4.2 Методика інженерно-геологічних досліджень

Інженерно-геологічні дослідження порід – дослідження порід для прогнозу їх поведінки під впливом інженерної діяльності людини.

Метою інженерно-геологічних досліджень (вишукувань) є відображення характерних особливостей території, що визначають її будівельне використання, і видача матеріалів для оцінки:

а) загальної стійкості території, що характеризується наявністю або відсутністю таких явищ , як карст, просадочність, зсуви, сейсмічність тощо, що обмежують будівельне використання її або вимагають спеціальної підготовки;

б) інженерно-геологічних особливостей окремих ділянок, що виділяються для різного типу будівництва та умов улаштування на них фундаментів окремих будинків і споруд (рельєф, умови залягання порід та їх склад, режим ґрунтових вод, фізико-механічні властивості порід тощо);

в) можливості наявності на території будівництва і найближчих околиць природних будівельних матеріалів (камінь, рінь, пісок, глина, суглинок, вапно, цементна сировина тощо).

Завданням інженерно-геологічних досліджень є опис інженерно-геологічних умов території, наміченої для забудівлі.

Інженерно-геологічні дослідження здійснюються згідно технічного завдання, що видається проектантом.

Склад і обсяги досліджень залежать від етапу і стадії проектування, ступеня вивченості території будівництва, складності будови території, типу і конструкції споруд та ін.

Інженерно-геологічні дослідження для промислового і цивільного будівництва проводяться в два етапи:

а) спочатку проводяться попередні дослідження району можливого розташування площі будівництва,

б) а потім детальні дослідження будівельної площадки і місць під окремі будинки та споруди.

Попередні дослідження району мають за мету дати проектанту потрібний матеріал для вибору найсприятливішої з геологічного та економічного погляду площі для будівництва. Матеріали цих досліджень мають дати проектанту уявлення про геологічну будову значно більшої території, ніж та, що потрібна для розміщення будівельних об’єктів. Попередні інженерно-геологічні дослідження обмежуються звичайно опрацюванням літературних і архівних геологічних та гідрогеологічних матеріалів. Ці дані поповнюються маршрутним рекогносцируванням, під час якого враховуються всі додаткові чинники, що мають значення в розв’язанні поставленого завдання. Зібрані дані узагальнюються в формі записки та оглядової інженерно-геологічної карти, що характеризує рельєф району, його геологічну будову, гідрогеологічні умови та фізико-геологічні процеси і явища, що можуть впливати на оцінку придатності для будівництва окремих ділянок. Карта складається в масштабі 1:25000 або 1:10000, залежно від складності інженерно-геологічних умов. Інженерно-геологічна карта являє собою проекцію на горизонтальну площину меж товщ порід різного складу і віку в місці їх виходу на денну поверхню. До карти прикладаються інженерно-геологічні розрізи (профілі), що являють собою проекції меж товщ порід різного складу і віку на вертикальну площину. На розрізі видно послідовність їх залягання по вертикалі і потужність окремих шарів. Найповніше уявлення про геологічну будову території дають розрізи, які проведені навхрест щодо простягання порід.

Детальні інженерно-геологічні дослідження на будівельній площі повинні починатися при наявності крупно масштабної топографічної основи масштабу 1:5000–1:1000. В результаті проведення цих досліджень необхідно одержати докладні дані про характер порід на окремих ділянках, особливо верхніх горизонтів, потужності кожного шару, дані про витриманість шарів, фізико-механічні властивості порід, глибину залягання ґрунтових вод, хімічний їх склад та деякі інші. Ці дані потрібні для вибору несучого шару для фундаментів, вибору конструкції фундаменту, для передбачення заходів захисту підземних конструкцій від агресивного впливу ґрунтових вод. Ці дані здобувають в результаті розвідувальних робіт, лабораторних досліджень, польових дослідних робіт.

Розвідувальні роботи полягають у проходженні шурфів та бурових свердловин.

Шурф – це вертикальна (на зразок колодязя) виробка прямокутного або квадратного перерізу (1,0х1,5 м). За допомогою шурфів отримують найбільш надійні дані про будову порід у природному заляганні, дозволяють відібрати зразки порід з непорушеною структурою. Шурфи застосовуються для розвідки найближче залягаючих від поверхні сухих порід і проходяться до глибини 5,0 м без кріплення стінок (для розвідки глибших, а також водовмісних порід, застосовують буріння). Шурфи проходять за допомогою лопати до глибини 3,0м, глибше – застосовують ворот. В міру проходження шурфу роблять зарисовку розрізу порід всіх чотирьох стінок. Дані розвідки заносять у польовий журнал. У шурфах відбирають моноліти окремих літологічних відмін – зразки з непорушеною структурою з лінійним розміром зразка не менше 20 см, які парафінують, для вивчення в лабораторії фізико-механічних властивостей (об’ємна вага, пористість, опір стискаючим та зрушуючим зусиллям та ін.). Кожний зразок повинен мати етикетку, що містить такі дані: номер зразка, місце здобуття зразка, назва породи, глибина взяття зразка, дата здобуття, підпис особи, що взяла пробу, назва розвідувальної організації.

Бурова свердловина – прорізана товща порід циліндричним отвором. Буріння прискорює процес розвідування, дає змогу охарактеризувати породи, що залягають на великій глибині, не потребує водовідливу. Дані розвідки заносять у буровий журнал. В свердловинах відбирають, переважно, зразки з порушеною структурою через 0,5 м і при кожній зміні складу порід. Зразки, що відбираються з метою визначити вологість, укладають у бюкси (баночки алюмінієві). Глибина свердловин, як правило, не перевищує 10-12 м. Діаметр буріння рекомендується не менший як 89 мм, а для відповідальних точок – 114мм. При зустрічати підземних вод необхідно відмічати ту глибину, на якій зустрінута вода, і глибину, на якій встановився рівень. З водоносних прошарків беруть пробу води для хімічного аналізу в лабораторії.

Розвідувальні виробки слід розміщати з таким розрахунком, щоб значна їх частина припала на безпосереднє дослідження основ під фундаментами будинків і споруд.

З геофізичних методів досліджень на практиці застосовують електророзвідку (вертикальне електричне зондування, електропрофілювання, електричний каротаж). Метод вертикального електричного зондування (ВЕЗ) застосовується для вивчення розрізу порід в якій-небудь точці, електропрофілювання – для вивчення розрізу вздовж певної лінії, електричний каротаж – дозволяє встановити границі порід в свердловинах за їх електричним опором.

Лабораторні дослідження мають двояке призначення:

а) уточнити найменування піщаних та грубоуламкових порід на підставі співвідношення гранулометричних фракцій, уточнити назву глинистих порід відповідно до так званого числа пластичності;

б) оцінка фізико-механічних властивостей порід для будівельних цілей:

- якщо основою споруд є скельні породи, то достатньо визначити тимчасовий опір їх на роздавлювання у водонасиченому стані;

- для напівскельних порід (крейда, мергель, вапняк) потрібно визначити хімічний склад водорозчинної частини і вивчити петрографічно під мікроскопом;

- для глинистих порід (глини, суглинки, супіски) на зразках порушеної структури визначається вибірково гранулометричний склад і питома вага, на зразках природної структури і вологості проводяться масові визначення об’ємної ваги, вологості, пористості, границь пластичності, вибірково – стисливості та опору зрушенню, для лесових порід – і величину відносної просадочності, для порід з помітними органічними домішками – втрату ваги при прожарюванні;

- для піщаних порід потрібно визначити гранулометричний склад, щільність і вологість; якщо основою споруд є піщані породи потрібно визначити гранулометричний склад, об’ємну вагу в стані природної структури та вологості, вологість, ступінь вологості, вибірково – питому вагу, кут природного укосу, в тому випадку, коли потрібний дренаж ділянки – коефіцієнт фільтрації;

- для оцінки агресивності дії ґрунтових вод на підземні конструкції або в разі наявності в основі карбонатних та сульфатних порід проводиться хімічний аналіз цих порід і вод; проектуючи дренаж ґрунтових вод потрібно досліджувати також склад води щодо випадіння солей та колоїдних осадів, що засмічують фільтри й труби.

