В зонах выклинивания подземных вод в естественных или искусственных откосах иногда наблюдаются вынос мелких частиц грунта, явление оплывания нижних частей склона и формирование выше бровки воронок, в отдельных случаях переходящих в промоины и овраги. Эти явления связаны с фильтрационным разрушением грунтов. Среди грунтов, подверженных фильтрационному разрушению, можно назвать тонко- и мелкозернистые, слюдистые и рыхлые пески, а также пылевато-глинистые неводостойкие породы типа лессов и лессовидных суглинков. В природных и искусственно созданных условиях (выемках на склонах, котлованах, карьерах) можно наблюдать два вида фильтрационного разрушения грунтов - оплывание и коллоидно-механическую суффозию.

Оплывание происходит под действием фильтрационного давления подземного потока, когда сила сопротивления в грунте (внутреннее трение и сцепление) меньше этого давления, определяемого как произведение плотности подземной воды на градиент фильтрации подземного потока.

Коллоидно-механическая суффозия - это вынос мелких и коллоидных частиц грунта потоком подземных вод. Этот процесс называется внутренним размывом.

Буровые и горнопроходческие работы

Горные выработки

Открытые горные выработки - это расчистки, закопушки, шурфы, канавы, шахты, штольни. Преимущество этих выработок перед скважинами в том, что можно непосредственно видеть характер напластования пород, отобрать структурно не нарушенные образцы пород, проводить их испытания в условиях естественного залегания.

Рассмотрим основные виды горных выработок.

Р а с ч и с т.к. а - одна из наиболее простых и нетрудоемких выработок, проводимых в местах естественных обнажений и крутых склонов рельефа, когда для вскрытия пород достаточно удалить (сбросить вниз) со склона небольшой слой почвы, делювия или осыпи. Из расчистки отбирают образцы пород для лабораторных исследований и построения геологического разреза.

З а к о п у ш к а - небольшая воронкообразная выработка диаметром около 0,3 м и глубиной 0,5…0,8 м, выполняемая для обнажения пород (коренных), залегающих под почвенным слоем или слоем поверхностных отложений. Наибольшее применение закопушки находят при инженерно-геологической съемке.

Ш у р ф - вертикальная горная выработка сечением примерно 1,25 х 1,5 м и глубиной до 20 м и более. Шурфы круглого сечения называют д у д к а м и. Шурфы проходят в сухих, рыхлых горизонтальных или слегка наклонных пластах. При большой глубине и при прохождении водоносных горизонтов стенки шурфа укрепляют. В последнее время появились специальные машины - шурфокопатели, которые ускоряют и значительно облегчают рытье шурфов. Шурф дает возможность произвести осмотр, фотографирование зарисовку залегания пластов, взять образцы пород для лабораторных исследований, произвести полевые испытания. Напластования пород, обнаруженных в шурфе, обычно представляют в виде развертки его боковых стенок и дна.

К а н а в а - выработка трапецеидального сечения с шириной по основанию около 0,6 м, глубиной до 3 м и протяженностью до 100…150 м. Канавы целесообразно отрывать в крутопадающих пластах и задавать направление им вкрест простиранию пластов; они могут отрываться вручную и при помощи землеройных машин. Используя канавы, геолог может получить примерно такую же информацию, как и в шурфах рис. 2.2.

Рис. 2.2. Зарисовка канавы

I-V - номера точек; 1 - растительный слой; 2 - супесь с щебнем;

3 - суглинок с щебнем; 4 - песок с валунами и галькой;

5 - песок сильно глинистый; 6 - сланцы; 7 - песок тонкозернистый слюдистый; 8 - доломиты; 9 - глины; 10 - известняк.

Ш а х т а - вертикальная выработка сечения 22 или 23 м и глубиной до 100 м. Назначение шахты такое же, как и шурфа, но шахты, ввиду их большой стоимости, проходят только на ответственных сооружениях и в сложных геологических условиях.

Ш т о л ь н я - горизонтальная выработка трапецеидального сечения, высотой около 1,8 м, шириной по основанию 1,3…1,7 м, а по верху 1 м, имеющая выход на дневную поверхность. Штольни обычно устраивают в береговых склонах рек, по простиранию или вкрест простирания пластов. Этот вид горных выработок предназначается для решения различных задач, в частности при гидротехническом строительстве, для определения трещиноватости и фильтрационных свойств грунтов в береговых участках плотины; для выявления суффозионных процессов. В штольнях, при наличии надежных грунтов, геодезисты закладывают опорные высотные реперы. Отсутствие в штольне резких перепадов температур (вход в штольню закрывается дверью) гарантирует высокую стабильность отметок высотных точек.

Буровые работы

Бурение скважин, выполнятся для изучения геологического разреза, т.е. для выявления последовательности залегания пластов, их мощности, состава, плотности, консистенции, влажности, водоносности, а также для отбора образцов пород и последующего испытания в лабораторных условиях. Для этой цели применяется ручное и механическое бурение. Ручное бурение выполняют ударно-вращательным или ударно-канатным способом. Механическое бурение осуществляется вращательными, ударно-механическими и вибробуровыми установками.

Выбор способа бурения зависит от состава проходимых пород, от назначения и глубины бурения, от условий производства работ. При выборе способа бурения особое внимание уделяется качеству и виду отбираемых образцов пород и экономической эффективности способа.

Диаметры скважин зависят от их назначения и колеблются в широких пределах - от 89 до 325 мм и более, а глубина инженерно-геологических скважин может быть 10, 30, 100 м и более.

Способ ручного бурения применяется на объектах с малыми объемами работ, в районах, куда доставка механических буровых установок может быть сопряжена с трудностями. По способу проходки скважины оно может быть вращательным, ударным и комбинированным - ударно-вращательным. Для взятия образцов породы с ненарушенной структурой используют грунтоносы. Ручное ударно-вращательное бурение применяется для всех видов грунтов, кроме скальных; бурение ведется с применением разного рода средств и приспособлений, рис. 2.3.

