Геология



Рис. 35 Многоярусный оползень (фото с сайта http://tower.ict.nsc.ru)

По форме оползневых тел выделяют террасовидный оползень, при котором площадка, ограничивающая сверху тело оползня, ровная и протяжённая, вытянутая параллельно склону и цирковидный оползень, с поверхностью оползневого тела в виде полуцирка.

Внешние признаки оползней.

Серия концентрических трещин, ориентированных вдоль склонов.

Бугристость склонов в нижней части, валы выдавливания.

Террасовидные уступы.

Пьяный лес, разорванные стволы деревьев.

Разрушенные дома с трещинами.

Трещины отрыва - вертикальные зияющие трещины, заложенные параллельно обрыву или под небольшим углом к нему. Могут возникать как при динамическом воздействии на массив горных пород в результате землетрясений или, например, при взрывных работах, так и под действием силы тяжести. При дальнейшем развитии в результате физического выветривания отделяют от коренного массива блок пород, который впоследствии обваливается. Совокупность трещин отрыва, по которым произошло обрушение, составляют стенку отрыва, выглядящую как обрыв над обвальным телом.

Пьяный лес - лес с растущими наклонно деревьями из-за деформаций и постоянного медленного движения грунта. На старых оползнях можно наблюдать пьяный лес с наклонёнными или искривленными старыми деревьями и вертикальными молодыми, выросшими после схода оползня.

Устойчивость земляных масс на склонах выражается уравнением:

Т = Ntgц+CF (20)

Т - Сдвигающая составляющая веса массива; N - нормальная составляющая веса; F - поверхность скольжения оползня; С- сцепление;

tgц - коэффициент внутреннего трения.

Степень устойчивости склона определяют коэффициентом:

Kуст = (Ntgц+ CF)/Т (21)

Kуст <1 - оползание; Kуст =1- предельное равновесие; Kуст>1 - устойчивое состояние (рис.36).

Рис.36 Силы, действующие на склоне.

а) параллелограмм сил; б) при Куст<1; в) Куст=1; г) при Куст<1

Меры борьбы:

Водоотводные осушительные и дренажные мероприятия делятся:

- работы на поверхности (устройство покрытий, лотков и осушительных каналов и т.д.);

- дренажи - продольные и поперечные галереи и шахты, откачки из скважин и колодцев;

- покрытия - глинизация, замораживание, битуминизация;

- защита от подмыва и размыва берегов рек (выправление русел, покрытия, набережные);

- механическое закрепление склона (сваи);

- закрепление подпорными и анкерными сооружениями;

- перераспределение масс горных пород (контрбанкет, террасирование, полный или частичный съем оползневых масс);

- искусственное улучшение свойств пород - цементация, инъекционные завесы, замораживание.

- лесомелиорация (сплошное травосеяние, влаголюбивый кустарник).

Строительство в зоне действия оползней

Заглубление фундамента до коренных устойчивых пород.

Свайные фундаменты.

Устройство деформационных швов.

Использование каркасных конструкций.

Применение железобетонных поясов

4.1.8 Карстовые и суффозионные процессы

Карст - это и форма и процесс.

Карстовый процесс представляет собой длительно развивающийся процесс растворения или выщелачивания осадочных горных пород подземными и поверхностными водами (коррозионный процесс).

Причины возникновения карста:

Наличие трещиноватости в растворимых горных породах.

Движение воды и ее минерализация. Наиболее сильно растворяет породы слабоминерализованная вода и содержащая свободную углекислоту.

Количество осадков.

Климат.

По химическому составу пород различают: карбонатный (известняки, реже доломиты), сульфатный (гипс и ангидрит), соляной (галит и сильвин).

Наиболее растворимы соли, затем гипсы , труднее растворяются известняки.

На интенсивность процесса влияет низкая минерализация, повышенная температура и скорость движения воды, крупность зерен в породе и ее трещиноватость.

Различают карст наземный и подземный.

Наземные формы карста:

Карры - мелкие борозды и гребни на обнаженных поверхностях карстующихся пород.

Воронки - углубления различных форм и размеров (поверхностные и провальные). Наиболее распространенные поверхностные формы карста. Воронки бывают весьма разнообразны: от пологих и мелких до крутосклонных (рис 37). Диаметр воронок редко превышает 50 м., а глубина - 15-20 м.

Блюдца и западины представляют собой мелкие карстовые воронки с пологими бортами.

Поноры - узкие глубокие отверстия, наклонные или вертикальные, поглощающие поверхностную воду и отводящие её вглубь карстового массива. Поноры возникают на узлах пересечения трещин при дальнейшем развитии карста.

Колодцы и шахты - вертикальные или наклонные карстовые формы, уходящие в глубину на десятки и сотни метров. Они образуются при дальнейшем развитии поноров. Известны шахты глубиной до 1100 м.



Рис 37 Карстовая воронка, Пермский край (фото с сайта http://perm-kray.ru

Слепые долины рек заканчиваются не впадением в другой водоем, а карстовыми воронками и понорами, в которых вода уходит под землю. В отличие от них, полуслепые долины сохранили хорошо различимый отрезок долины ниже поноры, называемый суходолом.

Башенный карст - одна из последних стадий развития поверхностного карста, при которой подавляющая часть горных пород растворена и вынесена, а самые прочные блоки сохраняются в виде огромных отдельных останцов. Башенный карст характерен для жаркого влажного климата Юго-Восточной Азии.

