Полевые работы для инженерных изысканий

 

Объем и состав проводимых полевых работ зависят от решаемых при инженерно-геологических изысканиях задач и выполняются на основании программы. Работы включают в себя проведение обследований, стационарных наблюдений и опытных работ.

Геофизические работы

Геофизические методы используют при инженерно-геологических исследованиях состава и свойств пород и геологических явлений, как правило, при инженерно-геологической съемке. Наиболее широкое применение в практике изысканий нашли следующие методы: электрические, сейсмические, радиационные, магнитные, термометрические.

Геофизические методы существенно ускоряют и повышают качество и точность инженерно-геологической съемки. Эти методы используют для изучения в естественных условиях процессов и явлений, происходящих в горных породах, а также для изучения физико-механических свойств горных пород, распределения этих свойств в пространстве и изменения их во времени.

Электроразведка основывается на изучении условий прохождения электрического тока в различных грунтах. При этом используются либо естественные, либо искусственные электромагнитные поля. Поскольку одним из основных параметров горной породы является ее удельное электрическое сопротивление, то, измеряя его, можно получить геоэлектрический разрез, который имеет прямую однозначную связь с геологическим.

С помощью электроразведки производят уточнение геологического разреза при съемке, определяют мощность водоносных пластов и глубину водоупоров, мощность выветрелой зоны у скальных пород, положение древних речных долин, полостей и воронок в закарстованных породах, устанавливают положение трещиноватых зон и тектонических разломов, определяют границы и свойства многолетних мерзлых пород.

Сейсмическая разведка основана на наблюдениях за скоростью распространения упругих волн в земной коре, вызванных искусственными сотрясениями (взрывами, ударами). В результате взрыва в грунте возникают упругие волны - продольные и поперечные. Скорость распространения упругих волн в грунтах зависит от их минерального состава, структуры, трещиноватости, влажности и т.п. В песках, например, скорость колеблется от 0,2 до 1,5 км/с, в глинах 1-3 км/с, в известняках 3-6 км/с, во влажной породе скорость больше, чем в сухой породе. Характер и скорость распространения упругих волн наблюдают на поверхности земли специальными приборами - сейсмоприемниками, располагаемыми по прямым - профилям. Если линия профиля проходит через точку взрыва, тогда профиль называют продольным, если она располагается произвольно по отношению к нему - поперечным.

Применение методов  ядерной физики при инженерно-геологических исследованиях основано на измерении интенсивности естественных и искусственных излучений. Для изучения таких важных свойств пород, как влажность и плотность, применяют радиационные методы, основанные на измерении поглощающей способности горных пород при прохождении различных излучений.

 

Магнитные методы основаны на измерении особенностей магнитного поля Земли и магнитных свойств горных пород. Магнитные свойства массивов горных пород резко изменяются в зонах тектонических разломов и трещиноватости, а также в зонах геодинамической нестабильности горных пород. По данным магнитной разведки устанавливают генезис и состав пород.

Термометрические методы нашли широкое применение при изучении криогенных физико-геологических процессов и явлений в районах многолетней мерзлоты.

В практике инженерных изысканий для решения практических задач инженерной геологии часто приходится использовать сразу несколько принципиально различных геофизических методов. Применение комплекса геофизических методов является весьма эффективным средством для однозначного решения задач по изучению свойств пород и инженерно-геологических процессов. В настоящее время происходит интенсивное развитие и внедрение геофизических методов в практику инженерно геологических изысканий и исследований.

Наблюдение за режимом подземных вод, развитием инженерно-геологических процессов

Подземные воды являются важнейшим элементом инженерно-геологических условий той или иной территории. При проектировании и строительстве сооружений, рациональном использовании территорий, геологической среды подземные воды всегда имеют не только инженерно-геологическое значение. Поэтому столь необходимо изучить подземные воды - их распространение, условия залегания, гидравлические особенности, условия питания и разгрузки, запасы (ресурсы), режим и т.д. Стационарные наблюдения проводят на стадии проведенья инженерно-геологической съемки и разведки для изучения:

- положения уровня подземных вод;

- условий питания подземных вод и их запасов (ресурсов);

- связи подземных вод с поверхностными водами и зависимости режима первых от режима вторых;

- взаимосвязи между отдельными горизонтами и зонами подземных вод, наличия и надежности водоупоров как локальных, так и региональных;

- изменений режима подземных вод (уровней, ресурсов, химизма и др.) под влиянием существующих водоупоров, эксплуатации сооружений и других факторов;

- влияния режима подземных вод на развитие геологических процессов и явлений (подтопление и заболачивание территорий, засоление горных пород, развитие оползневых и просадочных явлений, изменение микросейсмических условий и др.).

Глубину залегания уровня подземных вод определяют с помощью специальных приспособлений (рис. 2.2). Для проведения химического анализа воды в лабораторных условиях из скважин отбирают ее пробы, причем с разных глубин.

Глубина и мощность водоносного безнапорного пласта определяются замерами расстояний от устья скважины до зеркала водоносного горизонта и от зеркала подземных вод до кровли водоупорного пласта. В напорном водоносном пласте мощность горизонта определяется расстоянием между верхним и нижним водоупорами.

Рис. 2.1. Средства для замера уровня подземных вод

а - хлопушка; б - свисток.