В зависимости от состава пород в глинистых, суглинистых и песчаных грунтах применяют ложки и змеевики, в обломочных породах - долота и желонки, в сильно обводненных песчаных и илистых грунтах - желонки. В процессе ручного бурения производится отбор образцов грунта нарушенной и не нарушенной структуры.

Рис. 2.3. Ручное бурение

1 - змеевик; 2 - долото; 3 - ложка; 4 - желонка; 5 - грунтонос;

6 - штанга; 7 - обсадная труба; 8 - хомут; 9 - лебедка; 10 - копер; 11 - устье скважины; 12 - забой.

На основании механизации ударно-вращательного способа возник ударно-канатный способ бурения. Буровой снаряд, спущенный в скважину на канате, периодически поднимают и сбрасывают на забой с помощью ударного механизма рис. 2.4. Бурение у д а р н о-к а н а т н ы м способом может вестись сплошным и кольцевым забоем. При бурении сплошным забоем проходка скважины производится путем сбрасывания (ударов) на забой долота, с последующим извлечением породы желонкой, а при бурении кольцевым забоем - сбрасыванием (забивкой) забивного стакана, который постепенно наполняется грунтом и затем поднимается на поверхность. Долото используют для раздробления твердых включений (валунов и др.). Желонка представляет собой стакан, в нижней части которого имеется башмачок с клапаном, который при подъеме закрывает отверстие. Недостаток этого способа бурения - его большая трудоемкость и малый темп работ.

Рис. 2.4. Схема работы ударно-канатного станка.

1 - буровой снаряд; 2 - инструментальный канат; 3 - шестерня привода ударного вала; 4 - кривошип; 5 - шатун; 6 - оттяжная рама.

К о л о н к о в о е бурение является разновидностью вращательного способа проходки скважин, когда забой разрабатывается по кольцу, с оставлением не разрушенного столбика породы-керна, рис. 2.5. Его основные преимущества:

1) получение образцов в виде колонки породы-керна, по которому судят о геологическом строении и физико-механических свойствах проходимых пород;

2) возможность бурения скважин в породах любой крепости под различными углами наклона к горизонту.

Колонковое бурение ведется при помощи колонковой трубы, к нижнему торцу которой привинчивается кольцевая коронка с зубьями из твердого сплава или алмазная коронка, которая вращается со скоростью 50-300 об/мин образуя забой в виде кольца, а в центре его остается столбик нетронутой породы - керн. Продукты разрушения породы - шлам - удаляют из забоя (в зависимости от физико-механических свойств пород и глубины скважины) нагнетанием в скважину глинистого раствора или продувкой сжатым воздухом. При наполнении колонковой трубы керном или при затуплении резцов коронки бурение прекращают; керн заклинивают в конусе корпуса коронки, отрывают от забоя и поднимают вместе со снарядом на поверхность. Колонковое бурение может использоваться для проходки скважин во всех видах грунтов (за исключением песчаных и глинистых мягкопластичных), причем на значительные глубины. Этот способ обеспечивает получение образцов пород (керна) с естественной структурой и влажностью.



Рис. 2.5. Схема колонкового бурения

1 - керн; 2 - коронка; 3 - труба колонковая; 4 - трубы буральные.

Для отбора образцов в слабых породах используют так называемую двойную колонковую трубу, состоящую из двух труб, соединенных шарикоподшипниковым устройством. При бурении внутренняя труба не вращается и не позволяет разрушатся породе, которая ее заполняет.

Колонковое бурение имеет большое преимущество перед другими способами бурения. По извлекаемым кернам можно восстановить характер пород в массиве - их слоистость, состав, трещиноватость, наличие пустот, прерывистость напластования, углы наклона слоев, а также поверхности скольжения в теле оползня и др.

Ш н е к о в о е б у р е н и е, как и колонковое, относится к категории вращательных способов бурения, но применяться может лишь для бурения в глинах, суглинках, илах, глинистых супесях. Разрушение пород при шнековом бурении производится двух- или трехперыми ступенчатыми долотами, которые соединяются со шнеком при помощи быстроразъемных замков. Шнек представляет собой трубу, на которой по винтовой линии с шагом 0,6…0,8 м от его диаметра приварена спираль из стальной ленты, рис. 2.6. Этот способ отличается высокой производительностью, так как процесс бурения и подъем грунта происходят одновременно и непрерывно, а затраты на вспомогательные операции (спуск и подъем оборудования) минимальны. Глубина бурения этим способом обычно не превосходит 30 м, но бывает и 100 м (гидрогеологические скважины). При шнековом способе бурения плохо определяются границы отдельных пластов; структура грунта, выходящего из скважины, оказывается нарушенной; затруднительно определяются горизонты грунтовых вод. В связи с этими недостатками шнековый способ целесообразно применять для проверки ранее установленного геологического разреза. Шнековый способ бурения в силу своей высокой производительности может быть успешно применен при закладке геодезических центров и реперов, особенно в условиях строительных площадок, где на сравнительно небольшой площади может располагаться много геодезических знаков.

Рис. 2.6. Конструкция долота и шнеков

а - шнек (установка УГБ-50А): 1 - труба; 2 - спираль; 3 - втулка; 4 - хвостовик; 5 - палец соединительный; 6 - фиксатор;

б - трехперовое долото: 1 - корпус; 2 - спираль; 3 - лопасть;

4 - резец.