Подземные формы карста

Пещеры - естественные подземные полости. Большие помещения называются залами, поменьше - гротами. Ходы, заполненные водой - сифонами.

В сильно закарстованных районах наблюдается несколько этажей пещер.

Важное значение имеет степень активности карстового процесса. Различают действующий карст, который развивается в современных условиях и пассивный или древний карст, у которого формы заполнены делювиально-пролювиальным материалом, задернованы. При изменении базиса коррозии (обычно уровень ближайшей реки) и других причин пассивный карст может перейти в действующий. Нижний предел развития карста называется базисом коррозии (рис. 38).

Понижение уровня базиса коррозии вызывает понижение уровня грунтовых вод, старая пещера становится осушенной, а новая формируется ниже.

Рис. 38 Зоны карстового массива в известняках

I - зона развития карста; II - зона цементации; УГВ - уровень грунтовых вод

Пещеры могут формироваться в любых карстующихся породах, однако наиболее характерны для областей развития мощных карбонатных толщ.

Самая протяженная соляная пещера находится в Иране. Её протяженность составляет 6,5 км. Она состоит из пещер «Трое обнаженных» и «Погружение», которые по результатам топографической съёмки 2005 г. оказались соединяющимися в единую систему.

Самой глубокой пещерой в мире является пещера Воронья (Крубера) в Абхазии. На настоящий момент её установленная глубина превышает 2040 м.

Кунгурская пещера - длина 4,6 км.

Наиболее крупной пещерой является Мамонтова пещера в Северной Америке - длина всех проходов и галерей 240 км (несколько озер, река и т.д.).

Просачивающаяся по трещинам вода сильно минерализована. При её попадании в большие пространства и соприкосновении с воздухом она либо теряет часть растворенной углекислоты и высаживает карбонат при карстовании известняков, либо испаряется и высаживает гипсы при развитии карста по сульфатам. При минусовых температурах натечные образования слагаются льдом. В разрезе все натечные образования (например, сталактиты) зональны, что позволяет читать историю их образования. Так, значительное осушение пещеры и временное прекращение или сильное замедление роста будет отражаться в виде более плотных и шероховатых корочек.

В зависимости от своего положения в пещере и формы, натечные образования подразделяются:

Сталактиты - выросшие на своде пещеры из просачивающейся воды. Иногда можно наблюдать ряды сталактитов, маркирующие трещину в потолке.

Сталагмиты - выросшие на полу из капающей сверху воды. Так как упавшая капля воды растекается по сталактиту, они обычно более короткие и широкие по сравнению со сталактитами. Обычно растут непосредственно под сталактитами (рис39).

Сталагматы - вертикальные колонны. Образуются из доросших до пола сталактитов или из соединившихся и сросшихся сталактита и сталагмита.



Рис. 39 Сталактиты и сталагмиты (© B. Merkel,2003 www.geo.tu-freiberg.de/hydro/impressions.html)

Анемолит - сталактит или сталагмит, отклоненный от вертикального положения односторонним испарением вод, вызванным циркуляцией воздуха в пещере.

Гуры - наплывы на полу пещеры, похожие на оплывший стеарин.

Завесы образуются при равномерном просачивании воды через трещину в потолке, благодаря чему имеют практически постоянную толщину.

Недоучет карстовых процессов в инженерно-строительной деятельности может привести к серьезным последствиям: 1) просадке и провалам жилых зданий над подземными полостями; 2) деформациям железнодорожного или автомобильного полотна; 3) значительной утечке воды из водохранилищ; 4) поступлению грунтовых вод в подземные выработки через карстовые полости.

При строительстве в карстовых районах необходимо осуществлять ряд мер, направленных на повышение устойчивости и прочности пород и на прекращение развития карстовых форм.

Строительство на целиках, свайные фундаменты.

Повышение устойчивости и прочности пород - предотвращение доступа воды к карстующимся породам (нагнетание в трещины жидкого стекла, глинистого или цементного раствора).

Прекращение развития карстовых форм - гидроизоляция поверхности жирной глиной, сооружение дренажных систем, откачки, регулирование стоков (ливнеотводы).

При проектировании предусматриваются комплексные инженерно-геологические изыскания согласно СП 11.105.97 ч.II, включающие геофизические методы (электроразведка), позволяющие определить формы подземного карста.

Карстовые районы по степени устойчивости согласно СНиП делятся на 5 категорий:

- весьма неустойчивые (в год образуется 5-10 воронок на 1 квадратный км). Может достигать 100 и более (300-350), например с. Бабки (Чусовая - Кама);

- неустойчивые - 1-5 воронок;

- средней устойчивости - 1 воронка за 1 - 20 лет;

- устойчивые - 1 воронка за 20-30 лет;

- весьма устойчивые - свежих провалов не зарегистрировано за последние 50 лет.

Суффозия - вымывание мельчайших нерастворимых частиц грунта подземными водами. Это явление часто приводит к образованию суффозионных воронок.

Условия возникновения: неоднородность гранулометрического состава и появление критического гидростатического напора более 5.

Меры: уменьшение скорости и градиента потока, дренаж, отвод вод.

В городских условиях может провоцироваться хозяйственной деятельностью человека; например, протечками из труб, изменением направления грунтовых вод из-за строительства, подземными коммуникациями.