Основні фізичні і фізико-механічні властивості грунтів і методи їх визначення.

Для оцінки поведінки грунтів при їх взаємодії з навантаженнями від споруд потребуються кількісні характеристики властивостей грунтів, серед яких важливу роль відіграють питома і об’ємна вага, консистенція, пластичність, набрякання, усадка, просадка, липкість, водоміцність, розчинність, здатність до розмивання, стійкість до вивітрювання, стисливість, опір порід зрушенню, суфозія, пливунність та інші.

Питома вага - відношення ваги частинок породи (скелету), що висушені до повної втрати вологи, до об’єму, що займають ці частинки. Виражається питома вага у г/см³ або т/м³, що чисельно збігається. Питома вага породи – це середня питома вага мінералів, з яких складаються глинисті та піщані породи, коливається в невеликих межах, тому в середньому питома вага цих порід дорівнює 2,60-2,75. Величина питомої ваги входить у розрахункові формули для визначення пористості та стисливості глинистих порід. Питому вагу визначають за допомогою пікнометра (колба об’ємом 100 см³ при 20⁰С). Пробу породи вагою 10-20 г, висушеної при температури 105 ⁰С уміщають у пікнометр, доливають до половини об’єму води і кип’ятять протягом 30 хвилин (піски й супіски) або 1 години (суглинки й глини). Після кип’ятіння пікнометр з породою охолоджують, наливаю води до мірної риси і зважують. Потім суспензію з пікнометра виливають, ополіскують його, наповнюють водою до риси і знову зважують.

Розрахунок питомої ваги проводиться за формулою:

,

де γ_п – питома вага породи;

b – вага висушеної породи, уміщеної в пікнометрі;

a – вага пікнометра з водою;

с – вага пікнометра з водою й породою.

Об’ємною вагою породи називаємо вагу одиниці об’єму породи. Виражається об’ємна вага у г/см³ або т/м³, що чисельно збігається. Для зв’язних глинистих порід розрізняють два види об’ємної ваги:

1) об’ємна вага породи в природному стані, тобто вага одиниці об’єму породи при даній пористості і вологості;

2) ) об’ємна вага твердої фази породи, тобто вага одиниці об’єму породи без ваги води в порах, але з збереженням природної пористості.

Об’ємна вага твердої фази характеризує щільність породи; чим більша величина об’ємної ваги твердої фази, тим менша її пористість і тим щільніше вона складена.

Об’ємна вага твердої фази застосовується як розрахункова характеристика для визначення пористості.

Об’ємна вага породи в природному стані входить у формули розрахунку стійкості укосів, тиску породи на підпірну стінку тощо.

Об’ємну вагу глинистих порід у природному стані визначають найчастіше двома методами: методом ріжучого кільця і парафінуванням.

Об’ємна вага твердої фази визначається за формулою:

,

де γ_с – об’ємна вага твердої фази;

γ_п – питома вага породи;

W – вагова природна вологість породи в процентах.

Для піщаних порід об’ємну вагу твердої фази визначають безпосередньо, висушуючи зразок до сталої ваги при температурі 105-110 ⁰С. Об’ємна вага породи під водою визначається за формулою:

,

де γ_зв – об’ємна вага породи під водою;

γ_с – об’ємна вага твердої фази;

γ_п – питома вага породи.

Метод ріжучого кільця полягає ось у чому:

Заздалегідь зважений циліндр без покришки і дна діаметром 5-10 см і 3-5см заввишки врізають у моноліт породи. Зайву породу підрізають у рівні з краями циліндра. Потім циліндр з породою зважують. Визначивши вагу породи з різниці (вага циліндру з породою – вага циліндру), обчислюють її об’ємну вагу за формулою:

,

де γ_п – питома вага породи;

g – вага породи;

V – об’єм породи, що приймається рівним об’ємові циліндра.

Метод парафінування застосовується, головним чином, для зв’язних порід і полягає ось у чому:

З моноліту вирізується зразок породи (близько 200 г), що зважується (вага g₁). Потім зразок укривається тонким шаром парафіну і знову зважується (вага g₂). Після цього запарафінований зразок занурюється в посудину з водою, де знову зважується (вага g₃). З різниці ваги g₂ - g₃ визначається об’єм породи разом з парафінованою оболонкою. Об’єм парафінованої оболонки V₂ визначається з рівняння:

.

Різниця між об’ємом породи разом з парафіновою оболонкою V₁ і об’ємом парафінової оболонки V₂ дає об’єм породи V₃. Поділивши вагу породи g₁ на її об’єм V₃ матимемо об’ємну вагу γ₀. Об’ємна вага піщаних порід у природному стані визначається методом ріжучого кільця.

Об’ємна вага вологих піщаних та глинистих порід залежить від пористості і вологості порід. Величина її змінюється найчастіше в межах від 1,6 до 2,2 г/см³.

Консистенція глинистих грунтів - ступінь рухомості частинок грунту при механічному впливу на них. Консистенція залежить від вологості грунту, ступеню дисперсності, мінерального складу. Форма консистенції глинистих грунтів визначає несучі властивості їх і, таким чином, поведінку під спорудами. Для глинистих порід характерна пластична форма консистенції, тому їх називають пластичними. В залежності від вологості грунтів виділяють консистенції: тверду, напівтверду, туго пластичну, м’якопластично, текучопластичну і текучу. Показник консистенції (I_l) визначається з виразу:

,

де W – природна вологість;

W_t – вологість на границі текучості;

W_p – вологість на границі розкачування.

Всі величини виражаються у долях одиниці.

Границею текучості називають вологість, при якій грунт з пластичного стану переходить в текучий; границею розкачування – вологість, при якій грунт переходить з пластичного стану у твердий.

За співвідношенням природної вологості глинистої породи і вологості, що відповідає межі текучості та межі розкачування, прийнято такі градації фізичного стану глинистої породи в природних умовах:

при W≤1,2 W_p – стан твердий;

при W_t>W>1,2 W_p – стан пластичний;

при W>W_t – стан текучий.

Пластичність глинистих грунтів або здатність породи при певній вологості змінювати свою форму без розриву під впливом зовнішньої дії і зберігати цю форму після припинення зовнішньої дії характеризується числом пластичності, що являє собою різницю між вологістю межі текучості і вологістю межі розкачування:

W_п =W_т –W_р

Межею текучості (W_т) називають виражену в процентах величину вагової вологості тіста, що виготовлена з породи і води, в яке «балансирний конус» занурюється під впливом власної ваги за 5 секунд на глибину 10 мм.

Межею розкачування (W_р) називають виражену в процентах величину вагової вологості, при якій тісто, що виготовлене з породи і води, розкачуване в джгут 3 мм завтовшки, починає кришитися.

