Исследования грунтов в условиях их естественного залегания

Полевые и лабораторные исследования грунтов, а также учет природных условий их залегания необходимы при проведении проектно-изыскательских работ, связанных со строительством любых инженерных сооружений.

Полевые и камеральные исследования грунтов, используемых в строительстве, принято выполнять в составе инженерно-геологических изысканий автомобильных дорог. Этот вид инженерных изысканий регламентирован нормативными требованиями (СП 11-105-97). Необходимость его проведения подтверждена многолетней практикой транспортного строительства.

При изысканиях автомобильных дорог изучают происхождение, состав, физико-механические свойства, степень устойчивости и распространение отдельных видов и разновидностей грунтов, в том числе и почв, и условия их залегания. Одновременно оценивают гидрологическую и гидрогеологическую характеристику местности (характер поверхностного стока воды и ее испарения уровень грунтовых вод и верховодки, направление грунтового по тока, фильтрационная способность грунтов и др.). В целях получе ния необходимых данных для проектирования дорожных сооруже ний обязательно изучают свойства грунтов вдоль всей трассы в при дорожной полосе шириной 100...200 м. Объем выполняемых рабог должен быть достаточным для обоснованного проектирования зем ляного полотна, дорожной одежды и дорожных сооружений.

При полевых исследованиях грунтов и изучении условий и: залегания, состава и мощности слоев и других особенностей наи более широко и часто прибегают к бурению скважин станкам! механического бурения различной мощности и глубины бурения

Одной из важнейших задач при проходке буровых скважин явля ется отбор образцов грунта с ненарушенной структурой — моноли тов. Для этого применяют грунтоносы — специальные полые стака ны цилиндрической формы для захвата и удержания монолита фунта

Если мощность изучаемой толщи грунтов незначительна ши доставка буровых станков затруднена, а бурение скважин эконо мически невыгодно, то прибегают к закладке различных разве дочных выработок: расчисток, траншей и шурфов глубиной Д(3 м. Основными первичными документами при полевых обследо ваниях грунтов являются буровой журнал и журнал шурфования Кроме них составляют схемы расположения грунтов по глубине -

грунтовые, или геологические, колонки; план расположения скважин или шурфов; инженерно-геологические продольные и поперечные профили, отчет, а при малом объеме работ — пояснительную записку. Для сложных и неблагоприятных участков, относящихся к категории индивидуального проектирования (оползневые склоны, глубокие выемки, участки со слабыми грунтами и др.), составляют инженерно-геологические карты крупного масштаба.

Грунтовая, или геологическая, колонка представляет собой разрез грунтовой толщи по скважине или шурфу. Часто колонки составляют уже после лабораторных анализов грунтов, в результате чего уточняют их названия, а в описании дают более точную характеристику.

При обследовании трассы дороги на всем протяжении составляют несколько упрощенный инженерно-геологический разрез, получивший название продольного грунтового разреза, который наносят на продольный профиль проектируемой дороги (рис. 13.4).

В целях сокращения объемов бурения и шурфования в практике инженерно-геологических изысканий транспортных сооружений широко используются различные геофизические методы исследований грунтовых толщ, которые, как правило, сопутствуют разведочным работам. В большинстве случаев они применяются как вспомогательные методы. С их помощью можно изучать физические и химические свойства пород, условия их залегания, движение подземных вод, инженерно-геологические явления и процессы.

В практике инженерно-геологических изысканий основное место занимают электро- и сейсморазведка.

Электроразведка основана на исследовании искусственно создаваемого в массивах пород электрического поля. Основным показателем свойств пород, используемым при электроразведке, является их удельное электросопротивление, выраженное в омах (каждая порода характеризуются своим удельным сопротивлением). Чем больше отличаются эти удельные сопротивления между собой, тем точнее результаты электроразведки для данной строительной площадки.

Основными методами электроразведки, применяемыми при инженерно-геологических исследованиях, являются вертикальное электрозондирование (ВЭЗ) и электропрофилирование (рис. 13.5).

