制应满足下列要求：（1）砼配合比符合设计强度要求（2）砼的坍落度：水下灌注为20±2cm；干作业灌注为8~10cm；沉管成孔灌注为6~8cm（3）砼具有良好的和易性（4）砼具有良好的粘结性和保水性4．灌注充盈系数：1.0~1.3 5．填写混凝土灌注施工记录，绘制有关图表曲线
混凝土的水下灌注基本工序：
①接导管柱®②接漏斗®③吊隔水塞®④漏斗内倒入砼®⑤剪铁丝®⑥由储料斗倒砼入漏斗®⑦上拔导管柱®⑧卸漏斗和一节或若干节导管®⑨再接漏斗重复⑥~⑧®⑩结束
混凝土的水下灌注应特别注意：
1．导管下口与孔底（或沉淀层顶面）的间距以能放出隔水塞和混凝土为原则，一般为30~40cm
2．砼的水灰比为0.5~0.6，含砂率30~40%，适当掺入一些细砂。灌注开始后，应紧凑地、连续地进行，严禁中途停工
3．及时提升导管，并保证提升后的导管埋入混凝土内的深度不小于1.5米（平时一般埋深为2~6m）。提升导管不可过猛
4．灌注的桩顶标高应比设计值预加一定的高度（一般不小于0.5米），此范围内的浮浆和混凝土应凿除，以确保桩顶砼的质量
扩底桩要素的确定
（1）扩底率（D/d）不是越大越好。日本20余种钻扩机的扩底率一般在D/d=2左右最大不宜大于3
（2）一般规律是桩身直径d越大扩底率可以越大
（3）扩底角一般为9.5° ~13°之间，太大影响桩孔稳定，也与桩端应力场的分布状态有关
影响单元槽段的长度确定的因素：（1）地质条件（2）周围相邻情况（3）工地所具有的起重机能力（4）单位时间内供应混凝土的能力（5）稳定液槽的容积（6）槽段之间的接头位置
地下连续墙的施工流程:（1）利用专用挖槽机或钻机进行挖槽（2）槽的两端放下接头管（3）将已加工好的钢筋笼下沉到槽内设计高度（4）下入导管，灌筑混凝土（5）拔出接头管，挖掘第二槽段