Выводы:

Геологическая опасность карста и суффозии - образование различных по положению и форме пустот и провалов.

Процессу карстообразования подвержены осадочные породы: известняки и доломиты, гипс, каменная соль.

Суффозии подвержены обломочные грунты неоднородного состава.

Понижение базиса эрозии приводит к активизации процессов.

Инженерно-геологические исследования производится в соответствии СП11.105.97 ч.II.

При строительстве основой всех мероприятий, направленных на прекращение развития карста и суффозии является прекращение фильтрации воды.

Применять свайные фундаменты, специальные конструктивные решения и строительство на целиках.

Проводить мониторинг.

4.1.9 Мерзлотные процессы

Горные породы, имеющие отрицательную или нулевую температуру и содержащие в своем составе лед, называются мерзлыми.

Скальные грунты при сезонном промерзании и оттаивании активно разрушаются за счет расклинивающего действия замерзающей воды, которая при переходе в твердое состояние увеличивается в объеме на 9,1 %. Дисперсные грунты связные и несвязные при замерзании увеличивают объем и становятся водонепроницаемыми. Разработка их ведется как скальных грунтов. Несвязные грунты (пески, гравийные грунты и т. д.) при низких значениях влажности практически не изменяются в процессе оттаивания и промерзания.

Особенно сильно сказывается процесс оттаивания на органических (торф, ил) и глинистых грунтах, которые переходят в текучее состояние и теряют несущую способность (выдавливаются из-под здания).

В строительстве учитывается глубина промерзания df, которая зависит от климата и литологических особенностей грунтов и колеблется от нескольких см. до 2-3 м. Для Екатеринбурга 1,8-2,0 м.

Величина df определяется:

- По карте СНиПа,

- рассчитывется по формулам,

- по итогам многолетних наблюдений.

Криолитозона - область распространения многолетнемерзлых пород (в России около 60-70 % территории - 11 млн. км2). Европейская часть - устье С. Двины, Печоры, Баренцево море; Азия (южная граница) - район Салехарда, к югу район Игарки, до границы с Монголией.

Криолитозона - область распространения многолетнемерзлых пород, т.е. пород, никогда не оттаивающих летом. Мощность криолитозоны составляет от ~15 м. (при её островном распространении) до 1000-1500 м. в северных регионах. Формирование многолетнемерзлых пород определяется климатическими факторами, обеспечивающими отрицательную среднюю годовую температуру пород. Уникальная сохранность вымерших млекопитающих, таких как мамонты, мастодонты и др. свидетельствует о том, что мерзлота существовала уже тогда, когда эти животные населяли Землю. Сплошная криолитозона, уже не исчезавшая впоследствии, возникла около 650 тыс. лет назад в пределах севера Сибирской платформы. Ее сохранению способствовали ледниковые эпохи, следовавшие одна за другой. Самая низкая температура в криолитозоне (-19°С) зафиксирована в скважинах на заполярных островах Канады. Юкагирский мамонт, найденный в 2004 г. в Якутии имеет такую великолепную сохранность, что при первичном обследовании находки высказывалось предположение о сохранности генетического материала, пригодного для клонирования. В 2007 г. проходила международная конференция, посвященная результатам исследования Юкагирского мамонта.

Многолетнемерзлые породы - грунты, которые находятся в мерзлом состоянии постоянно в течение тысяч и сотен тысяч лет.

В России выделяют три зоны вечномерзлых грунтов:

Сплошная мерзлота - крайний север Сибири, мощность сотни метров, tє=-7є-12є;

Зоны с таликами - есть участки с талыми грунтами, располагается южнее, мощность 20-60 м., tє=-0.2є-2є;

Островная - мерзлота участками, мощность 10-30 м., tє=0-0.3є.

Деятельный слой - верхний слой земной коры в областях холодного и умеренно холодного климата, подвергающийся периодическому промерзанию и оттаиванию. Его мощность различна и, как правило, составляет в среднем 10-20м. В зависимости от местоположения, температурного режима, и, следовательно, преобладающих в течение года процессов, деятельный слой может быть сезонноталым или сезонномерзлым.

Сезонномерзлый слой (смс) - это верхний слой земной коры, подвергающийся промерзанию в холодное время года. Большую часть времени породы этого слоя остаются в талом состоянии. При промерзании сезонномезлого слоя породы, залегающие под ним, по-прежнему талые.

Сезонноталый слой (стс) развивается в наиболее высоких широтах существования деятельного слоя. Большую часть времени он находится в промерзшем состоянии и лишь в наиболее теплое время года оттаивает. При этом в основании сезонноталого слоя залегают мерзлые породы.

Выделяется сливающийся - в зимнее время промерзает полностью и не сливающийся - не полностью промерзает до мерзлоты, остается слой талого грунта.

Основная особенность мерзлых грунтов - наличие в них льда в виде цемента (массивная текстура), линз и прослоев (сложная текстура), пересекающихся прослоев в разных направлениях (сетчатая текстура).

При оценке свойств мерзлых грунтов имеет значение суммарное количество льда в породе.

Льдистость - общее количество льда в единице объема грунта.

По физическому состоянию выделяют грунты: твердомерзлые (плотные пески), пластично-мерзлые (глинистые грунты, способны сжиматься под нагрузкой) и сыпучемерзлые (несцементированные льдом обломочные грунты - песок, гравий, щебень и т. д.).