За числом пластичності, згідно будівельним нормам і правилам, грунти розділяються на такі групи:

Група грунтів	Число пластичності
Глини	>17
Суглинки	17-7
Супіски	7-0
Піски	0

Класифікація грунтів дорожників крім числа пластичності враховує також вміст піщаних частинок:

Вид	Ризновидність	Число пластичності	Вміст піщаних частинок в грунті
			за розміром частинок в мм	за вагою в %
Глини	Жирні	>27	не нормуються
	Пилуваті (напівжирні)	17-27	не нормуються
	Піщанисті		2-0,05	>40
Суглинки	Важкі пилуваті	12-17	2-0,05	<40
	Важкі	17-27		>40
	Середні і легкі пилуваті	7-12	2-0,05	<40
	Легкі			>40
Супіски	Важкі пилуваті	1-7	2-0,05	<20
	Пилуваті			20-50
	Важкі			>50
	Легкі	1-7	2-0,25	>50
Піски	Пилуваті	<1	>0,1	>75
	Дрібні		>0,1	<75
	Середні		>0,25	>50
	Крупні		>0,5	<50
	Дуже крупні		>1	>50

Набряканням називається здатність глинистих грунтів до збільшення свого об’єму при взаємодії з водою. Ця здатність пояснюється гідрофільністю породи, зокрема осмотичним всмоктуванням нею води. Осмотичне всмоктування визначається складом і структурою породи, складом обмінних катіонів і водою, що впливає на породу. Набрякання характеризується вологістю (кількістю води, що всмоктується зразком породи при повному набряканні), тиском, який розвивається у зразку, що набряк, і величиною набрякання (відношенням об’єму або висоти зразка породи, що набряк, до початкового його об’єму або висоти до набрякання). Відносна величина набрякання визначається з виразу:

,

де δ_н – відносна величина набрякання;

h_н – висота зразка породи, що набряк;

h – початкова висота зразка породи при природній вологості.

При відносній величині набрякання до 0,04 грунт відноситься до тих, що не набрякає, від 0,04 до 0,08 – до тих, що слабо набрякає, від 0,08 до 0,12 – до тих, що середньо набрякає, і більше 0,12 – до тих, що сильно набрякає.

Усадкою називають процес зменшення об’єму породи при усиханні і промерзанні. Зменшення об’єму глин при усиханні відбувається тільки до певної величини вологості, що називається межею усадки. Усадку можна характеризувати: 1) зменшенням об’єму або довжини зразка, що висихає (об’ємна і лінійна усадка) і 2) вологістю при межі усадки. Вологість при межі усадки перем’ятих, що насичені водою, зразків породи характеризує мінімальну пористість глинистого зразка, що відповідає максимальному значенню його об’ємної ваги. Найбільші пластичні і здатні до найбільшого набрякання глинисті породи дають і найбільшу усадку. Внаслідок усадки утворюються тріщини, які виникають в породі завдяки зменшення об’єму (усадки), що викликана зменшенням вологості. Тріщини спричиняють іноді повну руйнацію грунту.

Просадкою називають здатність грунтів при стійкому зволоженні давати просадку, тобто зменшувати свій об’єм і деформуватися. Просадка грунтів характерна для лесів і лесових грунтів, які за діючими будівельними нормами і правилами відносяться до так званих макропористих грунтів. Явище просадки лесових порід часто спричиняється до нерівномірної осадки будинків та споруд, що приводить до деформації фундаменту, утворення в стінах будинків і споруд тріщин, нерівномірного нахилу споруд, порушення роботи механізмів, що знаходяться в будинках і т.д. Просадки виникають внаслідок зволоження лесових порід, зокрема, коли під фундаментами будинків і споруд підіймається рівень ґрунтових вод. При цьому підняття рівня ґрунтових вод часто зв’язане буває не тільки з проникненням у породу атмосферних опадів, але також і з утратами господарських вод (утрати з водопровідної та каналізаційної мереж тощо). Іноді підняття ґрунтових вод може бути викликане спорудженням у районі будівництва гребель та водосховищ.

Для кількісної характеристики ступеня просадочності лесових порід БНіП рекомендується користуватися показником, що дістав назву величини відносної просадочності і обчислюється за формулою:

,

де δ_пр – величина відносної просадочності;

h – висота зразка породи природної структури і вологості, об тисненого в умовах, де неможливе бічне розширення тиском 3кг/см²;

h^/ – висота того ж зразка при додатковому замочуванні і збереженні того ж самого тиску;

h₀ – початкова (до обтиснення) висота зразка породи природної структури і вологості.

Отже, δ_пр – це величина відносного додаткового стиснення породи під навантаженням 3 кг/см², яке виникає при зволожуванні основи, поверх відносного стиснення породи при цьому ж навантаженні, але без зволоження.

Випробовування зразків породи, з висотою не менш як 2 см і площею 50-70 см² проводиться в компресійних приладах типу одометрів.

Просадочними вважаються такі породи, величина відносної просадочності δ_пр яких більша за 0,02.

Абсолютна просадочність грунтів – це величина просадочності, що обчислюється для всієї потужності досліджуваної просадочної товщі.

Відносна просадочність грунтів – це величина просадочності, що обчислюється на одиницю потужності досліджуваної просадочної товщі.

Просадки – це деформації в лесах і лесовидних суглинках, що проявляються на поверхні землі у формі западин і тарілок під впливом води, що просочувається, без збільшення зовнішнього навантаження на грунт

Липкість – здатність грунтів прилипати до предметів, з якими вони стикнулися. Властивість липкості характерне для глинистих грунтів, що знаходяться у зволоженому стані. На ступінь липкості крім вологості впливає гранулометричний і мінеральний склад грунту та склад поглинених основ. Збільшення липкості з зростанням вологості відбувається лише до певної межі. Липкість використовується при оцінці придатності грунтів для полотна доріг, а також при виясненні оброблюваності їх дорожніми і сільськогосподарськими машинами. Величина липкості вимірюється зусиллям, яке необхідне для відриву від грунту предмету, що прилип, в г/см².

Водоміцністю називається здатність грунту зберігати механічну міцність і стійкість при взаємодії з водою; вона характеризується розмоканням і розм’якненням.

Розмокання грунтів – здатність грунтів при всмоктуванні води губити зв’язність і перетворюватися в рихлу незв’язну масу з повною втратою несучої здатності. Розмокання грунтів залежить від їх складу, ступеню дисперсності породи, характеру зв’язків між частинками, початкової вологості і складу води. Величина розмокання грунтів використовується при оцінці явищ переробки берегів водосховищ, стійкості укосів каналів, стінок котлованів та інших земляних споруд. Показником розмокання грунтів є: 1) час, на протязі якого зразок грунту, що занурений у воду, губить зв’язність і розпадається; 2) характер розпаду (крупні і дрібні грудки, пил і т.п.).

Розм’якнення грунтів – зменшення міцності твердої гірської породи під впливом води. Розм’якнення грунтів характеризується коефіцієнтом розм’якнення, що представляє собою відношення часового опору породи стисненню до насичення водою і після насичення:

,

де η – коефіцієнт розм’якнення;

– часовий опір породи стискуванню до насичення водою;

– часовий опір породи стискуванню після насичення водою.

До грунтів, що розм’якчаються, відносяться грунти з коефіцієнтом розм’якнення менше 0,75.