В и б р а ц и о н н о е б у р е н и е основано на внедрении в породу кольцевого наконечника - виброзонда. Виброзонд представляет собой трубу диаметром 40…200 мм, длиной 0,5…3 м; по всей длине труба имеет одну или несколько прорезей для очистки зонда от породы; нижний конец трубы снабжен кольцом с острой режущей гранью. Внедрение в грунт такого наконечника происходит благодаря тому, что под действием вибрации зонда в очень сильной степени ослабевает лобовое и боковое сопротивление грунта и зонд под действием собственного веса и веса вибратора погружается в грунт. В качестве забойного инструмента также может использоваться грунтонос - для получения проб грунта не нарушенной структуры и желонка - для проходки малосвязанных сыпучих пород, плывунов и водонасыщенных пород. Вибробурение относится к перспективным методам, обладает высокой производительностью, может применяться при проходке глин, суглинков, супесей, песков, гравелисто-галечниковых грунтов. Выгоднейшая глубина бурения этим способом 15-20 м. Виброметод дает возможность отобрать образцы грунта с ненарушенной структурой, но затрудняет фиксацию уровня подземных вод.

Отбор, упаковка и транспортирование образцов пород

Достоверность результатов лабораторного изучения физико-механических свойств горных пород зависит от правильности отбора образцов, сохранения в процессе отбора, транспортирования и хранения, а также от естественного сложения, структуры породы, ее естественной влажности и гранулометрического состава.

Образцы пород отбирают ненарушенного или нарушенного сложения, но с обязательным сохранением природного зернового состава. Образцы с ненарушенным сложением - м о н о л и т ы - должны иметь ориентацию (низ - верх монолита). При отборе монолита не допускается нарушение природного сложения грунта.

Образцы грунтов н а р у ш е н н о г о с л о ж е н и я отбирают из горных выработок с помощью ножа, лопатки и пр., а также из скважин с помощью буровых наконечников или грунтоносов. При отборе образцов пород, требующих сохранения природной влажности, бурение скважин выполняется без применения промывочной жидкости и без подлива в них воды, с пониженным числом оборотов бурового наконечника или грунтоноса.

Отбор монолитов из горных выработок производят в виде куска породы, из которого затем вырезают образцы необходимого размера.

Метод отбора монолитов из буровых скважин зависит от вида грунта и его состояния. Так, монолиты песчаных пород, глинистых пород твердой и полутвердой консистенции, плотных заторфованных грунтов с корнями растений отбирают с помощью оббуривающих грунтоносов, грунтонос который имеет внутреннюю не вращающуюся (грунтоприемную) гильзу. Глинистые породы полутвердой и тугопластичной консистенции отбирают с помощью тонкостенных цилиндрических грунтоносов с заостренными снаружи нижним краем, погружаемых способом вдавливания со скоростью не более 2 м/мин.

Рыхлые песчаные породы, глинистые породы мягкопластичной, текучепластичной и текучей консистенции, разложившейся торф отбирают с помощью грунтоносов с перекрываемым входным отверстием, погружаемых способом вдавливания, со скоростью не более 0,5 м/мин.

Монолит после отбора парафинируют. Для этого его туго обматывают слоем марли, предварительно пропитанной расплавленным парафином, смешанным с гудроном. Затем весь монолит в марле покрывают слоем парафина, обматывают вторым слоем марли. На верхнюю поверхность монолита укладывают этикетку.

Монолиты не мерзлой породы, упакованные в ящики, транспортируют при положительной температуре окружающего воздуха, а монолиты мерзлой - при отрицательной температуре или транспортом, оборудованным холодильной камерой, в которой поддерживается отрицательная температура.

Опытные полевые работы

Для получения надежных характеристик физико-механических свойств грунтов на ряду с лабораторными методами проводятся испытания грунтов непосредственно в массиве на месте будущего строительства. В настоящее время для этих целей используются следующие методы:

- метод статических нагрузок на штампы;

- прессиометрия;

- срез целиков в горных выработках, раздавливание, выпирание, обрушение; вращательный срез крыльчаткой;

- статическое и динамическое зондирование;

- испытания грунтов инвентарными сваями и испытание опытных свай натурных размеров;

- определение типа грунтовых условий по просадочности опытным замачиванием.

В ходе полевых работ определяют гидрогеологические параметры, в частности: коэффициент фильтрации, мощность водоносных пластов, химизм (химический состав подземных вод), направление и уклон подземного потока.

Полевые методы изучения грунтов применяются главным образом для особо важных сооружений и на последних стадиях проектирования, когда уже существует полная картина геологического строения участка, имеются геологические разрезы, данные о физико-механических свойствах грунтов, генеральный план сооружения.

Наиболее важные характеристики грунтов, определяемые при полевых испытаниях и необходимые для расчета основания сооружения, это - сжимаемость грунта и сопротивление сдвигу.

Сжимаемость грунта характеризуется модулем деформации и коэффициентом Пуассона, сопротивление грунтов сдвигу - углом внутреннего трения и удельным сцеплением.

При полевых исследованиях модуль деформации грунта можно определить испытанием грунта статическими нагрузками (штампом) и прессиометром.

Цель испытания грунта статическими нагрузками (штампом) - по величине нагрузки и соответствующей этой нагрузке осадке получить достоверные сведения о сжимаемости грунта (модуле деформации) в слое глубиной, равной полуторной ширине штампа. В просадочных грунтах определяется дополнительная величина осадки - просадка, которая происходит при их увлажнении.

Испытания штампами выполняются в шурфах и скважинах.

Штампы состоят из толстых металлических пластин (усиленных ребрами жесткости) квадратных - площадью 5000 см со стороной 0,71 м или круглых той же площади диаметром 0,8 м. При испытаниях в скважинах применяют штампы диаметром не более 0,6 м. Размер шурфа в плане должен быть не менее 1,5 х 1,5 м, минимальный диаметр скважины - 0,325 м. Для обеспечения подземного контакта штампа с грунтом по всей площади иногда используют завинчивающийся штамп.

На штамп передается равномерное давление ступенями по 0,01…0,1МПа. Каждую ступень выдерживают до стабилизации осадки. Общее число ступеней должно быть не менее четырех. Режим испытания подробно регламентирован инструкциями и ДСТУ. Значение модуля деформации грунта получают для выбранных интервалов давлений в зависимости от величины приращения осадок.