Конституционные льды возникают при промерзании влажных дисперсных горных пород (суглинков, супесей и др.). Образовавшийся лед играет роль цемента, скрепляющего части породы. Конституционные льды развиты как в толще многолетнемерзлых пород, так и в породах сезонноталого слоя. Подразделяются на лед-цемент и сегрегационный лед.

Лед-цемент образуется при промерзании увлажненной горной породы и располагается между её минеральными зернами.

Сегрегационный лед представлен в виде шлиров, небольших гнёзд или нитевидных, линзовидных тел, образующих криогенную текстуру (слоистую, сетчатую и т.д.). Образуется при замерзании воды, мигрирующей к фронту промерзания. Промерзание СТС начинается с образования стебелькового льда.

Погребенные льды возникают на поверхности и впоследствии захораниваются осадками. Крупные сплошные массивы погребенного льда приурочены к захороненным ледниковым телам, как современным, так и останцам крупных четвертичных оледенений, перекрытым моренными и иными ледниковыми отложениями.

Инъекционные льды образуются в результате внедрения напорных подмерзлотных вод в мерзлую толщу, мощность линз инъекционных льдов может достигать десятков метров, а их длина - сотен метров.

Пещерные льды образуются в подземных полостях и имеют различное строение. Могут образовывать как натечные формы, так и кристаллы, и их агрегаты. За счет значительной глубины пещер и горных выработок в них длительное время сохраняется низкая температура. Поэтому, однажды сформировавшись, пещерные льды могут сохраняться весьма долго. В России развитием такого рода льдов наиболее известна Кунгурская пещера.

Криогенные процессы

Морозное пучение - за счет промерзания деятельного слоя, локальные поднятия зимой дорожных одежд увеличение объема породы при промерзании (~ на 10 %), при оттаивании образуются ямы. Присуще рыхлым породам - пылеватым. Образуются т.н. пучины. Высота их от 2-4 см до 50 см, и длина до 10-12 м. Особенно неприятно для линейных сооружений, железных дорог, автодорог. Борьба - осушение, замена пучинистых грунтов.

Выпучивание фундаментов - морозное пучение (вымораживание) приводит к выпиранию столбов, фундаментов из основания (глинистые породы, рис. 40). Вот почему всегда глубина заложения фундаментов должна быть ниже глубины деятельного слоя (сезонного промерзания). А в области вечной мерзлоты - обмазки, гравийные, щебнистые засыпки, расширение фундаментов книзу.

Бугры пучения (гидролакколиты) - подъем деятельного слоя за счет промерзания межпластовых вод.

Термокарст - проседание земли за счет оттаивания при нарушении теплового режима.

Наледь - скопление льда на поверхности в результате излившихся подземных или речных вод.

При глубоком промерзании рек происходит сильное сужение сечения потока, и, как следствие, возрастает давление воды на лед. В ослабленных местах речной лед проламывается и вода изливается на поверхность, образуя речную наледь. Подобным образом формируются наземные наледи, с той лишь разницей, что верхней коркой является замерзающий грунт, а взламывают её грунтовые воды. Наиболее крупные, многолетние наледи образуются в местах глубинных разломов восходящими напорными подмерзлотными водами. Самой большой в России является Момская наледь, мощностью 6-7 м. и площадью 100 км2.

Рис. 40 Выпучивание опор трубопровода, п-ов Ямал. Фото: © Дамбев В.А., 2004.

Солифлюкция - оплывание оттаявших пологих склонов южной экспозиции по мерзлоте.

Курум - скопление крупнообломочного каменного материала, медленно передвигающегося вниз по склону.

Любая инженерно-геологическая деятельность в криолитозоне имеет свою особую специфику. Так как многолетнемерзлые породы очень чутко реагируют на малейшее изменение локального температурного режима, а, следовательно, практически на любое вмешательство в изначальную среду, основным правилом любого строительства является прогноз и регулирование температурного состояния мерзлых грунтов. Главными опасностями для сооружений являются специфические процессы, такие как термокарст и морозное пучение. В связи с этим здания строят либо на насыпном грунте (преимущественно одноэтажные и двухэтажные), либо на сваях, забитых ниже уровня сезонного оттаивания. Для предотвращения оттаивания мерзлоты между землей и первым этажом оставляют вентилируемое пространство, обычно 1-1,5 м. При прокладке коммуникаций особое внимание уделяют тепло- и гидроизоляции.

Строительство в районах распространения многолетнемерзлых пород регламентируется специальными СНиП и СН.

Строительство производится по трем принципам:

- с сохранением мерзлоты на весь период эксплуатации (свайные основания, рис. 41);

Рис. 41 Свайное строительство на многолетнемерзлых грунтах,

Якутск.Фото: © Дамбаев В.А., 2005.

- с предварительным оттаиванием и последующим укреплением основания или его заменой на другие грунты;

- на скальном основании - без учета мерзлоты.



4.2 Инженерно-геологические (антропогенные) процессы и явления

К инженерно-геологическим (антропогенным) процессам и явлениям относятся:

- уплотнение пород в основании сооружений,

- просадочные явления в лессах, вследствие утечек из водопроводов и фильтрации воды из каналов,

- мерзлотные деформации пород в основании сооружений,

- пучины на дорогах,

- деформации искусственных откосов,

- переработка берегов водохранилищ и сдвижение горных пород при подземных работах.