Розчинність обумовлена здатністю карбонатних, сульфатних, галоїдних і деяких інших грунтів розчинятися при русі по них підземних вод. Ступінь розчинності залежить від хімічного складу грунтів, а також від хімізму води і швидкості її руху.

Розмивання грунтів обумовлено здатністю їх віддавати агрегати або елементарні частинки воді, що рухається і впливає ґрунтову товщу. Визначення величини розмивання здійснюється в гідравлічних лотках.

Стійкість до вивітрювання характеризує ступінь стійкості грунту проти вивітрювання і особливо впливу води. Вивітрювання – сукупність процесів фізичного і хімічного руйнування мінералів і гірських порід на місці їх залягання під впливом коливання температури, замерзання і відтаювання води, газів, що знаходяться в атмосфері і розчинені у воді, діяльності рослинних і тваринних організмів і т.п. В результаті вивітрювання в грунтах виникають тріщини, порожнини, змінюється мінеральний склад і фізичний стан, порушуються структурні зв’язки. Це спричиняє погіршення міцності грунтів. Кількісною оцінкою стійкості грунтів проти вивітрювання служить коефіцієнт вивітрюваності:

,

де – коефіцієнт вивітрюваності;

– часовий опір грунту стискуванню до вивітрювання;

– часовий опір грунту стискуванню після річного циклу впливу на грунт процесів вивітрювання.

Стисливість – здатність грунтів зменшуватися у об’ємі (давати усадку) під впливом зовнішніх навантажень. Ступінь стисливості і явища, що відбуваються при стисканні, залежать від характеру і структури грунти.

Стискання піщаних грунтів зв’язано з взаємним переміщенням окремих зерен, а при великих тисках і з їх дробленням. Стискання цього типу грунту відбувається швидко незалежно від вологості його.

Стисливість глинистих грунтів залежить від їх мінерального складу, ступеню дисперсності, складу обмінних катіонів, пористості, а також від стану грунту і умов стискання. Більш гідрофільні монтморилонітові глини характеризуються більшою стисливістю у порівнянні з каолінітовими. При однакових умовах проведення досліду стисливість глинистих грунтів тим більша, чим вища їх дисперсність. Глини, що насичені Na, більше стискуються ніж глини, що насичені Ca. Чим більша пористість, тим більша абсолютна величина стискання.

Для визначення стисливості глинистих грунтів в лабораторних умовах проводять компресійні випробовування, піддавши зразки стискуванню в спеціальних приладах при різних навантаженнях виключаючи бокове розширення грунту. За результатами випробовувань будують графік – компресійну криву, що характеризує залежність коефіцієнту пористості грунту від навантаження, що прикладається. За графіком знаходять коефіцієнт ущільнення, яки дорівнює зміні коефіцієнту пористості при зміні навантаження на 1 кг/см²:

,

де a – коефіцієнт ущільнення, см²/кг;

– коефіцієнт пористості при навантаженні ;

– коефіцієнт пористості при навантаженні .

За величиною коефіцієнту ущільнення грунти поділяються на наступні групи:

- такі, що не стискуються (a≤0,001);

- такі, що слабо стискуються (0,001>a<0,01);

- такі, що середньо стискуються (0,01>a<0,1);

- такі, що дуже стискуються (a≥0,1).

Для визначення величини стискування товщі необхідно знати модуль усадки, що показує величину стискання грунту в міліметрах, що приходиться на 1 м потужності грунту при певному навантаженні. Знаючи потужність шару грунту в активній зоні (h) і модуль усадки (ε_р), можна визначити величину стискання всієї товщі (Δh):

Δh= ε_рh.

Опір порід зрушенню називають здатність породи чинити опір зміщенню однієї частини відносно другої, зумовлену силами зчіплювання і силами тертя між частинками породи. Цей показник має велике значення при визначенні несучої здатності грунтів в основі споруд, для оцінки стійкості укосів і для ряду інших інженерних розрахунків. Опір породи зрушенню характеризується кутом внутрішнього тертя φ і зчіплюванням с. В піщаних породах силами опору зрушуючим зусиллям є сили внутрішнього тертя, що постають при переміщуванні одної частини породи по другій. В глинистих породах, крім внутрішнього тертя, зрушенню чинять опір також існуючі між частинками зв’язки зчеплення різної хімічної та фізичної природи. В глинах з порушеною структурою опір зрушуючим зусиллям менший, ніж у глинах з природною структурою. В глинах, що знаходяться в розрідженому стані, цей опір дорівнює нулю. Дослідження глинистих порід на зрушення слід проводити на породах з монолітів. Опір порід зрушенню (T) зростає з збільшенням тиску (N). Для визначення опору зсуву застосовують прилади різних конструкцій. Зсув звичайно здійснюють в одній площині, інколи – в двох. Під час досвіду фіксують величину зсувного зусилля при різних навантаженнях і по цим даним будують графік.

Досліди для вивчення опору породи зрушуючим зусиллям зви­чайно провадять за допомогою особливих приладів, що дозво­ляють здійснити зріз зразка породи по заздалегідь зафіксованій площині. Принцип цих приладів полягає в тому, що робочою їх частиною є стальний циліндр, розрізаний на дві частини (рис. ).

Рис. Схема зрушення зразка у приладі:

1 – зони зрушення.

У циліндр вміщається зразок випробовуваної породи. До горіш­ньої поверхні зразка прикладається нормальне навантаження N. Верхня або нижня частина циліндра може пересуватися в гори­зонтальній площині під впливом прикладуваної до них зрушую­чої сили T. Зріз можна робити і без води, і заливаючи зразок водою. Проводячи зріз породи при різних вертикальних навантажен­нях і виміряючи відповідну зрушуючу силу, дістають дані для по­будови графіка залежності між ними (рис. ). Звичайно за­стосовують вертикальні навантаження, рівні 1, 2, 3, 5 кг/см².

Рис. Графік залежності опору глинистих порід зрушенню (T) від вертикального навантаження (N).

За даними графіка визначають основні параметри зрушення: кут внутрішнього тертя φ і питоме зчіплювання с.

Пряма АВ, проведена через точки, що відповідають результа­там паралельно випробуваних зразків породи, є лінією зрушую­чих напружень. Кут нахилу цієї прямої до горизонтальної осі гра­фіка дає кут внутрішнього тертя φ, величина тангенса кута tgφ – коефіцієнт внутрішнього тертя, а відрізок, що його відтинає пряма зрушення на вертикалі осі графіка – величину зчіплюван­ня с.

Ці характеристики можна обчислювати за такими формулами:

а) коефіцієнт внутрішнього тертя tgφ = , де φ – кут внутрішнього тертя;

б) величина зчіплювання с = T_A – N_A tgφ.

Пряма зрушення для випадку випробовування пісків проходить звичайно через початок координат (зчіплювання немає), а для глинистих порід вона відтинає на осі ординат деякий відрізок, що виражає опір зрушенню (T) при відсутності нормального тиску (N), або так зване зчіплювання (c).

Величина зчеплення свідчить про те, що навіть при відсутності нормального тиску для отримання зсуву необхідно прикласти певне зусилля. В рихлих грунтах сили зчеплення мізерні і приладами фактично не реєструються. Тому для незв’язних грунтів опір зсуву дорівнює

T =|із N tgφ.

В чистих пісках величина кута внутрішнього тертя відповідає величині кута природного укосу, тобто куту, що вільно утворюється піском, що осипається.