Основные элементы оборудования при полевых испытаниях грунтов статическими нагрузками показаны на рис. 2.7: 1 - штамп;

а) б)

Рис. 2.7. Установка для испытания грунтов на сжатие:

а - с балкой и анкерными сваями; б - с упором в стенки шурфа.

2 - установка для нагружения штампа в виде платформы или гидравлического домкрата. В комплект также входят прогибомеры - приборы для регистрации осадки с точностью до 0,1 мм и другое дополнительное оборудование.

И с п ы т а н и я с п о м о щ ь ю п р е с с и о м е т р а. Прибор состоит из цилиндрической резиновой герметической камеры, которую опускают в пробуренную скважину (рис. 2.8) на глубину, где требуется определить показатели сжимаемости грунта. Затем в камере создают внутреннее давление при помощи специальных гидравлической или пневматической систем. Оболочка камеры плотно прижимается к стенкам скважины и начинает расширять последнюю, деформируя грунт. На поверхности земли находятся аппаратура для создания и измерения давления в камере и приборы, регистрирующие деформацию грунта. Значения модуля деформации определяются по величине деформации грунта при соответствующем давлении.



Рис. 2.8 Схема прессиометра

1 - зонд; 2 - обсадная труба; 3 - измерительная аппаратура.

И с п ы т а н и я г р у н т а н а с д в и г имеют особое значение для мест, на которых проектируется строительство сооружений, обладающих в определенной степени тенденцией к сдвигу, например мостов, плотин. Однако испытания на сдвиг могут производиться просто для получения более полной прочностной характеристики неоднородных по составу грунтов, испытания которых в лабораторных условиях не дают удовлетворительных результатов (содержание неоднородных включений).

Испытание пород на сдвиг может вестись в шурфах и скважинах. Существует четыре метода испытаний в шурфах: раздавливание четырехгранной призмы или цилиндра грунта вертикальной нагрузкой, сдвиг целика по заранее намечаемой горизонтальной плоскости, выпирание треугольной призмы в сторону, обрушение треугольной призмы вниз (рис. 2.9, а, б, в). Зная разрушающее усилие и площадь поверхности сдвига, рассчитывают прочность грунта.

Испытания грунта на сдвиг могут вестись и в скважинах лопастными приборами - крыльчатками (рис. 2.10). Для этого двух- или четырех-лопастная крыльчатка 1, закрепленная на штанге 2, вдавливается в забой скважины ниже обреза обсадных труб 3. Вверху вращением сердечника штанг распорными пластинами крыльчатки создается боковое давление на грунт и затем крыльчатка поворачивается.

Этот метод испытания основан на измерении предельного крутящего момента, при котором начинается сдвиг (вращение) лопастей крыльчатки. Сопротивление же сдвигу зависит от свойства грунта и размеров лопастей крыльчатки. Измерив сопротивление сдвигу при разных давлениях к поверхности среза и зная размеры крыльчатки, можно вычислить показатели прочностных свойств

грунтов.

Такие испытания для одного слоя породы повторяют в одной скважине несколько раз, постепенно углубляя скважину.

Испытания грунта лопастными приборами можно вести до глубины 15-20 м. Лопастные приборы позволяют косвенно определить и модуль деформации грунта.

Д и н а м и ч е с к о е з о н д и р о в а н и е заключается в определении сопротивления которое оказывает грунт забивке в него штанги с навинченным на нее специальным стальным наконечником - зондом в виде конуса, имеющего диаметр до 74 мм и угол при вершине 60°. Забивка зонда производится молотом определенного веса, свободно падающим с постоянной высоты; при этом фиксируется число ударов, необходимое для погружения зонда на определенную глубину (10 см), или глубина погружения зонда после 10 ударов.



Рис. 2.9. Схемы испытания целиков на сдвиг:

а - разрушение цилиндрического целика путем сдвига в обойме;
б - выпирание трехгранного целика в горизонтальном направлении; в-обрушение трехгранного целика; 1 - целик; 2 - домкрат;
3 - упорные балки; 4 - каретка для перемещения головки домкрата.

Результаты наблюдений при динамическом зондировании представляют в виде ступенчатых графиков, наглядно показывающих, как меняется сопротивление грунта внедрению зонда. Если зондирование охватывает целые площади, то строят профили и карты.

С т а т и ч е с к о е з о н д и р о в а н и е отличается от динамического тем, что погружение зонда осуществляется не забивкой, а вдавливанием при помощи гидравлического домкрата. Развиваемое домкратом усилие измеряется манометром. Зонд также снабжен датчиком, позволяющим в любой момент определять величину сопротивления грунта внедрению конуса.

При помощи статического зондирования можно вести изучение мягких грунтов на глубину 15-25 м со скоростью 0,5-1 м/мин. Итоговым материалом статического зондирования является график, на котором показывают две кривые: кривую сопротивления грунта под зондом и кривую сопротивления трения.

Статическое зондирование применяется для:

- выделения инженерно геологических элементов;

- определение глубины залегания кровли несущего слоя;

- определение сопротивления грунтов под нижним концом и по боковой поверхности свай;

- определение характеристик грунтов;

И с п ы т а н и е с в а й с т а т и ч е с к и м и н а г р у з -
к а м и. Результаты испытаний статическими нагрузками используют для определения несущей способности свай. Схема испытания сваи на вертикальную вдавливающую нагрузку приведена на рис. 2.11. К испытанию приступают после «отдыха» сваи, минимальная продолжительность которого составляет в песчаных грунтах 3 суток, а в пылевато-глинистых - 6 суток.

При испытании сваи вертикальную вдавливающую нагрузку прикладывают ступенями, равными 1/10 предполагаемой предельной ее нагрузки. После приложения ступени нагрузки по показаниям прогибомеров регистрируют осадку сваи. Каждую ступень выдерживают до условной стабилизации.