4.2.1 Деформация над горными выработками

Причины деформаций: проходка подземных выработок (штолен, туннелей, штреков) вызывает в массиве горных пород перераспределение напряжений, сжатие одних и растяжение на других участках.

Горное давление - сила давления на крепь, вызванная движением горных пород в сторону выработки.

Горное давление зависит от геологического строения района, свойств пород и глубины заложения выработки.

Проявляется в виде горных ударов, выбросов пород, пучении, обрушении, сдвижении массы горных пород.

В скальных и полускальных грунтах - сдвижение происходит быстро в форме обрушения, с образованием трещин и провалов.

Пластичные породы - плавный прогиб, длительное время.

При чередовании пластов: скальные породы над пластичными - вся толща работает как жесткая система, если пластичные над скальными - деформация всей толщи будет пластичной.

Сдвижение пластов - деформация пород над горной выработкой.

Мульда сдвижения - участок земли, подвергшийся деформации.

Меры борьбы с деформациями

Рациональная ориентировка здания по отношению мульды сдвижения (в центральной части мульды осадка происходит равномерно, а на окраинах - неравномерная осадка и значительные деформации).

Разрезка зданий на отсеки.

Повышение расчетного сопротивления грунтов основания.

Усиление фундамента.

Повышение прочности несущих конструкций, приспособление к неравномерным осадкам.

Более глубокое заложение подземных выработок.

4.2.2 Особенности лессовых грунтов

Лессовые грунты распространены в центральной части России, Западносибирская низменность, Алтай.

Лессовые породы представлены пылеватыми суглинками и супесями.

Основные свойства лессов:

Сохраняют вертикальный откос в сухом состоянии;

Быстро размокают в воде;

Пылеватых частиц (0,05-0,005 мм) более 50 %;

Пористая структура (более 40 %);

Высокое содержание карбонатов и легко растворимых солей;

Анизотропность фильтрационных свойств (по вертикали в 10 раз больше, чем по горизонтали).

Просадочные свойства лессов.

Лессы при замачивании разрушаются, уплотняются за счет веса самой породы и веса сооружения.

Уплотнение приводит к опусканию поверхности земли в местах замачивания.

I тип просадочности - порода разрушается при замачивании и нагрузке от сооружения (мощность просадочного слоя 8-10 м).

II тип просадочности - порода разрушается при замачивании под собственным весом (мощность - до глубины 25).

Тип просадочности определяют в полевых условиях методом штампа.

Строительство на лессовых грунтах

Выбор мероприятий зависит: типа просадочности, мощности толщи, конструкции здания.

Водозащитные - отвод воды, гидроизоляция поверхности, предохранение от утечек.

Механические - уплотнение, замачивание, обжиг грунтов, цементация.

Конструктивные - повышение жесткости стен, прочности стыков, сваи, уширение фундамента.

4.2.3 Плывуны

В строительстве и горном деле плывунами называют - водонасыщенные рыхлые породы (чаще пылеватые пески), которые при вскрытии горными выработками разжижаются и ведут себя как тяжелые вязкие жидкости. Кроме песков плывунными свойствами обладают пылеватые суглинки и супеси.

Причина - гидродинамическое давление поровой воды в результате перепада давления грунтовых вод при вскрытии котлована.

Плывуны бывают ложные и истинные.

Ложные (псевдоплывуны) - различные пески при высоком гидродинамическом давлении грунтовых вод. Отличие - легко отдают воду, при высыхании образуют рыхлую массу.

Истинные плывуны - глинистые пески, пылеватые супеси и суглинки, при малом градиенте, плывут за счет физически связанной воды. Отличие - слабая отдача воды, которая окрашена за счет глинистых частиц в серый цвет (цементное молоко), при высыхании - сцементированная масса. Напоминают свежий бетон (раствор).

При проходке строительных выработок плывуны заполняют выработанное пространство, трудности при бурении.

Оползни, провалы поверхности, деформации зданий при выпирании плывунов из-под фундамента.

Опасны подрезки склонов, вскрывающие плывуны. Пример: 100 м трамплин на Воробьевых горах подрезали в нижней части склона - стремительное заполнение выемки с экскаватором и оседание откоса.

Опасны динамические удары и вибрация.

Особенности строительства.

Свайные фундаменты или не доводить подошву фундамента до плывунных пород.

Осушение котлована на период строительства (откачка при кф>1 м/сутки), иглофильтры - только для ложных плывунов.

Ограждение шпунтовыми стенками. Шпунтовая крепь перерезает слой плывуна и принимает давление на себя. Деревянный шпунт 6-8 м, металлический - 20-25 м. (без прослоев галечника, и плотного грунта).

Изменение физических свойств плывунов: силикатизация (нагнетание жидкого стекла - дорого, но эффективно); цементация для ложных; электрохимическое закрепление и замораживание (проходка поэтапная по 20-30 см в зимний период или циркуляция в скважинах вокруг котлована раствора СаCl 2 при tє=-20є-40є С для истинных.

Применяется повышенное давление при проходке.

V. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

Для проектирования различного рода сооружений необходимо проведение инженерно-геологических исследований в полном соответствии с СНиП 11-02-96. Инженерные изыскания. 1997 г. и СП 11-105-97, часть I. Общие правила производства работ. М.,1997.