Кут природного укосу визначають у повітряно сухому стані і під водою. Найпростіший прилад для цього – батарейна банка прямокутної форми. Банку становлять руба, на ребро, і в неї насипають досліджуваний пісок так, щоб горішня його поверхня була горизонтальною. Після цього банку обережно ставлять на дно, і пісок осипається, утворюючи природний укіс (рис. 3.7). Замірявши висоту h і основу а укосу, визначають кут природного укосу за формулою

tgφ=h/а,

де h – висота укосу;

а – довжина основи укосу.

Цим самим способом визначають кут природного укосу породи під водою. Для того, щоб пісок, коли повертатиметься банка, не розмивався, поверхню піску прикривають аркушем паперу і потім у банку наливають води. Після того, як банка буде поставлена на дно, папір обережно виймають.

Рис. Схема визначення кута природного укосу в сипких породах

При розгляді стійкості схилів широко прийнято виражати|виказувати| опір зрушенню|зсуву| як функцію нормального до сдвиговой| майданчика тиску|тиснення|, намагаючись|пробувати| таким чином врахувати вплив на міцність порід зміні| їх щільності і вологості|вогкості| при зміні величини діючих| на них нормального тиску|напруження|. При цьому приймають, що вплив тиску|тиснення| на опір зрушенню|зсуву| підкоряється емпіричній формулі Кулона (рис. ):

T = с|із| + N tgφ,|

де T – опір зрушенню (кг/см², т/м²), N - нормальна навантаження (кг/см², т/м²), с – зчеплення (у кг/см² або т/м²), φ - кут внутрішнього тертя і коефіцієнт внутрішнього тертя tgφ.

Рис. Графік залежності опору порід зрушенню|зсуву| (T) від нормального навантаження (N)|напруження|

Стійкість вільних укосів і схилів, складених зв'язаними грунтами.

Метод кругло-циліндрових поверхонь ковзання широко застосовується на практиці (для асеквентних зсувів), оскільки дає деякий запас стійкості і грунтується на дослідних даних про форму поверхонь ковзання при зсувах обертання, які на підставі численних вимірів в натурі приймають за кругло-циліндрових, при цьому саме невигідне їх положення визначається розрахунком. Прийняття|прийняття| певної форми поверхонь ковзання і ряду| інших допущень робить|чинить| цей метод наближеним|.

Допустимо, що центр кругло-циліндрової| поверхні ковзання| призми, що сповзає, знаходиться|перебуває| в точці|точці| 0 (рис. а).

Рис. Схема розрахунку стійкості укосу по кругло-циліндровим| поверхням| ковзання: а - схема дії сил, б - положення|становища| небезпечних дуг ковзання, в - схема сил, що діють по поверхні ковзання

Рівнянням рівноваги буде

ΣМ0 =0.

Для складання рівняння моментів щодо точки обертання 0 розбивають призму ковзання АВС вертикальними перетинами на ряд відсіків і приймають вагу кожного відсіку умовно прикладеним в точці перетину ваги відсіку Р_tc з відповідним відрізком дуги ковзання, а силами взаємодії по вертикальній плоскості відсіку (вважаючи, що тиск від сусідніх відсіків рівний по величині, а по напряму протилежні) нехтують. Розкладаючи далі сили ваги Р_і на напрям радіусу обертання і йому перпендикулярне, складають рівняння рівноваги, прирівнюючи нулю момент всіх сил щодо точки обертання:

Скорочуючи цей вираз на R, отримаємо

Тут L - довжина дуги ковзання АС; (φ, c - кут внутрішнього тертя і зчеплення грунту; Т_i і N_i - тиск, що становить, від ваги відсіків, визначувані графічно або обчислювані по вимірах кутів φ:

T_i = P_isinα_i і N_i = P_icosα_i.

За коефіцієнт стійкості укосу приймають відношення|ставлення| моменту| сил, що утримують до моменту, що зрушують|зсовують|, тобто

K=

Проте|однак| рішення поставленої задачі визначенням коефіцієнту стійкості для довільно вибраної дуги поверхні ковзання не закінчується, оскільки|тому що| необхідно зі|із| всіх можливих дуг поверхонь| ковзання вибрати найбільш небезпечну. Останнє виконується шляхом| спроб, задаючись різними положеннями|становищами| точок обертання О.

Для ряду намічених центрів дуг поверхонь ковзання (О₁, О₂, О₃ – б) визначають необхідне по умові стійкості зчеплення, відповідне граничній рівновазі заданого укосу, по виразу, що витікає із співвідношення, а саме:

c = .

Далі, зі|із| всіх можливих центрів ковзання вибирають той, для якого потрібна максимальна величина сил зчеплення. Цей центр приймають за найбільш небезпечний і для нього по формулі обчислюють|обчисляють| коефіціент| стійкості K.

Зазвичай|звично| вважають|лічать|, що при величині K ≥ 1,1 - 1,5 укіс буде стійким. ||

Для випадку консеквентного обвалу (рис. ) розрахункова формула спрощується до вигляду

K= .

тобто як для випадку асеквентного| зсуву|оповзня|, але|та| тільки|лише| з|із| одним блоком.

Рис. Схема розрахунку стійкості укосу консеквентного зсувного|оповзень| схилу

Наприклад д|задачі|ДДано:

- геологічна характеристика грунтів зсувного|оповзень| схилу (дані буріння по свердловинах|щілинах|);

- фізико-механичні характеристики грунту тіла зсуву (φ - кут внутрішнього тертя, с - зчеплення, γ - об'ємна вага).

Потрібно розрахувати коефіцієнт стійкості К обвального схилу за формулою

K= .

Виконання:

- побудова|шикування| геологічного розрізу відповідно до варіанту завдання|задавання|;

- виділення на розрізі тіла зсуву|оповзня| і поверхні ковзання;

- визначення площі|майдану| тіла зсуву|оповзня| (F);

- визначення ваги тіла зсуву P = F γ s (s - ширина блоку, 1,0 м);

- вимір кута укосу зсувного схилу α і довжини поверхні ковзання тіла зсуву L;

- визначення зрушуючої Т і нормальною N складових тиску ваги тіла зсуву:

T = P sinα і N = P cosα.

- розрахунок коефіцієнта стійкості зсувного|оповзень| схилу за формулою K= .

Суфозія грунтів – механічний винос підземними водами дрібних частинок з грунту. Механічна суфозія являє собою дуже небезпечне явище, бо нерідко вона спричиняється до виникнення зсувів (це так звані суфозійні зсуви), викликає нерівномірну осадку будинків тощо. Виникнути суфозія може тільки при певному гранулометричному складі і структури піску і при відповідній швидкості руху води. Сприятливими умовами для розвитку механічної суфозії є:

а) висока пористість піску (порядку 40-45 %) при різкому переважанні щодо розмірів двох складаючих його фракцій, діаметри зерен яких мають визначатися відношенням ;

б) турбулентний режим потоку, що в пісках можливе тільки при градієнті фільтрації J>5;

в) чергування шарів піску з співвідношенням їх коефіцієнтів фільтрації більше ніж у два рази; у цьому випадку суфозія можлива на контактів шарів.

Щоб запобігти механічної суфозії, треба вживати заходів до зменшення швидкостей фільтрації, чого можна досягти, зокрема, холодною бітумізацією пісків, суть якої полягає ось у чому. У породи крізь спеціально пробурені свердловини нагнітається бітумна емульсія, яка заповнює порожнини і замуляє пори, чим досягається зменшення водопроникності порід.

