Виды гидрогеологических и инженерно-геологических исследований

Инженерно-геологические изыскания могут включать в себя аэрофотосъемку, маршрутные наблюдения, проходку горных выработок, геофизические исследования, полевые исследования свойств грунтов, лабораторные исследования состава и свойств грунтов и химического состава подземных вод, опытно-фильтрационные работы (см. главу 5), стационарные наблюдения (при необходимости выявить динамику геологических процессов).

Перед проектированием крупных промышленных предприятий и населенных пунктов, которые располагаются в пределах заново осваиваемых территорий, возникает необходимость в данных об общих инженерно-геологических условиях больших площадей. При этом существенное внимание уделяется изучению геоморфологических условий (рельефа местности). Так, при описании речных долин отмечают наличие террас, их типы (эрозионные, аккумулятивные), ширину, высоту и др.. При описании степных территорий отмечают наличие степных "блюдец". Для территорий развития карстовых процессов характерно наличие такого геоморфологического элемента, как карстовые впадины. Бугристость рельефа, наличие своеобразных террас в пределах склонов и трещин на земной поверхности во многих случаях является признаком сдвигов. Все эти особенности микрорельефа могут быть обнаружены по результатам аэрофотосъемки (плановые снимки местности с самолетов и вертолетов).

Для выявления особенностей геологического строения и гидрогеологических условий строительной площадки проходят горные выработки. К ним относят шурфы, дудки, траншеи, шахты, штольни, скважины.

Шурф - вертикальная горная выработка квадратного или прямоугольного сечения размерами от 1x1, 25 до 1,5 x1, 5 м, глубиной до 5-8 м. Разработку шурфов проводят вручную. В неустойчивых породах стенки шурфов приходится закреплять (подручным лесоматериалом).

Шурфы круглого в плане сечения носят название дудок. Их преимущество - больше, чем при прямоугольном сечении, устойчивость стенок. Минимальный диаметр дудок 0,75-1 м. Для проходки дудок применяются специальные станки.

К ряду бесспорных преимуществ шурфов и дудок относятся доступность пород в стенках и забоя для осмотра, возможность отбора путем вырезания образцов (монолитов) с максимальным сохранением их природного сложения и влажности, возможность проведения в них полевых испытаний грунтов. К ряду недостатков относятся значительная трудоемкость проходки (особенно шурфов), необходимость закрепления стенок, выполнения водоотливных работ при проходке ниже уровня грунтовых вод.

Разведывательные выработки большой глубины (несколько десятков метров) и соответственно значительного поперечного сечения носят название шахт. Они используются в наиболее ответственных случаях, как правило, с применением креплений и механизированного водоотлива и подъема.

Траншеи - это канавы, которые располагаются на склонах при изучении дислоцированных (круто падающих) толщ. Горизонтальные горные выработки, устраиваются в пределах склонов, называются штольнями. Для обеспечения стока подземных вод и облегчения транспортировки дну штольни придают некоторый наклон от забоя к устью.

Проходка горных выработок сопровождается ведением специальных журналов, в которых описываются горные породы и условия проходки. Образцы пород отбираются в выработках через 0,5-1 м, а также при изменении состава пород.

Выработки цилиндрической формы, проходятся специальными буровыми инструментами, называются скважинами. Диаметр скважин, которые используются в практике инженерно-геологических исследований, находится в пределах 34-325 мм. Бурение скважин может осуществляться различными способами. При небольших глубинах и объемах работ в слабых породах (песок, глина) может проводиться вручную, глубокие скважины, особенно в крепких породах, проходят механическим способом. Для ускорения бурения используется вибрация и применяется разнообразное вибробурове оборудования.

Верх скважины называется устьем, нижняя часть - забоем.

Для разрушения и отделения горных пород от массива используются следующие рабочие наконечники: желонка, буровой стакан, долото, ложечный бурь, змеевик.

Желонка применяют при бурении скважин в сыпучих породах (песках) и очень неплотных розридинених глинистых. Ударяясь о забой скважины, клапан желонки поднимается и почву внедряется в желонка. При подъеме клапан снова закрывается.

Бурение скважин в суглинках, глинах и влажных песках выполняется с помощью бурового стакана - отрезка трубы с фрезой. Породы, которая вошла внутрь стакана, содержится в нем силами трения.

Для проходки скальных пород применяют долото. Породы здрибнюються под его ударами и в таком состоянии извлекаются из скважины. Бурение желонкой, буровым стаканом и долотом относятся к ударной вида бурения. Наряду с ударным бурением в практике широко используют бурение вращательное.

В слабых глинах и суглинках, в супесях, сухих песках, мелу применяется ложечный бурь. При вращении этого наконечника его лезвие, которое находится внизу, срезает породу. Срезанный порода заполняет полость цилиндра.

При вращательном бурении в плотных глинах, суглинках, мергели, мелу применяется змеевик. Это спираль, которая заканчивается вниз режущим лезвием в виде рыбьего хвоста. При подъеме порода удерживается между его лопостями.

Рабочие наконечники соединяются с буровыми штангами. Для крепления стенок скважин в породах осыпаются и обваливаются, применяют стальные обсадные трубы.

При вращательных способах бурения нет возможности извлекать образцы пород ненарушенной структуры. Поэтому для отбора образцов используют специальные грунтоносы (полые цилиндры с содержащим почву оборудованием).