Производство инженерно-геологических изысканий подразделяется на три этапа: подготовительный, полевой, камеральный.

5.1 Подготовительный этап

Подготовительный этап включает в себя следующие работы:

- подготовка технического задания для инженера-геолога с приложениями. Топографическая съемка М 1:1000 или М 1:500, выполненная в последние 3 года, название объекта, местоположение, высотность здания, класс ответственности (I и II), нагрузки, глубина заложения фундамента в зависимости от глубины или этажности подземных сооружений, расположение сооружения, отмеченное на генплане. Дополнительные условия (коррозионная активность грунтов, воды и пр.)

- согласование программы (предписания) на производство работ, составленное инженером-геологом на основании:

а) технического задания;

б) сбора архивных материалов (результаты ранее выполненных изысканий на данном участке или близлежащих, включая климат, гидрографию, рельеф); можно использовать инженерно-геологические материалы «не старше» 5 лет;

в) рекогносцировки (осмотр места, рельефа, обнажений, водопроявлений, инженерно-геологических процессов, при необходимости - маршруты по сложным участкам) - определяется категория сложности .

г) нормативных документов: СП 11-105-97 Инженерно-геологические изыскания для строительства; СП 11-105-97 Часть I Общие правила производства работ; Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов; Часть III. Правила производства работ в районах распространения специфических грунтов, в которых изложены все необходимые объемы полевых работ.

В частности, для II категории сложности инженерно-геологических условий I уровня ответственности сетка бурения скважин составляет 30-40м, глубина зависит от нагрузки на фундамент (этажности): для 2х-этажного дома, глубина бурения 6-8 м от уровня заложения фундамента, 20-этажного дома 20-23 м и т.д.

Необходимые объемы работ, предлагаемые инженером геологом, должны соответствовать техническому заданию и нормативным документам.

- сметная стоимость проектируемых изысканий согласованная с заказчиком,

- договор и сроки выполнения работ.

Все перечисленные выше документы отправляются в отдел архитектуры, существующий в каждом административном образовании (по окончании работ необходимо представить технический отчет) для получения разрешения на право производства работ на нашем объекте.

Немаловажным условием для начала полевого периода является согласования точек буровых работ со всеми службами, имеющих собственные интересы на наших площадях (сети водоканала, тепло-газо-коммуникации, кабели ГИБДД, и т.д.)

5.2 Полевой период

Инженерно-геологическая съемка производится при изысканиях крупных объектов (плотины). Масштабы съемки - в зависимости от целей. Для типовых проектов не используется.

5.2.1 Разведочные выработки

Горная выработка - это полости в земной коре, образовавшиеся в результате проведения горных работ в толще полезного ископаемого или «пустых» горных пород. Горные выработки подразделяются на открытые (расчистки, закопуши, шурфы, канавы, дудки, карьеры) и подземные (штольни, штреки, шахты).

Шурф - вертикальная горная выработка квадратного или прямоугольного сечения глубиной обычно от первых метров до 20 м. Круглый шурф - дудка (круглая - более устойчивая). Крепление обязательно, при глубине более 10 м - вентиляция.

Канава - горизонтальная выработка, чаще вытянутой формы (в районах новостроек для укладки коммуникации), при относительно небольшой глубине (первые метры) имеют значительную протяженность до нескольких километров. При поисковых и разведочных работах на полезные ископаемые канавы проходят вкрест простирания для бороздового опробования.

Подземные горные выработки. Шахта - вертикальная или наклонная горная выработка большого сечения (2х3,3х4 м), проходимая с поверхности или из подземной горной выработки (слепая шахта) это не относится к эксплуатационным шахтам.

Штольня - горизонтальная подземная выработка, имеющая выход на дневную поверхность.

Штрек - горизонтальная подземная выработка, не имеющая выхода на дневную поверхность.

Верх выработки - кровля, низ - подошва.

5.2.2 Бурение

Единственный методом, позволяющим изучать (горные выработки не считаем) недра земли является бурение. Результат бурения - скважина.

Скважина - это цилиндрическая выработка в земной коре, имеющая поперечное сечение малой величины при относительно большой протяженности. Начало скважины называется устьем, боковая поверхность - стенками, дно - забоем. По условному назначению скважины (бурение) - геологоразведочные, эксплуатационные, технические.

Геологоразведочные скважины бурятся при съемке, поисковых и разведочных работах на полезные ископаемые, инженерно-геологических, гидрогеологических, геофизических, технологических (режимные наблюдения).

Эксплуатационные скважины бурятся для добычи воды, нефти и газа, других полезных ископаемых (Аu, Cu, U и т.п.).

При производстве инженерно-геологических исследований в основном применяются буровые скважины и шурфы.

Значение:

- установление, уточнение геологического разреза, точность установления границ - 0,25-0,5 м;

- определение залегания уровня грунтовых вод;

- отбор образцов (керн) и монолитов грунта для определения физических (плотность, влажность и т.д.- не менее 10 образцов на каждую разность), физико-механических свойств (не менее - 6 образцов) и не менее 3 проб воды на химический состав каждого водоносного горизонта. Для мерзлых грунтов плотность обычно определяется на скважине.

- проведение полевых опытных испытаний, гидрогеологических исследований;

- ведение стационарных наблюдений;

- выявление и оконтуривание геологических и инженерно-геологических процессов.