Методы электроразведки, в частности, позволяют определить глубину залегания и рельеф коренных пород, выявить и оконтурить очертания переуглубленных речных долин, выделить слои пород различного литологического состава, выявить зоны тектонических нарушений, определить глубину залегания и форму интрузивных тел, выявить контуры карстовых полостей и т.д.

Однако следует иметь в виду, что при наличии зоны выветривания коренных пород результаты исследований могут быть значительно искажены.

Рис. 13.5. Схема вертикального электрического зондирования:

/ — потенциометр; 2 — источник питания;-----эквипотенциальные линии;

----■ — линии токов; А, Б, В, Г — электроды

Сейсморазведка основана на различии в скоростях распространения упругих колебаний, возникающих как от естественных причин, так и от специально проводимых взрывов. В последнее время при проведении инженерно-геологических работ используют многоканальные микросейсмические установки. С их помощью можно установить глубину залегания скальных пород под поверхностными отложениями, выявить дно речных долин, карстовые полости, уровень грунтовых вод, мощность оползневых накоплений или талых пород в вечной мерзлоте и т.д.

В последние годы при проведении геологической разведки при-трассовых карьеров месторождений песка и песчано-гравийных материалов (ПГМ), представленных современными речными и озерными отложениями, с успехом применяется метод георадиолокационного зондирования (ГРЗ), возможности которого существенно выше возможностей существующих геофизических методов по качеству и достоверности получаемой геологической информации, а также по производительности выполнения работ.

Съемка методом ГРЗ осуществляется посредством непрерывного перемещения антенны георадара по обследуемой поверхности со скоростью 1... 5 км/ч. При хороших условиях, позволяющих беспрепятственно перемещать антенну локатора, производительность метода ГРЗ при экспресс-оценке мощности залежи песчано-гравийных материалов составляет до 20 км профиля в день. При этом георадар позволяет изучать геологический разрез с поверхности почвы, воды, льда и снега. Шаг зондирования, равный 5...30 см, обеспечивает высокую степень детальности изучения геологического разреза. Диаграмма направленности антенны георадара рассчитана на изучение разреза непосредственно под точкой зондирования, что позволяет успешно использовать метод ГРЗ в условиях пересеченного рельефа местности. В настоящий момент возможности метода ГРЗ ограничивают только два фактора: наличие глин, перекрывающих залежи песка, и минерализация воды

обследуемых водоемов. Эти факторы резко снижают глубинност! исследований методом ГРЗ. Если в пресных водоемах и песках бе; примеси глинистой фракции глубинность изучения разреза достигает десятков метров, то в акваториях с повышенной минерализацией воды и в разрезах, содержащих слои глины, глубин ность резко уменьшается. Слои глинистых отложений являютс* экранами, поглощающими электромагнитные импульсы георадара. На рис. 13.6 представлена георадарограмма и схематически* геологический разрез песчаных отложений.

Извлечение образцов грунтов для лабораторных испытаний всегда сопряжено с нарушениями их структуры и напряженной: состояния. При врезании в грунт стакана грунтоноса повреждается прилегающая к нему часть образца. После извлечения образца на поверхность с него снимается давление вышележащих слое! грунта. Если он взят с большой глубины, то начинает разбухать Иногда из грунтовой воды выделяются растворенные газы. Посл< непродолжительного хранения парафинированная оболочка образцов растрескивается и начинается испарение содержащейся i них влаги. Из рыхлых песков и глинистых грунтов текучей и теку-чепластичной консистенции отобрать образцы с ненарушенной структурой практически невозможно, поэтому все шире начинают применять методы испытания грунтов на месте залегания, непосредственно в буровых скважинах. Для оценки однородное^

Рис. 13.6. Георадарограмма (а) и схематический геологический разре (б) песчаных отложений

грунтов и относительного изменения с глубиной их сопротивления нагрузкам применяют методы динамического и статического зондирования.

Сопротивление грунтов прониканию зондов зависит от многих переменных величин (пористости, степени увлажнения, гранулометрического состава, формы минеральных зерен и других факторов), поэтому результаты зондирования характеризуют грунт по совокупности признаков и дают его комплексную характеристику прочности.