При проходке скальных пород используется колонковое бурение с помощью буровой коронки. Коронки имеют в нижней части зубца из твердых сплавов, алмазов или дробные наконечники. При вращении коронки в породе вибурюеться кольцевой забой, а внутри нее остается цилиндр, который называется керном. Для очистки скважины при колонкового бурения ее продувают воздухом, промывают водой или глинистым раствором.

При бурении скважин ведут буровой журнал и составляют разрез (колонку) скважины.

С разведочных выработок, по мере их проходки, отбирают образцы почв двух видов - нарушенной структуры и ненарушенной при естественной влажности (монолиты). Образцы нарушенной структуры для определения влажности отбирают с сохранением естественной влажности (в мешочки из эластичной пленки или плотной ткани). Объем отобранных образцов должно быть не менее 2000 см3 в скальных и крупнообломочных грунтах, 1000 см3 - в песчаных и 500 см3 - в глинистых грунтах. Готовят две этикетки, в которых указаны места, номер разведывательной выработки и глубина отбора. Одну этикетку, завернутую в кальку, вкладывают внутрь, вторую - наклеивают на мешочек.

С шурфов монолиты отбирают в форме кубов и цилиндров, а из скважин - цилиндрические. Размеры монолитов в форме кубов обычно равны 20x20x20 см (для скальных грунтов 10х10х10 см). Диаметр монолитов цилиндрической формы - не менее 8 см при высоте не более 16 см. Монолиты изолируют двумя слоями марли, смоченной смесью парафина с гудроном. Монолиты тоже наделяют двумя этикетками с обозначением их верха и низа.

В настоящее время большое распространение получили геофизические методы исследований, которые позволяют ускорить и повысить точность инженерно-геологических изысканий. Эти методы применяются для исследования в естественных условиях процессов и явлений в горных породах, а также для определения физико-механических свойств горных пород с учетом их пространственной изменчивости.

Среди геофизических методов широкое распространение получили сейсмические, электрические, магнитные, термические и ядерной физики.

Сейсмические методы основываются на выявлении скорости распространения волн (упругих колебаний), которые специально возбуждаются в горных породах с помощью взрывов и ударов. В результате оценивается влияние грунтовых условий на распространение сейсмических колебаний. Эти методы позволяют оценить состояние и свойства горных пород в условиях естественного залегания, определить глубину залегания скальных пород, карстовые полости, уровень подземных вод, мощность талого слоя в вечномерзлых породах и др..

Электрические методы основаны на исследованиях природных и искусственно созданных электромагнитных полей. Поскольку каждая порода имеет определенный электрическое сопротивление, то, измеряя его, можно составить геоэлектрических разрез. Используя этот принцип, можно определить мощность водоносных пластов и пустот в карстовых районах и т.д.

Магнитные методы построены на использовании особенностей магнитного поля Земли и магнитных свойств горных пород. Чаще всего магнитная разведка горных пород применяется в инженерно-геологическом картировании.

Термические методы применяются для исследований физико-геологических процессов в районах многолетней мерзлоты.

Методы ядерной физики основаны на измерении интенсивности естественных и искусственных излучений (например, гамма-каротаж). Методы позволяют оценить плотность и влажность горных пород.

Полевые методы определения свойств горных пород предназначены для оценки как физических (плотность, влажность), так и механических характеристик (сжимаемости и прочности).

Сжимаемость в полевых условиях оценивается в основном на базе испытаний грунтов статической нагрузкой на штамп в шурфах и скважинах. Суть метода состоит в том, что с помощью специальных устройств создается нагрузка на жесткий штамп площадью 5000 см2 в шурфах или 600 см2 в скважинах. В процессе передачи нагрузок измеряют деформацию грунта под штампом, в результате чего определяют главную деформационную характеристику почвы - модуль общей деформации.

Существуют несколько методов определения в полевых условиях характеристик прочности грунтов. Наиболее достоверными из них являются испытания на сдвиг в заданной плоскости с использованием объятий (в шуфрах). В скважинах прочностные определяют методами поступательного и кольцевого среза, а также крыльчаткой (вращательное срез).

Для определения плотности грунтов в полевых условиях чаще всего применяют зондирование. Суть его заключается в погружении конического наконечника (зонда) диаметром 36 или 74 мм с углом при вершине 60 °. Различают статическое и динамическое зондирование.

При динамическом зондировании зонд погружают в грунт ударами молота. При статическом вдавливают с помощью различных механизмов. Каждый из способов имеет свои преимущества и недостатки. Преимуществом динамического зондирования является то, что оно позволяет исследовать грунты с большим сопротивлением погружения конуса. Для его проведения необходимо несложное оборудование. К недостаткам следует отнести возможное разрежение некоторых почв под влиянием ударных нагрузок. Поэтому динамическое зондирование нельзя применять в пылеватых песках, насыщенных водой, в глинистых грунтах текуче-и мягкопластичного консистенции. Статическое зондирование свободное от этих недостатков, однако оно требует использования сложного оборудования с применением анкерных или других устройств для восприятия усилий, приложенных к зонду.

В ходе динамического зондирования определяют показатель динамического зондирования или число ударов для погружения на определенную глубину (как правило, 10 см). Для оценки характеристик грунта переходят к условному удельного динамического сопротивления qd (по эмпирическим формулам). Результаты динамического зондирования оформляют с помощью графиков (рис. 10.1). По графику можно выделить слои почв.

С помощью установок статического зондирования, применяемые поисковые организации, испытания грунтов можно проводить по двум основным схемам. По первой схеме зондирования выполняют при диаметре наконечника, равной диаметру штанг, при этом фиксируют сопротивление грунта конуса (qc) и трению по боковой поверхности штанг (fc).