Виды бурения: ударно-канатное, вибрационное, вращательное, роторное, ручное, шнековое.

Породоразрушающий инструмент (шарошечное и крестовое долото, буровые коронки различной твердости, пневмоударники) и его диаметры (от 50 мм до 500 мм).

Бурение производится с отбором и без отбора керна (сплошным забоем).

Полевая документация заносится в буровые журналы (дата, время, слои, отметки, образцы).

Ликвидационный тампонаж скважины проводится после завершения работ.

5.2.3 Геофизические работы

Геофизические работы - магниторазведка, гравиразведка сейсморазведка, электроразведка, каротаж в сочетании с другими видами работ.

Сейсморазведка - метод исследований, основанный на измерении скорости прохождения продольных волн по глубине (V2>V1).

Рис.42 Сейсморазведка (сейсмозондирование)

Электроразведка - метод исследований, основанный на измерении кажущихся сопротивлений грунтов по глубине (с2>с1). Два заземления (штыря) подключаются к полюсам источника постоянного тока. Прибором измеряется разность потенциалов между ними. Чем дальше друг от друга заземления (больше разнос), тем больше глубина исследования. Измеряется в Ом/м.

Рис. 43. Электроразведка (ВЭЗ)

Каротаж скважин (электро-, сейсмо-, радиометрический) при интерпретации позволяет определять влажность, плотность грунта. Изучая керн скважин, мы имеем ограниченную информацию. Каротаж позволяет изучать пространство около скважин, породы в естественном залегании с точной привязкой. Прямые результаты свойств пород. Часто заменяет буровые работы, поскольку полученная информация дешевле. Решает многие проблемы инженерной геологии.

Значение:

· Определение мощности рыхлых отложений;

· Выявление тектонических нарушений и зон повышенной трещиноватости и обводненности;

· Определение уровня залегания грунтовых вод, водоупоров, направление движения подземных вод, гидрогеологических параметров;

· Определение состава и состояния свойств грунтов.

5.2.4 Полевые исследования грунтов

Полевые исследования грунтов следует проводить при изучении массивов грунтов (в основном песчано-глинистые грунты) с целью:

- расчленение геологического разреза, оконтуривание прослоев и линз слабых грунтов,

- определение физико-механических свойств грунтов в условиях естественного залегания,

- оценки пространственной изменчивости свойств грунтов,

- оценка возможности погружения свай в грунты и несущей способности свай.

Полевые штамповые испытания - эталонный метод деформационных испытаний на сжимаемость. Результаты других полевых и лабораторных деформационных испытаний сопоставляются с результатами штамповых испытаний. Штамп - квадратная или круглая плита, площадью 5000 см2, служащая для передачи давления на грунт при полевых испытаний грунтов методом опытных нагрузок (рис. 44). Давление создается домкратами или платформами с грузом и производится ступенями с выдержкой определенное время до стабилизации осадки. Строится график зависимости осадки штампа от давления и осадки штампа во времени по ступеням нагрузки, определяют деформационные свойства (модуль деформации Е, МПа). Штамповые испытания могут проводиться и в скважинах. Для этого используют штамп площадью 600 см2, а давление передается от платформы с грузом через штангу.

Достоинство: испытание грунта ненарушенной структуры.

Недостатки: трудоёмкость, продолжительность испытаний.

Статическое и динамическое зондирование (пенетрация) - исследование песчаных и глинистых грунтов путем вдавливания (статическое) и забивки (динамическое) конусовидного металлического наконечника на глубину, превышающую его высоту. Определяют сопротивление проникновению зонда на глубину. По результатам испытаний определяют однородность грунтов по площади и глубине, приближенную количественную оценку свойств грунтов.

Рис. 44. Схема штампового испытания грунта в полевых условиях с построением кривой осадки и последующим вычислением модуля общей деформации

Прессиометрия проводится в глинистых грунтах, определяя их деформационные свойства. Прессиометр - резиновая цилиндрическая камера, которая на определенной глубине в скважине расширяется за счет давления жидкости или газа, нагнетаемого в камеру (рис. 45). Замеряется давление и радиальное перемещение грунта в стенках скважины, что позволяет рассчитать модуль деформации.

Рис. 45 д) радиальный прессиометр е) лопастной прессиометр

Прочностные испытания грунтов. Определяется сопротивление грунтов сдвигу (скальных и дисперсных) при предельных значениях напряжений (разрушение грунта). Методы: зондирование, искусственное обрушение откосов, лопастные испытания (крыльчатка), метод шарикового штампа.

Крыльчатка (метод вращательного среза) - определяют прочностные свойства для слабых грунтов (рис. 46). Крыльчатка представляет собой четырехлопастной зонд, который опускают в забой скважины, вдавливают и поворачивают. Замеряют крутящий момент, что позволяет рассчитать сопротивление грунта сдвигу, величину внутреннего трения ц и удельного сцепления С, МПа.

Рис. 46 Метод вращательного среза

5.2.5 Гидрогеологические исследования (опытно-фильтрационные работы)

Гидрогеологические исследования выполняются в случае распространения или возможности формирования подземных вод в сфере взаимодействия проектируемого объекта с геологической средой (загрязнение, истощение, прогноз подтопления, возможность ухудшения свойств грунтов).

Полевыми методами определяется коэффициент фильтрации Кф и радиус влияния скважины (депрессионной воронки) в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод.

