Вопрос 79. Полевые опытные работы

Они выполняются с целью получения более достоверных и надежных данных, характеризующих физико-механические свойства горных пород и водные свойства водоносных горизонтов. В практике инженерно-геогических изысканий полевые опытные работы выполняются:

1. для сравнительной сжимаемости деформационных свойств горных пород методом пробных нагрузок;

2. деформационых свойств горных пород в скважинах с применением прессиометра;

3. просадочности лессовидных пород методом пробных нагрузок;

4. сопротивление горных пород сдвигу по методу плоского сдвига;

5. сопротивление горных пород сдвигу в скважине с применением лопастных приборов;

6. сопротивление горных пород сдвигу методом выдавливания и раздавливания целиков горных пород;

7. плотности и прочности горных пород методом статического зондирования (усилие необходимое для задавливания зонда);

8. плотность и прочность горных пород методом динамического зондирования (зонд погружается ударами стандартного груза, падающего с определенной высоты по числу ударов).

За последние годы большое распространение получило изучение грунтов в полевых условиях (опытные работы), непосредственно в условиях их естественного залегания. Это сокращает количество разведочных выработок, объем лабораторных работ, а в ряде случаев дает возможность определять сжимаемость и другие свойства с точностью большей, чем при лабораторных работах. В состав опытных полевых работ входят опыт­ные нагрузки в шурфах, прессиометрия, зондирование, опыты по опре­делению коррозирующего действия грунтов и др.

Опытные нагрузки в шурфах, и скважинах, проводят при проектировании ответственных сооружений для получения надежных характе­ристик сжимаемости грунтов. На жесткий штамп, устанавли­ваемый на дне шурфа (или скважины), передают различное удельное давление с помощью домкратов или тарированных грузов.

На основании наблюдений строят графики зависимости осадки штампа от нагрузки S = f(Р) и по этим данным оценивают степень сжимаемости грунтов. Разновидностью штамповых испытаний является ме­тод прессиометрии. Сущность скоростного (в отличие от длительных опытных нагрузок) метода состоит в обжатии и деформировании грунта в стенках скважины. По величине этих деформаций определяют показатели сжимаемости грунтов. Прессиометрию применяют для определения деформационных и прочностных свойств песчано-глинистьгх и щебенисто-глинистых пород в буровых скважинах.

Метод заключается в измерении осадки грунта, вскрытого в стенках скважи­ны, под действием давления. В скважину на требуемую глубину опускают снаряд прессиометра с эластичны­ми стенками, разделенный на три камеры: рабочую и две вспомогательные. Затем прикладывают нагрузку на эластичные стенки снаряда и измеряют деформации породы. Изме­рение деформаций проводят при испы­таниях по схеме быстрого нагружения – через 10 с, по схеме медленного нагру­жения – через 1 мин. до наступления ус­ловной стабилизации.

Величину ступеней нагружения при­нимают в зависимости от консистенции пород.

Общее число ступеней нагружения должно быть не менее 6-8; конечная ступень – на 25-50% меньше предыду­щей, при которой был получен резкий скачок в приросте деформаций.

Определение сопротивления гор­ных пород сдвигу методом выдавли­вания и раздавливания целиков горных пород.

После проведения испытаний при разных вертикальных нагрузках строят диаграмму сдвига:

ϵ=f (P), где ϵ - сдвигающее напряжение; Р – вертикальная нагрузка. Величину сцепления и угол внутреннего трения находят по диаграмме сдвига.

Зондирование, или пенетрацию, выполняют для изучения состава и свойств песчано-глинистых пород на глубину 15-20 м и более без бурения скважины. Сущность метода заключается в определении сопротивления проникновению в грунт металлического наконечника (зонда) в виде конуса, имеющего диаметр до 74 мм и угол при вершине 60°.

Зондирование дает представление о плотности и прочности грунтов на той или иной глубине и характеризует изменение их в вертикальном разрезе.

По способу по­гружения наконеч­ника различают зон­дирование динами­ческое и статичес­кое. При динами­ческом зондирова­нии зонд погружают ударами стандарт­ного груза, падаю­щего с определенной высоты. Плотность и прочность грунтов характеризуется числом учаров, необходимых для забивания зонда на определенную глубину, или глубиной погружения конуса (9 см) от определенного числа ударов.

При статическом зондировании фиксируют усилие, необходимое для задавливания зонда при помощи гидравлического домкрата. Развиваемое домкратом усилие измеряется манометром. Помимо этого, зонд снабжается датчиком, который позволяет 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. По характеру расположения кривых геолог может дать интерпретацию состава и глубины залегания отдельных пластов пород. Если зондирование охватывает целые площади, то строят профили и карты.

В практике изысканий широкое распространение получил скоростной пенетрационно-каротажный метод (статическое зондирование, совмещенное с радиоактивным каротажем). На рис приведена принципиальная схема работы станций. Эта станция обеспечивает исследование свойств горных пород путем од­новременного измерения их плот­ности и прочности по сопротивле­ниям, оказываемым погружению зонда, а также плотности и влаж­ности горных пород ядерными методами. Как видно на схеме, измерительный зонд, содержащий источник излучения, навинчива­ют на колонну штанг. С помощью гидравлического устройства его погружают в толщу пород, а уси­лие, затраченное на это погруже­ние, регистрируют. В процессе погружения зонда интенсивность излучения нейтронов и гамма-частиц регистрируется и по кабелю передается на пульт наземной регистрирующей аппаратуры, которая за­писывает поступающую информацию в виде непрерывной диаграммы. Пенетрационно-каротажный метод в нес­колько раз снижает стоимость инженерно-геологических изысканий. Производительность самоходной станции-150 м/смен.

В иловатых и мягкопластичных глинах сопротивление сдвигу определяют сдвигометром – крыль­чаткой. Прибор состоит из четырехлопастной крыльчатки, штанги и измерительного устройства.

Крыльчатка штангой вдавливается в грунт ниже обреза обсад­ной трубы, а затем поворачивается. Этот метод испытания основан на измерении 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 раз меры крыльчатки, можно вычислить угол внутреннего трения (ф) и удельное сопротивление (С). Такие испытания для одного слоя породы повторяют в одной скважине несколько раз, постепенно углубляя скважин Испытания грунта лопастными приборами можно вести до глубины 15 -20 м. Лопастные приборы позволяют косвенно определить и сжимаемости грунта.

Определение физико-механических характеристик грунтов по результатам статического и динамического зондирования следует производить на основе их корреляционных зависимостей с характеристиками, полученными прямыми методами.