При динамическом зондировании (рис. 13.7, а) в грунт забивают штангу диаметром 42 мм с коническим наконечником, имеющим угол при вершине 60° и диаметр основания 74 мм. Зонд забивают ударами падающего молота. В зависимости от плотности грунтов применяют молоты весом 300, 600 и 1200 Н, падающие соответственно с высоты 40, 80 и 100 см. При испытаниях определяют число ударов, необходимых для погружения зонда на 10 см. При этом вводят поправки, учитывающие увеличение массы зонда от наращивания штанг при его погружении, и поправки на трение

штанг о грунт, осыпающийся со стенок скважины. При динамик ческом зондировании грунты характеризуют величиной условно* го динамического сопротивления Ra, МПа:

где Кэ — коэффициент, учитывающий потери энергии при ударе (К= 0,49...0,75 в зависимости от применяемого сооружения); Ко — коэффициент, учитывающий тип применяемого оборудования: А"ф — коэффициент, учитывающий трение штанг зонда о грущ (Хф = 1...0,6 в зависимости от глубины зондирования); п — число ударов в забое; h — глубина погружения зонда за ряд ударов, см.

При статическом зондировании (рис. 13.7, б) в грунт вдавливают с постоянной скоростью, не превышающей 1 м/мин, штангу диаметром 15 мм со стандартным коническим наконечником, имеющим угол при вершине 60° и площадь основания -10 см2. Через каждые 20 см погружения динамометром измеряют предельное сопротивление грунта вдавливанию и лобовое сопротивление конуса. Сопротивление от трения грунта по боковой поверх-

ности штанги определяют по разности между общим и лобовым сопротивлениями.

Метод статического зондирования и его разновидности — пе-нетрации широко используются при инженерно-геологических исследованиях торфяных залежей на заболоченных участках проектируемой трассы дорог. При этом количественная оценка прочности слабых грунтов на сдвиг производится методом вращательного среза с помощью специального полевого прибора — крыльчатки (рис. 13.8).

Этот метод заключается в том, что в грунт на требуемую глубину залавливаются короткие металлические лопасти (рис. 13.8), расположенные друг к другу под углом 90°. Затем эти лопасти проворачиваются. Усилие, требуемое для преодоления сопротивления грунта вращению лопасти, фиксируется динамометром. При вращении лопастей происходит срез грунта на вертикальной цилиндрической и двух горизонтальных плоских поверхностях, очерчиваемых горизонтальными торцами крыльчатки. Прочность грунта на сдвиг SPW определяется по формуле

Деформационные характеристики грунтов определяются по методике пробных нагрузок штампами в шурфах или буровых скважинах. Этот метод достаточно громоздок. В последние годы для их определения все шире применяют прессиометры, создающие всестороннее распирающее давление на стенки скважины (рис. 13.9). Прессиометр представляет собой прибор, опускаемый в скважину, пробуренную в ис-

следуемых грунтах. На стенки скважины через цилиндрическук резиновую камеру путем нагнетания воды передается равномернс распределенное давление. Камера состоит из трех отсеков. Верхний 8 и нижний 10 отсеки являются вспомогательными, так ка* препятствуют расширению рабочего отсека 9 в вертикальном направлении. Вспомогательные отсеки соединены с бачком 6, а средний (рабочий) отсек 9 — с измерительным цилиндром 5. Бачок и; измерительный цилиндр сообщаются между собой и через редук-i тор 2 соединены с малогабаритным высоконапорным газовым бал-^ лоном 1, заполненным углекислотой или сжатым воздухом. Давление газа через воду, заполняющую систему, передается на породу,:; вскрытую в стенках буровой скважины. Деформацию грунтового массива измеряют по изменению объема жидкости в измерительном цилиндре 5 в начале и конце опыта. Измеряют деформации через 2 мин в течение примерно 20 мин до условной стабилизации осадки. После этого задают следующую ступень нагрузки.

Дата добавления: 2014-01-20