Коэффициент фильтрации для обломочных пород определяется с помощью откачек воды из скважин. Различают в зависимости от поставленных целей: экспресс-откачка (0,5 суток), пробные, опытные, опытно-эксплуатационные; одиночные и кустовые откачки из скважин. Строится график откачки (зависимость понижения (S) от времени (t) в полулогарифмическом масштабе).

Оборудование необходимое для проведения опытных гидрогеологических работ (насосы глубинные, поверхностные, уровнемеры, полевая лаборатория). Откачки производятся насосом (2-2,5 л/с) или эрлифтом (рис. 47) «air» - воздух, «lift» - подъем (до 10 л/с). Приборы для замеров глубины залегания уровня подземных вод в скважинах - электроуровнемеры, «хлопушки», манометры -для фонтанирующих.

Рис. 47 Схема работы эрлифта

Для определения Кф для супесей и суглинков применяют методы налива в шурфы и нагнетание воды в скважины.



5.2.6 Стационарные наблюдения (режимные)

Стационарные наблюдения необходимо выполнять для изучения:

- динамики развития опасных геологических процессов (карст, оползни, сели, переработка берегов, выветривание и пр.),

- изменений состояния свойств грунтов,

- изменения уровня, температуры, химического состава подземных вод;

- деформации грунтов оснований.

Продолжительность не менее одного гидрогеологического года или сезона проявления процесса с частотой регистрации экстремальных значений.

5.3 Лабораторные и камеральные работы

В течение камерального периода выполняются лабораторные работы, производится обработка полевых данных и лабораторных анализов. Составляется инженерно-геологический отчет и графические приложения (инженерно-геологическая карта, геологические колонки и разрезы).

Назначение и состав лабораторных испытаний.

1) Определение физических свойств грунтов - плотность, влажность, пористость и пр.

2) Определение механических свойств:

- деформационные - в компрессионных приборах (рис. 48) определяют коэффициент сжимаемости грунта (м0) и рассчитывают модуль общей деформации - Е0 (МПа);



Рис.48 Компрессионный прибор

Компрессия - это сжатие грунта без возможного бокового расширения.

Прикладываем на образец грунта нагрузку (Р1)- произойдет уплотнение и уменьшение коэффициента пористости (е1).

Затем прикладываем нагрузку Р2, получим коэффициент пористости е2 и т.д. (4-5 ступеней) По результатам испытаний строится график компрессионной кривой и рассчитывается коэффициент сжимаемости грунта

м0 = (е1-е2)/(Р2-Р1), МПа (22)

.

Рис.49 График компрессионного испытания

- прочностные - в сдвиговых приборах определяют угол внутреннего трения ц (град), сцепление С (МПа)



Рис.50 Схема испытаний грунта в сдвиговом приборе.

Сдвиговой прибор представляет собой толстостенный цилиндр, состоящий из 2 частей, одна из которых неподвижна, а другая может смещаться на величину S от действия сдвигающей нагрузки Т.

В прибор помещается образец грунта и нагружается давлением Р1, затем прикладываем ступенями сдвигающую нагрузку (Т), происходит сдвиг (разрушение образца) при ф1.

Берём второй образец с Р2 и получаем ф2.

Рис.51 Результаты испытаний на сдвиговом приборе.

ц - угол внутреннего трения грунта; Ре - давление связности; С - сцепление глинистого грунта (начальный параметр прямой). Левый график представленной схемы - доведение до разрушений 3 образцов грунта, обжатого давлениями Р1< Р2< Р3, В результате в момент разрушения образца грунта получаем максимальные значения касательных напряжений сдвига фmax1, фmax2, фmax3, значения которых откладываются на графике фmax=фmax(Р) (средний и правый графики представленной схемы). Различие в очертании графиков на данных схемах обусловлено свойствами песка и глины, обладающей способностью сцепления.

- предел прочности на одноосное сжатие определяется для скальных грунтов.

3) Определение агрессивности подземных вод и коррозионной активности грунтов.

4) Определение коэффициента фильтрации.

Состав камеральных работ

«Технический отчет об выполненных инженерно-геологических изысканиях по объекту» включает в себя следующие главы:

1. Общая часть

2. Инженерно-геологические условия площадки

2.1. Физико-географические условия

2.2. Геолого-литологическое строение

2.3. Физико-механические свойства грунтов (ИГЭ)

2.4. Гидрогеологические условия

2.5.Специфические грунты. Геологические и инженерно-геологические процессы

3. Выводы

4. Литература

5. Текстовые приложения

5.1. Техническое задание на производство инженерных изысканий

5.2. Разрешение на производство работ

5.3. Каталог данных по выработкам

5.4. Таблица показателей физико-механических свойств грунтов

5.5. Определение агрессивного воздействия грунтов

5.6. Ведомость определения коррозионной агрессивности грунтов к стали

5.7. Результаты определения компрессионных свойств грунтов

5.8. Результаты определения прочностных свойств грунтов

5.9. Сводная таблица результатов химических анализов подземных вод

5.10.Свидетельство о допуске к работам по выполнению инженерных изысканий

6. Графические приложения

6.1. Схема расположения объекта

6.2. План расположения выработок М 1:500

6.3. Альбом геолого-литологических колонок

6.4. Инженерно-геологические разрезы

Размещено на Allbest.ru