Получаемые сведения дают возможность: обоснованно оценивать инженерно-геологические условия территории; определять условия производства строительных и горных работ, условия эксплуатации сооружений, агрессивное воздействие вод на подземные части конструкций сооружений и т.п.; разрабатывать мероприятия по борьбе с подтоплением территорий, с водопритоками при проходке котлованов и подземных выработок и т.п.; разрабатывать мероприятия по охране окружающей геологической среды.

Изучение физико-геологических процессов. Основная цель изучения физико-геологических процессов и явлений состоит в оценке степени их влияния и в выборе способов борьбы с их неблагоприятным воздействием на проектируемые сооружения. Для достижения этой цели должны быть изучены условия и закономерности развития процессов и явлений, т.е. выявлены их типы и приуроченность этих типов к определенным видам грунтов, элементам и формам рельефа, гидрогеологическим и криогенным условиям.

На формирование и развитие физико-геологических процессов и явлений обычно оказывает влияние нескольких природных факторов. Часть из них создает условия для их возникновения, часть способствует активизации их развития. Среди этих факторов определяющими являются геологические и климатические, взаимодействие которых и определяет тип процесса и характер его проявления. Ниже перечисленные физико-геологические процессы и явления не охватывают всего их многообразия, а приведены как наиболее часто встречающиеся. Это: элювиообразование, промерзание и оттаивание, обвалы и осыпи, лавины, оползни, наледи и надледные бугры, явления развевания и навевания, солифлюкция, эрозия почв, подмыв берегов, оврагообразование, размыв склонов, сели, абразия озерная и морская, затопление и подтопление, заиление водохранилищ, суффозионные и фильтрационные деформации поверхности, карстовые явления, сейсмические явления, горное давление, просадки в лессовидных породах и лессах, явление усадки, сдвижение горных пород на подрабатываемых территориях и др.

Наиболее часто при инженерно-геологических изысканиях приходится сталкиваться с проявлениями различного рода процессов, протекающих на склонах (оползни, обвалы, осыпи, курумы), с проявлениями карста, выявлением селеопасности районов и пр.

При описании гравитационных процессов на склонах необходимо придерживаться следующим схем.

По обвалам:

область отрыва - высота, генезис, возраст склонов; условия залегания и основные свойства пород, слагающих склон; форма склона;

область транзита - длина пути, относительная высота падения, морфология пути движения, следы движения;

область отложения - характеристика места отложения; приблизительный объем обвалившейся массы и ее морфология; примерное определение примерной даты обваливания; форма #лыб обвалившейся массы, особенности сортировки, дальность падения и размер отдельных глыб; причиненные разрушения или нарушения в районе обвала;

статистические сведения об обвалоопасности района проведения съемки и сведения о наличии и характере противообвальных сооружений, а также их эффективности.

По осыпям:

область отрыва и процесс осыпания - морфометрическая характеристика склона, его экспозиция; положение, форма и размеры области питания осыпи; состав и основные свойства слагающих область питания пород (условия залегания, трещиноватость, выветрелость); размер, форма обломков, характер их перемещения (скольжение, перекатывание); наличие участков, свидетельствующих о прекращении процесса;

область аккумуляции - условия залегания осыпи, ее морфология; размеры и признаки сортировки материала осыпи, наличие или отсутствие заполнителя и его состав; условия обводнения осыпи, источники обводнения и его признаки; наличие растительности на теле осыпи и другие признаки, позволяющие оценить возраст и степень ее подвижности.

По оползням:

склон или откос, на котором возник оползень, - местоположение, экспозиция, генезис, возраст, морфометрическая и морфологическая характеристики, геологическое строение склона (откоса) и его основания, состояние горных пород, слагающих склон; гидрогеологические условия склона; наличие естественных и искусственных нарушений на склоне, за бровкой и у его подножия, для откосов - время и способ сооружения;

характеристика оползня - положение бровки срыва, наличие и размеры вала выдавливания; гидрогеологические условия тела оползня, наличие и интенсивность водопроявлений; оценка мощности оползневого тела и динамика перемещения материала тела оползня; состояние растительности, сооружений, наличие и характер проявления деформации сооружений; возраст оползня, соотношение оползней разного возраста и соотношение описываемого оползня с соседними оползнями; сведения о динамике оползня, при наличии наблюдений, или по опросным данным; сведения о противооползневых мероприятиях; выводы - тип оползня и его причины, относительное значение различных факторов в образовании оползня; взаимосвязь процессов, протекающих на оползневом склоне, стадия развития оползня и прогноз дальнейшего развития оползневого процесса.

Карст обычно типизируется по составу карстующихся пород, по их залеганию относительно земной поверхности и относительно регионального уровня подземных вод.

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.

Расчистка - 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.

Закопушка - 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.

Шурф - 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.

Канава - 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.

Типы горных выработок:
1 – штольня; 2 – расчистки; 3 – скважины; 4 – шурфы

 

 

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.

Шахта - 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.

Штольня - 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.

Колонковое 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.

Шнековое бурение, 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.

Вибрационное бурение 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 - монолиты - должны иметь ориентацию (низ - верх монолита). При отборе монолита не допускается нарушение природного сложения грунта.

Образцы грунтов нарушенного сложения 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.

Испытания грунта на сдвиг 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.

Динамическое зондирование 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.

Статическое зондирование 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;

Испытание свай статическими нагрузками. 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 коэффициента фильтрации, 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.

Метод откачки 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

Метод налива 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.

Экспресс метод заключается в мгновенном наливе определенного объема воды с последующим замером времени свободного понижения ее уровня.