Результаты испытания оформляют в виде графика зависимости осадки от нагрузки. Полученный график используют для определения несущей способности сваи.

Рис. 2.11. Схема испытания свай с гидравлическим домкратом и анкерными сваями.

1 - испытуемая свая; 2 - анкерная свая; 3 - домкрат; 4 - хомуты,

5 - балки

Достоверные значения величины к о э ф ф и ц и е н т а ф и л ь т р а ц и и, особенно для связных грунтов, можно получить только в полевых условиях. Фильтрационные свойства пород в полевых условиях определяются следующими методами:

- откачки - если коэффициента фильтрации определяется ниже уровня подземных вод (УПВ);

- налива и нагнетания води в шурфы и скважины - в неводонасыщенных породах;

- экспресс методом - для быстрой предварительной оценки фильтрационных показателей.

Для определения коэффициента фильтрации могут также использоваться режимные наблюдения за состоянием гидрогеологической ситуации, как правило, при изменчивых гидрогеологических условиях и при наличии банка данных о наблюдениях.

М е т о д о т.к. а ч к и заключается в откачке определенного объема воды из центральной скважины. При этом регистрируется понижение уровня воды в скважине. С помощью нескольких наблюдательных скважин определяется форма депрессионной воронки, образующейся вокруг основной скважины Коэффициент фильтрации определяется как функция расхода воды в цетральной скважине с учетом величины понижения УПВ во вспомагательных скважинах (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Расчетная схема по определению коэффициента фильтрации в полевых условиях методом откачки

М е т о д н а л и в а заключится в нагнетании воды в неводонасыщенный слой породы и последующего отбора проб породы для определения влажности при полном водонасыщении непосредственно под площадкой впитывания воды. При этом фиксируется расход воды и скорость движения фронта смачивание породы. Испытания могут проводиться двумя способами:

- при постоянном гидравлическом напоре;

- при установленном расходе воды.

Э к с п р е с с м е т о д заключается в мгновенном наливе определенного объема воды с последующим замером времени свободного понижения ее уровня.

2.8 Испытание грунтов в лаборатории

В лабораторных условиях производят изучение образцов грунтов, которые были отобраны в виде монолитов или проб грунта нарушенной структуры из горных выработок или буровых скважин. В основном, в лабораторных условиях изучают физико-механические свойства грунтов, а также выполняют химанализ проб подземных вод. В комплекс работ входят следующие исследования грунтов:

- определение влажности;

- определение плотности и пористости;

- определение гранулометрического состава;

- определение пределов пластичности, набухания, липкости, и размокаемости;

- определение влагоемкости, водоотдачи. и капилярных свойств;

- определение водопроницаемости;

- компрессионные испытания:

- определение показателей сжимаемости;

- определение показателей просадочности;

- испытание на сдвиг для определения прочностных показателей;

- испытание в стабилометре для определения показателей механических свойств;

- определение показателей механических свойств полускальных и скальных пород;

В зависимости от ответственности сооружения, его назначения и сложности инженерно геологических условий комплекс исследований выполняется в полном или не в полном объеме.

Основное внимание должно быть уделено определению деформационных и прочностных свойств грунтов, показатели которых используют для расчетов оснований зданий и сооружений. Главными параметрами этих свойств для нескальных грунтов являются модуль деформации, угол внутреннего трения и удельное сцепление, а для скальных грунтов - предел прочности или временное сопротивление одноосному сжатию.

Методика проведения компрессионных испытаний следующая. Из монолита грунта рабочим кольцом одометра площадью не менее 40 см² и высотой не менее 2 см вырезают пробу и помещают кольцо с пробои в одометр. Давления на грунт передают ступенями. Каждую ступень давления выдерживают до условной стабилизации деформаций, за которую принимают приращение осадки, не превышающее 0,01 мм за 3 ч для супесей и за 12 ч для суглинков и глин.

Обработка результатов заключается в построении графиков зависимости коэффициента пористости от вертикального давления и вычислении по соответствующей формуле модуля деформации.

Характеристиками деформационного поведения глинистых просадочных грунтов являются относительная просадочность и начальное просадочное давление. Определяются они в компрессионном приборе по двум схемам:

«одной кривой» - для определения относительной просадочности при одном заданном давлении;

«двух кривых» - для определения относительной просадочности при различных давлениях и начального просадочного давления.

Испытания по схеме «одной кривой» проводят путем нагружения образца грунта природной влажности ступенями по 0,05 МПа до заданного давления. После условной стабилизации его осадки при заданном давлении, образец грунта замачивают и продолжают замачивание до условной стабилизации просадки.

Испытания по схеме «двух кривых» проводят на двух образцах грунта, отобранных из одного монолита. Один образец испытывают в полном соответствии с первой схемой, а второй образец предварительно замачивают до полного водонасыщения. Замачивание начинают за 3 ч до начала испытаний просадочных супесей и за 6 ч при испытаниях просадочных суглинков и глин. Затем образец нагружают теми же ступенями до заданного давления, продолжая его замачивание.

Результаты испытаний обрабатывают путем построения графиков зависимости относительного сжатия образцов от давления и вычисления относительной просадочности, а также построения графиков зависимости относительной просадочности от давления и определения по ним начального просадочного давления, которое соответствует относительной просадочности, равной 0,01.

Характеристиками деформационного поведения набухающих грунтов являются относительное набухание и давление набухания. Эти характеристики определяют по результатам компрессионных испытаний нескольких образцов грунта. Отобранные для испытаний образцы грунта помещают в компрессионные приборы и уплотняют разными давлениями до условной стабилизации осадок. Затем образцы под приложенными к ним давлениями замачивают. Отсчеты по индикатору берут через 5, 30, 60 мин и далее через каждый час в течение 6 ч, на следующие сутки - два раза. Опыт считается законченным, если в течение суток показания индикатора отличались не более чем на 0,01 мм.