Заходи до запобігання суфозії в глинах і лесі зводяться до перехоплення поверхневих та ґрунтових вод різного роду дренажними спорудами.

Пливунність грунтів – це особливий стан насиченої водою рихлої незв’язної породи, який проявляється в тому, що при розкритті породи котлованом або виїмкою вона приходить у рух подібно до текучого тіла. В переважній більшості пливунні властивості притаманні дрібнозернистим та пилуватим піскам. Пливуни поділяються на два типи: несправжні і справжні.

Несправжні пливуни – це звичайні дрібнозернисті та пилуваті піски, що знаходяться у зваженому стані в результаті наявності деякого гідравлічного або напірного градієнта. Справді, якщо через пісок у циліндрі пропускати знизу вгору потік води, збільшуючи її напір, то при певному співвідношенні напору і ваги породи пісок розпушиться і збільшить свій об’єм. Коли б на поверхні піску був якийсь предмет з питомою вагою більшою від піску, то він у цьому разі занурився б униз.

Градієнт, при якому гідродинамічний тиск фільтраційного потоку на зерна піску досягне їх ваги і приведе їх до зваженого рухомого стану, називається критичним і виражається він так:

Ікр=(γ_п-1)(1-n),

де Ікр – критичний градієнт;

γ_п – питома вага частинок піску;

n – пористість у частках одиниці.

При питомій вазі піску, рівній 2,65, пористості в межах від 0,5 до 0,3 Ікр відповідно дорівнюватиме 0,8-1,2. Звідси виходить, що чим більша пористість піску, тим при менших значеннях гідравлічного градієнт пісок може перейти в рухомий стан.

Рухомість несправжніх пливунів стоїть у зв’язку не стільки з наявністю гідравлічного або напірного градієнта, скільки з присутністю в породі гідрофільних ультра колоїдних частинок (діаметром <0,0002), що знаходяться на поверхні піщаних частинок і надають пливунові так званих тиксотропних властивостей.

Тиксотропією називаємо здатність породи розріджуватися під впливом раптово прикладеного навантаження або струшування і знову ущільнюватись після певного періоду спокою. Тому в період спокою справжній пливун являє собою звичайно таку щільну масу, що важко піддається розробці лопатою і вільно витримує певне тиснення без помітних ознак осадки. Але як тільки такий пливун виводиться з стану спокою, що постійно буває при його розробці, він легко розріджується, перетворюючись у в’язку рідину, що повільно заповнює котлован.

Гідрофільні колоїди зв’язують, внаслідок чого піщинки, обліплені ними, зменшують свою питому вагу. Це збільшує здатність таких пісків переходити у зважений стан при досить низьких градієнтах.

У справжніх пливунах більша частина води знаходиться у зв’язному стані, отже й усунути її надзвичайно важко і через це боротьба з такими пливунами набагато трудніша, ніж несправжніми пливунами.

Основні заходи для подолання труднощів, що їх створюють при будівництві пливуни: заморожування, хімічне закріплювання, штучне осушування їх, електрохімічне закріплювання і шпунтове кріплення.

Водні властивості гірських порід і методи їх визначення.

Найголовнішими властивостями, що визначають властивості гірських порід до води, є пористість, вологість, водопроникність, капілярність, вологоємкість та розчинність. Пористість, водопроникність, капілярність, вологоємкість для незцементованих осадових порід значною мірою залежать від гранулометричного складу породи. Дослідники користуються графічним зображенням результатів аналізу в системі прямокутних координат, де на осі абсцис відкладаються розміри частинок у міліметрах, а на осі ординат – суми процентів частинок, менших за даний діаметр (рис.).

Рис. Графічне зображення результатів аналізу

гранулометричного складу породи

З графіку можна визначити ефективний діаметр і коефіцієнт однорідності, що дозволяють судити про водопроникність і капілярність.

За ефективний діаметр (d_еф.) прийнято той діаметр, що меншого від нього в породі міститься десять процентів частинок. Під коефіцієнтом однорідності (К_одн.) розуміють відношення діаметра частинок, меншого від якого в породі міститься 60 %, до ефективного діаметра, тобто

К_одн= .

Ступінь однорідності породи визначається також і характером кривої гранулометричного складу. Чим крутіша крива, тим однорідніша порода. Положистий вигляд кривої свідчить за неоднорідність породи щодо гранулометричного складу.

Пористість. Наявність пор та порожнин в гірській породі має назву пористості (n). Кількісна пористість виражається відношенням об’єму пор і порожнин до всього об’єму породи і може бути виражена або в частках одиниці, або в процентах.

Пористість в магматичних породах незначна (1 %), виключення – туфи (до 60 %), пористість вапняків і пісковиків – 5 – 10 %, пісків – 30 – 35 %, глин – 60 – 70 %.

Коефіцієнт пористості (ε) розуміється відношення об’єму пор до об’єму твердих частинок (скелету) породи. Між пористістю (n) і коефіцієнтом пористості (ε) існує така залежність:

n = або ε = .

Пористість незцементованих порід залежить від форми частинок, їх взаємного розміщення, ступеня однорідності та кількісних співвідношень частинок різної величини і не залежить від розміру частинок, якщо вони мають однаковий діаметр.

Якщо розмір частинок не впливає на величину пористості, то він зумовлює величину загальної поверхні частинок, яка збільшується із зменшенням їх розміру. Наприклад, для частинок діаметром 10 мм питома поверхня (загальна поверхня частинок в одиниці їх об’єму) дорівнює 6 см²/см³, а для частинок діаметром 0,000001 мм – 6*10⁴ см²/см³. Чим більша поверхня частинок, тим більша поверхня змочування і тим більший опір зазнає вода при своєму рухові в породі. Чим менш однорідна незцементована рихла порода, тим пористість її менша, бо вона зменшується внаслідок заповнення проміжків між великими частинками дрібнішими частинками.

Вологість. Вологість гірських порід – це кількість води, що вміститься на даний момент у порах, тріщинах та інших пустотах порід в природних умовах. Визначається різницею ваги зразка вологої породи і ваги того ж зразка після висушування при 105-110 ⁰С. Розрізняють вагову вологість (W) – процентне відношення ваги води до ваги зразка породи після його висушування; відносну вологість (коефіцієнт водонасичення або ступінь вологості) (G) – ступінь заповнення пор водою (при коефіцієнті водонасичення біля 1 порода представляє собою двофазну систему, що складається з породи і води, при коефіцієнті меншим за 1 порода представляє трифазну систему, що складається з породи, води і повітря); об’ємну вологість (W_об) – відношення об’єму води, що знаходяться в порах до об’єму всієї породи і виражену у процентах.

Розрахунок вагової, відносної і об’ємної вологості здійснюється за формулами:

W = ;

G = ;

W_об = ;

де

g₁ – маса води, г;

g_с – маса абсолютно сухого грунту, г;

γ_п – питома маса грунту, г/см³;

n – пористість;

V_в – об’єм води, см³;

V – об’єм породи, см³.

Вологоємкість. Під вологоємкістю порід розуміємо їх здатність уміщати в своїх порах певну кількість води. Розрізняють повну вологоємкість (W_п.), коли йдеться про таку кількість води, яка відповідає повному насиченню всіх пор у породі водою, і капілярну (W_кап.), коли мова йде про здатність породи удержувати воду тільки в капілярних порах, тоді як решта пор лишаються вільними від води.