После завершения испытаний для каждого образца вычисляют относительное набухание По вычисленным значениям относительного набухания строят график зависимости этих величин от давления.

Методика выполнения и получаемые результаты для некоторых других видов лабораторных работ приведена в 7 разделе.

2.9 Состав и содержание отчета об инженерно- геологических изысканиях

В отчете подробно освещается геоморфология (рельеф района или участка, где проводилась инженерно-геологическая съемка или разведка), уделяется внимание геодинамическим процессам, которые могут развиваться в рассматриваемом районе, в т. ч. после изменения условий окружающей среды вследствие застройки территорий.

Основную часть отчета занимает подробное освещение на - пластования грунтов, рассматриваемых сверху вниз, и их физико-механических свойств. При этом обращается внимание на возможные изменения этих свойств во время строительства от метеорологических факторов, а также под воздействием тяжелых машин и механизмов, применяемых строителями при устройстве котлованов и фундаментных работах.

В отчете приводятся нормативные и расчетные характеристики грунтов для расчетов оснований и фундаментов по деформации и прочности (устойчивости). Кроме того, в нем должны содержаться сведения о грунтах, прорезаемых фундаментами, необходимые для расчета крепления стен котлованов.

Особо должен быть отмечен режим подземных вод каждого водоносного горизонта - появление подземных вод при бурении, установившийся их уровень и прогноз наиболее высокого положения уровня подземных вод в период строительства и эксплуатации сооружения. На основании лабораторных определений устанавливается агрессивность среды грунтовых вод и грунтов по отношению к бетону и в некоторых случаях к стали.

В заключении отчета подводится итог анализу полученных материалов и даются рекомендации по оценке грунтов как основания сооружения, по выбору типа фундаментов (на естественном основании, свайные фундаменты и др.) и прогноз изменения окружающей среды. Эти рекомендации инженера-геолога не являются обязательными для проектировщика, однако, в той или иной степени учитываются при проектировании.

После выводов в отчете помещаются приложения, к которым относятся данные лабораторных и полевых испытаний грунтов в виде таблицы и графиков, план участка с горизонталями, с расположением скважин и других выработок, а также существующих сооружений, колонки по выработкам, выполненным при настоящих и предшествующих изысканиях, геолого-литологические разрезы (продольные и поперечные). В некоторых случаях даются карты срезки на заданной глубине и кровли несущего слоя, инженерно-геологического районирования, карта гидроизогипс и др.

Правильный учет материалов, содержащихся в инженерно-геологическом отчете, позволяет находить наиболее рациональные решения при проектировании фундаментов и подземных частей сооружений.

2.10 Поиск строительных материалов

В состав инженерно-геологических изысканий, помимо отыскания выгоднейшего места для сооружения, входят также поиски строительных материалов.

Строительные материалы должны отвечать ряду требований, из которых главнейшими можно считать: соответствующее качество материалов и необходимый запас их, минимальные затраты на разработку и доставку их к месту строительства.

Требования к строительным материалам зависят от вида проектируемого сооружения, его класса и определяются соответствующими нормативными документами.

Наиболее важная характеристика качества каменных строительных материалов - их механическая прочность в сухом и водо-насыщенном состоянии, морозоустойчивость, удельный и объемный вес, пористость. Для песков важная характеристика - гранулометрический состав и содержание вредных примесей (глинистых частиц, гипса); для гравия важен также его петрографический состав, морозостойкость. Поиски строительных материалов ведутся на основе геолого-литологических карт и разрезов, карт четвертичных отложений и дополнительно выполняемых поисков и геологических съемок. Хорошо выполненные геологические карты и разрезы дают возможность видеть положение, соотношение и изменение продуктивной толщи и толщи вмещающих пород, тектонические нарушения, приуроченность строительного материала к определенным геологическим структурам. Необходимый масштаб геологической съемки зависит от размеров, месторождения и сложности геологического строения участка. Для месторождений, занимающих площадь несколько квадратных километров и имеющих несложное строение, съемки выполняются в масштабах 1:5000…1:10 000; для меньших месторождений, но имеющих сложное геологическое строение, нужны съемки в масштабах 1:1000…1:2000 с сечением рельефа через 2…0,5 м.

Поиск ведется одиночными маршрутами или проложением системы параллельных маршрутов, равномерно покрывающих отдельные площади. Маршруты прокладывают на расстоянии 10…250 м один от другого. По маршрутам ведется геологическая съемка и техническое нивелирование.

В процессе поисковых работ должно быть выяснено хотя бы приближенно качество строительного материала, его запасы, условия залегания и разработки, объем вскрышных работ, глубина залегания и водообильность встречаемых подземных вод. Для этого ведут разведочные работы: шурфование, рытье канав, бурение скважин.

Качество разведанных строительных материалов оценивают на основе испытаний образцов пород; при оценке результатов испытаний используют приближенные методы. Разработка естественных строительных материалов чаще всего выполняется открытым способом.

Подсчет запасов ведется на основе полученных в результате разведки планов и геологических разрезов, на которых указывается также качество материала.

2.11 Особенности инженерно-геологических изысканий при реконструкции

Для инженерно-геологических изысканий, проводимых при реконструкции сооружений, характерны следующие особенности:

стесненность территорий, на которых необходимо выполнять инженерно-геологические выработки;

наличие иногда достаточно богатого материала предшествовавших изысканий, проведенных при проектировании реконструируемых сооружений;

необходимость обследования конструкций, включая фундаменты сооружений, подлежащих реконструкции;

определение возможности увеличения нагрузки на основание без усиления существующих фундаментов;

оценка возможных осадок существующих фундаментов, к которым по проекту примыкают новые сооружения;

возможность отрывки котлована около загруженных существующих фундаментов;

оценка уплотненности грунтов в основании существующих фундаментов.

Иногда приходится устанавливать возможность проходки туннелей около существующих сооружений, изменения гидрогеологических условий, влияния динамических воздействий при строительстве на грунты основания существующего сооружения и др. Решение этих сложных вопросов в ряде случаев должно производиться по специальной программе, составляемой инженером-геологом и инженером-строителем.

Правильная оценка уплотненности грунтов в основании существующих сооружений во многих случаях позволяет существенно увеличивать нагрузки на уже загруженные по расчету фундаменты.

Инженерно-геологические изыскания являются составной частью работ, связанных с инженерными изысканиями при обследовании зданий и сооружений, подлежащих реконструкции. Инженерные изыскания ведутся в соответствии со СНиП «Инженерные изыскания для строительства» и предусматривают кроме выполнения различных работ по изучению состояния грунтов оснований и фундаментов проведение геодезической съемки положения колонн и цоколей зданий, а также крупноразмерных фундаментов с целью установления их неравномерных осадок (относительных смещений, кренов, прогибов и т.п.). Полученные данные позволяют судить не только о состоянии надфундаментных конструкций (имея в виду предельные значения деформации по СНиП 2.02.01-83), но и о наличии таких мест на площади

Задачей инженерно-геологических изысканий является:

- составление общего геологического разреза основания по глубине сжимаемой толщи;

- выявление гидрогеологического режима и химического состава подземных вод; определение физико-механических свойств грунтов на уровне подошвы фундаментов и ниже ее;

- установление соответствия новых материалов исследования архивным, если они имеются;

- определение возможности использования грунтов в качестве основания под реконструируемое с повышением нагрузок здание без их упрочнения или усиления фундаментов.

Состав работ по инженерно-геологическим изысканиям на площадке реконструируемого здания включает следующие виды работ:

- подбор технической документации, изучение инженерно-геологических и гидрогеологических условий по архивным материалам;

- назначение мест исследования грунтов оснований зондированием или бурением, а также определение уровня подземных вод;

- назначение необходимых глубин зондирования, бурения, шурфования, отбора образцов грунта ненарушенной структуры и проб подземных вод для последующих лабораторных исследований;

- исследование грунтов оснований зондированием или бурением;

- разработка шурфов, в том числе вблизи фундаментов, детальное обследование в них грунтов оснований и конструкций фундаментов с отбором монолитов грунта ненарушенной структуры;

- определение прочностных и деформационных свойств грунтов оснований в натурных условиях;

- лабораторные исследования физико-механических свойств грунта и химический анализ подземных вод для установления степени их агрессивности;

- выполнение поверочных расчетов оснований, составление заключения по инженерно-геологическим и гидрогеологическим условиям площадки.

Известно, что на территориях жилых микрорайонов, а также промышленных предприятий происходит существенное изменение гидрогеологических условий вследствие дренирующего воздействия инженерных коммуникаций, утечек из трубопроводов, технологических особенностей производства и т.п. Большое влияние на уровень подземных вод оказывает наличие промышленных прудов-отстойников, очистных сооружений, новых водохранилищ, проходящих вблизи каналов для орошения сельскохозяйственных угодий, частые поливы посевных площадей. Обычно на застроенных территориях уровень подземных вод существенно поднимается. Скорость его подъема может быть значительной и достигать 0,3-1,5 м/год. Учитывая то обстоятельство, что замачивание грунтов может коренным образом преобразовать прочностные и деформационные свойства грунтов оснований (например, просадочных, засоленных или набухающих), необходимо на стадии изысканий для проекта реконструкции жилого и промышленного комплекса выполнить прогноз подтопления площадки и изменения физико-механических свойств грунтов оснований. Целесообразно также выявить возможность изменения химического состава подземных вод.

До начала производства земляных работ от соответствующих организаций в установленном порядке должно быть получено разрешение на проходку шурфов, бурение скважин, зондирование, установку геодезических знаков. На действующих предприятиях эти работы должны быть согласованы с техническим отделом, главным энергетиком, главным электриком, службами связи и т.п. При выполнении подземных работ следует соблюдать правила техники безопасности, действующие в изыскательской организации, а также правила техники безопасности того предприятия, где выполняются указанные работы. После окончания бурения и шурфования выработки должны быть тщательно засыпаны с послойным трамбованием.

Таким образом, при реконструкции сооружений, предприятий и городов приходится по специальной программе производить дополнительные нестандартные и достаточно сложные изыскания.

2.12 Наблюдение за работой зданий и сооружений в период строительства и эксплуатации

В процессе строительства, когда инженерно-геологические изыскания проведены и по ним составлен отчет, включающий все материалы по обоснованию проекта зданий и сооружений, возникает еще много вопросов, на которые нельзя ответить без производства длительных (стационарных) наблюдений и которые нельзя, следовательно, рассмотреть в процессе проектирования. К таким вопросам относятся: установление величин осадки зданий и сооружений, вызванной их нагрузкой на грунт в условиях измененного гидродинамического режима подземных вод (обводнение, увеличение влажности, колебания уровня воды и др.); установление устойчивости искусственных откосов и естественных склонов, интенсивности эрозии, количественных показателей развития просадочности грунтов в основании зданий и сооружений (в частности каналов и напорных бассейнов) и распространения процессов просадочности в горизонтальном и вертикальном направлениях от центров зданий и сооружений; определение скорости движения осыпей, курумов, снежных накоплений (образующих периодически возникающие лавины), завалов и селевых выносов, а также скорости смещения солифлюкционных земляных масс; установление показателей величины современных тектонических движений, в особенности в основании сооружений, чувствительных к таким движениям; определение скорости процесса растворения соли (каменной соли, гипса) в основании плотин, происходящего вследствие фильтрации воды из верхнего бьефа в нижний (в конкретных гидравлических условиях работы сооружения), скорости и размеров зоны переработки берегов водохранилищ и крупных каналов, установление величины раздвижения береговых склонов речной долины после создания водохранилища.