У практиці вологоємкими називають такі породи, які мають капілярну вологоємкість. Виходячи з цього всі породи ділять на три групи: вологоємкі породи – торф, глини, суглинки; слабовологоємкі породи – мергелі, рихлі пісковики, супіски, дрібнозернисті піски, лес; невологоємкі – масивні магматичні та осадові породи, галечник, рінь, грубозернистий пісок.

З поняттям вологоємкості зв’язане поняття про природну вологість породи, що характеризує собою ступінь насичення водою породи в природних умовах залягання. У випадку, коли всі пори породи заповнені водою, природна вологість дорівнюватиме повній вологоємкості, а в усіх інших випадках вона буде меншою від неї.

Природна вологість може значно змінювати фізичні властивості порід. Так, наприклад, глина, залежно від ступеня вологості, може знаходитися в твердому, пластичному і текучому стані.

Абсолютно сухих порід у природі немає; усі вони містять у тому чи іншому вигляді воду, яку визначити за зовнішніми ознаками не завжди можливо. Природна вологість, як і вологоємкість, виражається відношенням об’єму води до об’єму всієї породи, або відношенням ваги води до ваги абсолютно сухої породи (висушеної при 105-107 °).

Відносна вологість – це відношення природної вологості до повної вологоємкості, що чисельно дорівнює відношенню об’єму води до об’єму всіх пор у породі.

Водовіддача. Водовіддача – здатність порід, що насичені водою, віддавати гравітаційну воду. Величина її виражається коефіцієнтом водовіддачі – процентним відношенням об’єму води, що витікає з породи, до об’єму породи. Піски, галечники і гравій відрізняються високою водовіддачею, а торф і глина – дуже малою.

Водопроникність. Водопроникністю називають здатність гірської породи пропускати (фільтрувати) воду скрізь свої пори. У великих порах (понад 1 мм у діаметрі) вода переміщується під впливом сили ваги і не зазнає помітного опору від молекулярних сил, а в дрібних порах (капілярних, з діаметром меншим за 1 мм) рух води залежить від капілярних сил і від сил молекулярного притягання. Звідси зрозуміло, що чим більші пори, тим легше вода проходить крізь гірську породу; через капілярні пори вода рухається тим повільніше, чим вужчий капіляр.

Отже ступінь водопроникності породи визначається не абсолютною величиною пористості, а розміром пор. Гірська порода з дуже значною пористістю може бути практично непроникною, як от, наприклад, глина, тимчасом як пісок, що має звичайно меншу пористість, відзначається порівняно високою водопроникністю.

Гірські породи прийнято ділити на три групи щодо ступеня проникності:

- водопроникні (галечник, рінь, пісок, а також сильно тріщинуваті магматичні і зцементовані осадові породи);

- напівпроникні (супіски, суглинки, лесоподібні породи);

- непроникні (глини та зцементовані осадові і магматичні породи, що не мають тріщин).

Водопроникність порід характеризується коефіцієнтом фільтрації (К_ф), що являє собою швидкість руху води за одиницю часу при гідравлічному градієнті, рівному одиниці. Коефіцієнт фільтрації виражається у см/с або м/добу.

Наближені значення коефіцієнта фільтрації різних порід такі:

- глини - <0,001 м/добу;

- суглинки - <0,1 м/добу;

- супіски – 1,0-0,1 м/добу;

- піски – 50,0-1,0 м/добу;

- галечник з піском – 100-20 м/добу.

Породи з коефіцієнтом фільтрації, меншим за 1-2 м/добу вважаються водотривкими.

Капілярність і капілярні властивості порід. Пористість рихлих порід зумовлює здатність до капілярного пересування води у вертикальному та горизонтальному напрямках сполученими порами, які виконують роль капілярних трубок.

Як відомо з фізики, капілярні явища пояснюються дією сил поверхневого натягання, що проявляється між водою і стінками капіляра на межі води і повітря. Це спричиняється до підняття води в капілярній трубці на ту чи іншу висоту. Наближено закон капілярного підняття води в тонких трубках може бути застосований і для рихлих порід. Під впливом капілярних сил вода підіймається вгору сполученими порами в гірській породі, подібно як в скляній капілярній трубці, до певної висоти, яка зветься висотою капілярного підняття і є мірою капілярності породи.

Капілярне підняття часто створює надмірне зволоження порід, з якими будівельникові доводиться боротись, наприклад, при закладанні фундаменту будинку в місцях з неглибоким заляганням підземних вод.

Висота капілярного підняття води залежить від діаметра пор і в’язкості води. Оскільки діаметр пор, що є каналами для пересування капілярної води, залежить від величини частинок, з яких складається порода, то можна вважати, що висота капілярного підняття залежить від розміру частинок. Практично можна вважати, що при величині частинок понад 1-2 мм капілярне підняття відсутнє. Капілярне підняття зменшується із зменшенням в’язкості води (з підвищенням температури).

Капілярне підняття може бути встановлене у польових (природних) або в лабораторних умовах.

У польових умовах можна визначити висоту капілярного підняття у відкритих гірських виробках (шурфах), де можна бачити, що вище понад вільний рівень підземних вод у капілярній зоні гірські породи зволожені і мають темніше забарвлення проти порід , розташованих вище від зони капілярного підняття.

У лабораторних умовах висота капілярного підняття може бути встановлена безпосередньо спостереженням у трубці, наповненій досліджуваною породою (переважно піщаною), або в спеціальних приладах – капіляриметрах.

Маючи дані гранулометричного складу породи та її пористості, можна для підрахунку висоти капілярного підняття використати таку формулу І. Козені, виведеною теоретично:

Н_к=0,446 см,

де Н_к – капілярне підняття;

n – пористість у частках одиниці;

d_еф. – ефективний діаметр.

Гранична висота капілярного підняття для різних порід така:

- пісок грубозернистий – 10-15 см;

- пісок середньозернистий – 30-50 см;

- пісок дрібнозернистий – 80-120 см;

- супісок – 1,5-2,0 м;

- суглинок – 3-6 м;

- глина – до 10-12 м.

Слід мати на увазі, що швидкість капілярного підіймання має максимальну величину в початковий момент, з зростанням піднятого стовпчика води вона поступово зменшується.

Розчинність. Проникаючи крізь найдрібніші пори гірської породи, вода розчиняє мінерали, з яких порода складається. Різні гірські породи виявляють щодо цього різне ставлення до води: одні з них більш розчиняються, інші – менше. Найбільш розчинними є галоїдні солі (кам’яна, калійна), за ними йдуть сірчанокислі породи (гіпс, ангідрит) і далі карбонатні (вапняки, доломіти та ін.). Усі інші породи розчиняються у воді в такій невеликій мірі, що їх можна вважати практично за нерозчинні.

Процес розчинення порід у воді взагалі проходить повільно, але за сприятливих умов, наприклад, при наявності у воді вільної вуглекислоти, підвищенні температури води і збільшенні тиску, він може відбуватись досить енергійно, що часто спостерігається в земній корі. Тому в товщі таких порід, як кам’яна сіль, гіпс, вапняки, крейда, виникають великі порожнини, печери, які в ряді випадків викликають провали поверхні і деформації будинків та споруд.

Методи визначення коефіцієнта фільтрації гірських порід.