В различных природных обстановках и соответственно конкретным условиям работы зданий и сооружений названные и другие подобные им процессы и явления, по которым нельзя было получить обстоятельных разъяснений при производстве инженерно-геологических изысканий, могут иметь весьма важное значение как в работе самих зданий и сооружений, так и в вызванных ими изменениях геологической среды. Эти изменения с рассматриваемой точки зрения носят негативный характер, поэтому инженерно-геологические наблюдения в процессе строительства и в послепостроечный период должны проводиться с особым вниманием и рассматриваться в качестве обязательного элемента строительства и работы построенного сооружения.

Наблюдения, как в профилактических, так и в конструктивных целях выполняют различными средствами наблюдений. Так, для наблюдений за осадками плотин производят стационарное прецизионное нивелирование, т.е. используют геодезические методы, а, кроме того, на плотине устанавливают специальные приборы, отмечающие величину осадки. На участках, вызывающих сомнения в их устойчивости, закладывают репера, а затем фототеодолитной съемкой устанавливают их смещение в горизонтальном и вертикальном направлениях.

При проектировании ирригационных систем для изучения режима грунтовых вод (естественных колебаний зеркала воды, химического и минералогического состава и температуры) закладывают режимные скважины, оборудованные фильтрами, и наблюдения ведут в течение одного года минимум. По данным наблюдений для каждого сезона составляют карты гидроизогипс и карты глубины залегания грунтовых вод. На эти карты накладывают карты минерализации и химического состава грунтовых вод. В результате режимные наблюдения отражают путем сопоставления сезонных карт общую гидравлическую и солевую динамику грунтовых вод в течение гидрологического года. Соответственно гидродинамическим характеристикам изучаемой территории на отдельных ее участках проводят наблюдения над изменениями влажности грунтов в зоне аэрации и колебаниями максимальной границы капиллярного поднятия.

Сейсмические явления регистрируются на специальных сеймостанциях и поэтому наблюдения за ними не входят в состав работ инженерно-геологической службы.

Данные всех наблюдений в послепостроечный период накапливаются, систематизируются и подвергаются тщательному анализу, на основе которого службы эксплуатации осуществляют соответствующие защитные строительные мероприятия.

Следует заметить, что наблюдения входят в задачи эксплуатации и должны предусматриваться ежегодными планами работ предприятия. Таким образом, инженерно-геологические исследования не заканчиваются в процессе составления проекта, а продолжаются в период строительства и эксплуатации зданий и сооружений. Эти исследования сводятся к наблюдениям над теми процессами и явлениями, которые возникают вследствие воздействия зданий и сооружений на геологическую среду и ставят своей задачею определить те мероприятия, которые необходимы для предупреждения ее нежелательных изменений, способных вызвать аварии и катастрофы и, больше того, ухудшить условия жизнеобитания человека.

Таким образом, наблюдения в послепостроечный период представляют особый вид исследований, которые можно рассматривать в качестве дополнительных к приведенным ранее инженерно-геологическим изысканиям.

По результатам наблюдений выполняют профилактические мероприятия, обеспечивающие временное прекращение, затухание развития явления, грозящего опасностью, и конструктивные мероприятия, ликвидирующие причины возникновения явлений. Профилактические мероприятия основываются на выявленном в результате наблюдений механизме развития явления, отражающего его динамику, что позволяет предупредить посредством определенных строительно-технических средств нежелательные последствия. Для этого в местах распространения тех или иных явлений устанавливают охранные зоны и соответственно характеру геологического явления регламентируются ограничительные правила пользования территорией зоны, например, устанавливаются нормы вырубки лесных массивов, регулирование поверхностного стока, распашки земель, сбросов поверхностных и промышленных вод, устройства котлованов, карьеров.

Профилактика, как результат натурных наблюдений, является, таким образом, мероприятием, предупреждающим возникновение и развитие неблагоприятных геологических явлений. Они сопровождаются разного рода пробными строительно-техническими мероприятиями (например, опробование таких средств, как дренаж).

Конструктивные мероприятия основываются на данных наблюдений и на мероприятиях, выполненных в профилактических целях. Конструктивно они могут представлять собой разнообразные подземные и наземные сооружения (шахты, туннели, штольни и др.), а также весьма сложные по своему характеру сооружения типа подпорных стенок, анкеровки, цементации искусственного уплотнения (например, лёссовых пород), обжига, замораживания грунтов и др.

3. Инженерно-геодезические изыскания

3.1 Назначение и состав инженерно-геодезических изысканий

Инженерно-геодезические изыскания проводятся для получения материалов, необходимых при проектировании и строительстве зданий и инженерных сооружений.

К инженерно-геодезическим изысканиям относятся:

- сбор и анализ материалов ранее выполненных геодезических работ: триангуляций, трилатераций, полигонометрии, нивелирных и съемочных сетей, топографических съемок;

- изучение топографических условий района будущего строительства;

- создание новых плановых и высотных геодезических сетей;

- создание съемочного обоснования;

- топографические съемки;

- трассировочные работы;

- разбивочные и съемочные работы при других видах изысканий: инженерно-геологических, гидрогеологических, гидрологических и т.д., специальные геодезические наблюдения;

- картографические работы.

Инженерно-геодезические изыскания ведутся с соблюдением требований и рекомендаций нормативных документов Главного управления геодезии и картографии. Основанием для проведения инженерно-геодезических изысканий служат техническое задание заказчика и полученное заказчиком разрешение на их проведение. В техническом задании приводятся сведения о предполагаемом строительстве, границах участков съемки, требуемый масштаб съемки и сроки представления материалов.

По каждому объекту строительства на основе техзадания и топографо-геодезической изученности территории составляют программу инженерно-геодезических изысканий, в которой должно быть дано обоснование предполагаемых видов геодезических и топографических работ, дан проект основных геодезических работ с расчетом точности, рекомендована методика измерений, инструменты и очередность работ. К программе прилагаются схемы и картограммы, дающие возможность установить местоположение объекта.