Визначення коефіцієнта фільтрації гірських порід можна здійснювати на основі використання емпіричних формул, лабораторних даних і польових дослідів.

Емпіричні формули дозволяють швидко визначити орієнтовно коефіцієнт фільтрації гірських порід на основі даних про їх пористість і механічний склад.

Для визначення коефіцієнта фільтрації пісків з ефективним діаметром частинок, що дорівнює 0,1-3,0 мм, і при коефіцієнті неоднорідності менше 5,0 можна застосувати формули Хазена:

Кф = С (0,70+0,03t^о), м/добу,

де С – емпіричний коефіцієнт, що дорівнює, по О.К.Ланге,

С = 400 + 40 (n – 26);

n – пористість породи, %;

d – ефективний діаметр частинок, мм;

t^о – температура води, ^оС.

Для визначення ефективного діаметру і коефіцієнту неоднорідності необхідно побудувати інтегральну (сумарну) криву механічного складу. Звичайно результати механічного складу лабораторія видає у вигляді стандартної таблиці (табл.).

Дані для побудови сумарної кривої механічного складу породи

Характер-ристики	Размер частинок, мм
	>2,0	2,0-1,0	1,0-0,5	0,5-0,25	0,25-0,10	0,10-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005	>0,005
Вміст фракцій, %	3,6	6,2	20,3	35,2	26,2	4,5	2,8	0,5	0,7
Сумарний вміст фракцій, %	100,0	96,4	90,2	69,9	34,7	8,5	4,0	1,2	0,7

Для побудови сумарної кривої необхідно знати сумарні вмісти фракцій діаметром менше 0,005; 0,01; 0,05; 0,1; 0,25; і т.д. мм. Для цього в таблиці справа наліво ми сумуємо вмісти фракцій і записуємо нижче (під вмістом фракцій, %).

На графіку по осі абсцис відкладаємо логарифми діаметру частинок, по осі ординат – сумарний вміст (рис.).

Рис. Сумарна крива механічного складу породи

Після побудови кривої знаходимо величини ефективного і контролюючого (d_к) діаметрів, тобто розміри частинок, менше котрих в породі вміститься 10 і 60 %. В нашому прикладі d_е = 0,11 мм, а d_к = 0,42 мм. Тепер можна знайти коефіцієнт неоднорідності К_н:

К_н = = = 3,8.

При визначенні коефіцієнта фільтрації гірських порід можна застосовувати і формулу Козені

Кф = 625 d_е,

де n – пористість в долях від одиниці.

В лабораторних умовах частіше всього застосовують трубку Спецгео і трубку КФЗ конструкції Д.І.Знаменського.

Польові досліди дають найбільш надійні результати про фільтраційні властивості порід. Польові досліди полягають в здійсненні відкачок і наливів води в свердловини і шурфи.

Польові дослідні роботи проводяться на стадії досліджень для технічного проекту. Найбільш поширене випробовування порід основи пробними навантаженнями, що дозволяє встановити податливість основи під навантаженням у природних умовах. Дослід здійснюється на відмітці підошви проектованого фундаменту. При мілких закладеннях фундаментів користуються способом, при якому на дні дослідного котловану або шурфу відповідної глибини мурується кладка – дослідний фундамент, поверх якого встановлюється завантажувальна платформа. При глибшому закладенні підошви фундаменту користуються квадратними або круглими чавунними чи залізобетонними штампами різних розмірів. Осадки вимірюються за допомогою двох рейок, що спираються на штамп, або точнішими вимірювальними приладами. За результатами таких випробовувань визначають розрахунковий тиск на основу, що являє собою критичне навантаження, зменшене на коефіцієнт запасу міцності, який береться залежно від відповідальності об’єкту та його конструкції. З результатів пробних навантажень знаходять також модуль загальної деформації порід основи; користуючись ним можна розрахувати осадку споруди. Під модулем загальної деформації в механіці грунтів розуміють відношення тиску до відносно повної зміни довжини зразка (включаючи як пружну, так і залишкову деформацію).

Інженерно-геологічний звіт складається з записки (тексту) і графічних додатків.

Записка поділяється на загальну частину та інженерно-геологічні висновки.

В загальній частині вказують призначення досліджень, з’ясовують методику їх провадження, наводять характеристику кліматичних особливостей району, визначають характер рельєфу будівельної площі, геолого-літологічний розріз, розподіл водоносних горизонтів по вертикалі та їх просторове розміщення. Наводяться результати лабораторних досліджень та дослідних робіт, Описують родовища місцевих будівельних матеріалів. До загальної частини додаються графічні матеріали (карти, розрізи-колонки по типових свердловинах, розрізи в характерних напрямках, графіки тощо) у кількості, достатній для ясного розуміння тексту.

Інженерно-геологічні висновки. Тут подаються кількісні характеристики (показники) фізико-механічних властивостей порід, залежність цих характеристик від ступеня вологості порід, тут же має бути поданий прогноз, які можуть виникнути в породах внаслідок зведення будинку чи споруди. При несприятливих інженерно-геологічних умовах в даному розділі вказуються заходи й обсяги робіт, які треба здійснити до початку будівництва, під час провадження будівельних робіт і в період експлуатації.

Методичні рекомендації до виконання роботи

1. Д|задачі|ДДано:

- інженерно-геологічна характеристика грунтів ділянки (дані буріння по свердловинах|щілинах|) згідно завдання.

2. Потрібно побудувати інженерно-геологічний розріз.

3. Виконання:

- побудова|шикування| інженерно-геологічного розрізу відповідно до варіанту завдання|задавання|.

Інженерно-геологічний розріз в кінцевому вигляді має виглядати наступним чином (рисунки).

Контрольні запитання

1. Методи вивчення небезпечних інженерно-геологічних процесів (моніторинг НЕГП).

2. Характеристика видів і складу робіт при веденні моніторингу зсувних процесів на ділянках I, II, III категорій.

3. Головні заходи щодо запобігання активізації зсувів, карсту, яружної ерозії.

4. Оцінка ураженості території небезпечними геологічними процесами та явищами.

5. Мета, задачі, обсяги інженерно-геологічних досліджень на будівельній площі.

6. Попередні інженерно-геологічні дослідження району.

7. Детальні інженерно-геологічні дослідження на будівельній площі.

8. Основні фізичні і фізико-механічні властивості грунтів і методи їх визначення.

9. Водні властивості гірських порід і методи їх визначення.

10. Методика визначення питомої і об’ємної ваги грунту.

11. Методика визначення консистенції глинистих грунтів.

12. Методика визначення набрякання, усадки і просадки грунту.

13. Методика визначення липкості, водоміцності, розчинності і розмивання грунту.

14. Методика визначення стійкісті грунту до вивітрювання.

15. Методика визначення стисливості глинистих грунтів.

16. Методика визначення опору породи зрушуючим зусиллям.

17. Методика визначення куту природного укосу.

18. Методика визначення стійкості вільних укосів і схилів, складених зв'язаними грунтами.

19. Методика визначення суфозії і пливунності грунтів.

20. Методика визначення пористості грунтів.

21. Методика визначення вологості грунтів.

22. Методика визначення водопроникності грунтів.

23. Методика визначення капілярності грунтів.

24. Методика визначення вологоємкості грунтів.

25. Методика визначення коефіцієнта фільтрації гірських порід.

26. Методика проведення польових дослідних робіт.

27. Склад іженерно-геологічного звіту.